[发明专利]基于液体表面电磁波吸收结构膜的高效液体蒸发方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳米结构的应用技术领域，通过利用浮于液体表面微纳米结构膜的光热转换来进行液体蒸发，达到提高液体蒸发效率，以及节省原材料和能源的目的。

背景技术

提高蒸发过程的能量转换效率对很多工业应用领域都非常关键。比如在热发电厂，有效的蒸发过程可以提高发电效率；在导热管和均热板中，高效的蒸发过程可以增强热传输系统中相变材料的相变过程；在灭菌过程中，高效挥发速度可大大减少医疗器械被微生物污染的可能性；在蒸馏过程中，有选择性的挥发可以提高蒸馏分选效率。

在现有的蒸发技术中，加热液体所需要的热量通常是来源于容器的底部。在这一过程中，外加热源提供足够的热量使整个液体的温度达到沸点以上，液体产生气泡并且气泡向液气界面运动，最终蒸汽逃逸到外围环境中。在这一过程中，很大一部分热量用于加热液体和容器以及产生对流，因此热量的利用率极低。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于液体表面电磁波吸收结构膜的高效液体蒸发方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于液体表面电磁波吸收结构膜的高效液体蒸发方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)电磁波吸收结构膜的制备：将具有电磁波吸收特性的金属或其合金或非金属无机物的微纳米结构制备成电磁波吸收结构膜；

(2)利用电磁波吸收结构膜的光热转换进行液体蒸发：将电磁波吸收结构膜移到待蒸发液体的液面上，使其浮于液体表面，当电磁波照射到该电磁波吸收结构膜时，电磁波吸收结构膜的吸收电磁波，并将其转化为热能，这时，液体会在结构膜周围汽化生成汽泡。随着电磁辐射时间的延长，汽泡的直径变大直至破裂而释放其中的水蒸汽。由于该膜对液面的局部加热作用，因此所产生的热量主要集中在有蒸汽产生的局部表面，而不是用来加热液体或容器。同时，由于液体上层温度较高，对流很弱，这也很大程度上减少了热能的浪费。综上所述，该技术的热能利用率高，提高了蒸汽的制备效率。随着液体的汽化，电磁波吸收结构膜和加热区域都会随着液面的下降而下降，从而保证液体汽化的持续性。

所述的具有电磁波吸收特性的金属包括铜，铝或金等；所述的非金属无机物包括碳，氧化铝或氮化硅等。

所述的电磁波吸收结构膜是通过自组装、涂膜或提拉等工艺制得。

所述的自组装工艺步骤如下：将具有电磁波吸收特性的金属或其合金或非金属无机物的微纳米结构单元均匀分散至溶剂中(重量浓度0.1％-20％)，通过改变结构单元的稳定性，如减少表面电荷(通过与带相反电荷离子结合以减少表面电荷)等，使结构单元在液面实现可控的自组装。通过液体间转移将所组装的电磁波吸收结构膜转移至所需蒸发液体的表面。所述的溶剂为水或水与乙醇的混合液。

所述的涂膜工艺步骤如下：将具有电磁波吸收特性的金属或其合金或非金属无机物的微纳米结构单元均匀分散至溶剂中(重量浓度0.1％-20％)，通过可控旋涂装置在有牺牲层的固体表面形成电磁波吸收结构膜。通过去除牺牲层将该膜转移至所需蒸发液体的表面。所述的有牺牲层的固体为金属氧化物或可溶性聚合物；所述的溶剂为水，乙醇或甲苯。

所述的拉伸工艺步骤如下：将具有电磁波吸收特性的金属或其合金或非金属无机物的微纳米结构单元均匀分散至溶剂中(重量浓度0.1％-20％)，通过可控提拉装置在有牺牲层的固体表面形成电磁波吸收结构膜。通过去除牺牲层将该膜转移至所需蒸发液体的表面。所述的有牺牲层的固体为金属氧化物或可溶性聚合物；所述的溶剂为水，乙醇或甲苯。

所述的微纳米结构是通过以下方法制得：在自组装，旋涂，或提拉的过程中，通过控制结构单元的形貌(如球形，柱状，多边形等)，大小(1纳米-500微米)来控制形成微纳米结构。

所述的电磁波为激光波，可见光波，太阳光，红外光波，微波。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)采用微纳米结构的电磁波吸收效应将光能转化为热能，转化效率极高，可接近100％。

(2)本方法由于电磁波吸收结构膜产生的热量主要集中在液体蒸发区域，而不是用来加热液体或容器，因而热量的利用效率可大为提高。

(3)电磁波吸收结构膜及其加热区域随着液面的变化而变化，可保证蒸发过程的持续有效地进行。

附图说明

图1为等离子体金膜的扫描电镜图；

图2为蒸发量随时间的变化关系图；

图3为在2W激光照射下的等离子体金颗粒膜和金颗粒溶液的蒸发速度。

具体实施方式