閆坦坦，石園園

（上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海201306）

0 引言

目前缺水地區(qū)獲取淡水資源的方法主要有長(zhǎng)途運(yùn)輸、海水淡化、空氣取水［1］等。由于空氣取水可以利用低品質(zhì)能源作為熱源且不受水源等因素的影響而日益成為研究熱點(diǎn)。太陽(yáng)能吸附式空氣取水是通過(guò)吸附劑在一個(gè)大氣壓的濕環(huán)境下吸附水蒸氣，并利用太陽(yáng)能脫附制取液態(tài)淡水，影響其制水效率的主要因素為復(fù)合吸附劑的開(kāi)式吸附性能，即吸附劑吸附空氣中水蒸氣的吸附能力［2］。分子篩是硅酸鹽的一種，對(duì)水蒸氣有很高的吸附量。分子篩分為合成分子篩和天然分子篩兩大類，合成分子篩的價(jià)格較貴，但導(dǎo)熱性能比天然分子篩好。常用的這類吸附材料有13X、3A、4A和5A。據(jù)研究，其中13X的吸附性能較好，在太陽(yáng)能及工業(yè)廢熱利用等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。趙惠忠［3］等將多壁碳納米管嵌入13X／MgCl2制成復(fù)合吸附劑并研究其吸附性能。Chan等［4－5］在復(fù)合吸附劑 13X／CaCl2中加入 MWCNT，用理論模型預(yù)測(cè)了固體成型的復(fù)合材料吸附劑的熱導(dǎo)率，并對(duì)其進(jìn)行了吸附性能的測(cè)試和在不同溫度下的導(dǎo)熱性能測(cè)試。

目前復(fù)合吸附劑存在開(kāi)式吸附性能較低、吸附性能不穩(wěn)定等問(wèn)題，影響了太陽(yáng)能空氣制水的產(chǎn)水率。本文基于以往研究的基礎(chǔ)，通過(guò)在13X沸石原粉／CaCl2中加入一定濃度的硅溶膠，制備成復(fù)合吸附劑，并對(duì)該復(fù)合吸附劑的開(kāi)式吸附性能進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，以期將該復(fù)合吸附劑用于太陽(yáng)能空氣制水管獲取淡水，提高產(chǎn)水效率。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 原材料

制備復(fù)合吸附劑所用原材料主要包括13X沸石原粉、CaCl2粉末、30%硅溶膠溶液及去離子水。13X沸石原粉選自廊坊亞太龍興化工有限公司；CaCl2粉末是由國(guó)藥集團(tuán)生產(chǎn)的無(wú)水氯化鈣，其相對(duì)密度為 2.15，熔點(diǎn)為 775℃，沸點(diǎn)為1935.5℃。

1.2 制備過(guò)程

（1）將盛放于燒杯中的13X沸石原粉，加熱至300℃，并恒溫至其質(zhì)量不再減少，除去沸石原粉當(dāng)中的水蒸氣和其它雜質(zhì)。

（2）將13X沸石原粉放在隔絕空氣的室溫下冷卻至常溫，分別稱取3份13X沸石原粉100g，密封保存，并用去離子水配制35%濃度的CaCl2溶液備用。

（3）分別取0g、3.5g、7.0g的30%的硅溶膠溶液三份、取200gCaCl2溶液三份加入到備用的13X沸石原粉中，均勻攪拌至糊狀，靜置沉淀24h。

（4）將復(fù)合后的三組試樣A、B、C放置于烘箱中預(yù)烘干4h（烘箱溫度70℃），然后將每組試樣用鐵棒插6～7個(gè)通道。

（5）再將處理好的三組試樣放入烘箱中，并設(shè)置烘箱溫度為240℃活化，至質(zhì)量不再變化。

（6）將干燥活化的三組試樣放入真空罐中，在外部加熱的情況下進(jìn)行抽真空，然后密封冷卻至室溫備用。復(fù)合吸附劑配置參數(shù)如下表1。

表1 復(fù)合吸附劑參數(shù)

這種制備出的復(fù)合吸附劑A、B、C不僅能利用原有孔隙結(jié)構(gòu)吸濕，而且能夠通過(guò)固化強(qiáng)化吸濕效果。但是進(jìn)一步開(kāi)發(fā)成為產(chǎn)品，以上的配制工藝還需要細(xì)化。例如：濃度配置、浸漬時(shí)間、干燥活化時(shí)間等等都需要在今后的實(shí)驗(yàn)研究中進(jìn)一步的確定。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程概述

本次研究分三次進(jìn)行，共設(shè)置9組試樣。從2017年8月2日上午8：00開(kāi)始至2017年8月7日上午10：00結(jié)束，期間共進(jìn)行三次復(fù)合吸附劑的配置。測(cè)試過(guò)程控制相同的空氣相對(duì)濕度50%RH，脫附環(huán)境均為240℃，實(shí)驗(yàn)溫度工況選取太陽(yáng)能空氣取水過(guò)程中最常見(jiàn)環(huán)境溫度條件進(jìn)行試驗(yàn)研究，分別選取了20℃、30℃、40℃。

1.4 實(shí)驗(yàn)建立及測(cè)試

復(fù)合吸附劑的吸附性能測(cè)試（包括吸附量和吸附速率）在恒溫恒濕箱中完成。恒溫恒濕箱選自上海恒一科學(xué)儀器有限公司。主要性能參數(shù)如下：溫度范圍：－10～100℃；溫度分辨率：±1℃；濕度范圍：35%～95%；濕度分辨率：±1%。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，吸附劑在烘箱中進(jìn)行脫附，脫附溫度為240℃，持續(xù)時(shí)間8h。為模擬實(shí)際環(huán)境工況并保持其參數(shù)穩(wěn)定，吸附劑在恒溫恒濕箱中進(jìn)行吸附，吸附溫度分別為20℃、30℃、40℃，相對(duì)濕度保持50%不變。恒溫恒濕箱中放置一個(gè)電子天平，用來(lái)測(cè)試吸附劑的重量變化。電子天平的量程為500g，精度為0.01g。實(shí)驗(yàn)中采用防擾動(dòng)的軟膠隔簾，并配以測(cè)試操作孔，減少測(cè)試過(guò)程中開(kāi)門(mén)測(cè)量環(huán)境空氣對(duì)恒溫恒濕箱內(nèi)的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 20℃時(shí)固化復(fù)合吸附劑開(kāi)式吸附性能

圖1為固化復(fù)合吸附劑A、B、C在吸附環(huán)境溫度為20℃，相對(duì)濕度為50%RH時(shí)，三種復(fù)合吸附劑開(kāi)式吸附過(guò)程吸附量的變化圖，整個(gè)吸附過(guò)程在恒溫恒濕箱中進(jìn)行。當(dāng)吸附過(guò)程趨于平衡時(shí)，復(fù)合吸附劑A的平衡吸附量最高達(dá)到6.71g／100g，復(fù)合吸附劑B的平衡吸附量為7.35g／100g，復(fù)合吸附劑C的平衡吸附量為8.05g／100g，即相同條件下，隨著加入的30%的硅溶膠量的增加，復(fù)合吸附劑的吸附性能也隨之增加。

2.2 30℃時(shí)固化復(fù)合吸附劑開(kāi)式吸附性能

圖2為當(dāng)吸附環(huán)境溫度控制在30℃，相對(duì)濕度仍為50%時(shí)，三組復(fù)合吸附劑A、B、C的吸附量變化圖。當(dāng)吸附過(guò)程趨于平衡時(shí)，復(fù)合吸附劑A的平衡吸附量達(dá)7.12g／100g，復(fù)合吸附劑B的平衡吸附量為7.55g／100g，復(fù)合吸附劑C的平衡吸附量達(dá)9.12g／100g。與20℃時(shí)的吸附性能相比，30℃時(shí)的吸附性能有所提高。

2.3 40℃時(shí)固化復(fù)合吸附劑開(kāi)式吸附性能

圖3為當(dāng)吸附環(huán)境溫度控制在40℃，相對(duì)濕度仍為50%時(shí)，三組復(fù)合吸附劑A、B、C的吸附量變化圖。當(dāng)吸附過(guò)程趨于平衡時(shí)，復(fù)合吸附劑A的平衡吸附量達(dá)7.62g／100g，復(fù)合吸附劑B的平衡吸附量為9.57g／100g，復(fù)合吸附劑C的平衡吸附量最高達(dá)10.33g／100g。與20℃、30℃時(shí)的吸附性能相比，40℃時(shí)的吸附性能相對(duì)較好。且隨著加入的30%的硅溶膠量的增加，復(fù)合吸附劑的吸附性能也隨之增加。

圖1 在20℃時(shí)吸附劑吸附量

圖2 在30℃時(shí)吸附劑吸附量

圖3 在40℃時(shí)吸附劑吸附量

圖4 加入0.0%的硅溶膠時(shí)吸附劑吸附量

圖5 加入3.5%的硅溶膠時(shí)吸附劑吸附量

2.4 同種固化復(fù)合吸附劑開(kāi)式吸附性能

圖4 、圖5、圖6為當(dāng)吸附環(huán)境相對(duì)濕度為50%，對(duì)應(yīng)加入相同量硅溶膠時(shí)，溫度控制三組復(fù)合吸附劑A、B、C的吸附量變化圖。由圖可知，在控制相同硅溶膠量，隨著溫度的升高，固化復(fù)合吸附劑的吸附性能也隨之增加，在控制加入7.0%的硅溶膠量，溫度達(dá)到40℃時(shí)，固化復(fù)合吸附劑C的平衡吸附量最大，達(dá)到10.33g／100g，相比相同條件下，單一的13X沸石原粉和CaCl2溶液復(fù)合的吸附劑A的平衡吸附量7.62g／100g，其平衡吸附量提高了36%左右。

圖6 加入7.0%的硅溶膠時(shí)吸附劑吸附量

3 結(jié)論

基于提升復(fù)合吸附劑的開(kāi)式吸附性能的目的，通過(guò)在單一的13X沸石原粉和CaCl2溶液復(fù)合的吸附劑A中加入不同量相同濃度硅溶膠溶液，得到固化復(fù)合吸附劑C，與同規(guī)格復(fù)合吸附劑A做平行試樣對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：

（1）相同溫、濕度條件下，隨著硅溶膠含量的增加，固化復(fù)合吸附劑的吸附性能逐漸增加。

（2）在吸附環(huán)境溫度控制在 40℃，加入7.0%的硅溶膠，相對(duì)濕度為50%的狀態(tài)下，復(fù)合吸附劑C的平衡吸附量時(shí)達(dá)到最大，與單一的復(fù)合吸附劑A的平衡吸附量7.62g／100g相比，其平衡吸附量提高了36%左右。

（3）加入硅溶膠量相同、吸附濕度相同時(shí)，隨著吸附溫度的升高，固化復(fù)合吸附劑的吸附量也逐漸增加。

參考文獻(xiàn)：

［1］趙惠忠.太陽(yáng)能吸附制冷管光熱利用 ［M］.上海：上海浦江教育出版社，2015.1.

［2］ Janchen J， Herzog T H， Gleichmann K， et al.Performance of an open thermal adsorption storage system with Linde type A zeolites：Beads versus honeycombs［J］.Microporous and Mesoporous Materials，2015，207：179－184.

［3］趙惠忠，程俊峰，唐祥虎，等.多壁碳納米管嵌入13X／MgCl2復(fù)合吸附劑的性能實(shí)驗(yàn) ［J］.化工學(xué)報(bào).2017，68（5）：1860－1865.

［4］CHAN K C，CHAO CY H，A theoreticalmodelon the effective stagnant thermal conductivity of an adsorbent embedded with a highly thermal conductivematerial［J］.International Journal HeatMass Transfer，2013，65（5）：863－872.

［5］CHAN K C，CHAO C Y H，C.L.Wu.Measurement of properties and performance prediction of the new MWCNT－embedded zeolite 13X／Cacl2composite adsorbent.［J］International Journal of Heat and Mass transfer.2015，89，308－319.