黃群武田作旭王一平

(1.天津大學(xué)化工學(xué)院,天津 300350; 2.天津大學(xué)建筑學(xué)院,天津 300072)

我國沿海地區(qū),有很多鹽場,通過圈圍海水的方式,在太陽下暴曬,使水分蒸發(fā)掉,逐漸結(jié)晶形成固態(tài)的鹽。這種曬鹽的方法雖然成本低,但是效率也低,同時(shí),需要占用較多的土地。提高曬鹽效率,則可節(jié)省出部分土地,對(duì)于緩解目前日益緊張的土地資源具有重要的意義。

2014年,麻省理工學(xué)院Chen課題組率先提出高效界面蒸發(fā)的概念[1]。將充分吸收的太陽能熱局限在汽-液界面,有效提高了太陽能轉(zhuǎn)化效率。界面光蒸汽轉(zhuǎn)化的主要機(jī)制包括:光吸收、熱管理和水輸送[2]。在之后的研究中,界面光蒸汽系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多樣化的趨勢,其中比較典型的是雙層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。在雙層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中,上層結(jié)構(gòu)吸收太陽能轉(zhuǎn)化為熱,并將水轉(zhuǎn)化為蒸氣;下層結(jié)構(gòu)不斷的將水輸送至上層,同時(shí)抑制上層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的熱量向周圍的水體擴(kuò)散。

自高效界面蒸發(fā)的概念提出后,研究人員進(jìn)行了相關(guān)研究,進(jìn)行高效吸光材料的開發(fā)和新型蒸發(fā)系統(tǒng)的構(gòu)建。Zhang[3]設(shè)計(jì)出還原氧化石墨烯和絲織物組成的新型裝置,300～2 500 nm的波長范圍內(nèi)表現(xiàn)出高光吸收,帶有絕熱體(聚乙烯泡沫)的系統(tǒng)在一個(gè)太陽照射下顯示出非常高的光熱性能。Xuan等[4]使用涂覆有聚多巴胺的棉線作為光熱轉(zhuǎn)換層,其蒸發(fā)表面與水體隔離。棉線的強(qiáng)芯吸效應(yīng)能夠?qū)⒋罅康乃焖俎D(zhuǎn)移到位于水體以上9 cm的蒸發(fā)表面。Li等[5]設(shè)計(jì)了利用木材中的跨平面納米級(jí)通道輸送水的蒸發(fā)系統(tǒng),還有著良好的隔熱效果。Xu等[6]開發(fā)了一種折紙作為基于日常鉛筆和紙張的光熱材料,用于緊急情況下的太陽能水凈化,它有著近乎免費(fèi)成本,簡便制造和高效率設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn),但是沒有考慮鹽分聚集的影響,也無法長期使用。Liu等[7]提出了一種自驅(qū)動(dòng)的耐鹽材料,即黑金納米粒子沉積海綿(BDS),用于高效、無鹽和耐用的太陽能海水淡化,但是材料的制備繁瑣,成本較高。Ren等[8]采用氣相沉積的方法,制備出等離子體增強(qiáng)的具有連續(xù)孔隙率的分層石墨烯泡沫,結(jié)果表明其顯著增強(qiáng)了吸收帶寬,并具有對(duì)太陽光的全向吸收,但是材料不易獲得,成本偏高。Zhao等[9]合成了基于聚乙烯醇(PVA)和聚吡咯(PPy)的分層納米結(jié)構(gòu)凝膠(HNG),該凝膠可用作獨(dú)立的太陽能蒸汽發(fā)生器,有著3.2 kg·m-2·h-1的蒸發(fā)速率和94%的能效,但同樣的,這種凝膠制備比較繁瑣,不易獲得,成本偏高。Zhou等[10]設(shè)計(jì)出一種等離子體增強(qiáng)的太陽能脫鹽器件,該器件是將鋁納米顆粒自組裝成三維多孔膜而制成的,其脫鹽效果顯著,所使用材料成本較低,來源廣泛,但相對(duì)于可直接采購的工業(yè)材料,其成本和易得性仍然不占優(yōu)勢。Hu等[11]開發(fā)了精制氧化石墨烯氣凝膠,并摻入碳納米管和藻酸鈉提高光吸收性和親水性,所得的氣凝膠掃描可在單光照射下實(shí)現(xiàn)高效(約83%)的太陽蒸汽產(chǎn)生,但是合成性能良好的氣凝膠工序比較復(fù)雜,成本和便捷性不具備優(yōu)勢。

本論文選擇幾種低成本材料構(gòu)建具有雙層結(jié)構(gòu)的太陽能水分蒸發(fā)系統(tǒng),考察雙層結(jié)構(gòu)的不同組合、光熱轉(zhuǎn)換層厚度和突出水面高度對(duì)水界面高效蒸發(fā)過程中水分蒸發(fā)量和熱效率的影響,優(yōu)化出最適宜組合和蒸發(fā)條件,并探究了鹽分聚集對(duì)雙層結(jié)構(gòu)蒸發(fā)性能的影響,為解決鹽場高效、低成本曬鹽提供一種新的思路。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與裝置

實(shí)驗(yàn)采用的模擬太陽能光源為長弧氙燈,經(jīng)測定其在蒸發(fā)材料正上方約0.5 cm處的輻照強(qiáng)度為1 000 W·m-2。使用的測溫儀為臺(tái)灣衡欣AZ88598高精度4通道K型溫度SD卡記錄器,精度可以達(dá)到0.1 ℃。使用的電子天平為Sartorious電子天平,精度為0.1 mg。光反射率和光透射率測試采用Perkin Elmer公司生產(chǎn)的紫外可見光近紅外分光光度計(jì)。

本研究選用4種多孔材料:活性炭過濾棉、百潔布、不銹鋼燒結(jié)網(wǎng)和海綿,它們的材料組成如下:1)活性炭過濾棉是在聚氨酯泡棉上負(fù)載粉狀活性炭制成,其含碳量在35%～50%左右,體積密度小,比表面積大,吸附效率高。2)百潔布的主要成分為尼龍和碳化硅,由無紡布工藝制成,構(gòu)成開放式多孔結(jié)構(gòu)。3)不銹鋼燒結(jié)網(wǎng)是采用多層金屬絲編織網(wǎng),通過特殊的疊層壓制與真空燒結(jié)等工藝制造而成,具有較高機(jī)械強(qiáng)度和整體鋼性的一種新型過濾材料。4)海綿是由發(fā)泡聚氨酯制成的多孔材料。4種材料實(shí)物圖見圖1。

圖1 4種材料實(shí)物圖Fig.1 Physical chart of four materials

幾種材料包含主要材質(zhì)的熱導(dǎo)率和密度比較見表1。

表1 幾種材質(zhì)的熱導(dǎo)率和密度Table 1 Thermal conductivity and density of the materials

利用氙燈來模擬太陽光,氙燈本身需要風(fēng)冷散熱,為了排除風(fēng)對(duì)水分蒸發(fā)的影響,在氙燈下方放置一塊高白玻璃板,圖2為太陽能水界面蒸發(fā)裝置示意圖和實(shí)物圖。模擬海水由食鹽和蒸餾水配制而成。

圖2 太陽能水界面蒸發(fā)裝置Fig.2 Device of solar-water interface evaporation

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

太陽能的熱效率使用式(1)來計(jì)算[12]:

式(1)中:m為穩(wěn)定狀態(tài)下的水分蒸發(fā)速率;qin為蒸發(fā)表面入射太陽輻照度,1 000 W·m-2;h1v為蒸發(fā)水的總焓,包含顯熱焓和潛熱焓,按式(2)計(jì)算:

式(2)中:λ1v是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的蒸發(fā)潛熱,2 257 kJ·kg-1,Cp是水的比熱容,4.2 kJ·kg-1·K-1;ΔT是水的溫升。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 雙層結(jié)構(gòu)組合的選擇

由于海綿(發(fā)泡聚氨酯)的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于其他3種材料,作為輸水通道的濕態(tài)海綿仍然有著比較低的熱導(dǎo)率,其作為雙層結(jié)構(gòu)的下層能更有效防止熱量的散失,并且海綿密度低于水,使雙層結(jié)構(gòu)成為漂浮體。

為了比較不同材料的光吸收能力,利用紫外可見光近紅外分光光度計(jì)測試出活性炭過濾棉、百潔布和不銹鋼燒結(jié)網(wǎng)的光透過率和光反射率,從而得到光吸收率數(shù)據(jù),整理后如圖3所示。

由圖3可知,在200～2 500 nm波長范圍,活性炭過濾棉有著最好的光吸收性能,其平均光吸收率可以達(dá)到97.1%。

為了比較4種材料的親水性,分別在材料正中滴加3滴蒸餾水,5 s后觀察記錄水的浸潤狀態(tài),如圖4所示。

由圖4可知,海綿、活性炭過濾棉和百潔布在5秒內(nèi)均能被蒸餾水良好浸潤,而不銹鋼燒結(jié)網(wǎng)上蒸餾水仍然呈現(xiàn)珠狀,表明海綿、活性炭過濾棉和百潔布親水性良好,而不銹鋼燒結(jié)網(wǎng)親水性較差。

為了比較不同材料組合對(duì)水分蒸發(fā)的影響,以海綿為下層,分別以活性炭過濾棉、不銹鋼燒結(jié)網(wǎng)和百潔布為上層(海綿上平面與水面平齊),進(jìn)行蒸發(fā)實(shí)驗(yàn),獲得水分蒸發(fā)量的變化曲線,如圖5所示。

圖5 不同組合蒸發(fā)效果比較Fig.5 Comparison of evaporation effects of different combinations

由圖5可得,活性炭過濾棉作為上層結(jié)構(gòu)時(shí)有著最好的蒸發(fā)效果,其原因可能是:活性炭過濾棉的光吸收性和親水性都很好[13],因此活性炭過濾棉表現(xiàn)最好。

同時(shí),活性炭過濾棉的主體部分也是發(fā)泡聚氨酯(與海綿材料一致),雙層結(jié)構(gòu)之間的水分輸送效果會(huì)更好。因此,雙層結(jié)構(gòu)選擇活性炭過濾棉-海綿組合。

2.2 雙層結(jié)構(gòu)對(duì)純水蒸發(fā)的研究

為了定量獲得雙層結(jié)構(gòu)對(duì)水分蒸發(fā)的強(qiáng)化效果,對(duì)純水物系,考察有/無雙層結(jié)構(gòu)對(duì)太陽能水分蒸發(fā)的影響(海綿上表面與水面平齊)。在光源照射后,每隔30 min測量水分蒸發(fā)裝置的質(zhì)量變化,結(jié)果見圖6。

圖6 有/無雙層結(jié)構(gòu)對(duì)蒸發(fā)的影響Fig.6 Effect of evaporation with or without double-layer structure

相比對(duì)照組,具有活性炭過濾棉-海綿雙層結(jié)構(gòu)的太陽能水分蒸發(fā)系統(tǒng)有著更高的蒸發(fā)量;計(jì)算表明雙層結(jié)構(gòu)可使水分蒸發(fā)量增加了37.5%。

為了解釋其強(qiáng)化機(jī)理,測量了水分蒸發(fā)裝置不同位置的溫度變化,其中實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的水體溫度測溫位置為雙層結(jié)構(gòu)正下方1.5 cm處,水體體積為150 mL,最終結(jié)果見圖7。

圖7 蒸發(fā)過程各部分溫度變化Fig.7 Temperature change of various parts in the evaporation process

由圖7可知,在雙層結(jié)構(gòu)太陽能水分蒸發(fā)系統(tǒng)中,黑色的活性炭過濾棉層溫度在短時(shí)間內(nèi)迅速升高,之后趨于平緩。海綿層和水主體的溫度則是緩慢升高,海綿層的溫度略高于水主體的溫度。對(duì)照組的水體的溫度也是緩慢升高,但比雙層結(jié)構(gòu)太陽能水分蒸發(fā)系統(tǒng)的水體溫度升高略快。上述結(jié)果表明,黑色活性炭過濾棉具有較好的光吸收能力,將光能轉(zhuǎn)化為熱能,加熱黑色活性炭過濾棉中的水,同時(shí)還通過熱傳導(dǎo)的方式向海綿層傳熱,由于海綿層有著較好的隔熱效果,使得海綿內(nèi)及海綿下面主體的水溫與黑色活性炭過濾棉中的水溫相差較大。

因此,由于雙層結(jié)構(gòu)的存在,光能產(chǎn)生的熱能主要用于加熱局部的水體,使其獲得了較高的水溫,加快了水分的蒸發(fā)。

2.3 活性炭過濾棉厚度的影響

為了優(yōu)化活性炭過濾棉的厚度,分別采用1、2和3層活性炭過濾棉進(jìn)行蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)(海綿上平面與水面平齊),3種情況對(duì)比如圖8。

圖8 活性炭過濾棉層數(shù)的影響Fig.8 Effect of the number of activated carbon filter cotton layer

雙層結(jié)構(gòu)太陽能水分蒸發(fā)系統(tǒng)在不同活性炭過濾棉厚度下的蒸發(fā)效果強(qiáng)弱為:1層＞2層＞3層。其原因可能是:雖然活性炭過濾棉為多孔物質(zhì),太陽光對(duì)其穿透距離較小,光熱轉(zhuǎn)換主要集中于光熱轉(zhuǎn)化材料的表層,在光熱吸收面積不變的情況下,活性炭過濾棉厚度增加,反而增加了水分的輸送距離,最終使得水分蒸發(fā)速率下降。

2.4 海綿突出水面距離的影響

在海綿突出水面不同距離下,考察純水的蒸發(fā)量,結(jié)果見圖9。

在實(shí)驗(yàn)中,由于雙層結(jié)構(gòu)與燒杯側(cè)壁緊密接觸,2者之間的摩擦力使得雙層結(jié)構(gòu)突出水面距離得以方便調(diào)控。圖9表明海綿層突出水面4 mm時(shí)有著更好的蒸發(fā)效果,而0和7 mm效果較差。

圖9 海綿突出水面距離對(duì)蒸發(fā)的影響Fig.9 The effect of the distance from the sponge to the water surface on evaporation

當(dāng)活性炭過濾棉與水面距離較小,甚至與水面平齊時(shí),雖然水分補(bǔ)充路徑比較短,但是活性炭過濾棉收集的熱量也極易向周圍的水體擴(kuò)散,也即此時(shí)的下層隔熱的效果失去作用。當(dāng)活性炭過濾棉高于水面時(shí),活性炭過濾棉厚度越大,活性炭過濾棉內(nèi)部的液層越薄,有利于蒸發(fā)[14],然而隨著水分的蒸發(fā),下部水分向上補(bǔ)充的途徑變長,甚至可能產(chǎn)生水分補(bǔ)給不足的現(xiàn)象。因此,海綿高出水面的距離存在1個(gè)最適宜值。

2.5 鹽分對(duì)太陽能水蒸發(fā)系統(tǒng)的影響

在利用雙層結(jié)構(gòu)進(jìn)行海水曬鹽的過程中,隨著水分蒸發(fā),海水中的可溶鹽會(huì)在蒸發(fā)界面上析出,形成鹽聚集。下面考察鹽聚集對(duì)上層結(jié)構(gòu)的光吸收和蒸汽逸出的影響。

利用食鹽制成模擬海水(鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%),在持續(xù)模擬光照情況下,記錄水分蒸發(fā)量變化,并觀察上層結(jié)構(gòu)的鹽聚集情況。在實(shí)際的太陽能海水曬鹽過程中,雖然每天的日照時(shí)間長短不一,但是一般不會(huì)超過10 h,因此本研究只考察了10 h的水分蒸發(fā)過程,結(jié)果見圖10和圖11。

圖10所示,隨著光照的持續(xù)增加,活性炭過濾棉表面鹽分在逐漸集聚;鹽分集聚先是在活性炭過濾棉表面某幾個(gè)位置出現(xiàn),然后其周圍也開始出現(xiàn)鹽分,并連成一片;最初出現(xiàn)的鹽分的位置,鹽分集聚現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

圖10 蒸發(fā)過程中上層結(jié)構(gòu)鹽聚集情況Fig.10 Salt accumulation in upper layer during evaporation

圖11為持續(xù)光照情況下水分蒸發(fā)量的變化。每30 min計(jì)量一次水分蒸發(fā)量,可以看出水分蒸發(fā)量先逐步上升,然后趨于穩(wěn)定。

圖11 蒸發(fā)模擬海水時(shí)的水分變化量Fig.11 Moisture change during evaporation of simulated seawater

最初的水分蒸發(fā)量最少,其原因可能是最初的主體水溫較低,雙層結(jié)構(gòu)與主體水的溫度差別較大,向主體水的熱損較大,上層結(jié)構(gòu)水溫不高,這也可由圖7中的溫度變化來佐證。盡管逐漸有鹽分聚集,120 min后水分蒸發(fā)量基本保持穩(wěn)定,原因可能是不規(guī)則的聚集鹽分構(gòu)造了陷光結(jié)構(gòu),減小了光的反射率,增大了吸收率,從而抵消了材料直接受光面積減小帶來的影響[15],其準(zhǔn)確的機(jī)理將作為后續(xù)工作加以深入研究。

為了考察雙層結(jié)構(gòu)上最初鹽分對(duì)其水分蒸發(fā)性能的影響,在雙層結(jié)構(gòu)上直接添加2.0 g食鹽,觀察食鹽溶解情況,結(jié)果見圖12。

由圖12可知,15 min內(nèi)食鹽已逐漸溶于水中,約75 min后,幾乎完全溶解。實(shí)際的太陽能海水曬鹽為間歇過程,利用夜晚時(shí)間雙層結(jié)構(gòu)可以對(duì)聚集的鹽分進(jìn)行自行溶解,不會(huì)影響以后的太陽能海水曬鹽過程。

圖12 直接覆蓋食鹽時(shí)的溶解情況Fig.12 Dissolution when salt is directly covered

2.6 與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)比較

在模擬海水條件下,對(duì)雙層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了10次循環(huán)實(shí)驗(yàn)(每日照射5 h,光輻照強(qiáng)度1 000 W·m-2),計(jì)算出水的蒸發(fā)速率,結(jié)果見圖13。

由圖13可知,利用雙層結(jié)構(gòu)進(jìn)行的10次太陽能海水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn),其水分蒸發(fā)量在1.2 kg·m-2·h-1上下波動(dòng),水分蒸發(fā)性能穩(wěn)定。表2為本研究數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比。

表2 本文數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比Table 2 Comparison of the data in this article and the previous literature

圖13 雙層結(jié)構(gòu)循環(huán)實(shí)驗(yàn)Fig.13 Circulation experiments of double-layer structure

活性炭過濾棉-海綿雙層結(jié)構(gòu)的水分蒸發(fā)速率和太陽能熱效率都高于所列文獻(xiàn)值,并且本研究所用材料為常用工業(yè)品,成本低、容易獲得。

2.7 能量消耗分析

在達(dá)到穩(wěn)定的界面蒸發(fā)過程中,能量來源是輻照強(qiáng)度為1 000 W·m-2的模擬光源照射,熱量消耗主要包括1)產(chǎn)生蒸汽所消耗能量;2)上表面對(duì)環(huán)境的對(duì)流損失;3)上表面對(duì)環(huán)境的輻射損失;4)雙層結(jié)構(gòu)對(duì)水的導(dǎo)熱損失;5)上表面光反射損失;6)裝置側(cè)面和底面對(duì)環(huán)境的熱損失。計(jì)算數(shù)據(jù)來源參考圖7。

1)產(chǎn)生蒸汽所消耗能量占比即為太陽能熱效率,值為78%。

2)上表面對(duì)環(huán)境的對(duì)流損失可用牛頓冷卻定律計(jì)算:

式(3)中:h為對(duì)流傳熱系數(shù),此處取值5 W·m-2·K-1;A為雙層結(jié)構(gòu)的受光面積,值為0.003 m2;Ts和Ta分別為雙層結(jié)構(gòu)上表面的溫度和上表面附近空氣溫度(穩(wěn)定狀態(tài)下為32.2 ℃)。則此部分熱損失占比可用式(4)計(jì)算:

計(jì)算結(jié)果為:μ2=5.9%。

3)上表面對(duì)環(huán)境的輻射損失可用史蒂芬-玻爾茲曼定律計(jì)算:

式(5)中:ε為活性炭過濾棉的黑度,此處取值0.85,σ=5.67×10-8W·m-2·K-4。則此部分熱損失占比可用式(6)計(jì)算:

計(jì)算結(jié)果為:μ3=6.8%。

4)雙層結(jié)構(gòu)對(duì)水的導(dǎo)熱損失可用傅里葉定律計(jì)算:

式(7)中k為水的熱導(dǎo)率,此處取0.61 W·m-1·K-1,Δt/δ為雙層機(jī)構(gòu)下表面到水體測溫點(diǎn)的溫度梯度。則此部分熱損失占比可用式(8)計(jì)算:

計(jì)算結(jié)果為:μ4=6.1%。

5)上表面光反射損失可由紫外可見光近紅外分光光度計(jì)測取的光反射率獲得,在模擬光源波段下,上表面光反射損失率μ5=2.1%。

6)結(jié)合上述計(jì)算,裝置側(cè)面和底面對(duì)環(huán)境的熱損失率μ6=1.1%。

3 結(jié)論

本論文通過篩選幾種毛細(xì)材料,構(gòu)成雙層結(jié)構(gòu)太陽能水蒸發(fā)系統(tǒng),水蒸發(fā)速率達(dá)1.2 kg·m-2·h-1,太陽能熱效率能達(dá)78%,優(yōu)于部分文獻(xiàn)中數(shù)據(jù),為低成本強(qiáng)化太陽能海水曬鹽提供了新的思路。

1)在所選的毛細(xì)材料中,活性炭過濾棉和海綿組合有最好的蒸發(fā)效果。

2)海綿上表面突出水面4 mm左右、僅鋪設(shè)1層時(shí)達(dá)到最好的蒸發(fā)效果。

3)對(duì)模擬海水溶液進(jìn)行蒸發(fā),在10 h持續(xù)一個(gè)太陽光照條件下,雖然上層結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生鹽分聚集,水分蒸發(fā)量未受到明顯影響。

4)在日常間歇操作模式下,聚集的鹽分可在夜晚逐漸溶于水中并回到水主體,不會(huì)影響以后的過程。