黄群武田作旭王一平

(1.天津大学化工学院,天津 300350; 2.天津大学建筑学院,天津 300072)

我国沿海地区,有很多盐场,通过圈围海水的方式,在太阳下暴晒,使水分蒸发掉,逐渐结晶形成固态的盐。这种晒盐的方法虽然成本低,但是效率也低,同时,需要占用较多的土地。提高晒盐效率,则可节省出部分土地,对于缓解目前日益紧张的土地资源具有重要的意义。

2014年,麻省理工学院Chen课题组率先提出高效界面蒸发的概念[1]。将充分吸收的太阳能热局限在汽-液界面,有效提高了太阳能转化效率。界面光蒸汽转化的主要机制包括:光吸收、热管理和水输送[2]。在之后的研究中,界面光蒸汽系统的结构呈现多样化的趋势,其中比较典型的是双层结构系统。在双层结构系统中,上层结构吸收太阳能转化为热,并将水转化为蒸气;下层结构不断的将水输送至上层,同时抑制上层结构产生的热量向周围的水体扩散。

自高效界面蒸发的概念提出后,研究人员进行了相关研究,进行高效吸光材料的开发和新型蒸发系统的构建。Zhang[3]设计出还原氧化石墨烯和丝织物组成的新型装置,300～2 500 nm的波长范围内表现出高光吸收,带有绝热体(聚乙烯泡沫)的系统在一个太阳照射下显示出非常高的光热性能。Xuan等[4]使用涂覆有聚多巴胺的棉线作为光热转换层,其蒸发表面与水体隔离。棉线的强芯吸效应能够将大量的水快速转移到位于水体以上9 cm的蒸发表面。Li等[5]设计了利用木材中的跨平面纳米级通道输送水的蒸发系统,还有着良好的隔热效果。Xu等[6]开发了一种折纸作为基于日常铅笔和纸张的光热材料,用于紧急情况下的太阳能水净化,它有着近乎免费成本,简便制造和高效率设计的优点,但是没有考虑盐分聚集的影响,也无法长期使用。Liu等[7]提出了一种自驱动的耐盐材料,即黑金纳米粒子沉积海绵(BDS),用于高效、无盐和耐用的太阳能海水淡化,但是材料的制备繁琐,成本较高。Ren等[8]采用气相沉积的方法,制备出等离子体增强的具有连续孔隙率的分层石墨烯泡沫,结果表明其显著增强了吸收带宽,并具有对太阳光的全向吸收,但是材料不易获得,成本偏高。Zhao等[9]合成了基于聚乙烯醇(PVA)和聚吡咯(PPy)的分层纳米结构凝胶(HNG),该凝胶可用作独立的太阳能蒸汽发生器,有着3.2 kg·m-2·h-1的蒸发速率和94%的能效,但同样的,这种凝胶制备比较繁琐,不易获得,成本偏高。Zhou等[10]设计出一种等离子体增强的太阳能脱盐器件,该器件是将铝纳米颗粒自组装成三维多孔膜而制成的,其脱盐效果显著,所使用材料成本较低,来源广泛,但相对于可直接采购的工业材料,其成本和易得性仍然不占优势。Hu等[11]开发了精制氧化石墨烯气凝胶,并掺入碳纳米管和藻酸钠提高光吸收性和亲水性,所得的气凝胶扫描可在单光照射下实现高效(约83%)的太阳蒸汽产生,但是合成性能良好的气凝胶工序比较复杂,成本和便捷性不具备优势。

本论文选择几种低成本材料构建具有双层结构的太阳能水分蒸发系统,考察双层结构的不同组合、光热转换层厚度和突出水面高度对水界面高效蒸发过程中水分蒸发量和热效率的影响,优化出最适宜组合和蒸发条件,并探究了盐分聚集对双层结构蒸发性能的影响,为解决盐场高效、低成本晒盐提供一种新的思路。

1 实验部分

1.1 实验材料与装置

实验采用的模拟太阳能光源为长弧氙灯,经测定其在蒸发材料正上方约0.5 cm处的辐照强度为1 000 W·m-2。使用的测温仪为台湾衡欣AZ88598高精度4通道K型温度SD卡记录器,精度可以达到0.1 ℃。使用的电子天平为Sartorious电子天平,精度为0.1 mg。光反射率和光透射率测试采用Perkin Elmer公司生产的紫外可见光近红外分光光度计。

本研究选用4种多孔材料:活性炭过滤棉、百洁布、不锈钢烧结网和海绵,它们的材料组成如下:1)活性炭过滤棉是在聚氨酯泡棉上负载粉状活性炭制成,其含碳量在35%～50%左右,体积密度小,比表面积大,吸附效率高。2)百洁布的主要成分为尼龙和碳化硅,由无纺布工艺制成,构成开放式多孔结构。3)不锈钢烧结网是采用多层金属丝编织网,通过特殊的叠层压制与真空烧结等工艺制造而成,具有较高机械强度和整体钢性的一种新型过滤材料。4)海绵是由发泡聚氨酯制成的多孔材料。4种材料实物图见图1。

图1 4种材料实物图Fig.1 Physical chart of four materials

几种材料包含主要材质的热导率和密度比较见表1。

表1 几种材质的热导率和密度Table 1 Thermal conductivity and density of the materials

利用氙灯来模拟太阳光,氙灯本身需要风冷散热,为了排除风对水分蒸发的影响,在氙灯下方放置一块高白玻璃板,图2为太阳能水界面蒸发装置示意图和实物图。模拟海水由食盐和蒸馏水配制而成。

图2 太阳能水界面蒸发装置Fig.2 Device of solar-water interface evaporation

1.2 评价指标

太阳能的热效率使用式(1)来计算[12]:

式(1)中:m为稳定状态下的水分蒸发速率;qin为蒸发表面入射太阳辐照度,1 000 W·m-2;h1v为蒸发水的总焓,包含显热焓和潜热焓,按式(2)计算:

式(2)中:λ1v是在标准大气压的蒸发潜热,2 257 kJ·kg-1,Cp是水的比热容,4.2 kJ·kg-1·K-1;ΔT是水的温升。

2 实验与结果分析

2.1 双层结构组合的选择

由于海绵(发泡聚氨酯)的热导率远低于其他3种材料,作为输水通道的湿态海绵仍然有着比较低的热导率,其作为双层结构的下层能更有效防止热量的散失,并且海绵密度低于水,使双层结构成为漂浮体。

为了比较不同材料的光吸收能力,利用紫外可见光近红外分光光度计测试出活性炭过滤棉、百洁布和不锈钢烧结网的光透过率和光反射率,从而得到光吸收率数据,整理后如图3所示。

由图3可知,在200～2 500 nm波长范围,活性炭过滤棉有着最好的光吸收性能,其平均光吸收率可以达到97.1%。

为了比较4种材料的亲水性,分别在材料正中滴加3滴蒸馏水,5 s后观察记录水的浸润状态,如图4所示。

由图4可知,海绵、活性炭过滤棉和百洁布在5秒内均能被蒸馏水良好浸润,而不锈钢烧结网上蒸馏水仍然呈现珠状,表明海绵、活性炭过滤棉和百洁布亲水性良好,而不锈钢烧结网亲水性较差。

为了比较不同材料组合对水分蒸发的影响,以海绵为下层,分别以活性炭过滤棉、不锈钢烧结网和百洁布为上层(海绵上平面与水面平齐),进行蒸发实验,获得水分蒸发量的变化曲线,如图5所示。

图5 不同组合蒸发效果比较Fig.5 Comparison of evaporation effects of different combinations

由图5可得,活性炭过滤棉作为上层结构时有着最好的蒸发效果,其原因可能是:活性炭过滤棉的光吸收性和亲水性都很好[13],因此活性炭过滤棉表现最好。

同时,活性炭过滤棉的主体部分也是发泡聚氨酯(与海绵材料一致),双层结构之间的水分输送效果会更好。因此,双层结构选择活性炭过滤棉-海绵组合。

2.2 双层结构对纯水蒸发的研究

为了定量获得双层结构对水分蒸发的强化效果,对纯水物系,考察有/无双层结构对太阳能水分蒸发的影响(海绵上表面与水面平齐)。在光源照射后,每隔30 min测量水分蒸发装置的质量变化,结果见图6。

图6 有/无双层结构对蒸发的影响Fig.6 Effect of evaporation with or without double-layer structure

相比对照组,具有活性炭过滤棉-海绵双层结构的太阳能水分蒸发系统有着更高的蒸发量;计算表明双层结构可使水分蒸发量增加了37.5%。

为了解释其强化机理,测量了水分蒸发装置不同位置的温度变化,其中实验组和对照组的水体温度测温位置为双层结构正下方1.5 cm处,水体体积为150 mL,最终结果见图7。

图7 蒸发过程各部分温度变化Fig.7 Temperature change of various parts in the evaporation process

由图7可知,在双层结构太阳能水分蒸发系统中,黑色的活性炭过滤棉层温度在短时间内迅速升高,之后趋于平缓。海绵层和水主体的温度则是缓慢升高,海绵层的温度略高于水主体的温度。对照组的水体的温度也是缓慢升高,但比双层结构太阳能水分蒸发系统的水体温度升高略快。上述结果表明,黑色活性炭过滤棉具有较好的光吸收能力,将光能转化为热能,加热黑色活性炭过滤棉中的水,同时还通过热传导的方式向海绵层传热,由于海绵层有着较好的隔热效果,使得海绵内及海绵下面主体的水温与黑色活性炭过滤棉中的水温相差较大。

因此,由于双层结构的存在,光能产生的热能主要用于加热局部的水体,使其获得了较高的水温,加快了水分的蒸发。

2.3 活性炭过滤棉厚度的影响

为了优化活性炭过滤棉的厚度,分别采用1、2和3层活性炭过滤棉进行蒸发实验(海绵上平面与水面平齐),3种情况对比如图8。

图8 活性炭过滤棉层数的影响Fig.8 Effect of the number of activated carbon filter cotton layer

双层结构太阳能水分蒸发系统在不同活性炭过滤棉厚度下的蒸发效果强弱为:1层＞2层＞3层。其原因可能是:虽然活性炭过滤棉为多孔物质,太阳光对其穿透距离较小,光热转换主要集中于光热转化材料的表层,在光热吸收面积不变的情况下,活性炭过滤棉厚度增加,反而增加了水分的输送距离,最终使得水分蒸发速率下降。

2.4 海绵突出水面距离的影响

在海绵突出水面不同距离下,考察纯水的蒸发量,结果见图9。

在实验中,由于双层结构与烧杯侧壁紧密接触,2者之间的摩擦力使得双层结构突出水面距离得以方便调控。图9表明海绵层突出水面4 mm时有着更好的蒸发效果,而0和7 mm效果较差。

图9 海绵突出水面距离对蒸发的影响Fig.9 The effect of the distance from the sponge to the water surface on evaporation

当活性炭过滤棉与水面距离较小,甚至与水面平齐时,虽然水分补充路径比较短,但是活性炭过滤棉收集的热量也极易向周围的水体扩散,也即此时的下层隔热的效果失去作用。当活性炭过滤棉高于水面时,活性炭过滤棉厚度越大,活性炭过滤棉内部的液层越薄,有利于蒸发[14],然而随着水分的蒸发,下部水分向上补充的途径变长,甚至可能产生水分补给不足的现象。因此,海绵高出水面的距离存在1个最适宜值。

2.5 盐分对太阳能水蒸发系统的影响

在利用双层结构进行海水晒盐的过程中,随着水分蒸发,海水中的可溶盐会在蒸发界面上析出,形成盐聚集。下面考察盐聚集对上层结构的光吸收和蒸汽逸出的影响。

利用食盐制成模拟海水(盐质量分数为3.5%),在持续模拟光照情况下,记录水分蒸发量变化,并观察上层结构的盐聚集情况。在实际的太阳能海水晒盐过程中,虽然每天的日照时间长短不一,但是一般不会超过10 h,因此本研究只考察了10 h的水分蒸发过程,结果见图10和图11。

图10所示,随着光照的持续增加,活性炭过滤棉表面盐分在逐渐集聚;盐分集聚先是在活性炭过滤棉表面某几个位置出现,然后其周围也开始出现盐分,并连成一片;最初出现的盐分的位置,盐分集聚现象更加严重。

图10 蒸发过程中上层结构盐聚集情况Fig.10 Salt accumulation in upper layer during evaporation

图11为持续光照情况下水分蒸发量的变化。每30 min计量一次水分蒸发量,可以看出水分蒸发量先逐步上升,然后趋于稳定。

图11 蒸发模拟海水时的水分变化量Fig.11 Moisture change during evaporation of simulated seawater

最初的水分蒸发量最少,其原因可能是最初的主体水温较低,双层结构与主体水的温度差别较大,向主体水的热损较大,上层结构水温不高,这也可由图7中的温度变化来佐证。尽管逐渐有盐分聚集,120 min后水分蒸发量基本保持稳定,原因可能是不规则的聚集盐分构造了陷光结构,减小了光的反射率,增大了吸收率,从而抵消了材料直接受光面积减小带来的影响[15],其准确的机理将作为后续工作加以深入研究。

为了考察双层结构上最初盐分对其水分蒸发性能的影响,在双层结构上直接添加2.0 g食盐,观察食盐溶解情况,结果见图12。

由图12可知,15 min内食盐已逐渐溶于水中,约75 min后,几乎完全溶解。实际的太阳能海水晒盐为间歇过程,利用夜晚时间双层结构可以对聚集的盐分进行自行溶解,不会影响以后的太阳能海水晒盐过程。

图12 直接覆盖食盐时的溶解情况Fig.12 Dissolution when salt is directly covered

2.6 与文献数据比较

在模拟海水条件下,对双层结构进行了10次循环实验(每日照射5 h,光辐照强度1 000 W·m-2),计算出水的蒸发速率,结果见图13。

由图13可知,利用双层结构进行的10次太阳能海水蒸发实验,其水分蒸发量在1.2 kg·m-2·h-1上下波动,水分蒸发性能稳定。表2为本研究数据与文献数据的对比。

表2 本文数据与文献数据的对比Table 2 Comparison of the data in this article and the previous literature

图13 双层结构循环实验Fig.13 Circulation experiments of double-layer structure

活性炭过滤棉-海绵双层结构的水分蒸发速率和太阳能热效率都高于所列文献值,并且本研究所用材料为常用工业品,成本低、容易获得。

2.7 能量消耗分析

在达到稳定的界面蒸发过程中,能量来源是辐照强度为1 000 W·m-2的模拟光源照射,热量消耗主要包括1)产生蒸汽所消耗能量;2)上表面对环境的对流损失;3)上表面对环境的辐射损失;4)双层结构对水的导热损失;5)上表面光反射损失;6)装置侧面和底面对环境的热损失。计算数据来源参考图7。

1)产生蒸汽所消耗能量占比即为太阳能热效率,值为78%。

2)上表面对环境的对流损失可用牛顿冷却定律计算:

式(3)中:h为对流传热系数,此处取值5 W·m-2·K-1;A为双层结构的受光面积,值为0.003 m2;Ts和Ta分别为双层结构上表面的温度和上表面附近空气温度(稳定状态下为32.2 ℃)。则此部分热损失占比可用式(4)计算:

计算结果为:μ2=5.9%。

3)上表面对环境的辐射损失可用史蒂芬-玻尔兹曼定律计算:

式(5)中:ε为活性炭过滤棉的黑度,此处取值0.85,σ=5.67×10-8W·m-2·K-4。则此部分热损失占比可用式(6)计算:

计算结果为:μ3=6.8%。

4)双层结构对水的导热损失可用傅里叶定律计算:

式(7)中k为水的热导率,此处取0.61 W·m-1·K-1,Δt/δ为双层机构下表面到水体测温点的温度梯度。则此部分热损失占比可用式(8)计算:

计算结果为:μ4=6.1%。

5)上表面光反射损失可由紫外可见光近红外分光光度计测取的光反射率获得,在模拟光源波段下,上表面光反射损失率μ5=2.1%。

6)结合上述计算,装置侧面和底面对环境的热损失率μ6=1.1%。

3 结论

本论文通过筛选几种毛细材料,构成双层结构太阳能水蒸发系统,水蒸发速率达1.2 kg·m-2·h-1,太阳能热效率能达78%,优于部分文献中数据,为低成本强化太阳能海水晒盐提供了新的思路。

1)在所选的毛细材料中,活性炭过滤棉和海绵组合有最好的蒸发效果。

2)海绵上表面突出水面4 mm左右、仅铺设1层时达到最好的蒸发效果。

3)对模拟海水溶液进行蒸发,在10 h持续一个太阳光照条件下,虽然上层结构会产生盐分聚集,水分蒸发量未受到明显影响。

4)在日常间歇操作模式下,聚集的盐分可在夜晚逐渐溶于水中并回到水主体,不会影响以后的过程。