基于复合活性炭纤维材料的吸附式空气取水原理与系统

发布时间：2020-11-13 00:09

　　 岛礁与内陆干旱地区淡水资源短缺,且居民住所分散无法集中供水。基于太阳能驱动的吸附式空气取水有效地提供了分布式供水的解决方案。该技术在夜间用吸湿剂捕获空气中的水蒸气,继而在太阳能驱动下解吸再生吸湿剂,从吸湿剂中释放出水蒸气并通过冷凝收集液态水。相比于工作在露点为15℃以上湿润地区的电驱动冷凝式取水技术,太阳能驱动的吸附式取水技术通过吸附解吸循环提高循环空气的露点,在露点低于5℃的干旱地区实现高效率捕获淡水,且无需额外电耗。然而现有的吸附式取水机组因循环设计粗糙、吸附剂低效、吸附床传热传质能力差,机组结构不合理等原因,无法在较少能耗及较短循环时间内实现大量取水。针对这些问题,本文提出一种新型半开吸附式空气取水循环,在夜间开式吸附、在白天闭式解吸,各个工作组件分别独立,实现在60℃解吸温度(热空气温度在70℃)高效取水。基于该循环,本文开发了一种高效的固化活性碳纤维合氯化锂(ASLI)复合吸附剂,并基于这种吸附剂,设计了具有出色传热传质能力的吸附床。为了验证材料及系统的高效性,设计了一套10kg取水量的系统,完成了电加热工况及太阳能空气集热器的潮湿工况实验;针对吸附空气取水的规模化以及普适性规律研究的需求,作者构建了一套新型的热空气驱动的分离式吸附空气取水系统,该系统集储能于一体,典型上海夏季气候条件下日产水量可以达到50kg。构建了空气取水湿空气状态的变化准则,并通过干燥工况以及潮湿工况的实验进行了验证。基于全球不同的地域的实际工况,衡量了这套取水系统在世界典型地区气候下的取水潜能,为装置的规模化实用推广提供理论依据。本文的主要研究内容如下:(1)针对间歇吸附式空气取水系统,构建了一套高效的半开式空气取水循环,构建了吸附空气取水系统普适的热力学描述理论框架H-RH-T图,分析了湿空气状态变化的内在原理。通过对循环图取水面积分析可得,在循环空气质量流量不变的前提下,在吸附工况下提升吸附床入口空气的绝对含湿量,或者是在解吸情况下降低吸附床入口的绝对含湿量或者是提升解吸温度,都增加取水量。将吸附床、冷凝器、加热器、以及动力辅助设备独立开来,使得各个部件相互耦合并高效工作。(2)开发了以活性炭为基质的复合吸附剂,对比常见的粗孔硅胶、膨胀硫化石墨基质,研究复合LiCl和CaCl_2两种吸湿性盐后的性能。从微观性能、平衡吸附性能及脱附性能等方面分析上述复合吸附剂,发现浸渍盐溶液后,复合吸附剂的BET比表面积,孔容孔径都有一定程度的下降,而吸附性能却得到了增强。ASLI有着最佳的吸附和脱附性能,可在15-25℃环境中完成吸附,在65℃-70℃温度下完成解吸。ASLI盐浓度在30%时既能保证吸附量又能在目标吸附时长内避免溢液问题。基于Polanyi理论进行了ASLI材料平衡吸附方程的拟合,为机组的拓展研究建立理论基础。(3)基于新开发的ASLI高效复合吸附剂,研制出具有高传热传质能力的蜂窝状吸附床结构。单层床体结构为0.4×0.4×0.2 m~3,用CFX模拟空气流动过程,以验证其流道的低流阻,在流速为2m/s下,单层流动阻力模拟值为8.8 Pa,用压差变送器实测值为1 mm水柱,即9.8 Pa。优化流道单元尺寸以后,制备出相应的吸附床整体,搭建10kg小型机组,在高湿度工况下及不同电加热器驱动的温度下,对其吸附和脱附性能进行研究,验证了吸附剂在整套系统中运行的可行性。将系统连接到实际的太阳能空气集热器中进行实况实验,以测试在太阳能驱动下机组的取水性能。实验结果说明,解吸温度一定,吸附工况入口相对湿度越高,取水量越多;吸附工况一定,再生温度越高,取水量越多。(4)针对吸附空气取水规模化应用的实际需求,研制了一台日产水50kg的集储能于一体的智能化空气取水机组。在干燥的沙漠工况以及湿润的海岛工况下进行实验并得到了机组的固有效率,并结合材料与机组的固有性能对世界范围内典型工况进行模拟,得到其取水潜能,结合世界各典型地区的太阳能辐射强度,计算出所需太阳能空气集热器面积,为机组在各地的实用推广提供理论指导依据。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TV213.9;TB332;O647.33
【部分图文】：

第一章 绪论的工业生产过程中已有广泛应用。图 1-1 将现有的空气取水技术做了详细的分类。第一类是使用表面冷却技术将水蒸气从湿空气中冷凝，根据冷凝方式的不同，又可分为主动式和被动式冷凝；第二类采用膜分离法，通过电解或者加压的方式提取淡水[11]；第三类吸附/吸收技术提取水蒸气，加热解吸后获得淡水。下文将详细介绍各种空气取水的典型系统。

如图1-2 所示，在压缩机的工作下液态制冷剂进入蒸发器，将引入的空气冷却至露点，析出冷凝水，继而用冷却后的空气带走冷凝器的热量，将获得的水过滤并储存[16]。目前世界上近 90%的空气取水产品，采用的都是压缩式制冷，从家用饮水、军队急救至地区供水灌溉都有覆盖。法国公司 Eolewater 公司研制了可移动式军用空气取水器，外尺寸为

图 1-3 采用水蒸气选择膜的空气取水器系统图ic representation of the membrane unit and the permeate si harvesting unit, working with water vapor selective memb隔污染物或病原体，获得洁净的冷凝水直接饮法水蒸气膜为例，其材料一般为 Pebax [51]或 > 4000)[52]。在空气取水领域应用膜分离技术，气温湿度变化而引起的进气水蒸气分压变化对多数水蒸气分离膜应用仍处于研究和开发阶段取水器的原理是采用吸湿性吸附/吸收剂将空气料内，经过一定时间以后，再将吸附/吸收剂
【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 何余生,李忠,奚红霞,郭建光,夏启斌;气固吸附等温线的研究进展[J];离子交换与吸附;2004年04期

2 王如竹,汪前彬;吸附制冷工作对的吸附机理及其吸附率方程的改进[J];太阳能学报;1999年03期

本文编号：2881436