纳米材料在太阳能蒸馏中的应用研究进展
发布时间：2022-01-19 10:40
太阳能海水淡化是缓解世界淡水资源压力的有效方法之一,在传统太阳能海水淡化系统中,蒸馏效率低是限制其发展的主要因素。纳米材料具有独特的光学、热力学特性,能够吸收太阳辐射并将其转化为热能,被广泛用于太阳能蒸馏系统来增强光-热-汽转换率。近年来,受益于纳米流体及界面光热技术,太阳能蒸馏技术发展迅速。固态纳米颗粒的导热系数远大于液态基质,故以纳米流体代替传统流体作为传热工质用于太阳能蒸馏系统。近年的研究中,纳米流体用于被动、主动式蒸馏系统中均显示出较强的吸光集热性能,蒸馏产水量提高25%以上,最大提高约130%;纳米流体具有独立产蒸汽能力,在太阳光模拟器下,流体迅速升温并产生蒸汽,热利用效率高达73%,产水率相比纯水增加近50%。界面光热技术是指在界面材料作用下,纳米吸收体吸收太阳光作用于水与空气界面的薄层水分子,而不是整个待蒸发水体。可用来作为界面光热材料的主要有等离激元材料、独立纳米凝胶材料、金属或金属氧化物涂层的复合材料、碳基复合材料、聚离子液体衍生膜及部分可降解有机材料。在界面光热蒸馏系统中,因材料强吸光特性及多孔特性,显著提高界面热利用效率及蒸馏产水速率。其中碳基材料因制备成本低、容...
【文章来源】：材料导报. 2020,34(21)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
传统盘式太阳能蒸馏器[26]
底盘吸收的太阳辐射能是限制被动式太阳能蒸馏器制水量的最主要参数，Rashidi等[31]通过建立氧化铝-水纳米流体体积(VOF)模型，研究纳米流体对倾斜式太阳能蒸馏效率的影响，结果表明，使用纳米流体的蒸馏器产水量随着纳米颗粒固体体积分数的增大而增加，产水量提高约25%。Kabeel等[32]设计了两个如图2所示的非真空强制对流循环盘式蒸馏器，在实际天气条件下测量太阳辐照、循环风速及添加纳米流体等因素对蒸馏速率的影响，研究发现，1 d内恒定的风扇运转速度为1 350 r/min时，与传统蒸馏器相比，使用氧化铝纳米流体的蒸馏器单位面积产水量提高约116%。Kabeel团队[33]还研究了不同纳米材料对该蒸馏器性能的影响。在有风扇和无风扇的情况下，使用氧化亚铜纳米颗粒，产水率可分别提高133.64%和93.87%，使用氧化铝纳米颗粒则分别提高了125.0%和88.97%。对添加不同质量分数纳米材料的盘式蒸馏器与传统盘式蒸馏器进行研究，在纳米材料添加量为10%和40%时，使用Cu O纳米颗粒可使蒸馏物的产量分别提高16%和25%。同时，使用纳米流体的盘式太阳能蒸馏器投资回收期为96 d，传统蒸馏器投资回收期为89 d，验证了使用纳米流体的蒸馏器有较高的淡水产出率，同时蒸馏装置具有较高的性价比[34]。
Sharshir等[43]采用三台相同尺寸的盘式蒸馏器对太阳能海水淡化系统的性能进行了研究，如图3所示，系统包括一个传统的蒸馏器、一个带冷却玻璃盖板的石墨纳米流体太阳能蒸馏器、一个带冷却玻璃盖板的氧化铜纳米流体太阳能蒸馏器和一个膜冷却水箱。他们分别探究不同种类纳米流体、待蒸发水深度、冷却水流速及纳米流体流速对蒸馏器性能的影响。研究发现，石墨或氧化铜纳米粒子的质量浓度越大，蒸馏器淡水产率越高;在相同条件下，使用石墨纳米材料时，其导热性增强程度高于氧化铜纳米材料，这是因为石墨粒径比氧化铜颗粒大，石墨的密度比氧化铜的密度小，石墨颗粒相比氧化铜颗粒更容易悬浮分布在待蒸发水中;盖板冷却水流速在1～12 kg·h-1之间时，与传统的太阳能蒸馏器相比，使用氧化铜和石墨纳米流体时，太阳能蒸馏器的产水率分别提高了44.91%和53.95%;在不使用玻璃盖板冷却的情况下，分别使用氧化铜纳米流体和石墨纳米流体可获得38%和40%的日产水效率;采用氧化铜和石墨纳米颗粒玻璃膜冷却时，蒸馏器的日产水效率分别为46%和49%。由此可以看出，纳米流体类型、流体流速及流体质量浓度、蒸馏器结构等均是影响纳米流体蒸馏系统产水效率的重要因素。在以上研究过程中，纳米粒子均与蒸发水进行直接接触，Mahian等[44]通过理论模型建立了含有纳米粒子的换热器，并进行实验研究，将其应用于海水淡化装置。该团队利用如图4所示的装置进行了实验，装置主要由两个串联的平板集热器和一个装有热交换器的太阳能蒸馏器组成。在太阳能集热器中加热后，纳米流体进入安装在太阳能蒸馏池中的换热器，与原水进行换热。实验针对不同纳米颗粒体积分数、不同纳米粒径(7 nm和40 nm)、不同深度的蒸馏池(4 cm和8 cm)和不同质量流量的纳米流体在不同的天气条件下进行。研究发现，太阳辐照强度是影响蒸馏性能的主要因素，为了研究纳米流体的影响规律，建立了一个数学模型，并通过在给定天气条件下的实验数据进行验证。结果表明，在低于60℃的温度下使用换热器作用较为微弱，相应的集热效率比不使用换热器的太阳能蒸馏器要小;尽管在这种情况下，使用纳米流体作为换热器中的工作流体相比传统流体可以提高10%左右的产水量。在更高的温度(例如70℃)下使用换热器作用较为明显，但是使用纳米流体代替传统水流体，可以使性能指数提高约1%。此外，在高温下使用Si O2纳米流体，其热导率低于铜纳米流体。由此可以看出，间接使用换热器的纳米流体蒸馏器不与待蒸发水充分接触时亦能有效增强制水效率。
【参考文献】：
期刊论文
[1]聚光直热式加湿除湿型太阳能海水淡化装置性能测试与经济性分析[J]. 叶鸿烈,杨军伟,王飞,伍纲,郑宏飞,祝子夜. 太阳能学报. 2019(02)
[2]回热对竖管式太阳能海水淡化装置性能的影响[J]. 常泽辉,李文龙,宋姗琦,刘洋,李瑞晨. 太阳能学报. 2018(07)
[3]界面光蒸汽转化研究进展[J]. 魏天骐,李秀强,李金磊,周林,祝世宁,朱嘉. 科学通报. 2018(14)
[4]盘式太阳能蒸馏海水淡化研究进展[J]. 李强,齐春华,任建波,张晓晨,吕宏卿,王鑫. 工业水处理. 2017(08)
[5]倾斜式太阳能蒸馏海水淡化研究进展[J]. 李强,任建波,苗超,刘鸿雁. 现代化工. 2015(04)
[6]石墨烯的制备与表征研究[J]. 李旭,赵卫峰,陈国华. 材料导报. 2008(08)
本文编号：3596705
【文章来源】：材料导报. 2020,34(21)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
传统盘式太阳能蒸馏器[26]
底盘吸收的太阳辐射能是限制被动式太阳能蒸馏器制水量的最主要参数，Rashidi等[31]通过建立氧化铝-水纳米流体体积(VOF)模型，研究纳米流体对倾斜式太阳能蒸馏效率的影响，结果表明，使用纳米流体的蒸馏器产水量随着纳米颗粒固体体积分数的增大而增加，产水量提高约25%。Kabeel等[32]设计了两个如图2所示的非真空强制对流循环盘式蒸馏器，在实际天气条件下测量太阳辐照、循环风速及添加纳米流体等因素对蒸馏速率的影响，研究发现，1 d内恒定的风扇运转速度为1 350 r/min时，与传统蒸馏器相比，使用氧化铝纳米流体的蒸馏器单位面积产水量提高约116%。Kabeel团队[33]还研究了不同纳米材料对该蒸馏器性能的影响。在有风扇和无风扇的情况下，使用氧化亚铜纳米颗粒，产水率可分别提高133.64%和93.87%，使用氧化铝纳米颗粒则分别提高了125.0%和88.97%。对添加不同质量分数纳米材料的盘式蒸馏器与传统盘式蒸馏器进行研究，在纳米材料添加量为10%和40%时，使用Cu O纳米颗粒可使蒸馏物的产量分别提高16%和25%。同时，使用纳米流体的盘式太阳能蒸馏器投资回收期为96 d，传统蒸馏器投资回收期为89 d，验证了使用纳米流体的蒸馏器有较高的淡水产出率，同时蒸馏装置具有较高的性价比[34]。
Sharshir等[43]采用三台相同尺寸的盘式蒸馏器对太阳能海水淡化系统的性能进行了研究，如图3所示，系统包括一个传统的蒸馏器、一个带冷却玻璃盖板的石墨纳米流体太阳能蒸馏器、一个带冷却玻璃盖板的氧化铜纳米流体太阳能蒸馏器和一个膜冷却水箱。他们分别探究不同种类纳米流体、待蒸发水深度、冷却水流速及纳米流体流速对蒸馏器性能的影响。研究发现，石墨或氧化铜纳米粒子的质量浓度越大，蒸馏器淡水产率越高;在相同条件下，使用石墨纳米材料时，其导热性增强程度高于氧化铜纳米材料，这是因为石墨粒径比氧化铜颗粒大，石墨的密度比氧化铜的密度小，石墨颗粒相比氧化铜颗粒更容易悬浮分布在待蒸发水中;盖板冷却水流速在1～12 kg·h-1之间时，与传统的太阳能蒸馏器相比，使用氧化铜和石墨纳米流体时，太阳能蒸馏器的产水率分别提高了44.91%和53.95%;在不使用玻璃盖板冷却的情况下，分别使用氧化铜纳米流体和石墨纳米流体可获得38%和40%的日产水效率;采用氧化铜和石墨纳米颗粒玻璃膜冷却时，蒸馏器的日产水效率分别为46%和49%。由此可以看出，纳米流体类型、流体流速及流体质量浓度、蒸馏器结构等均是影响纳米流体蒸馏系统产水效率的重要因素。在以上研究过程中，纳米粒子均与蒸发水进行直接接触，Mahian等[44]通过理论模型建立了含有纳米粒子的换热器，并进行实验研究，将其应用于海水淡化装置。该团队利用如图4所示的装置进行了实验，装置主要由两个串联的平板集热器和一个装有热交换器的太阳能蒸馏器组成。在太阳能集热器中加热后，纳米流体进入安装在太阳能蒸馏池中的换热器，与原水进行换热。实验针对不同纳米颗粒体积分数、不同纳米粒径(7 nm和40 nm)、不同深度的蒸馏池(4 cm和8 cm)和不同质量流量的纳米流体在不同的天气条件下进行。研究发现，太阳辐照强度是影响蒸馏性能的主要因素，为了研究纳米流体的影响规律，建立了一个数学模型，并通过在给定天气条件下的实验数据进行验证。结果表明，在低于60℃的温度下使用换热器作用较为微弱，相应的集热效率比不使用换热器的太阳能蒸馏器要小;尽管在这种情况下，使用纳米流体作为换热器中的工作流体相比传统流体可以提高10%左右的产水量。在更高的温度(例如70℃)下使用换热器作用较为明显，但是使用纳米流体代替传统水流体，可以使性能指数提高约1%。此外，在高温下使用Si O2纳米流体，其热导率低于铜纳米流体。由此可以看出，间接使用换热器的纳米流体蒸馏器不与待蒸发水充分接触时亦能有效增强制水效率。
【参考文献】：
期刊论文
[1]聚光直热式加湿除湿型太阳能海水淡化装置性能测试与经济性分析[J]. 叶鸿烈,杨军伟,王飞,伍纲,郑宏飞,祝子夜. 太阳能学报. 2019(02)
[2]回热对竖管式太阳能海水淡化装置性能的影响[J]. 常泽辉,李文龙,宋姗琦,刘洋,李瑞晨. 太阳能学报. 2018(07)
[3]界面光蒸汽转化研究进展[J]. 魏天骐,李秀强,李金磊,周林,祝世宁,朱嘉. 科学通报. 2018(14)
[4]盘式太阳能蒸馏海水淡化研究进展[J]. 李强,齐春华,任建波,张晓晨,吕宏卿,王鑫. 工业水处理. 2017(08)
[5]倾斜式太阳能蒸馏海水淡化研究进展[J]. 李强,任建波,苗超,刘鸿雁. 现代化工. 2015(04)
[6]石墨烯的制备与表征研究[J]. 李旭,赵卫峰,陈国华. 材料导报. 2008(08)
本文编号：3596705
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