微纳颗粒提高太阳能海水淡化产量的研究

发布时间：2020-06-09 06:05

【摘要】：太阳能是一种绿色能源,通过太阳能蒸馏器,可利用太阳能实现海水淡化。然而,虽然太阳能蒸馏器可以从海水、生活污水、和卤水中得到饮用水,是一种既便宜又方便的设备,但由于其生产率低下,并未得到广泛使用。本文使用微纳颗粒对传统太阳能蒸馏器进行改进,使太阳能海水淡化的产量得到提高。为了研究微纳颗粒对太阳能海水淡化产量的影响,我们首先利用光学显微镜和扫描电子显微镜观测和分析了石墨和氧化铜颗粒的形貌,并且用UV-Vis分光光度计及3-ω方法分别测量了流体的吸光率及热导率。为了开展实验研究,我们搭建了太阳能海水淡化实验平台,进而通过实验的方法研究微纳颗粒对太阳能海水淡化的影响。本文的研究内容包括两部分:第一部分,通过研究改变所添加的氧化铜和石墨两种微纳颗粒的浓度、蒸馏器水深、冷却水膜的流速对蒸馏器产量的影响,从而确定最佳微纳颗粒的浓度,最合适的蒸馏器水深以及可获得最大产量的冷却水膜流量。同时还研究了将流过玻璃表面的冷却水作为给水时,蒸馏器产量的变化。对于本文实验系统,添加石墨微纳颗粒和氧化铜微纳颗粒的最佳水深为0.5cm,两种微纳颗粒浓度的最优值均为1%,当水深为0.5cm时最佳冷却水流量为4kg/h。第二部分,利用石墨微纳颗粒优良的光热转换性质,结合相变材料以及玻璃表面水膜冷却技术,充分利用石墨微纳颗粒转换的热量,将蒸馏器白天吸收的一部分热量储存起来,不仅加快了蒸发速率,同时将微纳颗粒转换的热量充分利用,减少热量的损失,使蒸馏器产量得到很大的提升。因此,设计了如下4种蒸馏器,并对其产量进行对比研究:蒸馏器A,添加石墨颗粒;蒸馏器B,石墨颗粒+相变材料;蒸馏器C,石墨颗粒+水膜冷却;蒸馏器D,石墨颗粒+相变材料+水膜冷却。改善后的蒸馏器,相比于传统蒸馏器,产量得到了很大的提升,其中蒸馏器D效果最好,产量增量可达73.8%。本文的研究结果能够为利用太阳能高效地实现海水淡化提供有意义的参考指导。
【图文】：

1 太阳能海水淡化的基本原理太阳能海水淡化技术是热技术海水淡化的一种，其基本原理同于自然雨水阳辐射的热量加热海洋、湖泊和河流或者来自地面上的植物和土壤中的水，蒸气。如图 2-1，为自然雨水循环过程图，水吸收太阳的热量，转变成水蒸气，在周围空气中蒸发。这个过程被称为“蒸发”。凉爽潮湿的空气不能像热空气一样容纳大量的水蒸气，因此，一些蒸汽变成水滴（降水如图）。这被称为“冷凝”。云便是大量微小水滴或冰晶的集合，水滴很小，很轻，它浮在空中。当水滴聚集到一定量，便以雨的形式降落到陆地，流向河流，再洋，也有一些留在地面，以冰的形式存在。最后，水都会以一定的方式进入河流，这样水循环又开始了。这种通过吸收太阳能发生蒸发，然后发生冷凝得太阳能淡化海水的方法叫做热海水淡化法。

太阳能蒸馏器,蒸馏器

太阳能蒸馏是一种低成本，并且通过简单净化苦碱水和盐水便可获得纯净水的法[24]。传统的太阳能蒸馏器是一种用于转换盐水和苦碱水的常见的装置。其结简图如图 2-2 所示。其中包括一个喷黑的蒸馏盆，蒸馏盆的内部有一个浅沟槽用收集蒸发后冷凝的淡水。蒸馏器上方由倾斜的玻璃盖板密封，减少水蒸气的泄露馏器中用于蒸发的水由海水箱供给，蒸发后，蒸馏器中盐浓度极大的卤水排出至水箱。蒸馏器中不纯净的水吸收太阳辐射，水温上升，促进水蒸发，当饱和湿空气与明玻璃盖的冷内表面接触时，，水蒸气发生冷凝，冷凝水下降，积累在玻璃盖下侧一个略倾斜的水槽里，并通过管子流出外壳，进入淡水箱[24]。但是由于其生产力低，并没有被广泛使用。许多研究人员已从实验和理论的角分别对太阳能蒸馏器结构的重新设计和不断优化进行了研究。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P747;TK519

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