太陽能海水曬鹽強化技術的研究

黃群武田作旭王一平

(1.天津大學化工學院,天津 300350; 2.天津大學建筑學院,天津 300072)

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

2014年,麻省理工學院Chen課題組率先提出高效界面蒸發的概念[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化效率。界面光蒸汽轉化的主要機制包括:光吸收、熱管理和水輸送[2]。在之后的研究中,界面光蒸汽系統的結構呈現多樣化的趨勢,其中比較典型的是雙層結構系統。在雙層結構系統中,上層結構吸收太陽能轉化為熱,并將水轉化為蒸氣;下層結構不斷的將水輸送至上層,同時抑制上層結構產生的熱量向周圍的水體擴散。

自高效界面蒸發的概念提出后,研究人員進行了相關研究,進行高效吸光材料的開發和新型蒸發系統的構建。Zhang[3]設計出還原氧化石墨烯和絲織物組成的新型裝置,300～2 500 nm的波長范圍內表現出高光吸收,帶有絕熱體(聚乙烯泡沫)的系統在一個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換層,其蒸發表面與水體隔離。棉線的強芯吸效應能夠將大量的水快速轉移到位于水體以上9 cm的蒸發表面。Li等[5]設計了利用木材中的跨平面納米級通道輸送水的蒸發系統,還有著良好的隔熱效果。Xu等[6]開發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,它有著近乎免費成本,簡便制造和高效率設計的優點,但是沒有考慮鹽分聚集的影響,也無法長期使用。Liu等[7]提出了一種自驅動的耐鹽材料,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的具有連續孔隙率的分層石墨烯泡沫,結果表明其顯著增強了吸收帶寬,并具有對太陽光的全向吸收,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)的分層納米結構凝膠(HNG),該凝膠可用作獨立的太陽能蒸汽發生器,有著3.2 kg·m-2·h-1的蒸發速率和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]設計出一種等離子體增強的太陽能脫鹽器件,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,但相對于可直接采購的工業材料,其成本和易得性仍然不占優勢。Hu等[11]開發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現高效(約83%)的太陽蒸汽產生,但是合成性能良好的氣凝膠工序比較復雜,成本和便捷性不具備優勢。

本論文選擇幾種低成本材料構建具有雙層結構的太陽能水分蒸發系統,考察雙層結構的不同組合、光熱轉換層厚度和突出水面高度對水界面高效蒸發過程中水分蒸發量和熱效率的影響,優化出最適宜組合和蒸發條件,并探究了鹽分聚集對雙層結構蒸發性能的影響,為解決鹽場高效、低成本曬鹽提供一種新的思路。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與裝置

實驗采用的模擬太陽能光源為長弧氙燈,經測定其在蒸發材料正上方約0.5 cm處的輻照強度為1 000 W·m-2。使用的測溫儀為臺灣衡欣AZ88598高精度4通道K型溫度SD卡記錄器,精度可以達到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公司生產的紫外可見光近紅外分光光度計。

本研究選用4種多孔材料:活性炭過濾棉、百潔布、不銹鋼燒結網和海綿,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,構成開放式多孔結構。3)不銹鋼燒結網是采用多層金屬絲編織網,通過特殊的疊層壓制與真空燒結等工藝制造而成,具有較高機械強度和整體鋼性的一種新型過濾材料。4)海綿是由發泡聚氨酯制成的多孔材料。4種材料實物圖見圖1。

圖1 4種材料實物圖Fig.1 Physical chart of four materials

幾種材料包含主要材質的熱導率和密度比較見表1。

表1 幾種材質的熱導率和密度Table 1 Thermal conductivity and density of the materials

利用氙燈來模擬太陽光,氙燈本身需要風冷散熱,為了排除風對水分蒸發的影響,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裝置示意圖和實物圖。模擬海水由食鹽和蒸餾水配制而成。

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

1.2 評價指標

太陽能的熱效率使用式(1)來計算[12]:

式(1)中:m為穩定狀態下的水分蒸發速率;qin為蒸發表面入射太陽輻照度,1 000 W·m-2;h1v為蒸發水的總焓,包含顯熱焓和潛熱焓,按式(2)計算:

式(2)中:λ1v是在標準大氣壓的蒸發潛熱,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 實驗與結果分析

2.1 雙層結構組合的選擇

由于海綿(發泡聚氨酯)的熱導率遠低于其他3種材料,作為輸水通道的濕態海綿仍然有著比較低的熱導率,其作為雙層結構的下層能更有效防止熱量的散失,并且海綿密度低于水,使雙層結構成為漂浮體。

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測試出活性炭過濾棉、百潔布和不銹鋼燒結網的光透過率和光反射率,從而得到光吸收率數據,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,如圖4所示。

由圖4可知,海綿、活性炭過濾棉和百潔布在5秒內均能被蒸餾水良好浸潤,而不銹鋼燒結網上蒸餾水仍然呈現珠狀,表明海綿、活性炭過濾棉和百潔布親水性良好,而不銹鋼燒結網親水性較差。

為了比較不同材料組合對水分蒸發的影響,以海綿為下層,分別以活性炭過濾棉、不銹鋼燒結網和百潔布為上層(海綿上平面與水面平齊),進行蒸發實驗,獲得水分蒸發量的變化曲線,如圖5所示。

圖5 不同組合蒸發效果比較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構時有著最好的蒸發效果,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最好。

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

2.2 雙層結構對純水蒸發的研究

為了定量獲得雙層結構對水分蒸發的強化效果,對純水物系,考察有/無雙層結構對太陽能水分蒸發的影響(海綿上表面與水面平齊)。在光源照射后,每隔30 min測量水分蒸發裝置的質量變化,結果見圖6。

圖6 有/無雙層結構對蒸發的影響Fig.6 Effect of evaporation with or without double-layer structure

相比對照組,具有活性炭過濾棉-海綿雙層結構的太陽能水分蒸發系統有著更高的蒸發量;計算表明雙層結構可使水分蒸發量增加了37.5%。

為了解釋其強化機理,測量了水分蒸發裝置不同位置的溫度變化,其中實驗組和對照組的水體溫度測溫位置為雙層結構正下方1.5 cm處,水體體積為150 mL,最終結果見圖7。

圖7 蒸發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,在雙層結構太陽能水分蒸發系統中,黑色的活性炭過濾棉層溫度在短時間內迅速升高,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。對照組的水體的溫度也是緩慢升高,但比雙層結構太陽能水分蒸發系統的水體溫度升高略快。上述結果表明,黑色活性炭過濾棉具有較好的光吸收能力,將光能轉化為熱能,加熱黑色活性炭過濾棉中的水,同時還通過熱傳導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,由于雙層結構的存在,光能產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。

2.3 活性炭過濾棉厚度的影響

為了優化活性炭過濾棉的厚度,分別采用1、2和3層活性炭過濾棉進行蒸發實驗(海綿上平面與水面平齊),3種情況對比如圖8。

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

雙層結構太陽能水分蒸發系統在不同活性炭過濾棉厚度下的蒸發效果強弱為: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,太陽光對其穿透距離較小,光熱轉換主要集中于光熱轉化材料的表層,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,考察純水的蒸發量,結果見圖9。

在實驗中,由于雙層結構與燒杯側壁緊密接觸,2者之間的摩擦力使得雙層結構突出水面距離得以方便調控。圖9表明海綿層突出水面4 mm時有著更好的蒸發效果,而0和7 mm效果較差。

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

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

2.5 鹽分對太陽能水蒸發系統的影響

在利用雙層結構進行海水曬鹽的過程中,隨著水分蒸發,海水中的可溶鹽會在蒸發界面上析出,形成鹽聚集。下面考察鹽聚集對上層結構的光吸收和蒸汽逸出的影響。

利用食鹽制成模擬海水(鹽質量分數為3.5%),在持續模擬光照情況下,記錄水分蒸發量變化,并觀察上層結構的鹽聚集情況。在實際的太陽能海水曬鹽過程中,雖然每天的日照時間長短不一,但是一般不會超過10 h,因此本研究只考察了10 h的水分蒸發過程,結果見圖10和圖11。

圖10所示,隨著光照的持續增加,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位置出現,然后其周圍也開始出現鹽分,并連成一片;最初出現的鹽分的位置,鹽分集聚現象更加嚴重。

圖10 蒸發過程中上層結構鹽聚集情況Fig.10 Salt accumulation in upper layer during evaporation

圖11為持續光照情況下水分蒸發量的變化。每30 min計量一次水分蒸發量,可以看出水分蒸發量先逐步上升,然后趨于穩定。

圖11 蒸發模擬海水時的水分變化量Fig.11 Moisture change during evaporation of simulated seawater

最初的水分蒸發量最少,其原因可能是最初的主體水溫較低,雙層結構與主體水的溫度差別較大,向主體水的熱損較大,上層結構水溫不高,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后水分蒸發量基本保持穩定,原因可能是不規則的聚集鹽分構造了陷光結構,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],其準確的機理將作為后續工作加以深入研究。

為了考察雙層結構上最初鹽分對其水分蒸發性能的影響,在雙層結構上直接添加2.0 g食鹽,觀察食鹽溶解情況,結果見圖12。

由圖12可知,15 min內食鹽已逐漸溶于水中,約75 min后,幾乎完全溶解。實際的太陽能海水曬鹽為間歇過程,利用夜晚時間雙層結構可以對聚集的鹽分進行自行溶解,不會影響以后的太陽能海水曬鹽過程。

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

2.6 與文獻數據比較

在模擬海水條件下,對雙層結構進行了10次循環實驗(每日照射5 h,光輻照強度1 000 W·m-2),計算出水的蒸發速率,結果見圖13。

由圖13可知,利用雙層結構進行的10次太陽能海水蒸發實驗,其水分蒸發量在1.2 kg·m-2·h-1上下波動,水分蒸發性能穩定。表2為本研究數據與文獻數據的對比。

表2 本文數據與文獻數據的對比Table 2 Comparison of the data in this article and the previous literature

圖13 雙層結構循環實驗Fig.13 Circulation experiments of double-layer structure

活性炭過濾棉-海綿雙層結構的水分蒸發速率和太陽能熱效率都高于所列文獻值,并且本研究所用材料為常用工業品,成本低、容易獲得。

2.7 能量消耗分析

在達到穩定的界面蒸發過程中,能量來源是輻照強度為1 000 W·m-2的模擬光源照射,熱量消耗主要包括1)產生蒸汽所消耗能量;2)上表面對環境的對流損失;3)上表面對環境的輻射損失;4)雙層結構對水的導熱損失;5)上表面光反射損失;6)裝置側面和底面對環境的熱損失。計算數據來源參考圖7。

1)產生蒸汽所消耗能量占比即為太陽能熱效率,值為78%。

2)上表面對環境的對流損失可用牛頓冷卻定律計算:

式(3)中:h為對流傳熱系數,此處取值5 W·m-2·K-1;A為雙層結構的受光面積,值為0.003 m2;Ts和Ta分別為雙層結構上表面的溫度和上表面附近空氣溫度(穩定狀態下為32.2 ℃)。則此部分熱損失占比可用式(4)計算:

計算結果為:μ2=5.9%。

3)上表面對環境的輻射損失可用史蒂芬-玻爾茲曼定律計算:

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)計算:

計算結果為:μ3=6.8%。

4)雙層結構對水的導熱損失可用傅里葉定律計算:

式(7)中k為水的熱導率,此處取0.61 W·m-1·K-1,Δt/δ為雙層機構下表面到水體測溫點的溫度梯度。則此部分熱損失占比可用式(8)計算:

計算結果為: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)結合上述計算,裝置側面和底面對環境的熱損失率μ6=1.1%。

3 結論

本論文通過篩選幾種毛細材料,構成雙層結構太陽能水蒸發系統,水蒸發速率達1.2 kg·m-2·h-1,太陽能熱效率能達78%,優于部分文獻中數據,為低成本強化太陽能海水曬鹽提供了新的思路。

1)在所選的毛細材料中,活性炭過濾棉和海綿組合有最好的蒸發效果。

2)海綿上表面突出水面4 mm左右、僅鋪設1層時達到最好的蒸發效果。

3)對模擬海水溶液進行蒸發,在10 h持續一個太陽光照條件下,雖然上層結構會產生鹽分聚集,水分蒸發量未受到明顯影響。

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,不會影響以后的過程。