研究背景
background
水資源是人類生活活動的基礎(chǔ)。然而，水資源短缺已成為一個(gè)日益嚴(yán)重的全球問題，作為獲取淡水的有效方式，海水淡化正逐漸受到世界的廣泛關(guān)注。海水淡化技術(shù)包括反滲透、電滲析、膜蒸餾和其他技術(shù)。由于環(huán)境保護(hù)的重要性日益增加，使用清潔可再生能源進(jìn)行海水淡化的技術(shù)開始出現(xiàn)。
利用豐富的太陽能資源，太陽能驅(qū)動蒸發(fā)是一種很有前途的節(jié)能環(huán)保海水淡化技術(shù)。如何提高其蒸發(fā)效率是目前海水淡化領(lǐng)域的重要研究熱點(diǎn)。太陽能驅(qū)動蒸發(fā)可分為基于底部加熱的蒸發(fā)、基于體積加熱的蒸發(fā)和基于界面加熱的蒸發(fā)。在基于底部加熱的蒸發(fā)系統(tǒng)中，熱量產(chǎn)生發(fā)生在底部，而蒸汽產(chǎn)生發(fā)生在其他地方，兩個(gè)過程的分離導(dǎo)致熱量利用不足，導(dǎo)致蒸發(fā)效率相對較低，為 30-45%。已經(jīng)提出使用光學(xué)納米流體的基于體積加熱的蒸發(fā)，通過將產(chǎn)生的熱量改變?yōu)榱黧w塊來減少熱損失。在基于體積加熱的蒸發(fā)中，蒸發(fā)效率僅實(shí)現(xiàn)了適度的提高，因?yàn)闊崃慨a(chǎn)生和蒸汽產(chǎn)生仍然是分開的?；诮缑婕訜岬恼舭l(fā)基于“熱定位”策略，可以更有效地將熱量定位在水的蒸發(fā)部分。這種太陽能驅(qū)動的界面蒸發(fā) （SDIE） 減少了流體本體的熱損失，大大提高了太陽能和熱能的綜合利用效率。通過將太陽能集中和集熱技術(shù)應(yīng)用于 SDIE，可以將系統(tǒng)的熱效率提高到 85-90%。此外，該方法還從光熱材料以及傳熱傳質(zhì)的角度為優(yōu)化蒸發(fā)特性（包括蒸發(fā)蒸汽通量和溫度）提供了額外的方法。高光熱能利用效率使 SDIE 在海水淡化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來，在太陽能海水淡化領(lǐng)域，利用新穎的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造高效的界面蒸發(fā)器，并獲得優(yōu)異的海水淡化性能，已經(jīng)出現(xiàn)了很多出色的工作。
粉煤灰 （CFA） 是燃煤電廠生產(chǎn)過程中的主要固體廢物。以CFA為原料制備陶瓷蒸發(fā)器，不僅可以解決固體廢物傾倒不當(dāng)?shù)膯栴}，還可以降低陶瓷蒸發(fā)器的制備成本。一方面，CFA 便宜且易于獲得。另一方面，CFA 含有 CaO、MgO 和 Na 等低熔點(diǎn)氧化物，它降低了陶瓷蒸發(fā)器制備過程中的燒結(jié)溫度。作為陶瓷膜的原料，CFA的售價(jià)約為10元/m2，此外，粉煤灰基 （CFA-based） 陶瓷不僅具有上述多孔陶瓷材料的優(yōu)點(diǎn)，而且表現(xiàn)出相對較低的導(dǎo)熱系數(shù)，可以有效增強(qiáng)蒸發(fā)器的熱管理能力。經(jīng)測得 CFA 基陶瓷的熱導(dǎo)率為 1.17 W·m?1·K?1，遠(yuǎn)低于其他常見陶瓷，如 SiO2、TiO2和 Al2O3。與其他陶瓷材料相比，CFA 的這些優(yōu)點(diǎn)符合作為界面蒸發(fā)器良好材料的特性。此外，黑釉因其成本低、穩(wěn)定性好、光吸收高等優(yōu)點(diǎn)，是光熱轉(zhuǎn)換層的優(yōu)良陶瓷材料，拓寬了它們在太陽能蒸發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用。
研究者們以粉煤灰為主要材料，制備了具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括平均孔徑和孔隙率）的陶瓷蒸發(fā)器。在自然光下進(jìn)行了比較實(shí)驗(yàn)研究。介紹了蒸發(fā)器的最大輸水量和水輸運(yùn)速率兩個(gè)評價(jià)指標(biāo)，以解釋結(jié)構(gòu)參數(shù)對 SDIE 試驗(yàn)中蒸發(fā)器蒸發(fā)速率的影響。并優(yōu)化和選擇具有最大蒸發(fā)速率的蒸發(fā)器。這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)高性能陶瓷蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了方向。
主要數(shù)據(jù)
data
圖 1.蒸發(fā)器制備過程示意圖
圖 2.蒸發(fā)器純水通量測量裝置示意圖
圖 3.SDIE 測試系統(tǒng)示意圖
圖 4.黑釉和 M3 光熱轉(zhuǎn)換層的 XRD圖
圖 5.蒸發(fā)器 M3、M4 和 M10 的 SEM 圖像 （a） M3 的光熱轉(zhuǎn)換層;（b） M4 的光熱轉(zhuǎn)換層;（c） M10 的光熱轉(zhuǎn)換層;（d） M3 輸水層;（e） M4 輸水層;（f） M10 輸水層;（g） M3 的橫截面;（h） M4 的橫截面;（i） M10 的橫截面;（j） M3 光熱轉(zhuǎn)換層的 SEM-EDS 圖像， 圖譜
圖 6.蒸發(fā)器 M3、M4 和 M10 的吸光度光譜
圖 7.蒸發(fā)器的純水通量 M1～M10
圖 8.具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的蒸發(fā)器的水輸送量 （a） 和水輸送速率 （b） 與接觸時(shí)間。最大水傳輸速率與平均孔徑 （c） 和孔隙率 （d） 之間的關(guān)系
圖 9.具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的蒸發(fā)器輸水示意圖
圖 10.最大水傳輸量 （a） 熱導(dǎo)率 （b） 孔隙率
圖 11.SDIE 測試期間蒸發(fā)速率隨時(shí)間變化
圖 12.SDIE 測試期間蒸發(fā)器 M3、M4 和 M10 的表面紅外圖像
圖 13.蒸發(fā)器的平均蒸發(fā)速率與最大水傳輸量 （a） 和最大水傳輸量 （b） 之間的關(guān)系
圖 14.蒸發(fā)器表面的潤濕條件
研究結(jié)論
本文以粉煤灰為主要材料制備了具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的陶瓷蒸發(fā)器。在自然光下進(jìn)行了比較實(shí)驗(yàn)研究。介紹了蒸發(fā)器的輸水速率和最大輸水量，以解釋結(jié)構(gòu)參數(shù)對蒸發(fā)性能的影響。并優(yōu)化選擇蒸發(fā)速率最大的蒸發(fā)器?？梢缘贸龅慕Y(jié)論是：
(1) 較高的孔隙率具有較高的最大輸水量，當(dāng)蒸發(fā)器表面接收到的光和熱不足以提供蒸發(fā)時(shí)，蒸發(fā)速率會因蒸發(fā)器導(dǎo)熱系數(shù)的增加而降低。
(2) 水傳輸速率與孔隙率呈正相關(guān)，與平均孔徑呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)孔隙率低且平均孔徑大時(shí)，水的傳輸速率較低。如果不足以吸收蒸發(fā)器表面接收到的光和熱，蒸發(fā)速率就會降低。
(3) 平均孔徑為 0.2204 μm、孔隙率為 0.2855 的蒸發(fā)器具有較小的最大輸水量和中等輸水速率，因此表現(xiàn)出最大的平均蒸發(fā)速率，為 4.72 kg·m?2·h?1。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S004313542500613X
聲明：僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，作者水平有限，如有不科學(xué)之處，請?jiān)谙路搅粞灾刚?/p>
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