Water Research|太阳能驱动界面蒸发过程中粉煤灰基蒸发器蒸发性能的设计优化

研究背景

background

水资源是人类生活活动的基础。然而，水资源短缺已成为一个日益严重的全球问题，作为获取淡水的有效方式，海水淡化正逐渐受到世界的广泛关注。海水淡化技术包括反渗透、电渗析、膜蒸馏和其他技术。由于环境保护的重要性日益增加，使用清洁可再生能源进行海水淡化的技术开始出现。

利用丰富的太阳能资源，太阳能驱动蒸发是一种很有前途的节能环保海水淡化技术。如何提高其蒸发效率是目前海水淡化领域的重要研究热点。太阳能驱动蒸发可分为基于底部加热的蒸发、基于体积加热的蒸发和基于界面加热的蒸发。在基于底部加热的蒸发系统中，热量产生发生在底部，而蒸汽产生发生在其他地方，两个过程的分离导致热量利用不足，导致蒸发效率相对较低，为 30-45%。已经提出使用光学纳米流体的基于体积加热的蒸发，通过将产生的热量改变为流体块来减少热损失。在基于体积加热的蒸发中，蒸发效率仅实现了适度的提高，因为热量产生和蒸汽产生仍然是分开的。基于界面加热的蒸发基于“热定位”策略，可以更有效地将热量定位在水的蒸发部分。这种太阳能驱动的界面蒸发 （SDIE） 减少了流体本体的热损失，大大提高了太阳能和热能的综合利用效率。通过将太阳能集中和集热技术应用于 SDIE，可以将系统的热效率提高到 85-90%。此外，该方法还从光热材料以及传热传质的角度为优化蒸发特性（包括蒸发蒸汽通量和温度）提供了额外的方法。高光热能利用效率使 SDIE 在海水淡化领域具有广阔的应用前景。近年来，在太阳能海水淡化领域，利用新颖的材料和结构设计制造高效的界面蒸发器，并获得优异的海水淡化性能，已经出现了很多出色的工作。

粉煤灰 （CFA） 是燃煤电厂生产过程中的主要固体废物。以CFA为原料制备陶瓷蒸发器，不仅可以解决固体废物倾倒不当的问题，还可以降低陶瓷蒸发器的制备成本。一方面，CFA 便宜且易于获得。另一方面，CFA 含有 CaO、MgO 和 Na 等低熔点氧化物，它降低了陶瓷蒸发器制备过程中的烧结温度。作为陶瓷膜的原料，CFA的售价约为10元/m2，此外，粉煤灰基 （CFA-based） 陶瓷不仅具有上述多孔陶瓷材料的优点，而且表现出相对较低的导热系数，可以有效增强蒸发器的热管理能力。经测得 CFA 基陶瓷的热导率为 1.17 W·m−1·K−1，远低于其他常见陶瓷，如 SiO2、TiO2和 Al2O3。与其他陶瓷材料相比，CFA 的这些优点符合作为界面蒸发器良好材料的特性。此外，黑釉因其成本低、稳定性好、光吸收高等优点，是光热转换层的优良陶瓷材料，拓宽了它们在太阳能蒸发领域的应用。

研究者们以粉煤灰为主要材料，制备了具有不同结构参数（包括平均孔径和孔隙率）的陶瓷蒸发器。在自然光下进行了比较实验研究。介绍了蒸发器的最大输水量和水输运速率两个评价指标，以解释结构参数对 SDIE 试验中蒸发器蒸发速率的影响。并优化和选择具有最大蒸发速率的蒸发器。这项工作为设计高性能陶瓷蒸发器的结构优化提供了方向。

主要数据

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图 1.蒸发器制备过程示意图

图 2.蒸发器纯水通量测量装置示意图

图 3.SDIE 测试系统示意图

图 4.黑釉和 M3 光热转换层的 XRD图

图 5.蒸发器 M3、M4 和 M10 的 SEM 图像 （a） M3 的光热转换层;（b） M4 的光热转换层;（c） M10 的光热转换层;（d） M3 输水层;（e） M4 输水层;（f） M10 输水层;（g） M3 的横截面;（h） M4 的横截面;（i） M10 的横截面;（j） M3 光热转换层的 SEM-EDS 图像， 图谱

图 6.蒸发器 M3、M4 和 M10 的吸光度光谱

图 7.蒸发器的纯水通量 M1∼M10

图 8.具有不同结构参数的蒸发器的水输送量 （a） 和水输送速率 （b） 与接触时间。最大水传输速率与平均孔径 （c） 和孔隙率 （d） 之间的关系

图 9.具有不同结构参数的蒸发器输水示意图

图 10.最大水传输量 （a） 热导率 （b） 孔隙率

图 11.SDIE 测试期间蒸发速率随时间变化

图 12.SDIE 测试期间蒸发器 M3、M4 和 M10 的表面红外图像

图 13.蒸发器的平均蒸发速率与最大水传输量 （a） 和最大水传输量 （b） 之间的关系

图 14.蒸发器表面的润湿条件

研究结论

本文以粉煤灰为主要材料制备了具有不同结构参数的陶瓷蒸发器。在自然光下进行了比较实验研究。介绍了蒸发器的输水速率和最大输水量，以解释结构参数对蒸发性能的影响。并优化选择蒸发速率最大的蒸发器。可以得出的结论是：

(1) 较高的孔隙率具有较高的最大输水量，当蒸发器表面接收到的光和热不足以提供蒸发时，蒸发速率会因蒸发器导热系数的增加而降低。

(2) 水传输速率与孔隙率呈正相关，与平均孔径呈负相关。当孔隙率低且平均孔径大时，水的传输速率较低。如果不足以吸收蒸发器表面接收到的光和热，蒸发速率就会降低。

(3) 平均孔径为 0.2204 μm、孔隙率为 0.2855 的蒸发器具有较小的最大输水量和中等输水速率，因此表现出最大的平均蒸发速率，为 4.72 kg·m−2·h−1。

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S004313542500613X

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