【摘要】：淡水供給一直是人類生存面臨的嚴峻難題。吸附式空氣取水技術(shù)作為吸附式制冷在空氣取水方面的拓展應(yīng)用,最近引起了深入的研究。與傳統(tǒng)的空氣取水技術(shù)相比,吸附式空氣取水具有裝置體積小、取水效率高、結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。對吸附式空氣取水的研究一般集中在吸附劑和循環(huán)系統(tǒng)的研究上。系統(tǒng)要求復合吸附劑的傳熱傳質(zhì)(水)性能都比較高,但一般吸附劑很難同時滿足。另外,要進一步提高吸附劑的平衡吸附量,吸附劑就會發(fā)生液解現(xiàn)象,而在傳統(tǒng)的吸附式制冷里液解是要極力避免的。吸附床內(nèi)吸附劑的形狀和填充方式、空氣流道的設(shè)計對系統(tǒng)的性能都會產(chǎn)生很大影響。針對以上問題,本文首先對三相吸附循環(huán)進行了理論分析,然后分別采用Li Cl和Li Cl、Ca Cl_2的混合鹽作為吸濕性鹽,膨脹硫化石墨(ENG-TSA)和活性碳纖維(ACF)氈作為基質(zhì)制備了復合吸附劑并研究了其導熱性能、吸附性能和穩(wěn)定性等。設(shè)計了固-氣兩相和固-氣-液三相儲熱型吸附式空氣取水裝置,實驗驗證了三相吸附循環(huán)在空氣取水方面的優(yōu)越性。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)對吸濕性鹽與水蒸氣的反應(yīng)及復雜的相互作用機理進行了描述,尤其從化學勢角度對液解過程機理做了全面的分析。指出其既包括了固/氣化學吸附過程(水合反應(yīng))和固/氣/液三相液解過程,又包括氣/液吸收過程。吸濕性鹽徹底的吸水過程是包括以上全部過程的三相過程,即三相吸附過程。(2)對復合吸附劑的吸濕性鹽進行了遴選,指出Li Br、Li Cl、CaCl_2這三種鹽的液解相對濕度都小于30%。并從吸附性能和經(jīng)濟性方面對這三種吸濕性鹽進行了對比,其中,Li Cl的吸附性能最好,達到1.34 g/g;Ca Cl_2更具有成本優(yōu)勢。對復合吸附劑的基質(zhì)進行了選擇,得出ENG-TSA具有導熱系數(shù)強、可塑性好等優(yōu)點,但機械性能較差;ACF的比表面積較大、孔隙均勻、穩(wěn)定性強,但導熱性能相對較弱。所以本文分別制備了以Li Cl和Li Cl、Ca Cl_2的混合鹽作為吸濕性鹽,ENG-TSA和ACF作為基質(zhì)的復合吸附劑。(3)對制備的復合吸附劑進行了導熱性能、吸附性能和穩(wěn)定性等的研究。得出復合吸附劑ENG-TSA-Li Cl的軸向和徑向?qū)嵯禂?shù)都隨著吸附劑密度的增高而增大,樣品在25℃下導熱系數(shù)最大可達到5.67 W/(m·K)。復合吸附劑的吸附性能隨著吸附劑密度的增高而降低,在20℃、80%RH下,吸附劑吸水量最大可達到1.54 g/g,但其吸附后機械性能會明顯降低。復合單鹽吸附劑ACF-Li Cl的軸向和徑向?qū)嵯禂?shù)都隨著Li Cl溶液濃度的增高而增大。真空浸漬法獲得的吸附劑的吸水量比大氣浸漬法高。固化吸附劑ASLi40的最大吸水量為1.59 g/g,在90℃下的解吸量為1.22 g/g,并且其機械性能和再生能力都比較強。復合吸附劑ALi Ca30(3:1)在25℃和90%RH下的吸水量為2.98 g/g,從微觀結(jié)構(gòu)方面解釋了其性能的優(yōu)越性并對其進行了吸附動力學模型研究,其吸附速率系數(shù)比ACF-Ca Cl230的高。對該吸附劑的熱能特征進行了測試,其質(zhì)量能量儲存密度為0.41 k Wh/kg,發(fā)現(xiàn)吸附劑在三相結(jié)晶/液解過程中儲存了大量的熱能。(4)對儲熱材料進行了制備和研究,得到復合相變儲熱材料ENG-TSA-SA的徑向?qū)嵯禂?shù)為22.2 W/(m·K),相變溫度區(qū)間為65.9~77.1℃,相變潛熱為153J/g,適用于太陽能等低品位熱能。儲熱器的添加會明顯穩(wěn)定解吸溫度和延緩解吸溫度下降的趨勢。(5)為了驗證三相吸附循環(huán)在空氣取水系統(tǒng)中的優(yōu)越性,設(shè)計了固-氣兩相和固-氣-液三相儲熱型吸附式空氣取水裝置。實驗測試了四種復合吸附劑在固-氣兩相空氣取水裝置上的性能,得出由ACF制備的復合吸附劑性能比以硅膠為基質(zhì)的要好;ACF-Li Cl的吸附與解吸性能最好,在吸附床出口溫度為90℃時,解吸6h的產(chǎn)水量為0.80 kg,但遠遠低于其設(shè)計目標。分析原因得出兩相吸附式空氣取水裝置存在復合吸附劑未達到吸附平衡和再生能力弱、部分水蒸氣未冷凝、解吸溫度不穩(wěn)定等局限。針對以上問題,設(shè)計了三相儲熱型吸附式空氣取水裝置。系統(tǒng)采用了固化復合吸附劑ASLi和開式吸附、閉式解吸的循環(huán)方式,添加了儲熱裝置,延長了吸附時間。裝置在吸附溫度32℃、吸附相對濕度75%、解吸溫度92℃左右的工況下實現(xiàn)了62.5 kg的取水量,水質(zhì)經(jīng)過濾后達到了飲用水衛(wèi)生標準,集1kg水需要的供熱量為1.96 k W·h。裝置驗證了三相吸附式在空氣取水方面的優(yōu)越性。
【圖文】：

淡水資源最原始最直接的方法，但受到天氣和地域的限制。非傳統(tǒng)空氣取水方法的分類和原理如表 1-1 所示，以下將分別介紹各方法的特點。圖1-1 空氣取水技術(shù)分類[7]Fig.1-1 Classification of air-to-water technology表 1-1 非傳統(tǒng)空氣取水方法的分類和原理Table 1-1 Classification and principles of unconventional air-to-water methods方法 原理機械壓縮法壓縮濕空氣時，空氣露點溫度隨著壓力的增加而增大，水蒸氣的分壓力隨著壓力的增加也迅速提高，在兩者共同作用下，使?jié)窨諝獾睦淠郎囟冗h高于環(huán)境溫度，冷凝濕空氣從而獲得淡水。制冷結(jié)露法利用制冷的方式將濕空氣的溫度降到低于露點溫度，使水蒸氣結(jié)露而獲得液態(tài)水。吸收法利用物質(zhì)濃溶液（如氯化鈣 乙烯乙二醇等）作為吸收劑，吸收空氣中的水分變?yōu)橄∪芤�，然后加熱稀溶液，吸收的水分被蒸發(fā)，最后冷凝獲取淡水。吸附法利用固體吸附劑吸附空氣中的水分，加熱吸附劑使吸附的水分解吸，解吸的水蒸氣經(jīng)過冷凝而獲得淡水。聚霧取水法霧是由液化的小水滴懸浮在空氣中形成的

趙惠忠等[65]設(shè)計出了一種太陽能吸附式水管，其結(jié)構(gòu)如圖1-2所示，管內(nèi)填充復合吸附劑硅膠-CaCl2，管中有傳質(zhì)通道，管外為外表面涂黑板漆或黑鎳涂層的不銹鋼管。理論計算出每天流經(jīng)吸附床的水蒸氣最大量為2.13 kg，單只太陽能水管每天可獲取水量約0.753 kg，但沒有關(guān)于此裝置的實驗報道。此外，太陽能水管接收太陽能的面積太小，提供給吸附劑的解吸熱有限；流經(jīng)吸附劑的水蒸氣不一定被吸附，解吸出的水蒸氣也不一定完全被冷凝。O辭橇Φ萚66]設(shè)計出太陽能吸附式空氣取水一體球體裝置。球體上半部分為內(nèi)填充相變材料石蠟的冷凝罩。球體下半部分為透光罩，，吸附劑的解吸熱由聚光罩聚集太陽能提供。球體內(nèi)為吸附床
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB34;O647.33;TK11

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 趙惠忠;李瑩瑩;魏存;張津;;吸附式太陽能水管空氣取水的特性研究[J];可再生能源;2014年03期

2 李文俊;;仿生技術(shù)讓空氣取水效率大為提高[J];膜科學與技術(shù);2013年06期

3 周建偉;程玉良;王儲備;y嚵亮

本文編號：2613851