太陽能海水淡化是緩解世界淡水資源壓力的有效方法之一,在傳統(tǒng)太陽能海水淡化系統(tǒng)中,蒸餾效率低是限制其發(fā)展的主要因素。納米材料具有獨特的光學(xué)、熱力學(xué)特性,能夠吸收太陽輻射并將其轉(zhuǎn)化為熱能,被廣泛用于太陽能蒸餾系統(tǒng)來增強光-熱-汽轉(zhuǎn)換率。近年來,受益于納米流體及界面光熱技術(shù),太陽能蒸餾技術(shù)發(fā)展迅速。固態(tài)納米顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于液態(tài)基質(zhì),故以納米流體代替?zhèn)鹘y(tǒng)流體作為傳熱工質(zhì)用于太陽能蒸餾系統(tǒng)。近年的研究中,納米流體用于被動、主動式蒸餾系統(tǒng)中均顯示出較強的吸光集熱性能,蒸餾產(chǎn)水量提高25%以上,最大提高約130%;納米流體具有獨立產(chǎn)蒸汽能力,在太陽光模擬器下,流體迅速升溫并產(chǎn)生蒸汽,熱利用效率高達73%,產(chǎn)水率相比純水增加近50%。界面光熱技術(shù)是指在界面材料作用下,納米吸收體吸收太陽光作用于水與空氣界面的薄層水分子,而不是整個待蒸發(fā)水體。可用來作為界面光熱材料的主要有等離激元材料、獨立納米凝膠材料、金屬或金屬氧化物涂層的復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料、聚離子液體衍生膜及部分可降解有機材料。在界面光熱蒸餾系統(tǒng)中,因材料強吸光特性及多孔特性,顯著提高界面熱利用效率及蒸餾產(chǎn)水速率。其中碳基材料因制備成本低、容... 

【文章來源】：材料導(dǎo)報. 2020,34(21)北大核心EICSCD

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【部分圖文】：

傳統(tǒng)盤式太陽能蒸餾器[26]

底盤吸收的太陽輻射能是限制被動式太陽能蒸餾器制水量的最主要參數(shù)，Rashidi等[31]通過建立氧化鋁-水納米流體體積(VOF)模型，研究納米流體對傾斜式太陽能蒸餾效率的影響，結(jié)果表明，使用納米流體的蒸餾器產(chǎn)水量隨著納米顆粒固體體積分?jǐn)?shù)的增大而增加，產(chǎn)水量提高約25%。Kabeel等[32]設(shè)計了兩個如圖2所示的非真空強制對流循環(huán)盤式蒸餾器，在實際天氣條件下測量太陽輻照、循環(huán)風(fēng)速及添加納米流體等因素對蒸餾速率的影響，研究發(fā)現(xiàn)，1 d內(nèi)恒定的風(fēng)扇運轉(zhuǎn)速度為1 350 r/min時，與傳統(tǒng)蒸餾器相比，使用氧化鋁納米流體的蒸餾器單位面積產(chǎn)水量提高約116%。Kabeel團隊[33]還研究了不同納米材料對該蒸餾器性能的影響。在有風(fēng)扇和無風(fēng)扇的情況下，使用氧化亞銅納米顆粒，產(chǎn)水率可分別提高133.64%和93.87%，使用氧化鋁納米顆粒則分別提高了125.0%和88.97%。對添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米材料的盤式蒸餾器與傳統(tǒng)盤式蒸餾器進行研究，在納米材料添加量為10%和40%時，使用Cu O納米顆�？墒拐麴s物的產(chǎn)量分別提高16%和25%。同時，使用納米流體的盤式太陽能蒸餾器投資回收期為96 d，傳統(tǒng)蒸餾器投資回收期為89 d，驗證了使用納米流體的蒸餾器有較高的淡水產(chǎn)出率，同時蒸餾裝置具有較高的性價比[34]。

Sharshir等[43]采用三臺相同尺寸的盤式蒸餾器對太陽能海水淡化系統(tǒng)的性能進行了研究，如圖3所示，系統(tǒng)包括一個傳統(tǒng)的蒸餾器、一個帶冷卻玻璃蓋板的石墨納米流體太陽能蒸餾器、一個帶冷卻玻璃蓋板的氧化銅納米流體太陽能蒸餾器和一個膜冷卻水箱。他們分別探究不同種類納米流體、待蒸發(fā)水深度、冷卻水流速及納米流體流速對蒸餾器性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，石墨或氧化銅納米粒子的質(zhì)量濃度越大，蒸餾器淡水產(chǎn)率越高;在相同條件下，使用石墨納米材料時，其導(dǎo)熱性增強程度高于氧化銅納米材料，這是因為石墨粒徑比氧化銅顆粒大，石墨的密度比氧化銅的密度小，石墨顆粒相比氧化銅顆粒更容易懸浮分布在待蒸發(fā)水中;蓋板冷卻水流速在1～12 kg·h-1之間時，與傳統(tǒng)的太陽能蒸餾器相比，使用氧化銅和石墨納米流體時，太陽能蒸餾器的產(chǎn)水率分別提高了44.91%和53.95%;在不使用玻璃蓋板冷卻的情況下，分別使用氧化銅納米流體和石墨納米流體可獲得38%和40%的日產(chǎn)水效率;采用氧化銅和石墨納米顆粒玻璃膜冷卻時，蒸餾器的日產(chǎn)水效率分別為46%和49%。由此可以看出，納米流體類型、流體流速及流體質(zhì)量濃度、蒸餾器結(jié)構(gòu)等均是影響納米流體蒸餾系統(tǒng)產(chǎn)水效率的重要因素。在以上研究過程中，納米粒子均與蒸發(fā)水進行直接接觸，Mahian等[44]通過理論模型建立了含有納米粒子的換熱器，并進行實驗研究，將其應(yīng)用于海水淡化裝置。該團隊利用如圖4所示的裝置進行了實驗，裝置主要由兩個串聯(lián)的平板集熱器和一個裝有熱交換器的太陽能蒸餾器組成。在太陽能集熱器中加熱后，納米流體進入安裝在太陽能蒸餾池中的換熱器，與原水進行換熱。實驗針對不同納米顆粒體積分?jǐn)?shù)、不同納米粒徑(7 nm和40 nm)、不同深度的蒸餾池(4 cm和8 cm)和不同質(zhì)量流量的納米流體在不同的天氣條件下進行。研究發(fā)現(xiàn)，太陽輻照強度是影響蒸餾性能的主要因素，為了研究納米流體的影響規(guī)律，建立了一個數(shù)學(xué)模型，并通過在給定天氣條件下的實驗數(shù)據(jù)進行驗證。結(jié)果表明，在低于60℃的溫度下使用換熱器作用較為微弱，相應(yīng)的集熱效率比不使用換熱器的太陽能蒸餾器要小;盡管在這種情況下，使用納米流體作為換熱器中的工作流體相比傳統(tǒng)流體可以提高10%左右的產(chǎn)水量。在更高的溫度(例如70℃)下使用換熱器作用較為明顯，但是使用納米流體代替?zhèn)鹘y(tǒng)水流體，可以使性能指數(shù)提高約1%。此外，在高溫下使用Si O2納米流體，其熱導(dǎo)率低于銅納米流體。由此可以看出，間接使用換熱器的納米流體蒸餾器不與待蒸發(fā)水充分接觸時亦能有效增強制水效率。

【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：3596705