對流強化低碳太陽能界面蒸發系統的性能研究

曾虹藝, 羅杉杉, 余立強, 賴芳, 葛圓圓

(廣西大學 化學化工學院, 廣西 南寧 530004)

0 引言

隨著氣候模式的變化、社會經濟飛速發展和人口的快速增長,淡水資源的短缺成為全世界關注的焦點[1]。地球78%的面積被海水覆蓋,通過海水獲得淡水來解決淡水資源短缺的問題,已成為世界各國共識[2-3],然而,傳統海水淡化方法需要消耗大量化石能源,不符合當前世界發展的“碳達峰、碳中和”目標[4-5]。

太陽能界面蒸發被認為是最具前景的海水淡化技術之一,它以可再生能源太陽能作為驅動,可以有效減少海水淡化的碳足跡[6-7]。為了獲得高的蒸發速率和太陽能蒸汽轉換效率,近年來研究的重點傾向于結合新的光熱材料(例如半導體[8-9]、碳基材料[10-11]和金屬氧化物[12-13])、降低蒸發焓[14-15]和改進蒸發器的結構和配置設計[15-17],但忽略了蒸發過程中產生的蒸汽快速擴散對蒸發速率的影響。蒸汽的快速擴散有利于降低蒸發器表面的濕度和蒸氣壓,可以大大提升蒸發速率[18-19]。對流是加快蒸汽擴散的有效手段,風能產生的自然對流也是隨處可見,尤其是在沿海地區,例如廣西北海港的年平均風速為3.1 m/s,最大風速可達29.0 m/s;廣西欽州港的年平均風速為3.8 m/s,因此,充分利用自然對流作用,系統研究對流在太陽能界面蒸發系統中的貢獻是非常有必要的。

傳統的2D平面結構太陽能界面蒸發器(2D evaporator, 2DE)與水體的接觸面積大,易產生熱量損失[20],而新發展的2.5D拱形結構太陽能界面蒸發器(2.5D arch evaporator, 2.5DAE)可以減少與水體的接觸面積,減少熱量損失,同時2.5D拱形結構可以實現蒸汽上、下表面同時擴散,可以最大限度地發揮對流的優勢,巧妙地利用自然對流能量,從而實現全天候高效蒸發。本研究以課題組前期獲得的平面蒸發器和拱形蒸發器為研究對象,在太陽能界面蒸發系統中引入對流,研究對流對平面和拱形蒸發器的蒸發性能影響,實驗結果將為太陽能和對流耦合作用下,高效、可實際應用的全天候太陽能界面蒸發系統的設計提供新思路。

1 實驗

1.1實驗原料

實驗用原料包括:偏高嶺土(內蒙古超牌高嶺土有限公司)、礦渣(防城港源盛礦渣綜合利用有限公司)、氫氧化鈉(純度96%,廣東西隴化工股份有限公司)、水玻璃(工業級,南寧春旭化工有限公司)、氯化鈉(AR,廣東光華科技股份有限公司)、過硫酸銨(AR,廣東光華科技股份有限公司)、葡萄糖(AR,廣東光華科技股份有限公司)、金屬銅網(安平縣安恒絲網制造有限公司)。

1.2 太陽能界面蒸發器的制備與蒸發實驗

2DE和2.5DAE太陽能蒸發器的制備方法與本課題組前期報道的一致[21]。

首先以質量比為1∶1∶1.5∶1的偏高嶺土、礦渣、去離子水和改性鈉水玻璃混合,并分散均勻獲得地質聚合物漿料。將地質聚合物漿料刷涂在預處理后的銅網(長度為40 mm,寬度為20 mm),然后在60 ℃烘箱中養護1 h,得到地質聚合物/銅網雜化膜。將雜化膜放入質量分數為3%的葡萄糖水溶液中進行水熱反應4 h后,清洗烘干得到2D結構的碳微球涂層銅網(carbon microsphere-coated copper mesh, CCM)。所得的CCM厚度為2 mm,其水接觸角為35.8°,具有良好的親水性。CCM在整個波長為300～2 500 nm的寬譜太陽光光譜中具有良好的光吸收,在紫外、可見光區和紅外范圍內的光吸收率分別為98.42%、96.66%和81.23%。以2D結構的CCM可彎曲折疊成高度與直徑的比值為3/4的拱形結構,即可得到2.5D的拱形碳微球涂層銅網(arched carbon microsphere-coated mesh, ACCM)。分別以CCM和ACCM作為光熱層,以吸水紙作為供水層,組裝成2DE和2.5DAE太陽能蒸發器(圖1)。

圖1 在對流作用下2D平面結構(2DE)和2.5D拱形結構太陽能界面蒸發器(2.5DAE)光熱蒸發示意圖Fig.1 Schematic diagram of photothermal evaporation of 2D planar structure (2DE) and 2.5D arch solar interface evaporator (2.5DAE) under convection

為了系統探究2D平面和2.5D拱形結構蒸發器對純水和不同濃度的鹽水在不同條件下的蒸發性能,在相對濕度為73%～75%、環境溫度為18～20 ℃的條件下進行室內蒸發實驗。太陽能蒸發裝置由氙燈、電子天平、計算機和水蒸發容器組成。帶有太陽濾光片的氙燈(CELS500/350)(AM 1.5)模擬天然日光。水蒸發容器內裝有質量分數為3.5%的NaCl溶液模擬海水,以PS泡沫為隔熱保溫介質,通過引入對流來強化太陽能蒸發。每個樣品在一個太陽光和對流下持續蒸發1 h,并通過電子天平實時記錄水體質量變化。通過K型熱電偶(WRNK-135型)實時測量和記錄環境溫度和樣品的表面溫度。此外,還利用實際海水對蒸發器的海水淡化效果進行評價,并用ICP-OES測定海水淡化前后實際海水中4種離子的濃度。實際海水取自廣西北部灣(109°12′E,21°48′N),并未進行其他處理。

太陽能界面蒸發速率按如下公式進行計算:

式中:r為蒸發速率,kg/(m2·h);Δm為1 h內的質量變化,kg/h;A為太陽光照射面積,m2。

2 結果與討論

2.1 對純水的蒸發性能

為了系統探究對流對2DE和2.5DAE蒸發器對純水的蒸發性能的影響,在不同光照強度(無太陽照明和1個太陽光強度)和不同對流強度(0、1、2、3 m/s)下進行了對比實驗。

無太陽光照射引入對流時2DE和2.5DAE對純水的太陽能界面蒸發性能如圖2所示,可根據蒸發質量損失曲線圖計算蒸發器的蒸發速率。在無光照條件下,對流強度分別為1、2、3 m/s時,2DE的蒸發速率分別為0.71、1.07、1.82 kg/(m2·h),同樣條件下2.5DAE的蒸發速率分別為1.30、2.32、3.22 kg/(m2·h),均高于2DE的蒸發速率,這是由于具有拱形結構的2.5DAE可以雙面蒸發,更有利于蒸汽的擴散,從而提升蒸發速率。更重要的是,在無太陽光照時3 m/s的對流強度條件下,2DE的蒸發速率為1.82 kg/(m2·h),2.5DAE的蒸發速率為3.22 kg/(m2·h),均超過了二維蒸發器理論最大蒸發速率1.47 kg/(m2·h)(假設100%的太陽能蒸汽轉化效率)[22],由此可見對流在太陽能蒸發過程中的貢獻不可忽視,靠對流作用可實現在沒有太陽光照射的情況下全天候、高產量的蒸發,克服了傳統太陽能蒸發器在夜間蒸發性能下降的問題,為全天候高效太陽能海水淡化提供了一種新的思路。

(a) 對純水的蒸發質量損失曲線

1個太陽強度下對流強化時2DE和2.5DAE對純水的太陽能界面蒸發性能如圖3所示,在1個太陽光照射強度下,無對流時水自然蒸發速率、2DE和2.5DAE的蒸發速率分別為0.35、1.42、1.97 kg/(m2·h)。顯然,存在太陽能界面蒸發器時蒸發速率更大,而且具有獨特結構的2.5DAE的蒸發速率最大。在1個太陽光強度照射下,隨著對流強度從0增加到3 m/s時,在2DE中水的質量損失隨之增加,蒸發速率從1.42 kg/(m2·h)顯著增加到2.33 kg/(m2·h),蒸發速率提升了64.08%;2.5DAE的蒸發速率則從1.97 kg/(m2·h)增加到5.10 kg/(m2·h),蒸發速率提升了158.88%。這一結果也證明了對流通過加快蒸氣的擴散,可以強化低碳太陽能界面蒸發系統的蒸發性能。相較2DE,2.5DAE在1個太陽照射和3m/s對流作用下時的蒸發速率則提升了118.88%。2.5DAE的蒸發性能相較2DE有如此大的提升主要歸功于以下幾點:首先,2D平面結構只有頂面可用于蒸發,而2.5D拱形結構的設計使系統能夠實現雙面蒸發,從而顯著提高了蒸發速率;其次,2.5DAE具有連續的溫度梯度,其底部離熱源遠溫度較低,對底層水體的加熱能力弱,熱損失較少,而其頂部離熱源近溫度較高,可以專門用于蒸發水分,從而獲得更高的熱利用效率;其三,對流流動加速了產生的懸浮蒸汽的擴散,使得拱形結構蒸發器的雙面蒸發加快,而對于二維平面結構來說,只有頂部蒸發面受益于對流,因此,對流與拱形結構設計相結合,可以實現蒸發速率的大幅提高。后續實驗以2.5DAE為主要研究對象,詳細探討了在光照和對流耦合條件下其對不同濃度鹽水、長期蒸發性能、實際海水的蒸發性能與戶外實驗。

2.2 對不同濃度鹽水的蒸發性能

鹽水的濃度對蒸發性能影響很大,因此進一步研究了在光照和對流耦合條件下拱形太陽能蒸發器對不同濃度鹽水中的蒸發性能。在1個太陽光照射強度下無對流時,2.5DAE在純水、模擬海水(質量分數為3.5%的NaCl溶液)、高濃度鹽水(質量分數為10%的NaCl溶液)中的蒸發速率已在文獻中報道過[21],分別為1.97、1.94、1.81 kg/(m2·h)。在1個太陽光強度下引入3 m/s的對流時2.5DAE對不同濃度海水的蒸發性能如圖4所示,在1個太陽光照射強度下引入3 m/s的對流時2.5DAE在純水、模擬海水、高濃度鹽水中的蒸發速率分別為5.25、5.10、4.55 kg/(m2·h),較無對流時蒸發速率分別提升了166.49%、162.89%、151.38%,也遠遠高于文獻報道的其他無對流情況下的蒸發速率:如一個太陽光下Qi等[23]開發的2D平面蒸發器對模擬海水的蒸發速率為1.22 kg/(m2·h);Shi等[24]開發的3D杯型結構蒸發器對模擬海水的蒸發速率為1.63 kg/(m2·h)。無論有無對流,隨著鹽濃度增大,蒸發速率稍微減慢,這是由于鹽水的飽和蒸氣壓隨著鹽濃度的增加而降低,飽和蒸氣壓越低,蒸發也就越困難,所以蒸發速率有所降低[25]。但是引入對流后,對不同濃度鹽水的蒸發速率都有很大提升,而且雙面可蒸發的拱形結構的2.5DAE引入對流后的蒸發速率也高于其他蒸發器引入對流后的蒸發速率,如劉行航等[18]開發的3D結構蒸發器在引入3 m/s的對流后,對模擬海水的蒸發速率為4.20 kg/(m2·h),這對難以高效蒸發的高濃度鹽水是非常有意義的。

(a) 蒸發質量損失曲線

引入對流后,是否可以連續穩定的高效蒸發在實際應用中也非常重要,因此進行了2.5DAE在1個太陽強度照射下引入3 m/s的對流后分別在純凈水、模擬海水(質量分數為3.5%的NaCl溶液)、高濃度鹽水(質量分數為10%的NaCl溶液)中連續8 h的蒸發實驗。在1個太陽光強度下引入3 m/s的對流時,2.5DAE在不同濃度鹽水中連續蒸發8 h的蒸發性能如圖5所示,在連續8 h的蒸發過程中,2.5DAE對純水的蒸發速率十分穩定,維持在5.25 kg/(m2·h)以上;模擬海水(質量分數為3.5%的NaCl溶液)的蒸發速率在穩定蒸發6 h后,其蒸發速率逐漸降低,在蒸發過程中的第8個小時,其蒸發速率仍高達5.05 kg/(m2·h);高濃度鹽水(質量分數為10%的NaCl溶液)的蒸發速率從一開始就逐漸降低,在第5小時以后開始趨于穩定,在第8小時,其蒸發速率仍達到3.60 kg/(m2·h)。在1個太陽光照強度和3 m/s的對流作用下,純水、模擬海水(質量分數為3.5%的NaCl溶液)、高濃度鹽水(質量分數為10%的NaCl溶液)的累積質量損失分別高達42.14、42.02、30.8 kg/m2。

(a) 連續8 h蒸發速率

對高濃度鹽水進行蒸發時,蒸發速率的降低主要是由于連續蒸發8 h后,蒸發器表面發生了鹽沉積,阻擋了太陽光,堵塞了蒸汽釋放和供水的通道[26]。在1個太陽光強度下引入3 m/s的對流時,2.5DAE對不同濃度鹽水的連續蒸發過程中蒸發器表面的數碼照片如圖6所示,在質量分數為3.5%的NaCl溶液連續蒸發8 h后,2.5DAE僅在迎風面邊緣顯示出微小的鹽晶體,鹽沉積少,因此,2.5DAE在長期的模擬海水環境中的蒸發速率變化不明顯。在質量分數為10%的NaCl溶液連續蒸發4 h后,2.5DAE蒸發面上出現了大面積的鹽沉積。雖然對流強化太陽能蒸發可以顯著提高拱形太陽能蒸發器的蒸發性能,但在持續的對流下,蒸發加強,蒸發速率將大于供水速率。隨著蒸發的進行,蒸發器表面的鹽濃度會不斷增加,蒸發器表面不可避免地會出現鹽的沉積,導致熱阻增大并阻止了蒸汽的逸出,使2.5DAE蒸發速率較純水環境有所下降,但對流的引入仍使2.5DAE的蒸發速率在長期蒸發的過程中保持較高水平,優于文獻報道的2.53 kg/(m2·h)的蒸發速率[27],具有很大的應用潛力。

圖6 在1個太陽光強度下引入3 m/s的對流時2.5DAE對不同濃度鹽水的連續蒸發過程中蒸發器表面的數碼照片Fig.6 Digital photographs of 2.5DAE surface during the continuous evaporation of different concentrations of seawater for 1 h introducing 3 m/s convection under 1 sun

2.3 拱形太陽能蒸發器提升蒸發速率的機制

為了進一步闡明拱形結構設計和對流強化太陽能蒸發對蒸發速率的提升機制。對2DE和2.5DAE在蒸發過程中,在不同光照強度和不同對流強度下的表面溫度進行了測試。圖7、8是用K型熱電偶實時監控無太陽照射和1個太陽強度照射時耦合對流,蒸發器表面的溫度變化曲線。如圖7(a)、(b)所示,在無太陽光照射的情況下,在無對流時監測到的即為室溫變化,室溫一致維持在19.3～19.5 ℃,對流強度為1、2、3 m/s時2DE的表面溫度在蒸發1h后分別從室溫下降到18.2、16.6、16.2 ℃。在對2.5DAE拱形最頂端的表面溫度進行監測時,室溫維持在18.2～18.5 ℃,對流強度為1、2、3 m/s時2.5DAE拱形最頂端的表面溫度在蒸發1 h后分別從室溫下降為17.5、16.1、15.6 ℃。這表明在無太陽光照存在對流的條件下,2種蒸發器的表面溫度均低于室溫,而且2種蒸發器的表面溫度都與對流強度呈反比,對流強度越大,蒸發器表面的溫度越低,說明對流的引入降低了蒸發器的表面溫度,并將其保持在室溫以下。根據熱力學定律,在對流條件下蒸發器可以通過逆轉熱損失擴大能量輸入通道[25]。此外,相同條件下2.5DAE的表面溫度低于2DE,其原因是2.5DAE通過雙表面蒸發消耗了更多的熱量,并且能夠更大程度地利用對流效應,因此蒸發帶來的降溫效果更加顯著。

(a) 2DE的表面溫度變化

如圖8(a)、(b)所示,在1個太陽光照條件下,無對流時2DE和2.5DAE在蒸發1 h后分別從室溫(22.1～2.6 ℃)升高到47.1 ℃、39.2 ℃,兩種結構的表面溫度遠遠高于室溫。蒸發器的表面溫度遠遠高于室溫,這是傳統太陽能界面蒸發技術最顯著的特點[25]。在太陽能界面蒸發系統中,蒸發器捕獲入射陽光并將其轉化為熱能,其中,大部分熱量被用于升溫和蒸發,而剩余部分都損失了。損失的熱量通過對底部水層的熱傳導、對環境的熱輻射以及與空氣的熱對流來消散。但2.5DAE的表面溫度明顯低于2DE。產生這種差異的原因是, 2DE平面結構的熱損失主要為對底部水層的熱傳導損失,2.5D拱形結構設計不僅實現了雙面蒸發,而且進一步提高了整體結構的吸光性,2.5DAE的下部為空氣避免了與底部水層的大面積接觸,空氣的導熱系數遠遠低于水,可以有效減少對底部水層的熱傳導的熱損失,從而將熱量用于蒸發,因此2.5DAE更有效地蒸發帶走熱量,使得2.5DAE的表面溫度更低。

當在1個太陽光照下,引入對流強度分別為1、2、3 m/s時,蒸發1 h后2DE的表面溫度分別29.4、25.2、23.6 ℃,2.5DAE的表面溫度分別為24.1、21.9、21.1 ℃。相較于無對流條件,2種結構的蒸發器的表面溫度都得到了顯著降低。甚至在2.5DAE中引入了2、3 m/s對流后,2.5DAE的表面溫度(21.9、21.1 ℃)低于了室溫(22.4～22.6 ℃),表明2.5DAE除了捕獲入射太陽能外,還能從環境中通過熱傳導、對流和輻射獲得額外的蒸發能量,因此,將對流引入2.5DAE太陽能界面蒸發系統能夠有效擴大能量輸入通道,逆轉熱損失。上述結果表明,不論是否有太陽照射,對流都可以使蒸發器表面溫度降低,與二維平面結構相比,拱形結構的蒸發器表面溫度更低,而更低的表面溫度可以從環境獲得能量,減少熱損失,從而提升蒸發性能,而且2.5DAE的拱形結構可以雙面擴散蒸發時產生的蒸汽,從而能夠更大程度地利用對流效應,并且大大減少了系統的熱損失,甚至實現熱損失逆轉,使蒸發速率得到更大的提高。

2.4 戶外海水淡化實驗

上文結果表明2.5DAE在太陽照射和對流耦合時具有更高的蒸發性能,因此以2.5DAE進行真實海水在戶外實際條件下對真實海水的蒸發脫鹽性能測試。實驗使用來自廣西北部灣(109°12′ E,21°48′ N)的真實海水,蒸發實驗于2023年5月15日9時00分至5月16日9時00分在廣西南寧市廣西大學化工三號樓樓頂進行,持續24 h,室外溫度為23～31 ℃,東南風風向,對流強度為0～2.4 m/s。在實際自然條件下,2.5DAE連續蒸發24 h的真實海水質量變化曲線如圖9所示,2.5DAE在24小時蒸發過程中,海水總質量損失為30.98 kg/m2。在夜晚當光照強度為零時,在對流作用下2.5DAE的平均蒸發速率為1.01 kg/(m2·h),仍高于1個太陽光照射強度下水的自然蒸發速率0.35 kg/(m2·h)。采用電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP-OES)對海水淡化實驗后的收集液中的離子含量進行了測試。真實海水淡化前后K+、Na+、Mg2+、Ca2+4種離子濃度的變化如圖10所示,未經任何處理的北部灣海水中,4種主要離子K+、Na+、Ca2+、Mg2+的含量分別為416.67、11 031.16、464.17、1 355.36 mg/L。在太陽光照射下,純化收集的4種主要離子K+、Na+、Ca2+、Mg2+的殘留質量濃度分別為3.22、0.75、0.18、5.94 mg/L,遠低于世界衛生組織對飲用水離子濃度的要求,蒸發脫鹽后對4種主要離子的截留率超過99%。上述結果表明,2.5DAE拱形太陽能蒸發器可以在自然環境中白天和黑夜進行高效蒸發,并且脫鹽效果良好,具有良好的應用潛力。

圖9 在實際自然條件下2.5DAE連續蒸發24 h的真實海水質量變化曲線Fig.9 Mass change curves of real seawater in 2.5DAE under actual natural conditions for 24 h

圖10 真實海水淡化前后K+,Na+,Mg2+,和Ca2+ 4種離子濃度的變化Fig.10 Concentrations of K+,Na+,Mg2+, and Ca2+ in raw seawater and the water after solar-driven desalination by 2.5DAE

3 結論

綜合本文中實驗結果分析,對流可以有效強化太陽能界面蒸發系統蒸發性能。在1個太陽光照和3 m/s的對流強化下,2DE對純水的蒸發速率為2.33 kg/(m2·h),較無對流時提升了64.08%,2.5DAE對純水的蒸發速率高達5.10 kg/(m2·h),相較2DE平面結構,蒸發速率提升了118.88%。即使無太陽照射,在3 m/s的對流作用下2.5DAE對純水的蒸發速率也可以達到3.22 kg/(m2·h),遠遠高于2DE的1.82 kg/(m2·h),2.5DAE獨特的拱形結構可雙面蒸發,更大程度地利用對流效應,從而實現了太陽能蒸發器全天候的高效蒸發。引入對流還可以提升2.5DAE對不同濃度的鹽水的蒸發速率,并且在連續8 h的蒸發過程中保持穩定,在1個太陽光照和3 m/s的對流作用下,2.5DAE對質量分數為3.5%的NaCl溶液的模擬海水連續8 h的蒸發速率仍可維持在5.05 kg/(m2·h)。2.5DAE可以在實際環境中白天和黑夜進行蒸發并且脫鹽效果良好,具有良好的實際應用潛力?？傊?對流可通過加快蒸汽的擴散和減少熱損失,強化對太陽能界面蒸發系統的蒸發性能,而具有拱形結構的2.5DAE可以更大限度地發揮對流的作用,從而大幅提升蒸發速率。