固化复合吸附剂13X沸石原粉－CaCl2／30%硅溶胶在开式条件下的吸附性能研究

闫坦坦，石园园

（上海海事大学商船学院，上海201306）

0 引言

目前缺水地区获取淡水资源的方法主要有长途运输、海水淡化、空气取水［1］等。由于空气取水可以利用低品质能源作为热源且不受水源等因素的影响而日益成为研究热点。太阳能吸附式空气取水是通过吸附剂在一个大气压的湿环境下吸附水蒸气，并利用太阳能脱附制取液态淡水，影响其制水效率的主要因素为复合吸附剂的开式吸附性能，即吸附剂吸附空气中水蒸气的吸附能力［2］。分子筛是硅酸盐的一种，对水蒸气有很高的吸附量。分子筛分为合成分子筛和天然分子筛两大类，合成分子筛的价格较贵，但导热性能比天然分子筛好。常用的这类吸附材料有13X、3A、4A和5A。据研究，其中13X的吸附性能较好，在太阳能及工业废热利用等方面具有广阔的应用前景，成为国内外研究的热点。赵惠忠［3］等将多壁碳纳米管嵌入13X／MgCl2制成复合吸附剂并研究其吸附性能。Chan等［4－5］在复合吸附剂 13X／CaCl2中加入 MWCNT，用理论模型预测了固体成型的复合材料吸附剂的热导率，并对其进行了吸附性能的测试和在不同温度下的导热性能测试。

目前复合吸附剂存在开式吸附性能较低、吸附性能不稳定等问题，影响了太阳能空气制水的产水率。本文基于以往研究的基础，通过在13X沸石原粉／CaCl2中加入一定浓度的硅溶胶，制备成复合吸附剂，并对该复合吸附剂的开式吸附性能进行了相关实验研究，以期将该复合吸附剂用于太阳能空气制水管获取淡水，提高产水效率。

1 试验材料和方法

1.1 原材料

制备复合吸附剂所用原材料主要包括13X沸石原粉、CaCl2粉末、30%硅溶胶溶液及去离子水。13X沸石原粉选自廊坊亚太龙兴化工有限公司；CaCl2粉末是由国药集团生产的无水氯化钙，其相对密度为 2.15，熔点为 775℃，沸点为1935.5℃。

1.2 制备过程

（1）将盛放于烧杯中的13X沸石原粉，加热至300℃，并恒温至其质量不再减少，除去沸石原粉当中的水蒸气和其它杂质。

（2）将13X沸石原粉放在隔绝空气的室温下冷却至常温，分别称取3份13X沸石原粉100g，密封保存，并用去离子水配制35%浓度的CaCl2溶液备用。

（3）分别取0g、3.5g、7.0g的30%的硅溶胶溶液三份、取200gCaCl2溶液三份加入到备用的13X沸石原粉中，均匀搅拌至糊状，静置沉淀24h。

（4）将复合后的三组试样A、B、C放置于烘箱中预烘干4h（烘箱温度70℃），然后将每组试样用铁棒插6～7个通道。

（5）再将处理好的三组试样放入烘箱中，并设置烘箱温度为240℃活化，至质量不再变化。

（6）将干燥活化的三组试样放入真空罐中，在外部加热的情况下进行抽真空，然后密封冷却至室温备用。复合吸附剂配置参数如下表1。

表1 复合吸附剂参数

这种制备出的复合吸附剂A、B、C不仅能利用原有孔隙结构吸湿，而且能够通过固化强化吸湿效果。但是进一步开发成为产品，以上的配制工艺还需要细化。例如：浓度配置、浸渍时间、干燥活化时间等等都需要在今后的实验研究中进一步的确定。

1.3 实验过程概述

本次研究分三次进行，共设置9组试样。从2017年8月2日上午8：00开始至2017年8月7日上午10：00结束，期间共进行三次复合吸附剂的配置。测试过程控制相同的空气相对湿度50%RH，脱附环境均为240℃，实验温度工况选取太阳能空气取水过程中最常见环境温度条件进行试验研究，分别选取了20℃、30℃、40℃。

1.4 实验建立及测试

复合吸附剂的吸附性能测试（包括吸附量和吸附速率）在恒温恒湿箱中完成。恒温恒湿箱选自上海恒一科学仪器有限公司。主要性能参数如下：温度范围：－10～100℃；温度分辨率：±1℃；湿度范围：35%～95%；湿度分辨率：±1%。

实验时，吸附剂在烘箱中进行脱附，脱附温度为240℃，持续时间8h。为模拟实际环境工况并保持其参数稳定，吸附剂在恒温恒湿箱中进行吸附，吸附温度分别为20℃、30℃、40℃，相对湿度保持50%不变。恒温恒湿箱中放置一个电子天平，用来测试吸附剂的重量变化。电子天平的量程为500g，精度为0.01g。实验中采用防扰动的软胶隔帘，并配以测试操作孔，减少测试过程中开门测量环境空气对恒温恒湿箱内的影响。

2 实验结果及分析

2.1 20℃时固化复合吸附剂开式吸附性能

图1为固化复合吸附剂A、B、C在吸附环境温度为20℃，相对湿度为50%RH时，三种复合吸附剂开式吸附过程吸附量的变化图，整个吸附过程在恒温恒湿箱中进行。当吸附过程趋于平衡时，复合吸附剂A的平衡吸附量最高达到6.71g／100g，复合吸附剂B的平衡吸附量为7.35g／100g，复合吸附剂C的平衡吸附量为8.05g／100g，即相同条件下，随着加入的30%的硅溶胶量的增加，复合吸附剂的吸附性能也随之增加。

2.2 30℃时固化复合吸附剂开式吸附性能

图2为当吸附环境温度控制在30℃，相对湿度仍为50%时，三组复合吸附剂A、B、C的吸附量变化图。当吸附过程趋于平衡时，复合吸附剂A的平衡吸附量达7.12g／100g，复合吸附剂B的平衡吸附量为7.55g／100g，复合吸附剂C的平衡吸附量达9.12g／100g。与20℃时的吸附性能相比，30℃时的吸附性能有所提高。

2.3 40℃时固化复合吸附剂开式吸附性能

图3为当吸附环境温度控制在40℃，相对湿度仍为50%时，三组复合吸附剂A、B、C的吸附量变化图。当吸附过程趋于平衡时，复合吸附剂A的平衡吸附量达7.62g／100g，复合吸附剂B的平衡吸附量为9.57g／100g，复合吸附剂C的平衡吸附量最高达10.33g／100g。与20℃、30℃时的吸附性能相比，40℃时的吸附性能相对较好。且随着加入的30%的硅溶胶量的增加，复合吸附剂的吸附性能也随之增加。

图1 在20℃时吸附剂吸附量

图2 在30℃时吸附剂吸附量

图3 在40℃时吸附剂吸附量

图4 加入0.0%的硅溶胶时吸附剂吸附量

图5 加入3.5%的硅溶胶时吸附剂吸附量

2.4 同种固化复合吸附剂开式吸附性能

图4 、图5、图6为当吸附环境相对湿度为50%，对应加入相同量硅溶胶时，温度控制三组复合吸附剂A、B、C的吸附量变化图。由图可知，在控制相同硅溶胶量，随着温度的升高，固化复合吸附剂的吸附性能也随之增加，在控制加入7.0%的硅溶胶量，温度达到40℃时，固化复合吸附剂C的平衡吸附量最大，达到10.33g／100g，相比相同条件下，单一的13X沸石原粉和CaCl2溶液复合的吸附剂A的平衡吸附量7.62g／100g，其平衡吸附量提高了36%左右。

图6 加入7.0%的硅溶胶时吸附剂吸附量

3 结论

基于提升复合吸附剂的开式吸附性能的目的，通过在单一的13X沸石原粉和CaCl2溶液复合的吸附剂A中加入不同量相同浓度硅溶胶溶液，得到固化复合吸附剂C，与同规格复合吸附剂A做平行试样对比实验可以得到以下结论：

（1）相同温、湿度条件下，随着硅溶胶含量的增加，固化复合吸附剂的吸附性能逐渐增加。

（2）在吸附环境温度控制在 40℃，加入7.0%的硅溶胶，相对湿度为50%的状态下，复合吸附剂C的平衡吸附量时达到最大，与单一的复合吸附剂A的平衡吸附量7.62g／100g相比，其平衡吸附量提高了36%左右。

（3）加入硅溶胶量相同、吸附湿度相同时，随着吸附温度的升高，固化复合吸附剂的吸附量也逐渐增加。

参考文献：

［1］赵惠忠.太阳能吸附制冷管光热利用 ［M］.上海：上海浦江教育出版社，2015.1.

［2］ Janchen J， Herzog T H， Gleichmann K， et al.Performance of an open thermal adsorption storage system with Linde type A zeolites：Beads versus honeycombs［J］.Microporous and Mesoporous Materials，2015，207：179－184.

［3］赵惠忠，程俊峰，唐祥虎，等.多壁碳纳米管嵌入13X／MgCl2复合吸附剂的性能实验 ［J］.化工学报.2017，68（5）：1860－1865.

［4］CHAN K C，CHAO CY H，A theoreticalmodelon the effective stagnant thermal conductivity of an adsorbent embedded with a highly thermal conductivematerial［J］.International Journal HeatMass Transfer，2013，65（5）：863－872.

［5］CHAN K C，CHAO C Y H，C.L.Wu.Measurement of properties and performance prediction of the new MWCNT－embedded zeolite 13X／Cacl2composite adsorbent.［J］International Journal of Heat and Mass transfer.2015，89，308－319.