对流强化低碳太阳能界面蒸发系统的性能研究

曾虹艺, 罗杉杉, 余立强, 赖芳, 葛圆圆

(广西大学 化学化工学院, 广西 南宁 530004)

0 引言

随着气候模式的变化、社会经济飞速发展和人口的快速增长,淡水资源的短缺成为全世界关注的焦点[1]。地球78%的面积被海水覆盖,通过海水获得淡水来解决淡水资源短缺的问题,已成为世界各国共识[2-3],然而,传统海水淡化方法需要消耗大量化石能源,不符合当前世界发展的“碳达峰、碳中和”目标[4-5]。

太阳能界面蒸发被认为是最具前景的海水淡化技术之一,它以可再生能源太阳能作为驱动,可以有效减少海水淡化的碳足迹[6-7]。为了获得高的蒸发速率和太阳能蒸汽转换效率,近年来研究的重点倾向于结合新的光热材料(例如半导体[8-9]、碳基材料[10-11]和金属氧化物[12-13])、降低蒸发焓[14-15]和改进蒸发器的结构和配置设计[15-17],但忽略了蒸发过程中产生的蒸汽快速扩散对蒸发速率的影响。蒸汽的快速扩散有利于降低蒸发器表面的湿度和蒸气压,可以大大提升蒸发速率[18-19]。对流是加快蒸汽扩散的有效手段,风能产生的自然对流也是随处可见,尤其是在沿海地区,例如广西北海港的年平均风速为3.1 m/s,最大风速可达29.0 m/s;广西钦州港的年平均风速为3.8 m/s,因此,充分利用自然对流作用,系统研究对流在太阳能界面蒸发系统中的贡献是非常有必要的。

传统的2D平面结构太阳能界面蒸发器(2D evaporator, 2DE)与水体的接触面积大,易产生热量损失[20],而新发展的2.5D拱形结构太阳能界面蒸发器(2.5D arch evaporator, 2.5DAE)可以减少与水体的接触面积,减少热量损失,同时2.5D拱形结构可以实现蒸汽上、下表面同时扩散,可以最大限度地发挥对流的优势,巧妙地利用自然对流能量,从而实现全天候高效蒸发。本研究以课题组前期获得的平面蒸发器和拱形蒸发器为研究对象,在太阳能界面蒸发系统中引入对流,研究对流对平面和拱形蒸发器的蒸发性能影响,实验结果将为太阳能和对流耦合作用下,高效、可实际应用的全天候太阳能界面蒸发系统的设计提供新思路。

1 实验

1.1实验原料

实验用原料包括:偏高岭土(内蒙古超牌高岭土有限公司)、矿渣(防城港源盛矿渣综合利用有限公司)、氢氧化钠(纯度96%,广东西陇化工股份有限公司)、水玻璃(工业级,南宁春旭化工有限公司)、氯化钠(AR,广东光华科技股份有限公司)、过硫酸铵(AR,广东光华科技股份有限公司)、葡萄糖(AR,广东光华科技股份有限公司)、金属铜网(安平县安恒丝网制造有限公司)。

1.2 太阳能界面蒸发器的制备与蒸发实验

2DE和2.5DAE太阳能蒸发器的制备方法与本课题组前期报道的一致[21]。

首先以质量比为1∶1∶1.5∶1的偏高岭土、矿渣、去离子水和改性钠水玻璃混合,并分散均匀获得地质聚合物浆料。将地质聚合物浆料刷涂在预处理后的铜网(长度为40 mm,宽度为20 mm),然后在60 ℃烘箱中养护1 h,得到地质聚合物/铜网杂化膜。将杂化膜放入质量分数为3%的葡萄糖水溶液中进行水热反应4 h后,清洗烘干得到2D结构的碳微球涂层铜网(carbon microsphere-coated copper mesh, CCM)。所得的CCM厚度为2 mm,其水接触角为35.8°,具有良好的亲水性。CCM在整个波长为300～2 500 nm的宽谱太阳光光谱中具有良好的光吸收,在紫外、可见光区和红外范围内的光吸收率分别为98.42%、96.66%和81.23%。以2D结构的CCM可弯曲折叠成高度与直径的比值为3/4的拱形结构,即可得到2.5D的拱形碳微球涂层铜网(arched carbon microsphere-coated mesh, ACCM)。分别以CCM和ACCM作为光热层,以吸水纸作为供水层,组装成2DE和2.5DAE太阳能蒸发器(图1)。

图1 在对流作用下2D平面结构(2DE)和2.5D拱形结构太阳能界面蒸发器(2.5DAE)光热蒸发示意图Fig.1 Schematic diagram of photothermal evaporation of 2D planar structure (2DE) and 2.5D arch solar interface evaporator (2.5DAE) under convection

为了系统探究2D平面和2.5D拱形结构蒸发器对纯水和不同浓度的盐水在不同条件下的蒸发性能,在相对湿度为73%～75%、环境温度为18～20 ℃的条件下进行室内蒸发实验。太阳能蒸发装置由氙灯、电子天平、计算机和水蒸发容器组成。带有太阳滤光片的氙灯(CELS500/350)(AM 1.5)模拟天然日光。水蒸发容器内装有质量分数为3.5%的NaCl溶液模拟海水,以PS泡沫为隔热保温介质,通过引入对流来强化太阳能蒸发。每个样品在一个太阳光和对流下持续蒸发1 h,并通过电子天平实时记录水体质量变化。通过K型热电偶(WRNK-135型)实时测量和记录环境温度和样品的表面温度。此外,还利用实际海水对蒸发器的海水淡化效果进行评价,并用ICP-OES测定海水淡化前后实际海水中4种离子的浓度。实际海水取自广西北部湾(109°12′E,21°48′N),并未进行其他处理。

太阳能界面蒸发速率按如下公式进行计算:

式中:r为蒸发速率,kg/(m2·h);Δm为1 h内的质量变化,kg/h;A为太阳光照射面积,m2。

2 结果与讨论

2.1 对纯水的蒸发性能

为了系统探究对流对2DE和2.5DAE蒸发器对纯水的蒸发性能的影响,在不同光照强度(无太阳照明和1个太阳光强度)和不同对流强度(0、1、2、3 m/s)下进行了对比实验。

无太阳光照射引入对流时2DE和2.5DAE对纯水的太阳能界面蒸发性能如图2所示,可根据蒸发质量损失曲线图计算蒸发器的蒸发速率。在无光照条件下,对流强度分别为1、2、3 m/s时,2DE的蒸发速率分别为0.71、1.07、1.82 kg/(m2·h),同样条件下2.5DAE的蒸发速率分别为1.30、2.32、3.22 kg/(m2·h),均高于2DE的蒸发速率,这是由于具有拱形结构的2.5DAE可以双面蒸发,更有利于蒸汽的扩散,从而提升蒸发速率。更重要的是,在无太阳光照时3 m/s的对流强度条件下,2DE的蒸发速率为1.82 kg/(m2·h),2.5DAE的蒸发速率为3.22 kg/(m2·h),均超过了二维蒸发器理论最大蒸发速率1.47 kg/(m2·h)(假设100%的太阳能蒸汽转化效率)[22],由此可见对流在太阳能蒸发过程中的贡献不可忽视,靠对流作用可实现在没有太阳光照射的情况下全天候、高产量的蒸发,克服了传统太阳能蒸发器在夜间蒸发性能下降的问题,为全天候高效太阳能海水淡化提供了一种新的思路。

(a) 对纯水的蒸发质量损失曲线

1个太阳强度下对流强化时2DE和2.5DAE对纯水的太阳能界面蒸发性能如图3所示,在1个太阳光照射强度下,无对流时水自然蒸发速率、2DE和2.5DAE的蒸发速率分别为0.35、1.42、1.97 kg/(m2·h)。显然,存在太阳能界面蒸发器时蒸发速率更大,而且具有独特结构的2.5DAE的蒸发速率最大。在1个太阳光强度照射下,随着对流强度从0增加到3 m/s时,在2DE中水的质量损失随之增加,蒸发速率从1.42 kg/(m2·h)显著增加到2.33 kg/(m2·h),蒸发速率提升了64.08%;2.5DAE的蒸发速率则从1.97 kg/(m2·h)增加到5.10 kg/(m2·h),蒸发速率提升了158.88%。这一结果也证明了对流通过加快蒸气的扩散,可以强化低碳太阳能界面蒸发系统的蒸发性能。相较2DE,2.5DAE在1个太阳照射和3m/s对流作用下时的蒸发速率则提升了118.88%。2.5DAE的蒸发性能相较2DE有如此大的提升主要归功于以下几点:首先,2D平面结构只有顶面可用于蒸发,而2.5D拱形结构的设计使系统能够实现双面蒸发,从而显著提高了蒸发速率;其次,2.5DAE具有连续的温度梯度,其底部离热源远温度较低,对底层水体的加热能力弱,热损失较少,而其顶部离热源近温度较高,可以专门用于蒸发水分,从而获得更高的热利用效率;其三,对流流动加速了产生的悬浮蒸汽的扩散,使得拱形结构蒸发器的双面蒸发加快,而对于二维平面结构来说,只有顶部蒸发面受益于对流,因此,对流与拱形结构设计相结合,可以实现蒸发速率的大幅提高。后续实验以2.5DAE为主要研究对象,详细探讨了在光照和对流耦合条件下其对不同浓度盐水、长期蒸发性能、实际海水的蒸发性能与户外实验。

2.2 对不同浓度盐水的蒸发性能

盐水的浓度对蒸发性能影响很大,因此进一步研究了在光照和对流耦合条件下拱形太阳能蒸发器对不同浓度盐水中的蒸发性能。在1个太阳光照射强度下无对流时,2.5DAE在纯水、模拟海水(质量分数为3.5%的NaCl溶液)、高浓度盐水(质量分数为10%的NaCl溶液)中的蒸发速率已在文献中报道过[21],分别为1.97、1.94、1.81 kg/(m2·h)。在1个太阳光强度下引入3 m/s的对流时2.5DAE对不同浓度海水的蒸发性能如图4所示,在1个太阳光照射强度下引入3 m/s的对流时2.5DAE在纯水、模拟海水、高浓度盐水中的蒸发速率分别为5.25、5.10、4.55 kg/(m2·h),较无对流时蒸发速率分别提升了166.49%、162.89%、151.38%,也远远高于文献报道的其他无对流情况下的蒸发速率:如一个太阳光下Qi等[23]开发的2D平面蒸发器对模拟海水的蒸发速率为1.22 kg/(m2·h);Shi等[24]开发的3D杯型结构蒸发器对模拟海水的蒸发速率为1.63 kg/(m2·h)。无论有无对流,随着盐浓度增大,蒸发速率稍微减慢,这是由于盐水的饱和蒸气压随着盐浓度的增加而降低,饱和蒸气压越低,蒸发也就越困难,所以蒸发速率有所降低[25]。但是引入对流后,对不同浓度盐水的蒸发速率都有很大提升,而且双面可蒸发的拱形结构的2.5DAE引入对流后的蒸发速率也高于其他蒸发器引入对流后的蒸发速率,如刘行航等[18]开发的3D结构蒸发器在引入3 m/s的对流后,对模拟海水的蒸发速率为4.20 kg/(m2·h),这对难以高效蒸发的高浓度盐水是非常有意义的。

(a) 蒸发质量损失曲线

引入对流后,是否可以连续稳定的高效蒸发在实际应用中也非常重要,因此进行了2.5DAE在1个太阳强度照射下引入3 m/s的对流后分别在纯净水、模拟海水(质量分数为3.5%的NaCl溶液)、高浓度盐水(质量分数为10%的NaCl溶液)中连续8 h的蒸发实验。在1个太阳光强度下引入3 m/s的对流时,2.5DAE在不同浓度盐水中连续蒸发8 h的蒸发性能如图5所示,在连续8 h的蒸发过程中,2.5DAE对纯水的蒸发速率十分稳定,维持在5.25 kg/(m2·h)以上;模拟海水(质量分数为3.5%的NaCl溶液)的蒸发速率在稳定蒸发6 h后,其蒸发速率逐渐降低,在蒸发过程中的第8个小时,其蒸发速率仍高达5.05 kg/(m2·h);高浓度盐水(质量分数为10%的NaCl溶液)的蒸发速率从一开始就逐渐降低,在第5小时以后开始趋于稳定,在第8小时,其蒸发速率仍达到3.60 kg/(m2·h)。在1个太阳光照强度和3 m/s的对流作用下,纯水、模拟海水(质量分数为3.5%的NaCl溶液)、高浓度盐水(质量分数为10%的NaCl溶液)的累积质量损失分别高达42.14、42.02、30.8 kg/m2。

(a) 连续8 h蒸发速率

对高浓度盐水进行蒸发时,蒸发速率的降低主要是由于连续蒸发8 h后,蒸发器表面发生了盐沉积,阻挡了太阳光,堵塞了蒸汽释放和供水的通道[26]。在1个太阳光强度下引入3 m/s的对流时,2.5DAE对不同浓度盐水的连续蒸发过程中蒸发器表面的数码照片如图6所示,在质量分数为3.5%的NaCl溶液连续蒸发8 h后,2.5DAE仅在迎风面边缘显示出微小的盐晶体,盐沉积少,因此,2.5DAE在长期的模拟海水环境中的蒸发速率变化不明显。在质量分数为10%的NaCl溶液连续蒸发4 h后,2.5DAE蒸发面上出现了大面积的盐沉积。虽然对流强化太阳能蒸发可以显著提高拱形太阳能蒸发器的蒸发性能,但在持续的对流下,蒸发加强,蒸发速率将大于供水速率。随着蒸发的进行,蒸发器表面的盐浓度会不断增加,蒸发器表面不可避免地会出现盐的沉积,导致热阻增大并阻止了蒸汽的逸出,使2.5DAE蒸发速率较纯水环境有所下降,但对流的引入仍使2.5DAE的蒸发速率在长期蒸发的过程中保持较高水平,优于文献报道的2.53 kg/(m2·h)的蒸发速率[27],具有很大的应用潜力。

图6 在1个太阳光强度下引入3 m/s的对流时2.5DAE对不同浓度盐水的连续蒸发过程中蒸发器表面的数码照片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 拱形太阳能蒸发器提升蒸发速率的机制

为了进一步阐明拱形结构设计和对流强化太阳能蒸发对蒸发速率的提升机制。对2DE和2.5DAE在蒸发过程中,在不同光照强度和不同对流强度下的表面温度进行了测试。图7、8是用K型热电偶实时监控无太阳照射和1个太阳强度照射时耦合对流,蒸发器表面的温度变化曲线。如图7(a)、(b)所示,在无太阳光照射的情况下,在无对流时监测到的即为室温变化,室温一致维持在19.3～19.5 ℃,对流强度为1、2、3 m/s时2DE的表面温度在蒸发1h后分别从室温下降到18.2、16.6、16.2 ℃。在对2.5DAE拱形最顶端的表面温度进行监测时,室温维持在18.2～18.5 ℃,对流强度为1、2、3 m/s时2.5DAE拱形最顶端的表面温度在蒸发1 h后分别从室温下降为17.5、16.1、15.6 ℃。这表明在无太阳光照存在对流的条件下,2种蒸发器的表面温度均低于室温,而且2种蒸发器的表面温度都与对流强度呈反比,对流强度越大,蒸发器表面的温度越低,说明对流的引入降低了蒸发器的表面温度,并将其保持在室温以下。根据热力学定律,在对流条件下蒸发器可以通过逆转热损失扩大能量输入通道[25]。此外,相同条件下2.5DAE的表面温度低于2DE,其原因是2.5DAE通过双表面蒸发消耗了更多的热量,并且能够更大程度地利用对流效应,因此蒸发带来的降温效果更加显著。

(a) 2DE的表面温度变化

如图8(a)、(b)所示,在1个太阳光照条件下,无对流时2DE和2.5DAE在蒸发1 h后分别从室温(22.1～2.6 ℃)升高到47.1 ℃、39.2 ℃,两种结构的表面温度远远高于室温。蒸发器的表面温度远远高于室温,这是传统太阳能界面蒸发技术最显著的特点[25]。在太阳能界面蒸发系统中,蒸发器捕获入射阳光并将其转化为热能,其中,大部分热量被用于升温和蒸发,而剩余部分都损失了。损失的热量通过对底部水层的热传导、对环境的热辐射以及与空气的热对流来消散。但2.5DAE的表面温度明显低于2DE。产生这种差异的原因是, 2DE平面结构的热损失主要为对底部水层的热传导损失,2.5D拱形结构设计不仅实现了双面蒸发,而且进一步提高了整体结构的吸光性,2.5DAE的下部为空气避免了与底部水层的大面积接触,空气的导热系数远远低于水,可以有效减少对底部水层的热传导的热损失,从而将热量用于蒸发,因此2.5DAE更有效地蒸发带走热量,使得2.5DAE的表面温度更低。

当在1个太阳光照下,引入对流强度分别为1、2、3 m/s时,蒸发1 h后2DE的表面温度分别29.4、25.2、23.6 ℃,2.5DAE的表面温度分别为24.1、21.9、21.1 ℃。相较于无对流条件,2种结构的蒸发器的表面温度都得到了显著降低。甚至在2.5DAE中引入了2、3 m/s对流后,2.5DAE的表面温度(21.9、21.1 ℃)低于了室温(22.4～22.6 ℃),表明2.5DAE除了捕获入射太阳能外,还能从环境中通过热传导、对流和辐射获得额外的蒸发能量,因此,将对流引入2.5DAE太阳能界面蒸发系统能够有效扩大能量输入通道,逆转热损失。上述结果表明,不论是否有太阳照射,对流都可以使蒸发器表面温度降低,与二维平面结构相比,拱形结构的蒸发器表面温度更低,而更低的表面温度可以从环境获得能量,减少热损失,从而提升蒸发性能,而且2.5DAE的拱形结构可以双面扩散蒸发时产生的蒸汽,从而能够更大程度地利用对流效应,并且大大减少了系统的热损失,甚至实现热损失逆转,使蒸发速率得到更大的提高。

2.4 户外海水淡化实验

上文结果表明2.5DAE在太阳照射和对流耦合时具有更高的蒸发性能,因此以2.5DAE进行真实海水在户外实际条件下对真实海水的蒸发脱盐性能测试。实验使用来自广西北部湾(109°12′ E,21°48′ N)的真实海水,蒸发实验于2023年5月15日9时00分至5月16日9时00分在广西南宁市广西大学化工三号楼楼顶进行,持续24 h,室外温度为23～31 ℃,东南风风向,对流强度为0～2.4 m/s。在实际自然条件下,2.5DAE连续蒸发24 h的真实海水质量变化曲线如图9所示,2.5DAE在24小时蒸发过程中,海水总质量损失为30.98 kg/m2。在夜晚当光照强度为零时,在对流作用下2.5DAE的平均蒸发速率为1.01 kg/(m2·h),仍高于1个太阳光照射强度下水的自然蒸发速率0.35 kg/(m2·h)。采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-OES)对海水淡化实验后的收集液中的离子含量进行了测试。真实海水淡化前后K+、Na+、Mg2+、Ca2+4种离子浓度的变化如图10所示,未经任何处理的北部湾海水中,4种主要离子K+、Na+、Ca2+、Mg2+的含量分别为416.67、11 031.16、464.17、1 355.36 mg/L。在太阳光照射下,纯化收集的4种主要离子K+、Na+、Ca2+、Mg2+的残留质量浓度分别为3.22、0.75、0.18、5.94 mg/L,远低于世界卫生组织对饮用水离子浓度的要求,蒸发脱盐后对4种主要离子的截留率超过99%。上述结果表明,2.5DAE拱形太阳能蒸发器可以在自然环境中白天和黑夜进行高效蒸发,并且脱盐效果良好,具有良好的应用潜力。

图9 在实际自然条件下2.5DAE连续蒸发24 h的真实海水质量变化曲线Fig.9 Mass change curves of real seawater in 2.5DAE under actual natural conditions for 24 h

图10 真实海水淡化前后K+,Na+,Mg2+,和Ca2+ 4种离子浓度的变化Fig.10 Concentrations of K+,Na+,Mg2+, and Ca2+ in raw seawater and the water after solar-driven desalination by 2.5DAE

3 结论

综合本文中实验结果分析,对流可以有效强化太阳能界面蒸发系统蒸发性能。在1个太阳光照和3 m/s的对流强化下,2DE对纯水的蒸发速率为2.33 kg/(m2·h),较无对流时提升了64.08%,2.5DAE对纯水的蒸发速率高达5.10 kg/(m2·h),相较2DE平面结构,蒸发速率提升了118.88%。即使无太阳照射,在3 m/s的对流作用下2.5DAE对纯水的蒸发速率也可以达到3.22 kg/(m2·h),远远高于2DE的1.82 kg/(m2·h),2.5DAE独特的拱形结构可双面蒸发,更大程度地利用对流效应,从而实现了太阳能蒸发器全天候的高效蒸发。引入对流还可以提升2.5DAE对不同浓度的盐水的蒸发速率,并且在连续8 h的蒸发过程中保持稳定,在1个太阳光照和3 m/s的对流作用下,2.5DAE对质量分数为3.5%的NaCl溶液的模拟海水连续8 h的蒸发速率仍可维持在5.05 kg/(m2·h)。2.5DAE可以在实际环境中白天和黑夜进行蒸发并且脱盐效果良好,具有良好的实际应用潜力。总之,对流可通过加快蒸汽的扩散和减少热损失,强化对太阳能界面蒸发系统的蒸发性能,而具有拱形结构的2.5DAE可以更大限度地发挥对流的作用,从而大幅提升蒸发速率。