基于太陽能空氣取水復合吸附劑硅膠-CaCl2吸附特性研究

葛曉潔

( 上海海事大學 商船學院，上海 201306 )

0 引言

隨著社會的發(fā)展，環(huán)境的污染，淡水資源的缺少變得越來越嚴重，尤其是在海島、沙漠等地區(qū)，而空氣中的水蒸氣含量大、不受空間的限制、可循環(huán)再生，空氣中蘊含的水量也超過10g/m3。據(jù)估計地球上空氣蘊含的水量為14 000km3，而地球上的淡水總量也只有12 000km3，因此空氣取水是解決這些地區(qū)飲用水的渠道之一。從空氣中取水越來越受到研究者的重視，空氣取水的方式有制冷結(jié)露法[1]，吸收冷凝法[2]，吸附冷凝法。吸附冷凝法具有裝置簡單，體積小，取水效率高等優(yōu)點被廣大學者所關注。對于吸附式空氣取水方式，目前國內(nèi)外的研究很廣泛，侴喬力[3]研制了新型的空氣取水器，并進行了實驗；王如竹，劉業(yè)鳳等[4-6]對復合吸附劑的配制及其吸附特性進行了分析并運用于空氣取水器中，提高了其取水效率；趙惠忠[7]將多壁碳納米管嵌入13X/MgCl2制成復合吸附劑并研究其吸附性能。Chan等[8-9]用理論模型預測了固體成型的復合材料吸附劑的熱導率，并在復合吸附劑13X/CaCl2中加入MWCNT，對其進行了吸附性能的測試和在不同溫度下的導熱性能測試。

圖1 太陽能吸附式空氣取水器工作原理

之前的多數(shù)研究均基于閉式吸附性能，但在除濕以及空氣取水研究過程中，復合吸附劑的開式吸附性能決定了其整體性能。本文通過配置硅膠-CaCl2復合吸附劑，并連續(xù)測試其在三種工況的開式吸附性能，并將配置的復合吸附劑運用于新型太陽能空氣取水管中，研究其空氣取水管的整體性能的變化。

1 太陽能空氣取水原理及熱力過程分析

1.1 太陽能吸附式空氣取水的原理

吸附式空氣取水具有裝置相對簡單，體積小，可做成小型系統(tǒng)，取水效率較高的優(yōu)點，它的吸附和解吸過程如圖1所示。吸附式空氣取水器可使用太陽能加熱解吸，其循環(huán)過程是：晚上，打開吸附床上下的進出口閥門，利用空氣自然流動作用使?jié)窨諝鈴牡撞窟M入吸附床，水蒸氣被吸附，低濕度的空氣從頂部流出完成吸附過程；白天，關閉吸附床底部閥門，用太陽能(或其他熱源，如木柴、柴油及工業(yè)余熱)加熱吸附床，解吸出來的水蒸氣進入冷凝器，冷凝得液態(tài)水。

1.2 工作熱力過程的分析

工作熱力循環(huán)如圖2所示。吸附劑熱力循環(huán)過程：① A-B過程，開始于早上，關閉空氣進出口，吸附床開始升溫并有水蒸氣脫附出來，溫度及壓力都升高；② B-C過程為迅速解析過程，并有水蒸氣冷凝成水；③ C-D過程，開始于傍晚，空氣進出口均開啟，冷卻降溫降壓；④ D-A過程為夜間吸附過程，開始階段先冷卻降溫，然后開始吸附。

水蒸氣熱力循環(huán)過程：① 1-2過程，即在大氣壓力下，空氣中的水蒸氣被吸附劑吸附過程。在此過程中由于有吸附熱放出，水蒸氣的溫度有所升高；② 2-3過程，被吸附的水蒸氣在吸附床內(nèi)加熱。在此過程中，水蒸氣分壓力由環(huán)境溫度對應的飽和壓力Pa上升到冷凝溫度對應的飽和壓力Pc；③ 3-4過程為解吸出的水蒸氣在冷凝器中的冷凝過程。④ 1-5過程為空氣熱力循環(huán)過程也即夜間吸附過程。在大氣壓下，空氣流經(jīng)吸附床在吸附劑的吸附熱作用下升溫。

圖2 工作熱力循環(huán)過程Fig.2 Thermodynamic cycle process

2 實驗的建立及復合吸附劑的配制

2.1 復合吸附劑的制備

硅膠是一種親水性極性吸附劑，容易吸附水蒸氣，且性質(zhì)穩(wěn)定，吸附量較大的吸附劑。常用的化學吸附劑有氯化鎂，氯化鈣，氯化鍶，氯化鋇等，而氯化鈣作為吸附性能良好且價格低廉而受廣泛喜愛。為了解決化學吸附劑在吸附過程中會出現(xiàn)膨脹結(jié)塊的現(xiàn)象，提高物理吸附劑的吸附量問題，實驗通過浸漬的方式配制復合吸附劑解決這些問題。實驗選用硅膠以及氯化鈣粉末配制復合吸附劑。粗孔型硅膠采用的是上海才業(yè)有限公司生產(chǎn)的粗空型硅膠，其顆粒度為2.0～5.6mm，對比重為0.4～0.46g/m。氯化鈣是由國藥集團生產(chǎn)的無水氯化鈣，其相對密度為2.15，熔點為775℃，沸點為1935.5℃。配制步驟如下：

(1)首先將粗空型硅膠放入干燥箱內(nèi)充分活化，將硅膠分為四份1、2、3、4放入干燥箱進行活化，本實驗采用的干燥箱是天津市通利信達儀器廠生產(chǎn)的101-3A鼓風干燥箱，輸入功率3kW，控溫范圍10～250℃，溫度波動±1℃。烘箱設置溫度為120℃，隔段時間稱其重量，直至不變。

(2)將干燥后的粗空型硅膠放入干燥皿隔絕空氣冷卻至室溫并稱量其重量，再稱量無水氯化鈣粉末，配制成4種不同濃度溶液如表1所示。

(3)將冷卻的硅膠分別浸入不同濃度的溶液內(nèi)，浸泡16小時，將硅膠完全過濾，并快速水洗，去除硅膠表面附著的氯化鈣，之后再將復合吸附劑放入干燥箱活化，干燥箱溫度為120℃，等其呈白色不透明后可隔段時間稱其重量，直至其重量不再變化。

(4)將干燥后的復合吸附劑放入干燥皿隔絕空氣冷卻至室溫并稱量其重量并計算其含氯化鈣的質(zhì)量分數(shù)。

表1 復合吸附劑配制過程數(shù)

2.2 復合吸附劑開式吸附性能測試實驗

開式吸附實驗的脫附過程是在烘箱中，吸附過程在恒溫恒濕箱中完成，具體的實驗步驟如下：

(1)為了減少誤差，將四種不同質(zhì)量分數(shù)的復合吸附劑分為兩份，共8種試樣A1、B1、C1、D1、A2、B2、C2、D2。詳細參數(shù)見表2。

圖3 不同環(huán)境參數(shù)下吸附量隨時間的曲線

(2)恒溫恒濕箱運行穩(wěn)定后，將實驗試樣放入恒溫恒濕箱中，實驗分為三個階段進行，第一階段在環(huán)境參數(shù)為溫度為30℃，HR為60%的條件下進行吸附實驗，第二階段溫度10℃，HR60 %下吸附，第三階段溫度50℃，HR60%下吸附。本實驗采用的恒溫恒濕箱是上海一恒科學儀器有限公司生產(chǎn)的BPS-100CL型恒溫恒濕箱，溫控范圍-20℃-100℃，濕度范圍35%～95%，功率1900W。

表2 開式吸附實驗用復合吸附劑參數(shù)

(3)由于開式速率比較慢，試驗中兩個小時稱重一次，并記錄數(shù)據(jù)，測量儀器為福州華志科技儀器有限公司生產(chǎn)的HZY-B1000電子天平。

3 實驗結(jié)果與分析

吸附劑的開式吸附性能是空氣取水效率的關鍵，實驗基于開式吸附狀態(tài)下，對復合吸附劑分別在三個階段下的開式吸附進行測試，具體實驗過程：13日早上調(diào)試恒溫恒濕箱，上午9∶00恒溫恒濕箱達到設定值30℃60%HR，開始進行吸附試驗，實驗每兩個小時進行一次數(shù)據(jù)測量，14日下午2∶00改變溫濕度運行值為10℃60%HR，達到設定值開始實驗，實驗兩個小時記錄一次數(shù)據(jù)。15日早上改變溫濕度值為50℃60%HR，到達穩(wěn)定運行時開始實驗，實驗兩個小時記錄一次數(shù)據(jù)，實驗截止到晚上20∶00。

3.1 吸附量隨時間的變化

圖3為不同環(huán)境參數(shù)下吸附量隨時間的曲線圖，表現(xiàn)了四種不同氯化鈣配制的復合吸附劑在三個不同階段的吸附量隨時間的變化。

由圖可知，在同一環(huán)境條件下，氯化鈣濃度越大，其吸附速率與吸附量越大。在對同一復合吸附劑，不同溫度環(huán)境條件下，隨著溫度的升高，其吸附速率增高。對于氯化鈣含量43.2%的復合吸附劑，在50℃60%的吸附速率約為10℃60%的5.42倍。

3.2 各復合吸附劑平衡吸附量

表3為各復合吸附劑的平衡吸附量的大小，由表可知，復合吸附劑的平衡吸附量隨著CaCl2的濃度增加而增加，當CaCl2的濃度為30.3%時，其吸附率達到26.58%；當CaCl2的濃度為54.18%時，其吸附率達到48.2%。

4 結(jié)論

本文設計了一臺連續(xù)循環(huán)式吸附空氣取水實驗裝置，采用研制的復合吸附劑作吸附劑，并對吸附劑的吸附性能進行了研究，主要得出以下結(jié)論：

表3 各吸附過程平衡吸附量

(1)提出一種利用太陽能空氣取水裝置，并對其工作熱力過程進行了分析。

(2)在同一環(huán)境條件下，氯化鈣濃度越大，其吸附速率與吸附量越大，不同溫度吸附條件下，隨著溫度的升高，其吸附速率增高，對于浸泡CaCl2的濃度為54.18%的復合吸附劑，在50℃60%的吸附速率約為10℃60%的5.42倍。

(3)隨著復合吸附劑氯化鈣含量的增加，其吸附速率和吸附量也明顯的增加，浸泡CaCl2的濃度為54.18%的復合吸附劑，其吸附率達到48.22 %。

參考文獻：

[1] Awad M M，Sultan A A，Abd El Raouf M M．Using refrigeration systems to extract water from moist air[C]∥Proceedings of the 1st UAE Conference on Air Conditioning in the Gulf，ACG，1996.

[2] Hall R C.Production of water from the atmosphere by absorption with subsequent recovery in a solar still.[J]Solar Energy，1966，10：42-45．

[3]侴喬力，盧軍，馬青春.一種改進的太陽能空氣取水器[J].太陽能學報，2005，26(5):728-731.

[4]劉業(yè)鳳，范宏武，王如竹.空氣取水器用復合吸附劑的配制及其吸附特性分析[J].工程熱物理學報，2002，(23):186-188.

[5]劉業(yè)鳳，王如竹.空氣中取水用的新型復合吸附劑的吸附和解吸性能[J].化工進展，2002，21(10)：733-735.

[6]劉業(yè)鳳，范宏武，王如竹.新型空氣取水復合吸附劑在沙漠氣候下的吸附性能實驗研究[J].離子交換與吸附，2002，18(5):440-445.

[7]趙惠忠，程俊峰，唐祥虎，等.多壁碳納米管嵌入13X/MgCl2復合吸附劑的性能實驗[J].化工學報，2017，68(5):1860-1865.

[8] CHAN K C，CHAO C Y H，A theoretical model on the effective stagnant thermal conductivity of an adsorbent embedded with a highly thermal conductive material[J].International Journal Heat Mass Transfer，2013，65(5):863-872.

[9] 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.