李云翔 解國(guó)珍 安 龍 田澤輝 李小雙

(北京建筑大學(xué) 北京 100044)

1 引言

能源是人類賴以生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)，也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的原動(dòng)力。隨著經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)，中國(guó)的能源消費(fèi)量與日俱增，此時(shí)不得不面對(duì)的是環(huán)境污染、資源和能源短缺等硬性約束。據(jù)調(diào)查中國(guó)能源利用率僅為約30%，大量余熱以各種形式被排放到大氣中，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中所占比例不足8%。因此，回收利用余熱在提高中國(guó)一次能源利用率方面具有舉足輕重的作用［1－2］。在暖通空調(diào)領(lǐng)域，尋求能夠降低溴化鋰(LiBr)機(jī)組發(fā)生器沸騰溫度的工質(zhì)，便能降低所需熱源的溫度，此時(shí)工業(yè)余熱、廢熱等低品味熱源便可得到廣泛應(yīng)用，其對(duì)節(jié)能減排的戰(zhàn)略起到重要作用［3－5］。

解國(guó)珍等［6］通過在LiBr溶液中添加納米材料A和分散劑B的試驗(yàn)研究，得到納米LiBr溶液的發(fā)生溫度與納米顆粒的關(guān)系，隨著納米顆粒添加量在LiBr溶液中的增加，發(fā)生溫度呈現(xiàn)出先降低后增高的趨勢(shì)。王莉等［7］通過研究在LiBr溶液中添加單一型分散劑和復(fù)合型分散劑，發(fā)現(xiàn)在研究的納米顆粒質(zhì)量組分變化的范圍內(nèi)，納米顆粒會(huì)降低溶液的發(fā)生溫度。

本文則是通過在納米LiBr溶液中添加3種不同的高沸點(diǎn)表面活性劑，試圖通過改變表面張力而降低溶液沸騰溫度。此外對(duì)比了3種表面活性劑對(duì)納米LiBr溶液的表面張力和沸騰溫度的影響，并從機(jī)理角度做了深入分析。

2 實(shí)驗(yàn)材料、儀器及測(cè)量原理

2.1 試驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)所用 LiBr的純度為 99.9%;氧化銅(CuO)，平均粒徑 30nm;檸檬酸銨(C6H5O7(NH4)3);阿拉伯樹膠(E414);異辛醇(C8H18O);壬醇(C9H20O);癸醇(C10H22O)。

其中C8H18O、C9H20O和C10H22O是表面活性劑，C6H5O7(NH4)3是分散劑，E414既屬于表面活性劑也屬于分散劑。表面活性劑，是指具有固定的親水親油基團(tuán)，在溶液的表面能定向排列，并能使表面張力顯著下降的物質(zhì)［8－9］。分散劑是指吸附于液固界面并能顯著降低界面自由能，使固體粉末均勻的分散在液體或熔體中，并使之不再聚集的一類物質(zhì)［10］。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器及其原理

本試驗(yàn)表面張力值采用吊板法測(cè)量，如圖1所示:白金板因被測(cè)溶液的表面張力而將其向下拉，當(dāng)總表面張力與液體的重量平衡時(shí)，通過測(cè)量白金板浸入待測(cè)溶液的深度，便可知溶液的表面張力值［11］，其原理見式(1)。

式中:F為平衡力，N;m為感測(cè)白金板的重量，kg;s為感測(cè)白金板橫截面面積，m2;h為浸入待測(cè)溶液的深度，m;L為感測(cè)白金板周長(zhǎng)，m;σ為待測(cè)溶液的表面張力，mN/m;g為重力加速度，N/kg;θ為待測(cè)溶液和白金板的接觸角，°;ρ為待測(cè)溶液的密度，kg/m3。

圖1 表面張力測(cè)量原理圖Fig.1 Schematic diagram of hanging plate method

溶液沸騰溫度測(cè)試原理如圖2所示，在試管中放入一定量的待測(cè)溶液，用溫度逐漸升高的油浴來加熱試管使溶液沸騰，采用攪拌裝置使油浴溫度均勻，由熱電偶測(cè)倆溶液的起泡溫度。

圖2 溶液沸騰特性測(cè)試原理示意圖Fig.2 Testing principle diagram of solution boiling characteristic

3 試驗(yàn)結(jié)果及其機(jī)理分析

為了便于觀察3種表面活性劑對(duì)納米LiBr－H2O表面張力和沸騰溫度的影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不含此3種表面活性劑的納米LiBr－H2O的表面張力和沸騰溫度，見表1。

表1 納米LiBr-H 2O表面張力和沸騰溫度Table 1 Boiling temperature and the surfacetension of nano LiBr-H 2 O

3.1 含有不同表面活性劑的納米溴化鋰溶液表面張力

氣泡成核理論提出表面張力改變能直接影響形成汽核所需的最大活化能［12－14］，因此在研究納米流體的沸騰溫度之前應(yīng)當(dāng)對(duì)流體的表面張力進(jìn)行測(cè)量分析。

3.1.1 添加有C8H18O的納米LiBr－H2O表面張力

圖3是分別以納米LiBr－H2O為基液和以CuO:E414:C6H5O7(NH4)3:LiBr－H2O 按 1:5:1:993 的比例混合的溶液為基液并添加不同濃度表面活性劑C8H18O的LiBr溶液的表面張力，為敘述方便簡(jiǎn)稱納米 LiBr－H2O基液為 A基液，CuO:E414:C6H5O7(NH4)3:LiBr－H2O溶液按1:5:1:993的比例混合的基液為B基液。

圖3 添加C8 H 18 O納米LiBr-H 2 O的表面張力Fig.3 Surface tension of Nano-LiBr aqueous and C8 H 18 O

圖3中曲線a是在A基液中添加C8H18O時(shí)，混合溶液表面張力隨C8H18O的濃度變化，曲線b是在B基液中添加C8H18O時(shí)，混合溶液表面張力隨C8H18O的濃度變化。

從圖3中可看出，添加了表面活性劑C8H18O的納米LiBr－H2O表面張力大致可分兩個(gè)階段，當(dāng)濃度小于2%時(shí)，表面張力保持在37ˉ40 mN/m之間，當(dāng)濃度大于2.5%時(shí)，表面張力接近此濃度下C8H18O水溶液的表面張力。之所以有分段現(xiàn)象是因?yàn)椋鞍氩糠諧8H18O未覆蓋整個(gè)溶液表面，隨著濃度增加，C8H18O的表面吸附效應(yīng)導(dǎo)致它覆蓋整個(gè)溶液表面，因此后者的測(cè)量值相當(dāng)于C8H18O的表面張力值。在2%ˉ2.5%之間，溶液的表面張力取決于外部條件，包括測(cè)量環(huán)境，溫度等。

添加了表面活性劑C8H18O、表面活性劑E414和分散劑C6H5O7(NH4)3的納米LiBr－H2O表面張力與單獨(dú)添加表面活性劑C8H18O的納米LiBr－H2O表面張力相似，也可分兩個(gè)階段，但不同之處在于前者分界點(diǎn)在2%ˉ2.5%之間，后者分界點(diǎn)前提至0.5%ˉ1.0%之間。即當(dāng)濃度小于0.5%時(shí)，表面張力保持在30 mN/m附近波動(dòng)。當(dāng)濃度大于1.0%時(shí)，表面張力接近前者，也即此濃度下C8H18O水溶液的表面張力。存在分段現(xiàn)象的原因同前所述，由此也可證明當(dāng)C8H18O的濃度增大到一定程度時(shí)，其表面張力將接近此濃度下C8H18O水溶液的表面張力。在0.5%ˉ1.0%之間，溶液的表面張力取決于外部條件，包括測(cè)量環(huán)境，溫度等。

3.1.2 添加有C9H20O的納米流體的表面張力

圖4中曲線a是在A基液中添加C9H20O時(shí)，混合溶液表面張力隨C9H20O的濃度變化，曲線b是在B基液中添加C9H20O時(shí)，混合溶液表面張力隨C9H20O的濃度變化。

圖4 添加C9H 20O納米LiBr-H 2O的表面張力Fig.4 Surface tension of nano-LiBr aqueous and C9 H 20 O

從圖4中可發(fā)現(xiàn)，與添加 C8H18O相同，添加C9H20O時(shí)納米LiBr－H2O的表面張力也有較大程度的減小。并且當(dāng)C9H20O的濃度超過1%以后，含有E414和C6H5O7(NH4)3的溶液表面張力大于不含E414和C6H5O7(NH4)3的表面張力，這是因?yàn)楫?dāng)C9H20O的濃度大于臨界膠束濃度后，E414和C6H5O7(NH4)3的加入阻礙了C9H20O分子在水面的富集，因此混合溶液的表面張力較當(dāng)獨(dú)添加C9H20O時(shí)的大。

3.1.3 添加有C10H22O的納米流體的表面張力

圖5中曲線a是在A基液中添加C10H22O時(shí)，混合溶液表面張力隨C10H22O的濃度變化，曲線b是在B基液中添加C10H22O時(shí)，混合溶液表面張力隨C10H22O的濃度變化。

從圖5中可看出與添加C9H20O相似，當(dāng)C9H20O的濃度超過0.5%以后，含有E414和C6H5O7(NH4)3的溶液表面張力大于不含E414和C6H5O7(NH4)3的表面張力，其機(jī)理與添加C9H20O相同。并且與添加C8H18O相比添加C9H20O和C10H22O時(shí)溶液達(dá)到平衡時(shí)表面活性劑的濃度更小。這是因?yàn)殡S著烷醇中烷基數(shù)增加，羥基在整個(gè)分子中的影響因素逐漸減弱，體系的疏水作用增加，因此臨界膠束濃度值降低［15］。并且發(fā)現(xiàn)添加C9H20O和C10H22O時(shí)納米Li－Br－H2O的表面張力平衡值更低，同樣是因?yàn)槠涫杷饔脧?qiáng)，分子更容易在表面吸附與鋪展［16］。

圖5 添加C10 H 22 O納米LiBr-H 2 O的表面張力Fig.5 Surface tension of Nano-LiBr aqueous and C10 H22 O

3.2 添加添加劑后納米流體沸騰溫度

由上述試驗(yàn)可知，3種表面活性劑都能降低納米流體的表面張力，且根據(jù)氣泡動(dòng)力學(xué)可知其必會(huì)對(duì)流體的發(fā)生溫度產(chǎn)生影響，為了驗(yàn)證上述觀點(diǎn)和進(jìn)一步探索影響納米流體沸騰溫度的因素，對(duì)納米流體的沸騰溫度進(jìn)行了測(cè)量。

3.2.1 添加有C8H18O的納米LiBr－H2O沸騰溫度

圖6是含表面活性劑C8H18O的納米溴化鋰溶液沸騰溫度，觀察圖6發(fā)現(xiàn)，相比未添加液相添加劑C8H18O，添加后的溶液沸騰溫度有明顯降低，這主要取決于添加有C8H18O時(shí)，溶液表面張力大幅度降低。但在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，沸騰溫度無明顯變化，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)范圍內(nèi)溶液表面張力的變化程度不太大。

并且從圖6中發(fā)現(xiàn)與未添加C8H18O相比，添加后的溶液沸騰溫度存在隨著添加劑濃度的增加，沸騰溫度逐漸升高的現(xiàn)象。分析這個(gè)現(xiàn)象主要有兩個(gè)成因:

圖6 含C8H 18O的納米LiBr-H 2O沸騰溫度Fig 6 Boiling temperature of nano LiBr-H 2 O containing surfactant C8 H 18 O

(1)隨著表面活性劑C8H18O含量的增加，且由于表面活性劑在溶液表面的富集作用，導(dǎo)致試管中表面活性劑層的厚度增加，從而增大了LiBr－H2O表面的壓力［17］。

(2)實(shí)驗(yàn)中將一定濃度的表面活性劑與納米Li－Br－H2O混合時(shí)是采用體積比1:1混合的，且由于表面活性劑在溶液表面的富集作用，導(dǎo)致混合時(shí)帶入LiBr－H2O中的水含量不同，從而引起 LiBr－H2O濃度的改變，導(dǎo)致沸點(diǎn)升高［18］。

3.2.2 添加有C9H20O的納米流體的沸騰溫度

從圖7中可看出同添加C8H18O，添加C9H20O時(shí)溶液沸騰溫度有明顯降低，原因是溶液表面張力大幅度降低。但是從圖7中可發(fā)現(xiàn)在基液B中加入C9H20O時(shí)，當(dāng)C9H20O的濃度超過2%時(shí)沸騰溫度會(huì)呈直線上升，這是由于在這種情況下震蕩之后的納米流體中的納米顆粒會(huì)聚集在表層的C9H20O當(dāng)中，被C9H20O包覆，破壞了納米流體的性質(zhì)。

圖7 含C9H 20O的納米LiBr-H 2O沸騰溫度Fig7 Boiling temperature of nano LiBr-H 2 O containing surfactant C9 H 20 O

3.2.3 添加有C10H22O的納米流體的沸騰溫度

圖8是含表面活性劑C10H22O的納米LiBr－H2O沸騰溫度，從圖中可發(fā)現(xiàn)沸騰溫度隨著添加劑濃度的增加有先降低后增加的趨勢(shì)。

圖8 含C10H 22O的納米LiBr-H 2O沸騰溫度Fig.8 Boiling temperature of nano LiBr-H 2 O containing surfactant C10H 22O

分析影響沸騰溫度的主要因素，這里主要考慮表面張力、重力和LiBr濃度的影響。如同對(duì)C8H18O的分析，可知隨添加劑濃度的增大，LiBr濃度增大，會(huì)使沸騰溫度升高，同時(shí)重力對(duì)添加劑的影響也將不利于沸騰溫度降低，而表面張力的影響則相反。并且由圖5可看出，當(dāng)添加劑濃度低時(shí)，表面張力表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，上述因素相互耦合，最終使得沸騰溫度在前半段逐漸降低。而當(dāng)添加劑濃度超過1.5%時(shí)，沸騰溫度不再降低，并且隨著濃度進(jìn)一步增大到2.5%以后，沸騰溫度有上升的趨勢(shì)，因?yàn)榇藭r(shí)表面張力已趨于平衡，但重力和濃度的影響仍在進(jìn)一步增強(qiáng)。

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)表面活性劑C8H18O、C9H20O和C10H22O都能降低納米LiBr－H2O的表面張力，使得溶液的沸騰溫度分別降低了20ˉ30℃(添加C8H18O)和30ˉ35℃(添加C9H20O或C10H22O);此外隨著烷醇中烷基數(shù)增加，體系的疏水作用增加，分子更容易在表面吸附與鋪展，表面張力更低，使得沸騰溫度也進(jìn)一步降低;但是從添加 C9H20O的情況可知，在含有分散劑的條件下當(dāng)C9H20O的濃度超過2%時(shí)會(huì)出現(xiàn)納米流體被包覆現(xiàn)象，破壞了納米流體的性質(zhì)從而使得流體沸騰溫度直線上升。

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