葛曉潔

( 上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306 )

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，環(huán)境的污染，淡水資源的缺少變得越來(lái)越嚴(yán)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(yùn)含的水量也超過(guò)10g/m3。據(jù)估計(jì)地球上空氣蘊(yùn)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(lái)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(jiǎn)單，體積小，取水效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣大學(xué)者所關(guān)注。對(duì)于吸附式空氣取水方式，目前國(guó)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)；王如竹，劉業(yè)鳳等[4-6]對(duì)復(fù)合吸附劑的配制及其吸附特性進(jìn)行了分析并運(yùn)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(fù)合吸附劑并研究其吸附性能。Chan等[8-9]用理論模型預(yù)測(cè)了固體成型的復(fù)合材料吸附劑的熱導(dǎo)率，并在復(fù)合吸附劑13X/CaCl2中加入MWCNT，對(duì)其進(jìn)行了吸附性能的測(cè)試和在不同溫度下的導(dǎo)熱性能測(cè)試。

圖1 太陽(yáng)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(guò)程中，復(fù)合吸附劑的開(kāi)式吸附性能決定了其整體性能。本文通過(guò)配置硅膠-CaCl2復(fù)合吸附劑，并連續(xù)測(cè)試其在三種工況的開(kāi)式吸附性能，并將配置的復(fù)合吸附劑運(yùn)用于新型太陽(yáng)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(yáng)能空氣取水原理及熱力過(guò)程分析

1.1 太陽(yáng)能吸附式空氣取水的原理

吸附式空氣取水具有裝置相對(duì)簡(jiǎn)單，體積小，可做成小型系統(tǒng)，取水效率較高的優(yōu)點(diǎn)，它的吸附和解吸過(guò)程如圖1所示。吸附式空氣取水器可使用太陽(yáng)能加熱解吸，其循環(huán)過(guò)程是：晚上，打開(kāi)吸附床上下的進(jìn)出口閥門(mén)，利用空氣自然流動(dòng)作用使?jié)窨諝鈴牡撞窟M(jìn)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(guò)程；白天，關(guān)閉吸附床底部閥門(mén)，用太陽(yáng)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(lái)的水蒸氣進(jìn)入冷凝器，冷凝得液態(tài)水。

1.2 工作熱力過(guò)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(guò)程：① A-B過(guò)程，開(kāi)始于早上，關(guān)閉空氣進(jìn)出口，吸附床開(kāi)始升溫并有水蒸氣脫附出來(lái)，溫度及壓力都升高；② B-C過(guò)程為迅速解析過(guò)程，并有水蒸氣冷凝成水；③ C-D過(guò)程，開(kāi)始于傍晚，空氣進(jìn)出口均開(kāi)啟，冷卻降溫降壓；④ D-A過(guò)程為夜間吸附過(guò)程，開(kāi)始階段先冷卻降溫，然后開(kāi)始吸附。

水蒸氣熱力循環(huán)過(guò)程：① 1-2過(guò)程，即在大氣壓力下，空氣中的水蒸氣被吸附劑吸附過(guò)程。在此過(guò)程中由于有吸附熱放出，水蒸氣的溫度有所升高；② 2-3過(guò)程，被吸附的水蒸氣在吸附床內(nèi)加熱。在此過(guò)程中，水蒸氣分壓力由環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力Pa上升到冷凝溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力Pc；③ 3-4過(guò)程為解吸出的水蒸氣在冷凝器中的冷凝過(guò)程。④ 1-5過(guò)程為空氣熱力循環(huán)過(guò)程也即夜間吸附過(guò)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(guò)程Fig.2 Thermodynamic cycle process

2 實(shí)驗(yàn)的建立及復(fù)合吸附劑的配制

2.1 復(fù)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(xué)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(jià)格低廉而受廣泛喜愛(ài)。為了解決化學(xué)吸附劑在吸附過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)膨脹結(jié)塊的現(xiàn)象，提高物理吸附劑的吸附量問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)通過(guò)浸漬的方式配制復(fù)合吸附劑解決這些問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)選用硅膠以及氯化鈣粉末配制復(fù)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(duì)比重為0.4～0.46g/m。氯化鈣是由國(guó)藥集團(tuán)生產(chǎn)的無(wú)水氯化鈣，其相對(duì)密度為2.15，熔點(diǎn)為775℃，沸點(diǎn)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(jìn)行活化，本實(shí)驗(yàn)采用的干燥箱是天津市通利信達(dá)儀器廠生產(chǎn)的101-3A鼓風(fēng)干燥箱，輸入功率3kW，控溫范圍10～250℃，溫度波動(dòng)±1℃。烘箱設(shè)置溫度為120℃，隔段時(shí)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(wú)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(shí)，將硅膠完全過(guò)濾，并快速水洗，去除硅膠表面附著的氯化鈣，之后再將復(fù)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(shí)間稱其重量，直至其重量不再變化。

(4)將干燥后的復(fù)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(jì)算其含氯化鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表1 復(fù)合吸附劑配制過(guò)程數(shù)

2.2 復(fù)合吸附劑開(kāi)式吸附性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

開(kāi)式吸附實(shí)驗(yàn)的脫附過(guò)程是在烘箱中，吸附過(guò)程在恒溫恒濕箱中完成，具體的實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)為了減少誤差，將四種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的復(fù)合吸附劑分為兩份，共8種試樣A1、B1、C1、D1、A2、B2、C2、D2。詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖3 不同環(huán)境參數(shù)下吸附量隨時(shí)間的曲線

(2)恒溫恒濕箱運(yùn)行穩(wěn)定后，將實(shí)驗(yàn)試樣放入恒溫恒濕箱中，實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)階段進(jìn)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(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，第二階段溫度10℃，HR60 %下吸附，第三階段溫度50℃，HR60%下吸附。本實(shí)驗(yàn)采用的恒溫恒濕箱是上海一恒科學(xué)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(kāi)式吸附實(shí)驗(yàn)用復(fù)合吸附劑參數(shù)

(3)由于開(kāi)式速率比較慢，試驗(yàn)中兩個(gè)小時(shí)稱重一次，并記錄數(shù)據(jù)，測(cè)量?jī)x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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

吸附劑的開(kāi)式吸附性能是空氣取水效率的關(guān)鍵，實(shí)驗(yàn)基于開(kāi)式吸附狀態(tài)下，對(duì)復(fù)合吸附劑分別在三個(gè)階段下的開(kāi)式吸附進(jìn)行測(cè)試，具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程：13日早上調(diào)試恒溫恒濕箱，上午9∶00恒溫恒濕箱達(dá)到設(shè)定值30℃60%HR，開(kāi)始進(jìn)行吸附試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)每?jī)蓚€(gè)小時(shí)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)測(cè)量，14日下午2∶00改變溫濕度運(yùn)行值為10℃60%HR，達(dá)到設(shè)定值開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)兩個(gè)小時(shí)記錄一次數(shù)據(jù)。15日早上改變溫濕度值為50℃60%HR，到達(dá)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)兩個(gè)小時(shí)記錄一次數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)截止到晚上20∶00。

3.1 吸附量隨時(shí)間的變化

圖3為不同環(huán)境參數(shù)下吸附量隨時(shí)間的曲線圖，表現(xiàn)了四種不同氯化鈣配制的復(fù)合吸附劑在三個(gè)不同階段的吸附量隨時(shí)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(duì)同一復(fù)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(duì)于氯化鈣含量43.2%的復(fù)合吸附劑，在50℃60%的吸附速率約為10℃60%的5.42倍。

3.2 各復(fù)合吸附劑平衡吸附量

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

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)連續(xù)循環(huán)式吸附空氣取水實(shí)驗(yàn)裝置，采用研制的復(fù)合吸附劑作吸附劑，并對(duì)吸附劑的吸附性能進(jìn)行了研究，主要得出以下結(jié)論：

表3 各吸附過(guò)程平衡吸附量

(1)提出一種利用太陽(yáng)能空氣取水裝置，并對(duì)其工作熱力過(guò)程進(jìn)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(duì)于浸泡CaCl2的濃度為54.18%的復(fù)合吸附劑，在50℃60%的吸附速率約為10℃60%的5.42倍。

(3)隨著復(fù)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(fù)合吸附劑，其吸附率達(dá)到48.22 %。

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