太陽(yáng)能海水淡化是緩解世界淡水資源壓力的有效方法之一,在傳統(tǒng)太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)中,蒸餾效率低是限制其發(fā)展的主要因素。納米材料具有獨(dú)特的光學(xué)、熱力學(xué)特性,能夠吸收太陽(yáng)輻射并將其轉(zhuǎn)化為熱能,被廣泛用于太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng)來(lái)增強(qiáng)光-熱-汽轉(zhuǎn)換率。近年來(lái),受益于納米流體及界面光熱技術(shù),太陽(yáng)能蒸餾技術(shù)發(fā)展迅速。固態(tài)納米顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于液態(tài)基質(zhì),故以納米流體代替?zhèn)鹘y(tǒng)流體作為傳熱工質(zhì)用于太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng)。近年的研究中,納米流體用于被動(dòng)、主動(dòng)式蒸餾系統(tǒng)中均顯示出較強(qiáng)的吸光集熱性能,蒸餾產(chǎn)水量提高25%以上,最大提高約130%;納米流體具有獨(dú)立產(chǎn)蒸汽能力,在太陽(yáng)光模擬器下,流體迅速升溫并產(chǎn)生蒸汽,熱利用效率高達(dá)73%,產(chǎn)水率相比純水增加近50%。界面光熱技術(shù)是指在界面材料作用下,納米吸收體吸收太陽(yáng)光作用于水與空氣界面的薄層水分子,而不是整個(gè)待蒸發(fā)水體�？捎脕�(lái)作為界面光熱材料的主要有等離激元材料、獨(dú)立納米凝膠材料、金屬或金屬氧化物涂層的復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料、聚離子液體衍生膜及部分可降解有機(jī)材料。在界面光熱蒸餾系統(tǒng)中,因材料強(qiáng)吸光特性及多孔特性,顯著提高界面熱利用效率及蒸餾產(chǎn)水速率。其中碳基材料因制備成本低、容... 

【文章來(lái)源】：材料導(dǎo)報(bào). 2020,34(21)北大核心EICSCD

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傳統(tǒng)盤式太陽(yáng)能蒸餾器[26]

底盤吸收的太陽(yáng)輻射能是限制被動(dòng)式太陽(yáng)能蒸餾器制水量的最主要參數(shù)，Rashidi等[31]通過(guò)建立氧化鋁-水納米流體體積(VOF)模型，研究納米流體對(duì)傾斜式太陽(yáng)能蒸餾效率的影響，結(jié)果表明，使用納米流體的蒸餾器產(chǎn)水量隨著納米顆粒固體體積分?jǐn)?shù)的增大而增加，產(chǎn)水量提高約25%。Kabeel等[32]設(shè)計(jì)了兩個(gè)如圖2所示的非真空強(qiáng)制對(duì)流循環(huán)盤式蒸餾器，在實(shí)際天氣條件下測(cè)量太陽(yáng)輻照、循環(huán)風(fēng)速及添加納米流體等因素對(duì)蒸餾速率的影響，研究發(fā)現(xiàn)，1 d內(nèi)恒定的風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)速度為1 350 r/min時(shí)，與傳統(tǒng)蒸餾器相比，使用氧化鋁納米流體的蒸餾器單位面積產(chǎn)水量提高約116%。Kabeel團(tuán)隊(duì)[33]還研究了不同納米材料對(duì)該蒸餾器性能的影響。在有風(fēng)扇和無(wú)風(fēng)扇的情況下，使用氧化亞銅納米顆粒，產(chǎn)水率可分別提高133.64%和93.87%，使用氧化鋁納米顆粒則分別提高了125.0%和88.97%。對(duì)添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米材料的盤式蒸餾器與傳統(tǒng)盤式蒸餾器進(jìn)行研究，在納米材料添加量為10%和40%時(shí)，使用Cu O納米顆�？墒拐麴s物的產(chǎn)量分別提高16%和25%。同時(shí)，使用納米流體的盤式太陽(yáng)能蒸餾器投資回收期為96 d，傳統(tǒng)蒸餾器投資回收期為89 d，驗(yàn)證了使用納米流體的蒸餾器有較高的淡水產(chǎn)出率，同時(shí)蒸餾裝置具有較高的性價(jià)比[34]。

Sharshir等[43]采用三臺(tái)相同尺寸的盤式蒸餾器對(duì)太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)的性能進(jìn)行了研究，如圖3所示，系統(tǒng)包括一個(gè)傳統(tǒng)的蒸餾器、一個(gè)帶冷卻玻璃蓋板的石墨納米流體太陽(yáng)能蒸餾器、一個(gè)帶冷卻玻璃蓋板的氧化銅納米流體太陽(yáng)能蒸餾器和一個(gè)膜冷卻水箱。他們分別探究不同種類納米流體、待蒸發(fā)水深度、冷卻水流速及納米流體流速對(duì)蒸餾器性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，石墨或氧化銅納米粒子的質(zhì)量濃度越大，蒸餾器淡水產(chǎn)率越高;在相同條件下，使用石墨納米材料時(shí)，其導(dǎo)熱性增強(qiáng)程度高于氧化銅納米材料，這是因?yàn)槭奖妊趸~顆粒大，石墨的密度比氧化銅的密度小，石墨顆粒相比氧化銅顆粒更容易懸浮分布在待蒸發(fā)水中;蓋板冷卻水流速在1～12 kg·h-1之間時(shí)，與傳統(tǒng)的太陽(yáng)能蒸餾器相比，使用氧化銅和石墨納米流體時(shí)，太陽(yáng)能蒸餾器的產(chǎn)水率分別提高了44.91%和53.95%;在不使用玻璃蓋板冷卻的情況下，分別使用氧化銅納米流體和石墨納米流體可獲得38%和40%的日產(chǎn)水效率;采用氧化銅和石墨納米顆粒玻璃膜冷卻時(shí)，蒸餾器的日產(chǎn)水效率分別為46%和49%。由此可以看出，納米流體類型、流體流速及流體質(zhì)量濃度、蒸餾器結(jié)構(gòu)等均是影響納米流體蒸餾系統(tǒng)產(chǎn)水效率的重要因素。在以上研究過(guò)程中，納米粒子均與蒸發(fā)水進(jìn)行直接接觸，Mahian等[44]通過(guò)理論模型建立了含有納米粒子的換熱器，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，將其應(yīng)用于海水淡化裝置。該團(tuán)隊(duì)利用如圖4所示的裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，裝置主要由兩個(gè)串聯(lián)的平板集熱器和一個(gè)裝有熱交換器的太陽(yáng)能蒸餾器組成。在太陽(yáng)能集熱器中加熱后，納米流體進(jìn)入安裝在太陽(yáng)能蒸餾池中的換熱器，與原水進(jìn)行換熱。實(shí)驗(yàn)針對(duì)不同納米顆粒體積分?jǐn)?shù)、不同納米粒徑(7 nm和40 nm)、不同深度的蒸餾池(4 cm和8 cm)和不同質(zhì)量流量的納米流體在不同的天氣條件下進(jìn)行。研究發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)輻照強(qiáng)度是影響蒸餾性能的主要因素，為了研究納米流體的影響規(guī)律，建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)在給定天氣條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，在低于60℃的溫度下使用換熱器作用較為微弱，相應(yīng)的集熱效率比不使用換熱器的太陽(yáng)能蒸餾器要小;盡管在這種情況下，使用納米流體作為換熱器中的工作流體相比傳統(tǒng)流體可以提高10%左右的產(chǎn)水量。在更高的溫度(例如70℃)下使用換熱器作用較為明顯，但是使用納米流體代替?zhèn)鹘y(tǒng)水流體，可以使性能指數(shù)提高約1%。此外，在高溫下使用Si O2納米流體，其熱導(dǎo)率低于銅納米流體。由此可以看出，間接使用換熱器的納米流體蒸餾器不與待蒸發(fā)水充分接觸時(shí)亦能有效增強(qiáng)制水效率。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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