基于太阳能空气取水复合吸附剂硅胶-CaCl2吸附特性研究

葛晓洁

( 上海海事大学 商船学院，上海 201306 )

0 引言

随着社会的发展，环境的污染，淡水资源的缺少变得越来越严重，尤其是在海岛、沙漠等地区，而空气中的水蒸气含量大、不受空间的限制、可循环再生，空气中蕴含的水量也超过10g/m3。据估计地球上空气蕴含的水量为14 000km3，而地球上的淡水总量也只有12 000km3，因此空气取水是解决这些地区饮用水的渠道之一。从空气中取水越来越受到研究者的重视，空气取水的方式有制冷结露法[1]，吸收冷凝法[2]，吸附冷凝法。吸附冷凝法具有装置简单，体积小，取水效率高等优点被广大学者所关注。对于吸附式空气取水方式，目前国内外的研究很广泛，侴乔力[3]研制了新型的空气取水器，并进行了实验；王如竹，刘业凤等[4-6]对复合吸附剂的配制及其吸附特性进行了分析并运用于空气取水器中，提高了其取水效率；赵惠忠[7]将多壁碳纳米管嵌入13X/MgCl2制成复合吸附剂并研究其吸附性能。Chan等[8-9]用理论模型预测了固体成型的复合材料吸附剂的热导率，并在复合吸附剂13X/CaCl2中加入MWCNT，对其进行了吸附性能的测试和在不同温度下的导热性能测试。

图1 太阳能吸附式空气取水器工作原理

之前的多数研究均基于闭式吸附性能，但在除湿以及空气取水研究过程中，复合吸附剂的开式吸附性能决定了其整体性能。本文通过配置硅胶-CaCl2复合吸附剂，并连续测试其在三种工况的开式吸附性能，并将配置的复合吸附剂运用于新型太阳能空气取水管中，研究其空气取水管的整体性能的变化。

1 太阳能空气取水原理及热力过程分析

1.1 太阳能吸附式空气取水的原理

吸附式空气取水具有装置相对简单，体积小，可做成小型系统，取水效率较高的优点，它的吸附和解吸过程如图1所示。吸附式空气取水器可使用太阳能加热解吸，其循环过程是：晚上，打开吸附床上下的进出口阀门，利用空气自然流动作用使湿空气从底部进入吸附床，水蒸气被吸附，低湿度的空气从顶部流出完成吸附过程；白天，关闭吸附床底部阀门，用太阳能(或其他热源，如木柴、柴油及工业余热)加热吸附床，解吸出来的水蒸气进入冷凝器，冷凝得液态水。

1.2 工作热力过程的分析

工作热力循环如图2所示。吸附剂热力循环过程：① A-B过程，开始于早上，关闭空气进出口，吸附床开始升温并有水蒸气脱附出来，温度及压力都升高；② B-C过程为迅速解析过程，并有水蒸气冷凝成水；③ C-D过程，开始于傍晚，空气进出口均开启，冷却降温降压；④ D-A过程为夜间吸附过程，开始阶段先冷却降温，然后开始吸附。

水蒸气热力循环过程：① 1-2过程，即在大气压力下，空气中的水蒸气被吸附剂吸附过程。在此过程中由于有吸附热放出，水蒸气的温度有所升高；② 2-3过程，被吸附的水蒸气在吸附床内加热。在此过程中，水蒸气分压力由环境温度对应的饱和压力Pa上升到冷凝温度对应的饱和压力Pc；③ 3-4过程为解吸出的水蒸气在冷凝器中的冷凝过程。④ 1-5过程为空气热力循环过程也即夜间吸附过程。在大气压下，空气流经吸附床在吸附剂的吸附热作用下升温。

图2 工作热力循环过程Fig.2 Thermodynamic cycle process

2 实验的建立及复合吸附剂的配制

2.1 复合吸附剂的制备

硅胶是一种亲水性极性吸附剂，容易吸附水蒸气，且性质稳定，吸附量较大的吸附剂。常用的化学吸附剂有氯化镁，氯化钙，氯化锶，氯化钡等，而氯化钙作为吸附性能良好且价格低廉而受广泛喜爱。为了解决化学吸附剂在吸附过程中会出现膨胀结块的现象，提高物理吸附剂的吸附量问题，实验通过浸渍的方式配制复合吸附剂解决这些问题。实验选用硅胶以及氯化钙粉末配制复合吸附剂。粗孔型硅胶采用的是上海才业有限公司生产的粗空型硅胶，其颗粒度为2.0～5.6mm，对比重为0.4～0.46g/m。氯化钙是由国药集团生产的无水氯化钙，其相对密度为2.15，熔点为775℃，沸点为1935.5℃。配制步骤如下：

(1)首先将粗空型硅胶放入干燥箱内充分活化，将硅胶分为四份1、2、3、4放入干燥箱进行活化，本实验采用的干燥箱是天津市通利信达仪器厂生产的101-3A鼓风干燥箱，输入功率3kW，控温范围10～250℃，温度波动±1℃。烘箱设置温度为120℃，隔段时间称其重量，直至不变。

(2)将干燥后的粗空型硅胶放入干燥皿隔绝空气冷却至室温并称量其重量，再称量无水氯化钙粉末，配制成4种不同浓度溶液如表1所示。

(3)将冷却的硅胶分别浸入不同浓度的溶液内，浸泡16小时，将硅胶完全过滤，并快速水洗，去除硅胶表面附着的氯化钙，之后再将复合吸附剂放入干燥箱活化，干燥箱温度为120℃，等其呈白色不透明后可隔段时间称其重量，直至其重量不再变化。

(4)将干燥后的复合吸附剂放入干燥皿隔绝空气冷却至室温并称量其重量并计算其含氯化钙的质量分数。

表1 复合吸附剂配制过程数

2.2 复合吸附剂开式吸附性能测试实验

开式吸附实验的脱附过程是在烘箱中，吸附过程在恒温恒湿箱中完成，具体的实验步骤如下：

(1)为了减少误差，将四种不同质量分数的复合吸附剂分为两份，共8种试样A1、B1、C1、D1、A2、B2、C2、D2。详细参数见表2。

图3 不同环境参数下吸附量随时间的曲线

(2)恒温恒湿箱运行稳定后，将实验试样放入恒温恒湿箱中，实验分为三个阶段进行，第一阶段在环境参数为温度为30℃，HR为60%的条件下进行吸附实验，第二阶段温度10℃，HR60 %下吸附，第三阶段温度50℃，HR60%下吸附。本实验采用的恒温恒湿箱是上海一恒科学仪器有限公司生产的BPS-100CL型恒温恒湿箱，温控范围-20℃-100℃，湿度范围35%～95%，功率1900W。

表2 开式吸附实验用复合吸附剂参数

(3)由于开式速率比较慢，试验中两个小时称重一次，并记录数据，测量仪器为福州华志科技仪器有限公司生产的HZY-B1000电子天平。

3 实验结果与分析

吸附剂的开式吸附性能是空气取水效率的关键，实验基于开式吸附状态下，对复合吸附剂分别在三个阶段下的开式吸附进行测试，具体实验过程：13日早上调试恒温恒湿箱，上午9∶00恒温恒湿箱达到设定值30℃60%HR，开始进行吸附试验，实验每两个小时进行一次数据测量，14日下午2∶00改变温湿度运行值为10℃60%HR，达到设定值开始实验，实验两个小时记录一次数据。15日早上改变温湿度值为50℃60%HR，到达稳定运行时开始实验，实验两个小时记录一次数据，实验截止到晚上20∶00。

3.1 吸附量随时间的变化

图3为不同环境参数下吸附量随时间的曲线图，表现了四种不同氯化钙配制的复合吸附剂在三个不同阶段的吸附量随时间的变化。

由图可知，在同一环境条件下，氯化钙浓度越大，其吸附速率与吸附量越大。在对同一复合吸附剂，不同温度环境条件下，随着温度的升高，其吸附速率增高。对于氯化钙含量43.2%的复合吸附剂，在50℃60%的吸附速率约为10℃60%的5.42倍。

3.2 各复合吸附剂平衡吸附量

表3为各复合吸附剂的平衡吸附量的大小，由表可知，复合吸附剂的平衡吸附量随着CaCl2的浓度增加而增加，当CaCl2的浓度为30.3%时，其吸附率达到26.58%；当CaCl2的浓度为54.18%时，其吸附率达到48.2%。

4 结论

本文设计了一台连续循环式吸附空气取水实验装置，采用研制的复合吸附剂作吸附剂，并对吸附剂的吸附性能进行了研究，主要得出以下结论：

表3 各吸附过程平衡吸附量

(1)提出一种利用太阳能空气取水装置，并对其工作热力过程进行了分析。

(2)在同一环境条件下，氯化钙浓度越大，其吸附速率与吸附量越大，不同温度吸附条件下，随着温度的升高，其吸附速率增高，对于浸泡CaCl2的浓度为54.18%的复合吸附剂，在50℃60%的吸附速率约为10℃60%的5.42倍。

(3)随着复合吸附剂氯化钙含量的增加，其吸附速率和吸附量也明显的增加，浸泡CaCl2的浓度为54.18%的复合吸附剂，其吸附率达到48.22 %。

参考文献：

[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]侴乔力，卢军，马青春.一种改进的太阳能空气取水器[J].太阳能学报，2005，26(5):728-731.

[4]刘业凤，范宏武，王如竹.空气取水器用复合吸附剂的配制及其吸附特性分析[J].工程热物理学报，2002，(23):186-188.

[5]刘业凤，王如竹.空气中取水用的新型复合吸附剂的吸附和解吸性能[J].化工进展，2002，21(10)：733-735.

[6]刘业凤，范宏武，王如竹.新型空气取水复合吸附剂在沙漠气候下的吸附性能实验研究[J].离子交换与吸附，2002，18(5):440-445.

[7]赵惠忠，程俊峰，唐祥虎，等.多壁碳纳米管嵌入13X/MgCl2复合吸附剂的性能实验[J].化工学报，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.