一种吸附式空气取水装置的性能实验

基于大气中水的吸附与解吸循环,设计出吸附式空气取水装置,并对其进行了实验研究。该装置主要由太阳能集热器、吸附床和冷凝器等组成。晚上吸附剂吸附空气中的水,白天由太阳能提供热量进行解吸。实验制备了硅胶(SC)-CaCl_2、SC-LiCl、活性炭纤维毡(ACF)-CaCl_2、ACF-LiCl 4种新型复合吸附剂,并对其进行了实验测试。结果表明:由ACF制备的复合吸附剂性能比由SC制备的复合吸附剂性能要好;ACF-LiCl的吸附与解吸性能最好,在吸附床出口温度为90℃时,解吸6h的产水率是0.412kg水·(kg吸附剂)~(-1)。     

石墨烯-13X/LiCl复合吸附剂开式吸附-解吸性能

利用不同质量分数的石墨烯（MLG）与13X/LiCl合成新型复合吸附剂。通过扫描电镜（SEM）和N₂吸附表征复合吸附剂的微观形貌和孔隙特性,测试了复合吸附剂开式环境下的水蒸气吸附及解吸性能,并探究复合吸附剂中石墨烯质量分数对吸附解吸性能的影响。通过80%相对湿度（RH）的高湿工况进一步筛选出盐的质量分数为18.4%的13X/LiCl为最佳盐含量的吸附剂（MZ）作为合成复合吸附剂的基质。实验结果表明：石墨烯增加了复合吸附剂的结构性参数（比表面积,孔体积及孔径）,其中比表面积由未添加石墨烯的MZ [(262±3)g/m²],最大可提升至12G-MZ [(304±4)g/m²];复合吸附剂表现出优异的水蒸气吸附性能,所有复合吸附剂的相对吸附量均高于MZ（0.554g/g）,3G-MZ吸附性能最佳,水蒸气吸附量高达0.587g/g,是13X的2.7倍;除12G-MZ外,随着吸附剂中石墨烯质量分数的增加,水蒸气解吸率随之增加,其中9G-MZ的解吸率接近90%,较MZ（81.8%）提升了9.7%。该研究可为复合吸附剂应用于吸附空气取水提供基础研究数据。     

空气中取水用的新型复合吸附剂的吸附和解吸性能

介绍了一种便携式吸附空气取水器 ,以及为了改进现有吸附剂的取水性能研制的一种由粗孔球形硅胶和氯化钙组成的新型复合吸附剂SiO2 ·xH2 O·yCaCl2 ,对氯化钙质量分数分别为 34.9%和 4 3.3%的复合吸附剂样品A ,B。在 2 5℃相对湿度 5 0 %空气中 ,对两个样品和常用吸附剂进行了吸附对比实验 ,结果表明 :复合吸附剂B的平衡吸附量xe 可达 0 .4 5 15kg kg ,是粗孔球形硅胶的 4 .9倍、细孔球形硅胶的 2 .0倍、分子筛 13X的2 2倍。吸附曲线和 80℃下的解吸曲线表明复合吸附剂具有更高的吸水量、更快的吸附和解吸速度 ,可用太阳能加热解吸 ,是一种理想的取水用吸附剂。     

氯化锰/氨热化学吸附储热的特性

热化学吸附储热具有储热损失小、储热密度高、可实现冷热复合储存等优点，近年来得到了广泛的关注。本文以MnCl₂/NH₃作为吸附储热工质对，基于热化学吸附技术构建了热化学吸附储热实验平台，对MnCl₂/NH₃热化学吸附系统的储热性能进行了理论分析和实验研究。结果表明：在解吸充热温度、吸附放热温度、冷凝/蒸发温度分别为162℃、45℃和25℃的运行条件下，试验获得的吸附储热密度最大，其值为1296.36kJ/kg MnCl₂或1101.90kJ/kg固化复合吸附剂。当放热温度从45℃增大到85℃时，热化学吸附储热系统的吸附储热效率从38.98%降低至24.08%。由于传热传质、化学反应动力学等因素的影响，相同运行工况下吸附储热系统实际所获得的储热性能要低于理论值。     

复合吸附剂MWCNT/MgCl2的水蒸气吸附性能

通过研磨将多壁碳纳米管分别与质量分数为30%、40%和50%的无水氯化镁复合,制备了3种不同配比的复合吸附剂MWCNT/MgCl₂。采用数字化扫描电子显微镜（SEM）观察复合吸附剂表面材质的结构样貌,通过Hot Disk热常数分析仪测得复合吸附剂的热导率,使用恒温恒湿箱选取具有代表性的温湿度,测试复合吸附剂在不同工况下的水蒸气吸附性能,并采用准二级动力学模型对25℃、50% RH工况下的实验数据进行拟合,应用Autosorb-IQ全自动气体分析仪测试了三种样品在25℃下的等温吸湿曲线。实验结果表明,相同温湿度工况下,随着氯化镁含量增加,复合吸附剂的吸附量提高,25℃、50% RH下氯化镁含量为30%、40%和50%的复合吸附剂M1、M2和M3的吸附量分别为0.62、0.79和0.94 g/g;恒定湿度为50% RH,温度变化为15~35℃时,复合吸附剂吸附量受温度和饱和水蒸气分压力的双重影响,表现为先增加后减小;温度固定为25℃,相对湿度从50% RH增加到80% RH时,复合吸附剂吸附量均大大提升;复合吸附剂在35℃、25% RH中高温、低湿条件下仍表现出较好的吸附能力;在相对压力P/P₀为0.3时,M1、M2和M3的吸附量分别为0.24、0.25和0.30 g/g,随着吸附压力的增加,复合吸附剂的吸附量也不断提升,最大吸附量分别达到3.54、3.75和4.42 g/g。复合吸附剂MWCNT/MgCl₂的制备研究,为吸附剂的性能研究提供了基础,对太阳能吸附式空气取水的研究具有潜在意义。     

改性MXene材料对亚甲基蓝废水的吸附性能研究

以柠檬酸钠二水合物(Sodium citrate，简写SC)为改性剂，通过与Ti2CTx液体充分搅拌复合制备了混合胶体溶液(SC-Ti2CTx)型吸附剂，用于处理阳离子染料亚甲基蓝(methylene blue，简称MB)废水。考察了SC的添加量、吸附时间和吸附剂用量等因素对吸附剂性能的影响，并通过动力学和吸附等温线对吸附过程进行了探索。研究结果表明：SC-Ti₂CT_x对于MB具有优异的吸附性能，在温度297 K、MB废水初始浓度为200 mg/L时，SC-Ti₂CT_x对MB吸附量可达到578.5 mg/g，其吸附过程符合准二级动力学模型，且吸附速度极快，30 s内即可达到吸附平衡。吸附过程能够用Langmuir等温模型进行拟合。吸附性能的提升与SC的抗氧化性能密切相关。     

多壁碳纳米管嵌入13X/MgCl2复合吸附剂的性能实验

配制了将不同含量的多壁碳纳米管（MWCNT）加入复合吸附剂13X/MgCl₂中制成的新型复合吸附剂,并对其吸附、脱附和导热性能进行了测试。实验结果表明：新型复合吸附剂在闭式200℃脱附完成后,新型复合吸附剂的吸附残余量随着MWCNT含量的升高而减小,13X的吸附残余量是MWCNT含量最高的13X/MgCl₂/MWCNT（CNT-5）复合吸附剂的吸附残余量的2倍,虽然MWCNT的加入不会对13X/MgCl₂复合吸附剂在室温下的吸附性能有影响,CNT-5在开式、闭式的平衡吸附量可以达到0.52 g·g^-1和0.38 g·g^-1,分别是13X吸附量（0.24 g·g^-1）的2.2和1.6倍,但新型复合吸附剂可以脱附更多的水蒸气。新型复合吸附剂的热导率随着MWCNT含量的增大而升高,CNT-5的热导率可以达到0.265 W·m^-1·K^-1,是13X热导率的4.9倍。     

规整复合吸附剂真空变压吸附分离CH4/N2工艺模拟与分析

为减少甲烷排放,实现低浓度煤层气有效资源化利用,探究了使用规整复合吸附剂真空变压吸附富集低浓度煤层气的工艺。采用静态容积法测定了甲烷、氮气在规整复合吸附剂上的吸附等温线,同时建立了包括质量、热量和动量守恒在内的严格吸附床数学模型,设计了三塔连续进料的真空变压吸附工艺并进行模拟。分析了工艺达到循环稳态后吸附床层轴向温度分布和压力变化,并且探究了进料量、解吸压力、原料气中甲烷浓度和吸附压力对纯度、回收率、工艺能耗和吸附剂产率等工艺性能的影响。模拟结果表明,在进料量为100 L·min^-1,解吸压力为0.1 bar（1 bar=0.1 MPa）,原料气甲烷浓度为30%,吸附压力为3 bar时可以生产纯度为59.07%,回收率为93.64%的富CH₄产品气,同时单位能耗为18.70 kJ·mol^-1,吸附剂产率为4.56 mol·h^-1·kg^-1。表明规整吸附剂对CH₄/N₂具有良好的吸附分离效果,能够实现低浓度煤层气中甲烷高效富集。     

Al2O3/ACF复合电极材料的制备及性能表征

以H₃PO₄预处理后的活性炭纤维(ACF)毡为原料,采用浸渍煅烧法制备Al₂O₃/ACF复合电极材料;通过扫描电镜(SEM)、比表面积及孔径分析仪(BET)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶红外光谱分析仪(FTIR)对负载Al₂O₃前后活性炭纤维的微观结构与电化学性能进行表征,利用自制的电吸附装置对NaCl模拟废水进行电吸附性能测试。结果表明,采用浸渍煅烧法成功制备了Al₂O₃/ACF复合电极材料,Al₂O₃/ACF复合体表面及孔道中有絮状或颗粒状的Al₂O₃存在,比表面积从1244.37 m²·g^-1降为974.59 m²·g^-1;同时,Al元素含量为1.06%,Al₂O₃以无晶相无定形态存在于纤维表面;Al₂O₃/ACF表面形成一些Al O键的官能团,其比电容比ACF提高76.5%。负载Al₂O₃后的ACF电极材料电吸附性能增强,除盐效率较ACF原样电极提升了2.3倍,且电极具有可再生性。Al₂O₃/ACF复合材料可以作为电极材料用于去除废水中的无机盐离子。     

氧化铈-二氧化硅介孔材料制备及对铜离子的吸附性能

采用共沉淀法和沉淀浸渍法制备了纳米氧化铈-二氧化硅（CeO₂-SiO₂）介孔材料吸附剂,主要考察了其对水中铜离子（Cu²⁺）的吸附行为。通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和氮吸附（BET）等手段对合成的介孔材料进行了性能表征,并通过静态吸附实验分析了溶液pH、溶液初始金属离子质量浓度、吸附剂用量、吸附时间等条件对介孔材料吸附Cu²⁺性能的影响。结果表明：共沉淀法制备的纳米CeO₂-SiO₂介孔材料对Cu²⁺的去除效果较沉淀浸渍法要好;当溶液pH=7.0时CeO₂-SiO₂介孔材料对Cu²⁺的吸附效果最好,20 min时基本达到吸附平衡;溶液初始Cu²⁺浓度增大Cu²⁺去除率降低,Cu²⁺累计吸附量增大;随着吸附剂用量增加Cu²⁺去除率增大,当CeO₂-SiO₂吸附剂用量为0.15 g/L时对Cu²⁺的去除率趋于稳定;CeO₂-SiO₂吸附剂对不同金属离子吸附性能由大到小的顺序为Cu²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺,该吸附过程均符合准二级动力学模型。     

基于活性碳纤维毡复合吸附剂的储热性能

研制了一种以活性碳纤维毡为基质、氯化锂（LiCl）为吸湿盐的复合吸附剂,并辅以硅溶胶进行固化成型。该复合吸附剂可用于以水为吸附质的热化学吸附储热系统,并对其微观结构、吸附性能和储热性能进行了表征研究。制备了不同含盐量的复合吸附剂样品,并根据样品的溶液泄漏现象,确定ACFLi30为最佳样品。通过试验测量,获得ACFLi30样品的热导率、孔比表面积、孔体积和孔径等参数。并对多种温湿度工况下的平衡和动态吸附性能进行测试,研究了不同温湿度条件下样品的吸附特性。结果表明样品的吸水量可达1.1 g/g（20℃、75% RH）。利用同步热分析仪测试了复合吸附剂的储热密度,ACFLi30的质量和体积储热密度分别达到1.08 kW·h/kg和588.2 kW·h/m³。与膨胀蛭石和活性氧化铝等基质相比,活性碳纤维毡基质在体积储热密度更具优势。     

多盐复合吸附剂的非平衡吸附/解吸特性

以膨胀硫化石墨为基质,制备了新型氯化铵/氯化钙/氯化锰/膨胀硫化石墨复合吸附剂,并测试了其在非平衡条件下的吸附/解吸特性。在与3种单盐各自的Clapeyron反应平衡曲线的比较中发现,该多盐复合吸附剂同时具备这3种单盐的特性,却存在一定的差异。在非平衡条件下的吸附/解吸特性曲线测试过程中发现,该多盐复合吸附剂具备这3种金属氯化物各自的一些性质,却不存在金属氯化物-氨络合过程中普遍存在的吸附滞后现象。在实验的基础上计算和比较了使用不同吸附剂的单级间歇式吸附制冷循环的COP和SCP。结果证明多盐复合吸附剂的性能优于单盐吸附剂。     

蛭石/氯化钙复合吸附剂的吸附特性和储热性能

为了储存120℃以下的热能,提出了以水为介质的热化学吸附储热方法。配制了一种以膨胀蛭石为多孔基质、氯化钙为反应盐的新型复合吸附剂,并对其进行了微观形貌表征、吸附性能测试、同步热分析测试和储热密度的理论计算。扫描电子显微镜（SEM）观测显示膨胀蛭石特有的片层状的大孔结构产生了相对巨大的孔体积;利用恒温恒湿箱实验排除有溶液泄漏问题的含盐量;通过恒温恒湿箱对30℃、3种相对湿度下的动态吸附过程进行测试,分析了含盐量和相对湿度对吸附特性的影响,证实了该复合吸附剂具有3个不同的吸水阶段,包括物理吸附、化学吸附和溶液的气-液吸收过程;利用同步热分析测试（STA）和数值计算进一步对上述3个吸附过程的吸水量、吸附热和反应温度进行分析。最终优选出含盐量47.9%（质量分数）的复合吸附剂,其吸水量高达1.24 g·g^-1,质量和体积储热密度分别高达1.25 kW·h·kg^-1和213.56 kW·h·m^-3。     

Operating limits and features of direct air capture on K2CO3/ZrO2 composite sorbent

Potassium carbonate-based sorbents are prospective materials for direct air capture (DAC). In the present study, we examined and revealed the influence of the temperature swing adsorption (TSA) cycle conditions on the CO₂ sorption properties of a novel aerogel-based K₂CO₃/ZrO₂ sorbent in a DAC process. It was shown that the humidity and temperature drastically affect the sorption dynamic and sorption capacity of the sorbent. When a temperature at the sorption stage was 29 ℃ and a water vapor pressure in the feed air was 5.2 mbar (1 bar = 10⁵ Pa), the composite material demonstrated a stable CO₂ sorption capacity of 3.4% (mass). An increase in sorption temperature leads to a continuous decrease in the CO₂ absorption capacity reaching a value of 0.7% (mass) at T = 80 ℃. The material showed the retention of a stable CO₂ sorption capacity for many cycles at each temperature in the range. Increasing P_H2O in the inlet air from 5.2 to 6.8 mbar leads to instability of CO₂ sorption capacity which decreases in the course of 3 consecutive TSA cycles from 1.7% to 0.8% (mass) at T = 29 ℃. A further increase in air humidity only facilitates the deterioration of the CO₂ sorption capacity of the material. A possible explanation for this phenomenon could be the filling of the porous system of the sorbent with solid reaction products and an aqueous solution of potassium salts, which leads to a significant slowdown in the CO₂ diffusion in the composite sorbent grain. To investigate the regeneration step of the TSA cycle in situ, the macro ATR-FTIR (attenuated total reflection Fourier-transform infrared) spectroscopic imaging was applied for the first time. It was shown that the migration of carbonate-containing species over the surface of sorbent occurs during the thermal regeneration stage of the TSA cycle. The movement of the active component in the porous matrix of the sorbent can affect the sorption characteristics of the composite material. The revealed features make it possible to formulate the requirements and limitations that need to be taken into account for the practical implementation of the DAC process using the K₂CO₃/ZrO₂ composite sorbent.     

热化学复合吸附储热循环的理论及实验

对一种基于固-气可逆化学反应的热化学复合吸附储热循环的储热特性以及能量品位提升性能进行了理论分析,并以MnCl₂/SrCl₂/NH₃作为工质对进行了实验研究。理论分析表明,热化学复合吸附储热循环不仅可以降低外界驱动热源的温度并保证输出热能温度稳定,而且能大幅度地提升输出热能的温度品位。在MnCl₂和SrCl₂都参与放热的实验工况下,获得的储热效率为93.31%。MnCl₂复合吸附剂的总储热密度按单位质量反应盐MnCl₂和单位质量的固化吸附剂计量分别为4393.36和3734.36 kJ·kg^-1;SrCl₂复合吸附剂的总储热密度按单位质量反应盐SrCl₂和单位质量的固化吸附剂计量分别为1947.28和1655.19 kJ·kg^-1。结果表明,热化学储热是一种相当有潜力的储热方式,可为低品位热能的高效回收利用提供强有力的技术支持。     

氨基修饰复合型钠基吸收剂的脱碳特性

为弥补常规钠基吸收剂活性差、脱碳量低的不足,制备了多种表面氨基修饰的新型复合型钠基吸收剂并研究其脱碳特性。通过比较氨基流失率和实际脱碳量,选定二氧化硅的前驱物正硅酸乙酯为载体前驱物,以碳酸钠为活性成分,分别以3-氨基丙基三甲氧基硅烷(APS)、3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)、二乙烯三胺(DETA)、三乙烯四胺(TETA)为氨基前驱物,制备得到多种表面氨基修饰的复合型钠基吸收剂。探究各种吸收剂的孔隙结构与脱碳特性,结果表明,APS、APTES修饰后吸收剂孔隙特性较差,脱碳量较低,DETA、TETA修饰后吸收剂孔隙结构得到改善,脱碳量较高。     

活性氧化铝基质新型复合吸附剂的制备和储热性能

研制了一种以活性氧化铝为基质、CaCl₂为吸湿盐的新型复合吸附剂,可用于以水为吸附质的热化学吸附储热系统,并对其内部结构、吸附性能和储热性能进行了研究。利用恒温恒湿箱确定出现溶液泄漏现象的最大含盐量,并对30℃和多种相对湿度工况下的动态和平衡吸附特性进行测量,研究了含盐量和相对湿度对吸附剂的吸附特性的影响,结果表明含盐量和相对湿度越大,复合吸附剂的吸水能力越强。利用全自动比表面积与孔隙度分析仪测量材料的比表面积和孔体积,利用同步热分析仪测试了复合吸附剂的储热密度,其中含盐量最高的复合吸附剂的储热密度最高,质量和体积储热密度分别达到0.51 kW·h/kg和610.2 kW·h/m³,具有良好的储热性能。     

Effect of capillary condensation on water sorption by composite calcium chloride in a porous matrix sorbents

To develop a model of water sorption from air by composite salt in a porous matrix sorbents, the effect of capillary condensation was studied [1]. It was shown that, at high humidity of incoming air, it is necessary to take into account the capillary condensation of water in small pores of the matrix because the capillary condensation significantly affects the concentration and temperature profiles in the sorbent bed and leads to intense moisture accumulation at the bed inlet. The model was used to study the kinetics of water vapor sorption in a flow adsorber with a fixed bed of calcium chloride in porous aluminum oxide and calcium chloride in a porous carbon-carbon composite Sibunit sorbents.     

掺杂Ce、Zr对CO2钙基吸附剂循环特性的影响

利用湿法混合-煅烧法将元素Ce、Zr掺杂到CO₂钙基吸附剂中,利用热重分析仪(TGA)研究了24种改性钙基吸附剂吸附CO₂的循环特性。研究发现:CeO₂散布在CaO晶粒之间可抑制晶粒融合,对吸附剂烧结有一定的阻碍作用;CeO₂可明显提高吸附剂在扩散控制阶段对CO₂的吸附速率,原因在于CeO₂中丰富的氧空位可促进CO₂以离子迁移的方式穿过表面产物层到达内部与CaO反应;吸附剂中CeO₂含量越高,稳定性越强;ZrO₂与CaO高温化合成具有高塔曼温度的CaZrO₃,均匀分散在CaO晶粒间,构成稳固的支撑骨架,有效抑制了吸附剂烧结。     

温度和氧含量对NH4Br改性稻壳焦汞氧化吸附特性的影响

采用10 g·L^-1 NH₄Br溶液对原始稻壳焦进行浸渍改性制备了脱汞吸附剂。利用比表面积及孔隙度分析仪、扫描电子显微镜/X射线能谱分析仪对改性前后稻壳焦吸附剂物理化学性质进行表征。在固定床汞吸附实验台上对吸附剂床层出口元素汞(Hg⁰)和二价汞(Hg²⁺)进行同步检测,研究了不同温度下N₂气氛和N₂+6.4 %(体积)O₂气氛中改性稻壳焦的汞氧化吸附特性。50℃下N₂气氛、N₂+6.4%(体积)O₂气氛以及150℃下N₂气氛中固定床出口均未明显检测到Hg²⁺,50℃和150℃时脱汞率均可达90%。温度为150℃时,在N₂+6.4%(体积)O₂气氛中吸附剂的总汞(Hg^T)脱除效率为98.2%,其中82.2%的Hg⁰被吸附脱除,其余则被O₂非均相氧化为Hg²⁺而氧化脱除。通过对程序升温管式炉出口Hg^T进行检测研究了吸附剂表面吸附态汞的脱附特性。汞脱附峰值温度300℃表明吸附态汞可能以Hg-Br化合物的形式赋存于改性稻壳焦表面,220~350℃的脱附温度说明吸附态汞有较高的热稳定性。100.14%~118.62%的汞平衡率验证了实验结果的准确性。