碳化木的水热制备及其光热水蒸发性能强化

作     者：李艳 彭贤汉 洪文鹏 兰景瑞 李浩然 Li Yan;Peng Xianhan;Hong Wenpeng;Lan Jingrui;Li Haoran

作者机构：东北电力大学能源与动力工程学院吉林132012 

出 版 物：《农业工程学报》 (Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering)

年 卷 期：2022年第38卷第18期

页      面：222-228页

核心收录：

学科分类：080701[工学-工程热物理] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

基　　金：国家自然科学基金项目(52106195) 

主　　题：太阳能 生物质 碳化木 水热法 水蒸发 水处理 蒸发速率 

摘      要：针对目前太阳能驱动界面水蒸发技术材料成本高、制备过程复杂、蒸发速率较低等问题,该研究基于农林樟子松自然进化的多孔结构,采用操作简单的一步热水法制备了亲水性强、蒸发速率接近理论极限的多孔光热材料。基于光热材料的碳化程度与供水高度调节,结合太阳能驱动界面水蒸发试验,考查了不同碳化温度、碳化时间和光热材料高度对界面光热水蒸发特性的影响规律。基于微观结构、元素分布、毛细水输运与传热规律分析,重点阐述了碳化木强化界面水蒸发的潜在机理。结果表明,温和的碳化过程保留了原木的原始孔隙结构,但木纤维被大量碳微球覆盖,形成了更加粗糙的表面,增强原木对入射光的吸收能力,使蒸发表面的温度提升了2.3℃。碳化反应去除了原木的部分疏水性木质素和半纤维素,增加了亲水基团-OH的比例,因此芯吸时间为120 s时,水在碳化木中的爬升高度由4.2 mm增加至22.3 mm。碳化木的稳态蒸发速率相比水和原木分别提高了130%和28%。碳化温度和时间分别为200℃和8 h的碳化木获得了最大蒸发速率1.24 kg/(m^(2)·h)。光热材料侧壁高度的增加降低了顶部蒸发面的供水速率和平均温度,因蒸发器热阻和热损失的减少而提升了蒸发速率。当侧壁高度为15 mm时,蒸发效率为66.2%,其等效蒸发速率为1.48 kg/(m^(2)·h),与理论极限接近。该研究为农林废弃物资源化利用和太阳能驱动界面水蒸发过程热湿平衡调控理论的发展提供了重要参考。