ACF-CaCl2和硅胶-CaCl2复合吸附剂对水蒸气的吸附性外文翻译资料

 2022-08-07 15:07:48

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ACF-CaCl2和硅胶-CaCl2复合吸附剂对水蒸气的吸附性

摘要

开发了一种新型的CaCl2主体基质复合吸附剂，以增加传热面积并增强湿热条件下空气-水系统的吸附性能。主体基质是由粘胶纤维制成的活性炭纤维毡（ACF FELT）。采用扫描电子显微镜（SEM）和Micromeritics ASAP2020观察基体的微观特性。电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）用于测试氯化钙在合成中的浸渍和水结晶的质量。研究了制备工艺，孔结构，氯化钙和浸渍盐的结晶水量以及非平衡吸附性能，并与SC基复合吸附剂进行了比较。研究表明，ACF更适合作为复合吸附剂的基质，ACF30的吸水性能最佳，为1.7 g / g，是硅胶-CaCl2的三倍。此外，ACF化合物可以重新测试而不会破裂或残留。使用线性驱动力模型获得吸水率。

关键字：活性炭纤维硅胶，复合吸附剂基质结构吸，附性能。

一、简介

淡水对人类和动物至关重要，而岛屿和干旱地区的缺水威胁着生物的生存，并限制了人类现有的活动[1]。作为从环境中提取淡水的经典方法，使用传统能耗模式进行的脱盐已经得到了广泛的研究[2]。然而，大多数现有设备的特征在于高功耗和生产成本[3,4]。因此，海水淡化仅限于海滨和近海环境。相比之下，采用选择性吸水剂（SWS）从大气中提取淡水的空对水设施在大多数地区得到了更广泛的应用。而且它可以由可持续能源驱动，例如太阳能和废热，从而减少了能源消耗。

SWS的选择对于空水吸附系统至关重要。理想的材料应具有出色的吸附性能，并具有将被吸附的水储存直至加热至解吸的能力。Aristov等,研究了SWS的吸附平衡，并设计了一个系统来证明太阳能驱动淡水生产的可行性[5]。但是，该系统只是作为一个原型提出的，吸附剂的吸水性能不能令人满意。可以使用许多新型的多孔介质作为SWS来改善空气-水系统的性能，包括纳米多孔无机材料和聚合物[6,7]，例如磷酸铝[8]，沸石[9]，金属铝磷酸盐，气凝胶[10]，金属有机框架（MOF）[11]。但是，大多数新材料过于昂贵，无法推广或应用于该系统。复合吸附剂作为SWSs的重要组成部分，因其经济，实用和稳定的特性而备受关注。复合吸附剂通常由两部分组成：化学活性盐和基质。盐在吸水中起主要作用，基质通常为无机盐提供容器。因此，由于通道毛细管力，水蒸气被无机盐充分吸收。硅胶[12,13],有序介孔硅酸盐[14–17] 和活性炭[6]是广泛使用的宿主材料。Aristov等，率先采用浸渍吸湿盐的方法（CaCl2,LiBr，LiNO3等）制造和开发复合吸附剂[18,19]进入宿主基质（硅胶，氧化铝，MCM-41）的孔腔[20,21]。CaCl2成本低，无毒，吸水性能好，被广泛应用于复合吸附材料中。Liu和Wang研究了硅胶基质的孔结构和不同比例的CaCl2溶液对复合吸附剂吸附性能的影响[22]。Daou等。提出了在不同温度和湿度下，不同比例的CaCl2和硅胶对化合物吸附剂的一系列平衡吸附等温线[23]。然而，具有硅胶基质或有序中孔硅酸盐基质的复合吸附剂具有致命的溶胞缺陷[22]或结转[24]，破裂和每单位质量的低吸附容量。Yu等。解释了孔体积的限制是留的真正原因，解决这个问题的有效方法是降低溶液的浓度[24]，这将不可避免地导致吸附性能下降。采用活性炭毡（ACF）作为复合吸附剂的主体基质似乎是替代硅胶的一种有前途的方法。迄今为止，ACF由于其巨大的表面积（1380 m2/ g），出色的机械性能（内部不易断裂，强度高且易于定制）而被广泛用于污水处理和溶剂回收。快速颗粒内吸附动力学[25]。Thanh等，研究了ACF吸附原理对孔径分布（PSD）和孔壁结构的影响[26]。尽管ACF是活性盐的理想基质，但由于其吸附强度不理想，因此不适合用作纯吸附剂。如今，以ACF为基质的复合吸附剂主要用于氨制冷剂[27]。Dellero等。将碳纤维与MnCl2（ICF）进行比较，将石墨纤维与MnCl2（GFIC）进行插层，以制备复合吸附剂 ，采用ICF 易于制备，与GFIC的结果相似[27]。Vasilieved等，制备的复合吸附剂，其方法是将金属氯化物水溶液浸渍到ACF中作为基质[28,29]。

在这项研究中，选择CaCl2作为水蒸气吸附剂[30]，同时选择了ACF和硅胶作为空对水吸附系统的吸水基质。

二、复合吸附剂的开发

复合吸附剂采用厚度为1 mm的ACF和粒径为2-4 mm的硅胶。首先，将ACF毛毡切成6 cmtimes;6 cm的块，然后在120°C的烤箱中干燥4小时，以使水和其他杂质充分从孔中逸出。然后将ACF毛毡密封并冷却至室温。将四片ACF毡分别在20°C的温度下分别以10％，20％，30％，40％的质量浓度浸渍在CaCl2水溶液中8小时，分别缩写为ACF10，ACF20 ，ACF30，ACF40。示意图显示在图。将2mm的样品浸入溶液中。由于ACF毡的极强的毛细作用力，液体从样品的底部到顶部被吸收，有效浸渍长度为6 cm。根据纤维编织的方式，ACF材料是各向异性的。为了研究纤维方向对浸渍的影响，开发了两种浸渍在30wt％溶液中的ACF毡。ACF的一个光纤方向垂直于解决方案级别（ACFV），另一方向平行于解决方案杠杆（ACFP）。为了减少实验误差，测试了三组样品。

同时，还将平均孔径为8-10 nm的名为C型硅胶在烘箱中于120°C的温度下干燥4小时。然后将其密封并冷却至室温。之后，将硅胶在室温下浸入质量浓度分别为10％，20％，30％和40％的氯化钙水溶液中48小时，缩写为SC10，SC20，SC30，SC40（图2)。使用与真空泵连接的真空吸滤瓶来分离样品和液体，并除去间隙和二氧化硅颗粒表面上的溶液。最后，将复合材料样品再次在120°C的烤箱中干燥，直到观察不到重量减少为止。CaCl2在复合吸附剂中的实际比例

图1 以ACF为基质的复合吸附剂的开发程序。（a）将ACF在烘箱中干燥，（b）浸渍，（c）将ACF在浸渍后在烘箱中干燥。

图2 以硅胶为基质的复合吸附剂的开发程序。（a）SC在烤箱中干燥，（b）浸渍，（c）放置48小时。（d）将SC浸渍后在烤箱中干燥。

显示在表格1用于称量基质和复合吸附剂的电子秤的精度为0.001 g。

三、实验结果

3.1 浸渍前后吸附剂的特征

3.1.1 以ACF为基质的吸附剂

实际上，在浸渍之前，ACF毛毡材料是柔软而有弹性的。浸渍盐和干燥过程后变硬。图3显示了ACF，ACFV和ACFP的外观。图3a呈现黑色和柔软的纯ACF的纹理特征。在CaCl2溶液（即ACFP和ACFV）中浸渍后，由于盐浸入纤维间隙，干燥的样品部分变为白色且内部变硬。但是，ACFP和ACFV彼此不同。（1）盐度大约与纤维的方向一致。在图3b，白色盐是垂直分布的，而在图3c，盐呈现地平线分布。（2）盐随着高度的增加而减少。ACFV和ACFP都在顶部为黑色，在底部为白色。这是由于纤维的毛细作用力和溶液重力共同作用的结果，除了将样品的2 mm底部浸入溶液中。

为了消除个体差异，设置了三组来研究纤维方向对盐浸渍的影响。如图4如图所示，设置了三组样品以研究纤维方向对盐浸渍的影响，并通过以下方法确定盐的比例：

CaCl2比例的准确度是根据以下公式计算的：

以ACF10为例，CaCl2比例的误差为0。012，而电子秤的精度为0。001。

三个样品的盐增加率接近（在0。86附近），ACFP30的比率略高于ACFV30。

图3 （a）浸渍前和浸渍后的ACF，（b）ACFV，（c）ACFP。

图4 纤维取向对浸渍的影响。

因此，在以下内容中，如果未特别提及，则选择ACFP。

采用扫描电子显微镜（SEM）观察样品的微观形貌。对于ACF毛毯，可以在图5a大量的原纤维会在宏观水平上产生少量不连续的纹理凹槽和楔形轴向裂纹。一种纤维由一系列不规则形状和不同尺寸的纵向长丝纤维组成。图5b，凹凸不平的表面非常适合盐类粘附。ACF毡的微观结构增加了表面积，增强了材料的毛细作用力，并确保它成为传导和保持水的良好载体。

如图所示，在30％的氯化钙水溶液（ACFV30）中浸渍后，纤维表面均匀覆盖有氯化钙作为固体吸附剂，用于吸收空气中的水蒸气。图5c和d并且，由纤维形成的空间可以容纳大量的液体。固体氯化钙将水吸收到浓溶液中，浓溶液也具有很强的水吸附能力。附着在由大量原纤维组成的基质上的氯化钙以及ACF毛毯的强大毛细作用力确保不会有大量液体流出。

3.1.2 以硅胶为基质的吸附剂

图6结果表明，与原始硅胶相比，硅胶样品在不同浓度的CaCl2水溶液中浸渍。当氯化钙水溶液的浓度从9％增加到30％时，干燥样品的颜色从半透明变为白色。选择这些浓度而不是10％–40％，以尽可能减少在高湿度下8小时的残留。较白色的硅胶表明其中有更多的氯化钙浸渍。

另外，以C型硅胶为基质的复合样品的微观结构如图1所示。图 7。硅胶颗粒为球形，其表面覆盖有白色盐和浅坑（图7a)。同时，可以清楚地区分表面的无机盐。不幸的是，在30,000放大倍率的条件下，无法区分平均直径为8–10 nm的孔图7b。SEM主要是利用超细高能电子束扫描样品，并激发有关它的各种物理信息。然后，利用设备获得样品的表面形态，该设备接受，放大并显示该信息。由于硅胶的导电性差，因此无法获得更高的放大倍率。在材料浸渍和一系列吸附/解吸循环过程中，四个样品中的硅胶球结构均被破坏，这会增加模拟误差并不确定性，因为模拟是基于球形二氧化硅传感器。同时，碎片更容易从筛网中掉落，不可避免地导致硅胶质量下降，从而阻碍了质量。传输性能。另一方面，会发生残留问题，并且一旦盐溶液从基质中溢出，盐的质量下降将导致吸附剂的吸附能力下降。

图5 浸渍前后ACF的SEM照片；（a）ACF的1500倍，（b）ACF的3000倍，（c）ACF-CaCl2的1500倍，（d）ACF-CaCl2的12,000倍。

图6 浸渍在不同浓度的CaCl2水溶液中的硅胶样品：来源，9％，16％，23％，30％。

图7 浸渍后C型硅胶的SEM照片；（a）SC-CaCl2的82倍放大率，（b）SC-CaCl2的30,000倍放大率。

图8 不同程度的残留；（a）80分钟，（b）130分钟，（c）210分钟。

另一个严重的问题是硅胶组合物在高湿度和高温下的残留。当盐溶液的浓度太高并且有限的孔体积无法容纳复合材料吸附的所有水时，会发生这种情况。实际上，残留现象取决于浓度或孔体积以及操作条件和实验持续时间。图8显示了在30°C和相对湿度70％

的条件下，不同测试时间下SC30残留程度不同的现象。在

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