通过原位合成的碳片增强复合熔盐的热性能,用于热能存储

时间:2026年2月4日
来源:Journal of Energy Storage

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废盐经熔盐热解制备复合储能材料,碳片层含量1.5wt%时比热容达1.15J/(g·K),比纯熔盐提升18.4%;碳片层2.0wt%时热导率0.42W/(m·K),提升10.5%。分子动力学模拟显示系统势能增加是热性能提升的主因,材料兼具优异热稳定性和低成本优势。

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夏波·西|梁飞|丁静|王伟龙|刘书雷|李杜忠|卢建峰
中山大学材料科学与工程学院,广州,510275,中国

摘要

氯化物熔盐因其经济性和在宽温度范围内的有效运行能力,被广泛认为是聚光太阳能发电系统中具有前景的传热流体。在这项工作中,利用废盐高效制备了含有熔盐和碳片的复合储能材料,并通过分子动力学模拟研究了其热性能的提升机制。通过熔盐热解,碳片在废盐中的有机污染物分解过程中原位合成,根据热解动力学方程,合适的加热速率为10°C/分钟。含有1.5 wt%碳片的复合熔盐显示出最高的比热容为1.15 J/(g·K),比纯熔盐高18.4%。随着碳片含量的增加,复合熔盐在2.0 wt%时表现出0.42 W/(m·K)的高导热性,提高了10.5%。分子动力学研究结果表明,模拟的热性能与实验数据吻合良好,比热容和导热性的提升归因于系统势能的增加。此外,这种复合熔盐即使在长时间使用后也表现出优异的热稳定性,使其成为一种成本效益高且性能优异的储能材料。

引言

工业废盐(IWS)来源于多种工业过程,如化学制造、金属加工和药品生产[[1], [2], [3]]。这些废盐通常含有复杂的成分,包括多种无机盐(如氯化物)以及大量的有机污染物[[4], [5], [6]]。它们具有高毒性、难以处理和环境污染的危害[7,8]。目前,处理IWS的常见方法是有填埋和海洋倾倒[9]。为了去除有机污染物,可以使用非热处理和热处理技术。废盐的非热处理主要包括高级氧化[10]、膜分离[11]、重结晶[6]。近年来,在工业废盐的热处理领域取得了显著进展。已经开发并优化了高温旋转窑焚烧和流化床热解等先进的热处理技术[12]。冯等人[13]通过实验研究发现,热处理方法可以有效去除废盐中的有机污染物。赵等人[14]通过热处理方法进行了多项实验研究,发现IWS中的半挥发性有机污染物被显著去除。Flatabø等人[15]通过连续热解从废料中生成了碳材料,并研究了其在简化空气污染控制方面的潜力。与溶剂萃取相比,热解技术可以显著提高有机污染物的去除率,生命周期评估(LCA)方法表明热解对环境的整体风险较小[16]。
在工业废盐处理中,深度去除高含量的有机污染物是回收废盐和副产品盐的主要挑战之一[[17], [18], [19]]。由于有机污染物在高温下容易分解和碳化[20,21],新的多阶段热处理设计提高了传热效率和停留时间控制,从而显著提高了盐的纯化和有价值成分的回收效率。王等人[22]提出了使用乙醇溶剂洗涤和加热处理方法来深度去除实际农药废盐中的有机污染物,去除效率高达99.8%,有效避免了有害气体的环境污染问题。董等人[23]通过TG实验和数值模型研究了有机污染物的热解性能,发现通过提高加热速率和壁温可以加速热解速率。通过将太阳能热解反应器与太阳能反应器和抛物面槽式聚光器结合使用,可以完全反应废盐中的有机污染物,热效率超过89.9%[24]。同时,熔盐还具有活化作用,可以改善传热性能,从而促进热解反应,获得更高性能的碳材料[25,26]。
此外,将废盐处理与能源生成过程相结合已成为一种新趋势,从而促进资源利用。熔盐具有高热稳定性、大储热容量和相对较低的成本,使其成为聚光太阳能发电(CSP)系统中储能的理想候选材料[27,28]。然而,其相对较低的热导率和比热容严重限制了其在热能储存应用中的发展[29]。近年来,碳材料受到了广泛关注,用于提高熔盐的热性能[30,31],这对于储能系统中的高效传热至关重要。陈等人[32]向纳米流体中添加了不同类型和浓度的多壁碳纳米管(MWCNTs),发现熔盐的热性能显著提高。Nithiyanantham等人[33]将两种碳同素异形体分散到太阳能盐中,发现热性能明显提升。添加1 wt%石墨纳米片后,比热容和导热性分别提高了12.5%和11.7%。因此,将热解后形成的碳材料与热能储存结合使用,在促进熔盐在储能领域的应用方面具有重要意义。
IWS的处理技术相对复杂,不同行业之间缺乏标准化的处理流程也是一个主要问题。在这项工作中,应用了熔盐热解方法来处理含有有机污染物的IWS,并制备了含有盐和碳片的复合熔盐。分析了有机污染物的熔盐热解动力学以及所得碳片的特性。此外,还研究了热解温度和碳材料含量对熔盐热性能提升的影响,并通过分子动力学模拟研究了其热性能的提升机制。总体而言,这项工作将有助于改善环境污染问题并提高能源储存的利用率。

材料与实验

为了模拟生产过程中的废盐,向NaCl中添加了环丙沙星作为有机污染物,因为环丙沙星具有广泛应用、高稳定性和环境风险的特点[34]。在我们之前的工作中[35],通过热处理去除了IWS中的有机污染物,并研究了最佳的热解条件。在图1中,混合物被置于氮气氛围(N2)为100 ml/min的管式炉中。通过设置

IWS的热解分析

为了去除有机污染物,废盐在氮气氛围下的管式炉中进行了热解碳化处理(图1)。IWS-S1、IWS-S2、IWS-S3和IWS-S4的初始有机污染物含量分别为约30,784 mg/kg、61,568 mg/kg、92,352 mg/kg和123,136 mg/kg。不同热解温度下的去除率如图2a所示。当热解温度超过800°C时,有机污染物基本被去除

结论

为了环境保护和热能储存,本研究通过废盐的熔盐热解有效制备了成本效益高且性能优异的复合储能材料。同时,熔盐的高腐蚀性对其在热能系统中的应用构成了重大限制。未来,开发具有宽温度范围和低腐蚀性的熔盐,并提高系统效率将是关键。

CRediT作者贡献声明

夏波·西:撰写——原始草稿、研究、数据分析。梁飞:软件、方法论、数据管理。丁静:资源获取、资金筹集。王伟龙:验证、概念构思。刘书雷:软件、方法论。李杜忠:验证、资源获取、概念构思。卢建峰:撰写——审稿与编辑、监督、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本文得到了中国国家重点研发计划2024YFB3813602)和国家自然科学基金U22A20213)的支持。

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