针对淡水资源短缺及传统太阳能蒸馏器产水率低的问题，研究人员通过在废弃铝罐中封装蜂蜡、还原氧化石墨烯(rGO)掺杂蜂蜡及石蜡作为相变储能材料(PCM)，对管式太阳能蒸馏器(TSS)进行热性能强化研究。研究首先采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、紫外-漫反射光谱(UV–DRS)及差示扫描量热法(DSC)表征蜂蜡与rGO掺杂蜂蜡的光学、热及结构特性。结果表明，rGO的加入未改变蜂蜡的化学结构，但使其反射率由47.8%降至9.4%，显著提升光吸收能力；DSC分析显示，rGO掺杂蜂蜡的熔化温度升高至50.6∘C，熔融潜热较纯蜂蜡提升7.7%，兼具优异的热稳定性与储热性能。在沙特阿拉伯达兰的实地测试中，rGO掺杂蜂蜡配置下的TSS日均淡水产量最高，吸热器内水温显著升高；其平均热效率达51.66%，优于传统TSS、纯蜂蜡及石蜡配置；㶲效率达3.14%，分别较石蜡(2.48%)、纯蜂蜡(2.08%)及传统TSS(1.25%)提升26.6%、50.9%及151.2%。经济分析表明，该配置蒸馏水成本最低(0.011美元/升)，投资回收期最短(5.6个月)。研究证实，将纳米增强生物基PCM与废弃金属封装结合，可高效、低成本地提升太阳能海水淡化系统的热与经济性能。
研究背景与意义
全球淡水资源因不可持续开发加速枯竭，海水淡化虽为主要补给途径，但其高能耗导致成本高昂。中东等地区虽面临严重缺水，却拥有丰富的太阳能资源，因此开发低成本太阳能热法海水淡化装置成为研究热点。管式太阳能蒸馏器(TSS)作为典型装置，受限于低产水率，亟需性能优化。现有研究多采用商业石蜡或金属宏封装PCM，存在封装成本过高、生物基PCM导热系数低、缺乏多维度性能评估框架等问题。为此，研究人员提出以废弃铝罐为封装容器，填充rGO增强的生物基蜂蜡PCM，旨在同步实现低成本、高性能与可持续性的热强化目标。该研究成果发表于《Separation and Purification Technology》。
关键技术方法
研究采用1wt% rGO掺杂蜂蜡制备纳米增强PCM，以废弃铝罐为封装容器，构建四种TSS配置（传统无PCM、石蜡、纯蜂蜡、rGO掺杂蜂蜡）。通过FTIR、UV–DRS、DSC表征PCM的理化性质；在沙特阿拉伯达兰实地测试各配置的温升、产水量、热效率及㶲效率；结合场发射扫描电镜(FESEM)观察rGO微观形貌；开展全生命周期经济分析，评估蒸馏水成本与投资回收期。
研究结果
PCM表征结果
FESEM显示rGO呈厚度50–60nm的层状纳米片结构，利于提升界面热传导。FTIR证实rGO掺杂未改变蜂蜡化学结构；UV–DRS表明其反射率由47.8%降至9.4%，光吸收显著增强；DSC结果显示rGO掺杂蜂蜡熔化温度升至50.6∘ C，熔融潜热提升7.7%，储热稳定性优异。
热性能与产水特性
实地测试中，rGO掺杂蜂蜡配置的水温与产水量均最高，其热释放延长蒸发时长，日均淡水产量较传统TSS提升显著。热效率达51.66%，分别较石蜡、纯蜂蜡及传统TSS提高15.2%、24.8%及56.8%。
㶲效率与经济性
rGO掺杂蜂蜡配置㶲效率为3.14%，较石蜡(2.48%)、纯蜂蜡(2.08%)及传统TSS(1.25%)分别提升26.6%、50.9%及151.2%。经济分析显示，该配置蒸馏水成本仅0.011美元/升，投资回收期5.6个月，为所有配置中最低。
讨论与结论
研究证实，rGO掺杂有效解决了蜂蜡导热系数低(0.26W/m·K)的缺陷，导热系数提升至0.60W/m·K；废弃铝罐封装大幅降低PCM系统成本，克服了传统金属封装的经济瓶颈。多维度评估框架（光学、热学、㶲分析及经济性）首次应用于TSS的PCM优化研究，证实纳米增强生物基PCM可替代石油基PCM，且无需增加系统复杂度。该技术为干旱偏远地区分布式离网淡水生产提供了可行方案，兼具环境可持续性与工业应用潜力。未来需进一步研究rGO–蜂蜡复合材料的长期循环稳定性，并探索其他纳米掺杂剂（如Al2 O3 、碳纳米管）对PCM热物性的影响。
打赏
