基于不同類型溶液蒸氣壓特性的太陽(yáng)能界面蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)研究

王潔冰，高金彤，徐震原

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

引 言

自高效空氣/水界面局部加熱蒸發(fā)的概念[1-4]被提出以來(lái)，太陽(yáng)能界面蒸發(fā)成為了領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。自然界中太陽(yáng)能作為一種取之不盡用之不竭的清潔能源，將太陽(yáng)能和界面蒸發(fā)兩者結(jié)合起來(lái)用于海水淡化[5-7]、蒸汽產(chǎn)生[8-10]和污水處理[11-13]可以實(shí)現(xiàn)高效、清潔和分布式運(yùn)行。

太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的界面蒸發(fā)的研究主要集中在兩個(gè)方面。一方面是提高系統(tǒng)的蒸汽產(chǎn)生速率。蒸發(fā)速率（evaporation rate, ER）是衡量蒸發(fā)系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)，定義為單位時(shí)間內(nèi)單位面積產(chǎn)生的蒸汽量(kg/(m2·h))，可以由式（1）來(lái)表示[6,14-15]：

其中，E是太陽(yáng)輻照度，kW/m2；hfg是蒸發(fā)潛熱，kJ/kg；太陽(yáng)能吸收率ηab描述太陽(yáng)輻照轉(zhuǎn)化為熱能的效率；蒸發(fā)過(guò)程熱效率ηt描述熱能輸入轉(zhuǎn)化為有效蒸發(fā)焓的效率。式(1)表明，提高系統(tǒng)的蒸汽產(chǎn)生率主要是提高太陽(yáng)能吸收率ηab和蒸發(fā)過(guò)程熱效率ηt。主要通過(guò)采用光熱轉(zhuǎn)化性能優(yōu)異的光熱材料和優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一方面是抗結(jié)鹽研究，隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，鹽水溶液被不斷輸送至蒸發(fā)表面，水分通過(guò)蒸發(fā)分離，而鹽分則會(huì)在蒸發(fā)器表面不斷積累。一旦超過(guò)鹽的飽和溶解度，就會(huì)產(chǎn)生結(jié)鹽。蒸發(fā)器結(jié)鹽會(huì)堵塞毛細(xì)吸水的輸送通道，還會(huì)降低蒸發(fā)表面的光吸收能力，最終導(dǎo)致蒸發(fā)效率降低[16-18]，因此抗結(jié)鹽能力是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定蒸發(fā)的基礎(chǔ)。

針對(duì)以上兩個(gè)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。Shan 等[18]將rGO 涂覆在泡沫鎳上，制備了多孔還原氧化石墨烯泡沫材料。該結(jié)構(gòu)的粗糙表面可以通過(guò)散射效應(yīng)提高光的吸收，多孔結(jié)構(gòu)保證了蒸汽在蒸發(fā)過(guò)程中的流動(dòng)，此系統(tǒng)在1 個(gè)太陽(yáng)光照下（1 kW/m2）能達(dá)到83.4%的蒸發(fā)效率。Chen等[2]提出了一種雙層結(jié)構(gòu)，其底層的碳泡沫作為隔熱層,用纖維素對(duì)絕熱材料進(jìn)行包裹，采用石墨烯薄膜作為吸收器，這種雙層結(jié)構(gòu)由于提高了能源效率和機(jī)械穩(wěn)定性而被廣泛使用，蒸發(fā)速率較單層結(jié)構(gòu)提升了1.2 倍。Shi 等[19]制作了一種三維圓柱杯狀容器結(jié)構(gòu)的混合金屬氧化物作為太陽(yáng)能蒸發(fā)器，入射光多次反射在圓柱腔內(nèi)，有助于增強(qiáng)光的吸收。在1 個(gè)太陽(yáng)光照下，其能效接近100%。且這種三維結(jié)構(gòu)可以從環(huán)境空氣中獲得額外的熱量，使蒸發(fā)速率達(dá)到2.04 kg/(m2·h)。Ni 等[20]設(shè)計(jì)了一種多層結(jié)構(gòu)的耐鹽太陽(yáng)能蒸發(fā)器，該結(jié)構(gòu)由黑色纖維素織物（用于吸光）、復(fù)合白色織物（吸水、排鹽）和聚苯乙烯泡沫材料組成，實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明在1 個(gè)太陽(yáng)光照下蒸發(fā)器可以在3.5%的NaCl 溶液中運(yùn)行30 h 不會(huì)有結(jié)垢現(xiàn)象。Xia 等[21]設(shè)計(jì)了1 種蒸發(fā)結(jié)構(gòu)，鹽水首先通過(guò)棉線從溶液輸送到蒸發(fā)器中心，隨后通過(guò)濾紙從中心向邊緣輸送。在蒸發(fā)過(guò)程中，由于蒸發(fā)器邊緣擴(kuò)散阻力小，因此蒸發(fā)最快，導(dǎo)致蒸發(fā)器邊緣鹽結(jié)晶。受重力的作用，蒸發(fā)器邊緣的鹽結(jié)晶容易脫落。實(shí)驗(yàn)測(cè)試該蒸發(fā)器在沒(méi)有人工干涉的情況下可以連續(xù)運(yùn)行600 h而蒸發(fā)效率不發(fā)生變化。Wu等[22]提出了一種基于仿生圓維結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器，在該蒸發(fā)器表面上自發(fā)形成的水膜具有厚度不均勻性和溫度梯度，由于Marangoni效應(yīng)，鹽晶體會(huì)在頂端局部析出。實(shí)驗(yàn)測(cè)試該裝置的蒸發(fā)速率為2.63 kg/(m2·h)，在1個(gè)光照和高鹽度條件下能量效率為96%。Cooper等[23]提出了一種不接觸式蒸發(fā)結(jié)構(gòu)。吸收器接受太陽(yáng)輻射并重新輻射紅外光子，這些光子直接被穿透深度小于100μm的水吸收，然后產(chǎn)生蒸汽。由于蒸發(fā)器與水的物理空間分離，完全避免了結(jié)垢。但這種不接觸式蒸發(fā)由于熱分離，蒸發(fā)器表面的溫度相對(duì)較高，因此熱損失會(huì)不可避免地增大，導(dǎo)致系統(tǒng)蒸發(fā)效率較低。

以上的研究絕大多數(shù)都是集中于NaCl 溶液或純水，即便是廢水處理或者海水淡化，溶質(zhì)大多也是用一些普通的無(wú)機(jī)鹽來(lái)代替[24-25]。實(shí)際脫鹽或廢水處理中溶質(zhì)種類繁多[26-27]，導(dǎo)致溶液蒸氣壓的變化并影響蒸發(fā)性能。此外，相較于傳統(tǒng)的體積加熱或底部加熱，采用界面加熱的蒸發(fā)器表面會(huì)出現(xiàn)濃度極化現(xiàn)象，即溶液濃度會(huì)隨著蒸發(fā)的進(jìn)行快速上升，遠(yuǎn)高于溶液本身的濃度。以上幾個(gè)因素均會(huì)導(dǎo)致表面蒸氣壓和蒸發(fā)速率的變化，因此探究溶液的蒸發(fā)性能與上述因素的關(guān)系非常必要。

本文分析溶液表面蒸氣壓隨濃度變化曲線的類型，并針對(duì)這幾種類型的蒸氣壓曲線[28-30]進(jìn)一步選取[EMIM][OTf]水溶液、[EMIM][Ac]水溶液和NaCl水溶液作為代表性溶液，在不同輻照強(qiáng)度和濃度工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并與純水的蒸發(fā)進(jìn)行對(duì)比。在實(shí)際的水處理應(yīng)用中，不僅有海水淡化等包含冷凝過(guò)程的閉式系統(tǒng)，也有蒸發(fā)式污水處理等無(wú)冷凝過(guò)程的開(kāi)式系統(tǒng)。相較開(kāi)式系統(tǒng)，閉式系統(tǒng)的濕度較高，導(dǎo)致蒸發(fā)表面溫度也較高，但各類型的蒸氣壓曲線趨勢(shì)不會(huì)有明顯變化。因此本文所做的實(shí)驗(yàn)研究對(duì)包含冷凝過(guò)程的閉式系統(tǒng)和不包含冷凝過(guò)程的開(kāi)式蒸發(fā)都可以起到指導(dǎo)作用，為太陽(yáng)能界面蒸發(fā)用于海水淡化和蒸發(fā)式污水處理提供更加深入的理解。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

1.1 工質(zhì)的選取

工質(zhì)是按照其表面蒸氣壓曲線的類型選取的。如圖1 所示，根據(jù)表面蒸氣壓隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的趨勢(shì)不同，將其分為三種類型：上凸型（部分離子液體）、下凹型（吸濕性溶液）和斜直線型（近似理想溶液），虛線代表的是25℃的環(huán)境溫度下純水的蒸氣壓。其中，下凹型工質(zhì)的典型特點(diǎn)是其表面蒸氣壓隨濃度呈指數(shù)型衰減，表現(xiàn)為具有吸濕性，當(dāng)超過(guò)一定濃度時(shí)，其表面蒸氣壓顯著低于環(huán)境空氣中水蒸氣的分壓力，因此利用環(huán)境空氣中的水蒸氣分壓與工質(zhì)表面蒸氣壓的壓差作為吸濕動(dòng)力來(lái)進(jìn)行吸濕，這種類型工質(zhì)的典型代表有LiCl溶液、LiBr溶液和[EMIM][Ac]水溶液等。上凸型溶液的典型特征是在低濃度情況下，其表面蒸氣壓隨濃度增大降低較緩慢，但超過(guò)某一濃度，表面蒸氣壓隨濃度呈指數(shù)型衰減。符合這種類型蒸氣壓曲線的工質(zhì)較少，部分離子液體符合這種類型，典型代表有[HMIM][Cl]水溶液和[EMIM][OTf]水溶液等。斜直線型工質(zhì)的典型特點(diǎn)是其表面蒸氣壓隨濃度增加呈現(xiàn)線性降低，變化趨勢(shì)滿足某一次函數(shù)。符合這種蒸氣壓曲線類型的工質(zhì)范圍很廣，一般是無(wú)機(jī)鹽溶液，典型代表有NaCl 溶液、Na2SO4溶液和MgSO4溶液等。針對(duì)這三種類型的蒸氣壓曲線，本文選取[EMIM][OTf]溶液、[EMIM][Ac]溶液和NaCl 溶液作為典型的代表性溶液，進(jìn)行了一系列的蒸發(fā)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并與純水的蒸發(fā)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)探究蒸發(fā)速率和蒸氣壓曲線、光照強(qiáng)度和濃度的關(guān)系。

圖1 不同溶液表面蒸氣壓隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化（25℃）Fig.1 Variation of surface vapor pressure of different solutions with mass fraction(25℃)

1.2 蒸發(fā)原理和蒸發(fā)器的制備

本文所采用的蒸發(fā)形式是區(qū)別于傳統(tǒng)底部加熱和體積加熱的太陽(yáng)能界面蒸發(fā)[8]。太陽(yáng)能作為一種清潔無(wú)污染的可再生能源，一直以來(lái)都備受青睞。因此本文利用太陽(yáng)能模擬器模擬的太陽(yáng)光，對(duì)蒸發(fā)表面進(jìn)行加熱。如圖2(a)所示，相較于傳統(tǒng)的底部加熱和體積加熱，界面蒸發(fā)是利用光熱材料和供水通道，在光熱材料的表面將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能從而進(jìn)行蒸發(fā)，同時(shí)利用隔熱材料可以減少蒸發(fā)表面向底部水體的熱傳導(dǎo)，本文中使用的隔熱材料是聚苯乙烯泡沫(熱導(dǎo)率約為0.04 W/(m·K))，蒸發(fā)實(shí)物圖如圖2(b)所示。與直接加熱整個(gè)水域相比，利用太陽(yáng)能局部加熱蒸發(fā)表面，可以減少因加熱整個(gè)水體導(dǎo)致的熱損失，從而促進(jìn)蒸發(fā)過(guò)程的高效進(jìn)行。

圖2 太陽(yáng)能界面蒸發(fā)原理圖和實(shí)物圖Fig.2 Schematic diagram and physical diagram of solar interfacial evaporation

如圖3 所示，蒸發(fā)器主要是由棉柔巾負(fù)載炭黑溶液制備而成。具體步驟為：將導(dǎo)電炭黑、十二烷基苯磺酸鈉和去離子水按照1∶2∶200的比例混合均勻并攪拌，放入超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)中振蕩30 min，得到由導(dǎo)電炭黑制成的炭黑溶液。將所選用的棉柔巾浸泡至炭黑溶液中取出，放入70℃的干燥烘箱中進(jìn)行負(fù)載干燥5～10 min，重復(fù)3 次，就得到了太陽(yáng)能吸光表面。對(duì)有無(wú)負(fù)載炭黑的棉柔巾利用紫外可見(jiàn)近紅外分光光度計(jì)分別測(cè)量其平均透光率及反射率，測(cè)試波長(zhǎng)范圍為300～2500 nm，得到的光譜吸收率如圖4 所示?？梢钥吹剑瑹o(wú)炭黑負(fù)載的棉柔巾的平均吸光率只有4.3%，負(fù)載炭黑的棉柔巾平均吸光率可以達(dá)到96.7%，說(shuō)明利用該方法制備的蒸發(fā)器具有良好的吸光性能。

圖3 炭黑負(fù)載前（a）和后（b）的棉柔巾對(duì)比Fig.3 Cotton fabric before(a)and after(b)loaded with carbon black

圖4 有無(wú)負(fù)載炭黑的太陽(yáng)能吸收頻譜和標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜Fig.4 Solar absorption spectrum with and without loading carbon black

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置和性能指標(biāo)

如圖5 所示，蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)總裝置由模擬日光氙燈光源系統(tǒng)1（中教金源，型號(hào)：CEL-S500R3）、蒸發(fā)表面2、K 型熱電偶3（開(kāi)普森，型號(hào)：QB-K-0.1）、不同類型工質(zhì)4、電子天平5（賽多利斯，型號(hào)：GL2202l-1SCN）、數(shù)據(jù)采集儀6（安捷倫，型號(hào)：34970A）和計(jì)算機(jī)7 構(gòu)成。其他實(shí)驗(yàn)材料和儀器包括吸水棉柔巾、聚苯乙烯泡沫、十二烷基苯磺酸鈉、超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)（寧波新芝，型號(hào)：JY92-IIDN）、電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海力辰邦西，型號(hào)：101-005）等。

圖5 蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)總裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of the total evaporation experiment device

蒸發(fā)速率mv和能量效率η是衡量蒸發(fā)性能的兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，分別由式(2)、式(3)計(jì)算：

其中，Δm為質(zhì)量變化量，kg；t為蒸發(fā)時(shí)間，h；A為蒸發(fā)面積，m2；hfg為水的汽化潛熱，為2256 kJ/kg；qsolar為太陽(yáng)輻照強(qiáng)度，W/m2。

蒸發(fā)表面的溫度也會(huì)影響蒸發(fā)速率和能量效率。這是因?yàn)樵谙嗤哪芰枯斎霔l件下，假設(shè)周圍環(huán)境條件相同，用于蒸發(fā)表面與水體溫度升高的能量（顯熱）越多，能量損失也越大，則用于蒸發(fā)帶走的能量（潛熱）就越少。因此在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)蒸發(fā)速率外，本實(shí)驗(yàn)還監(jiān)測(cè)了蒸發(fā)器氣液界面的溫度隨時(shí)間變化，來(lái)更加全面地探究蒸發(fā)性能。

1.4 不確定性分析

實(shí)驗(yàn)中溫度反映蒸發(fā)表面隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，因此，此誤差在本文圖中不予顯示。對(duì)于蒸發(fā)速率這一導(dǎo)出量而言，由于最終結(jié)果取的是穩(wěn)態(tài)過(guò)程中的平均值，而在實(shí)際的蒸發(fā)過(guò)程中，蒸發(fā)速率隨時(shí)間是一直變化的，因此本文計(jì)算了蒸發(fā)速率的誤差，并在圖中標(biāo)示出來(lái)。

不確定性[31]主要來(lái)源三方面：測(cè)量不確定度、時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差和校準(zhǔn)不確定度的誤差。本文中獨(dú)立參數(shù)質(zhì)量m、溫度T的不確定度由式（4）、式（5）得出：

其中，w是用于描述任何參數(shù)測(cè)量中不確定度的變量，下角標(biāo)UNC、STD、DAQ 分別代表測(cè)量不確定度、時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差和校準(zhǔn)不確定度的誤差。表1列出了每個(gè)測(cè)量物理量的名義不確定度。

表1 儀器（UNC）和數(shù)據(jù)采集（DAQ）的測(cè)量不確定度Table 1 Measurement uncertainty from sensor（UNC）and data acquisition（DAQ）

本實(shí)驗(yàn)中達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的時(shí)間通常為10～12 min，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間約為20 min，因此選取20 min 測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算值的平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。質(zhì)量變化和不確定度分別為：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文利用控制變量法分別進(jìn)行三種影響因素（不同類型工質(zhì)、光照強(qiáng)度、工質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)）對(duì)蒸發(fā)速率的影響實(shí)驗(yàn)并分析其結(jié)果。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為室溫（22～28℃），濕度（RH）為50%～60%，初始溶液的質(zhì)量為100 g，蒸發(fā)器表面直徑為4 cm。

2.1 蒸氣壓對(duì)蒸發(fā)特性的影響

圖6 是1 個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的不同工質(zhì)的蒸發(fā)速率和穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)器表面溫度。由圖6（a）可以看出，純水的蒸發(fā)速率最快，其次是[EMIM][OTf]水溶液、NaCl 水溶液和[EMIM][Ac]水溶液，這和圖1 的蒸氣壓排序體現(xiàn)了較好的一致性。（1）純水的蒸氣壓最高，因此蒸發(fā)速率也是最快。（2）[EMIM][OTf]水溶液的蒸發(fā)速率次之，這是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)初期，蒸發(fā)器表面的溶質(zhì)積累較少，蒸發(fā)表面濃度仍然維持在較低水平并處于蒸氣壓上凸區(qū)間，因此其蒸氣壓和蒸發(fā)率均僅次于純水。（3）[EMIM][Ac]水溶液具有一定的吸濕性，因此其蒸氣壓最低，所以它的蒸發(fā)速率也是最低的。（4）NaCl 作為海水中含量最多的鹽，它的蒸發(fā)速率直接決定了海水淡化的效率。由圖1 可以看到，一定溫度下NaCl 水溶液的表面蒸氣壓隨溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化是一條直線，在低濃度條件下其蒸氣壓低于上凸型溶液，因此它的蒸發(fā)速率低于[EMIM][OTf]水溶液。在1 個(gè)光照條件下，[EMIM][OTf]水溶液的蒸發(fā)速率可以達(dá)到1.37 kg/m2。此外，穩(wěn)態(tài)時(shí)蒸發(fā)表面的溫度也和蒸發(fā)速率相匹配：純水的溫度最低，然后依次是[EMIM][OTf]水溶液、NaCl 水溶液和[EMIM][Ac]水溶液。

圖6 1個(gè)光照強(qiáng)度下質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的不同工質(zhì)蒸發(fā)速率和蒸發(fā)器表面溫度Fig.6 The evaporation rate and temperature of different working fluids with a mass fraction of 5%under a sunlight intensity

2.2 光照強(qiáng)度對(duì)蒸發(fā)特性的影響

光照強(qiáng)度對(duì)蒸發(fā)速率有著直接的影響。光照強(qiáng)度越高，蒸發(fā)速率越快，這是因?yàn)楣庹諒?qiáng)度越高能量輸入越大。在界面蒸發(fā)中，光照強(qiáng)度還會(huì)影響蒸發(fā)器表面的工質(zhì)濃度，即光照強(qiáng)度越高，蒸發(fā)器表面的溶質(zhì)積累速度越快。一方面，工質(zhì)表面的蒸氣壓隨著濃度的增大而減小；另一方面，濃度增大會(huì)導(dǎo)致黏度增大，溶質(zhì)無(wú)法及時(shí)擴(kuò)散回去，導(dǎo)致供水通路堵塞和供水不足。這兩個(gè)因素都會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)速率的下降，因此光照強(qiáng)度和蒸發(fā)速率并不是呈線性正比的關(guān)系。圖7（a）、（c）表明，1 個(gè)光照下蒸發(fā)速率最高，其次是0.75 個(gè)光照和0.5 個(gè)光照，且不符合線性關(guān)系。這兩幅圖也表明，光照強(qiáng)度越大，[EMIM][OTf]水溶液蒸發(fā)速率較NaCl 水溶液的漲幅越小。這是由于在蒸發(fā)過(guò)程中濃度極化導(dǎo)致氣液界面處的[EMIM][OTf]水溶液濃度升高，對(duì)應(yīng)蒸氣壓曲線的蒸氣壓相差減小。此外圖7（b）表明，光照強(qiáng)度越高，蒸發(fā)器表面溫度也越高，這是因?yàn)槟芰枯斎朐黾樱舭l(fā)表面的溫度也相應(yīng)提高。0.75 個(gè)光照下蒸發(fā)表面溫度升高較1個(gè)光照強(qiáng)度蒸發(fā)表面溫度提升較大，這是因?yàn)楣庹諒?qiáng)度越大，蒸發(fā)表面溫度越高，相應(yīng)熱損也越大。

圖7 不同光照強(qiáng)度下質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的不同工質(zhì)的質(zhì)量變化、蒸發(fā)器表面溫度和蒸發(fā)速率Fig.7 The mass change,temperature of the evaporator surface and evaporation rate of different working fluids with a mass fraction of 5%under different sunlight intensities

2.3 濃度對(duì)蒸發(fā)特性的影響

為了探究工質(zhì)濃度對(duì)蒸發(fā)性能的影響，本文分別選取了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%和10%的不同工質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。圖8 是1 個(gè)光照強(qiáng)度下質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%和10%的不同工質(zhì)穩(wěn)態(tài)時(shí)蒸發(fā)器表面溫度和蒸發(fā)速率。圖8（a）表明，同一工質(zhì)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，穩(wěn)態(tài)時(shí)蒸發(fā)器表面溫度越高。這是因?yàn)楣べ|(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，其蒸氣壓越低，低蒸氣壓進(jìn)一步導(dǎo)致高蒸發(fā)溫度。圖8（b）表明，隨著工質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其蒸發(fā)速率在降低，但降低趨勢(shì)并不顯著。這是因?yàn)?，從蒸氣壓曲線圖來(lái)看，5%和10%的蒸氣壓差別不大，初始濃度對(duì)蒸發(fā)器表面的濃度貢獻(xiàn)度較低；另一方面實(shí)驗(yàn)只進(jìn)行了2000 s 的測(cè)試，蒸發(fā)器表面的溶質(zhì)積累比較緩慢，工質(zhì)在濃度梯度下比較容易擴(kuò)散回溶液中，因此蒸發(fā)速率區(qū)別不明顯。此外，圖8進(jìn)一步通過(guò)濃度反映了不同特性的蒸氣壓曲線對(duì)蒸發(fā)性能的關(guān)鍵影響。

圖8 1個(gè)光照強(qiáng)度下質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%和10%的不同工質(zhì)的蒸發(fā)器表面溫度與蒸發(fā)速率Fig.8 The temperature of the evaporator surface and evaporation rate of different working fluids with a mass fraction of 5%and 10%under one sunlight intensity

2.4 蒸發(fā)器表面溶質(zhì)積累對(duì)蒸發(fā)特性的影響

為了進(jìn)一步探究上凸型蒸氣壓曲線和斜直線型蒸氣壓曲線的蒸發(fā)速率特性，本文又對(duì)NaCl水溶液和[EMIM][OTf]水溶液進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的蒸發(fā)測(cè)試。圖9是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl水溶液和[EMIM][OTf]水溶液長(zhǎng)時(shí)間蒸發(fā)的質(zhì)量變化、蒸發(fā)器表面溫度變化、蒸發(fā)速率變化和3.5 h后的蒸發(fā)器表面圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，NaCl 水溶液的蒸發(fā)速率隨時(shí)間變化較小，展現(xiàn)出了相對(duì)穩(wěn)定的蒸發(fā)性能。[EMIM][OTf]水溶液的初始蒸發(fā)率較高，但隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，蒸發(fā)器表面的溶質(zhì)不斷積累，濃度升高，導(dǎo)致蒸發(fā)速率急劇下降，伴隨著蒸發(fā)器表面的溫度急劇升高。經(jīng)過(guò)3.5 h，蒸發(fā)速率從初始的1.4 kg/(m2·h)降低到0.6 kg/(m2·h)，相比初始時(shí)刻下降了57%，蒸發(fā)器表面的溫度升高到了60℃。NaCl 水溶液在經(jīng)過(guò)3.5 h 的蒸發(fā)后，蒸發(fā)速率以及蒸發(fā)器表面溫度均沒(méi)有明顯變化。由圖9（c）可見(jiàn)3.5 h后，[EMIM][OTf]水溶液的蒸發(fā)表面出現(xiàn)了明顯的顏色分層，這是濃度梯度的一個(gè)表現(xiàn)形式，NaCl 水溶液的蒸發(fā)表面也出現(xiàn)了輕微結(jié)鹽現(xiàn)象。上述結(jié)果主要是由蒸氣壓曲線特性和黏度共同決定的：一方面，NaCl 為一種無(wú)機(jī)鹽，黏度較低，因此蒸發(fā)表面的高濃度NaCl較易擴(kuò)散回主體溶液；[EMIM][OTf]為一種離子液體，黏度較大，因此蒸發(fā)表面的[EMIM][OTf]較難擴(kuò)散回主體溶液。另一方面，結(jié)合蒸氣壓曲線，NaCl 水溶液的蒸氣壓曲線為一條直線，隨濃度增加蒸氣壓減小較為平緩，因此雖然圖9（c）中NaCl 水溶液的蒸發(fā)器邊緣產(chǎn)生了結(jié)鹽的現(xiàn)象，但在蒸發(fā)過(guò)程中蒸發(fā)速率沒(méi)有明顯變化；[EMIM][OTf]水溶液的蒸氣壓曲線屬于上凸型曲線，其初始蒸氣壓較高，隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，一旦表面蒸氣壓跨過(guò)上凸區(qū)間進(jìn)入下凹區(qū)間，其蒸氣壓呈指數(shù)型下降，再結(jié)合黏度帶來(lái)的溶質(zhì)擴(kuò)散難的問(wèn)題，將進(jìn)一步加速曲線向右移動(dòng)，導(dǎo)致蒸氣壓降低，進(jìn)而蒸發(fā)速率下降。

圖9 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液和[EMIM][OTf]溶液長(zhǎng)時(shí)間蒸發(fā)的質(zhì)量變化、蒸發(fā)器表面溫度變化、蒸發(fā)速率變化和3.5 h后蒸發(fā)器表面圖Fig.9 The mass change，the change of evaporator surface temperature,the change of evaporation rate,of 3.5%NaCl solution and[EMIM][OTf]solution for long-term evaporation,and the surface map of the evaporator after 3.5 h

3 結(jié) 論

本文針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中蒸發(fā)溶質(zhì)的不同，分析了溶液表面蒸氣壓隨濃度的變化類型，并選取[EMIM][OTf]、[EMIM][Ac]和NaCl 水溶液作為三種蒸氣壓曲線類型的典型代表，通過(guò)蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同工質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、不同光照強(qiáng)度下的蒸發(fā)性能，得到以下結(jié)論。

（1）低濃度下[EMIM][OTf]水溶液展現(xiàn)出了良好的蒸發(fā)性能，其蒸發(fā)速率甚至比NaCl 水溶液高，主要原因是溶液蒸氣壓處于其蒸氣壓曲線的上凸區(qū)間。隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，蒸發(fā)表面溶質(zhì)積累導(dǎo)致溶液濃度上升，[EMIM][OTf]水溶液的蒸發(fā)速率迅速降低，主要原因是溶液蒸氣壓跨過(guò)了上凸區(qū)間，進(jìn)入了下凹區(qū)間。因此對(duì)于這種溶液，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)避免蒸發(fā)器表面溶質(zhì)快速積累，在蒸發(fā)器表面維持較低的溶質(zhì)濃度，從而防止其蒸氣壓跨過(guò)上凸區(qū)間對(duì)能量轉(zhuǎn)換效率造成損失。該過(guò)程可以通過(guò)設(shè)計(jì)表面溶質(zhì)積累速度緩慢或溶質(zhì)擴(kuò)散性能好的蒸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體的措施包括距離水體更近的蒸發(fā)面、更豐富的溶質(zhì)擴(kuò)散通道和減少溶質(zhì)擴(kuò)散迂回程度等。

（2）溶液濃度升高或輻照強(qiáng)度提升時(shí)，[EMIM][OTf]水溶液的蒸發(fā)速率較NaCl 水溶液的提升減小，其主要原因在于蒸發(fā)過(guò)程的濃度極化導(dǎo)致氣液界面處的[EMIM][OTf]濃度升高，蒸氣壓差減小。并且在長(zhǎng)周期的測(cè)試下，NaCl 水溶液展現(xiàn)出了相對(duì)穩(wěn)定的蒸發(fā)性能。

（3）在不同濃度以及光照強(qiáng)度下[EMIM][Ac]水溶液的蒸發(fā)速率均較慢，而純水的蒸發(fā)速率最快，體現(xiàn)了蒸氣壓對(duì)蒸發(fā)性能的關(guān)鍵影響，其原因是低蒸氣壓導(dǎo)致高蒸發(fā)溫度，高蒸發(fā)溫度進(jìn)一步帶來(lái)更多傳導(dǎo)向環(huán)境的能量損失。面對(duì)這種低蒸氣壓的水溶液，其快速蒸發(fā)依賴于高蒸發(fā)溫度，因此需要更好的局部加熱設(shè)計(jì)來(lái)維持蒸發(fā)表面的高溫，從而促使其快速蒸發(fā)；此外為了維持高蒸發(fā)溫度下的能量效率，需要抑制導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射熱損失。具體的措施包括距離水體更遠(yuǎn)的蒸發(fā)面、導(dǎo)熱率更低的蒸發(fā)器材料和增加抑制對(duì)流熱損的結(jié)構(gòu)。值得注意的是，水溶液本身具有高紅外發(fā)射特性，因此蒸發(fā)面和吸熱面在一側(cè)的設(shè)置很難實(shí)現(xiàn)輻射熱損的抑制，而采用雙面式的設(shè)計(jì)將吸熱面和蒸發(fā)面置于兩側(cè)則有望對(duì)這種溶液的高效蒸發(fā)起到關(guān)鍵作用。