Fe?O?纳米颗粒在Biowick材料中浓度升高对被动倾斜式太阳能蒸馏海水淡化过程的影响，以及较高质量流量对该过程的作用——一种可持续的方法

《Results in Engineering》：Impact of higher Concentration of Fe 2O 3 nanoparticles in Biowick material and the influence of higher mass flow rate on a Passive Inclined Solar Still Desalination - A sustainable approach

太阳能蒸馏器中纳米增强滤材的热性能优化与经济性分析。

　　太阳能蒸馏技术是一种利用太阳能进行海水淡化或废水处理的可持续方法。这项研究探索了通过在倾斜太阳能蒸馏器（ISS）中使用改性铁氧化物（Fe?O?）纳米颗粒的生物纤维材料（称为生物wick）来显著提高淡水产量的可行性。研究结合了0.29、0.45、0.75和1.3 kg/min的水流量，并测试了1%和5%的纳米颗粒浓度，以评估ISS的热性能、产水率和效率。研究发现，将Fe?O?纳米结构功能化到亚麻布料上可以增强太阳能吸收、水温以及蒸发速率。在最低水流量0.29 kg/min下，裸ISS的平均水温达到67°C，使用普通生物wick时水温提升至69°C，而5% Fe?O?功能化的生物wick则达到了74°C，对应的每日淡水产量分别为1.60、2.30和2.96 kg/m2。热效率也得到了显著提升，从裸ISS的25.25%提升到5% Fe?O?生物wick的51.85%，而热力学效率从1.29%提升到2.8%。虽然增加水流量通常会因减少水在蒸馏器内的停留时间和热能保留而降低产水率，但生物wick增强的毛细作用和热传导性能缓解了这一问题。功能化的生物wick表现出蒸发热传递系数提高了28.7%–55.3%，证实了其在热和质量传递性能上的提升。从经济角度来看，5% Fe?O?功能化的生物wick模型实现了每升淡水成本为0.0106美元，且获得了最短的回收期101天，即使考虑到纳米颗粒的额外支出。

### 研究背景

传统的太阳能蒸馏系统（SS）研究普遍认为，水的深度、水与吸收器表面的接触面积以及太阳能辐射是影响产水率的关键因素。然而，SS在实际应用中面临诸多挑战，如水在蒸馏器内部滑动速度和水在表面分布不均，可能导致水的停留时间过短和吸收器表面出现干燥热点，这会降低水温，进而影响蒸发速率和产水率。为了改善ISS的性能，研究者提出了多种策略，如太阳能板集成预热器、反射器、聚焦器等。然而，这些策略往往伴随着较高的成本，限制了其广泛应用。因此，引入wick材料成为解决这一问题的关键。wick材料是一种多孔材料，覆盖在ISS的吸收器表面，通过毛细作用将水向上输送，并在吸收器表面维持一层薄水膜。wick材料的吸湿性和水阻特性可以延长水的停留时间和增加水的分布范围。

### 实验设计与材料功能化

研究使用的wick材料是亚麻布料，其来源广泛且易于获取，且具有低碳足迹。亚麻布料通过与Fe?O?纳米颗粒的结合，实现了其功能化。Fe?O?是一种广泛存在于自然岩石和土壤中的铁氧化物，具有良好的太阳能吸收能力，并且对水无害且不可溶。通过将Fe?O?纳米颗粒以不同浓度（1%和5%）引入亚麻布料中，可以增强其热传导能力和太阳能吸收效率。研究还利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线分析（EDX）对功能化的亚麻布料进行了表征，以验证其结构和性能的变化。此外，通过测量水接触角，研究者评估了亚麻布料表面的润湿性，这对其吸水能力和蒸发效率具有重要影响。

### 实验装置与数据采集

实验装置包括一个尺寸为750 mm × 750 mm × 10 mm的倾斜太阳能蒸馏器。整个蒸馏器被放置在南北方向，以最大化太阳能辐射的吸收。蒸馏器的顶部设有开口，用于放置玻璃以凝结水蒸气。蒸馏器的侧壁和底部使用了3 mm厚的铝箔作为保温材料，以减少热损失。玻璃材料的厚度为4 mm，透射率为88%。为了确保水的连续供应，实验中使用了铜管作为公共管道，与蒸馏器宽度相匹配，以实现水在蒸馏器内的均匀分布。水从蒸馏器的下端流出后，被重新循环至储水罐，以维持压力差。蒸馏器被倾斜30度，以便在不同水流量条件下保持水与吸收器表面的充分接触。蒸馏器的两个出口分别用于非蒸发的热水和蒸馏水的收集。实验中使用了K型热电偶测量水、玻璃和吸收器的温度，并利用风速计和内置温度传感器记录风速和环境温度。太阳能辐射则通过TES132太阳能功率计进行测量。

### 数据处理与分析

为了评估不同水流量和纳米颗粒浓度对ISS性能的影响，研究采用了响应面法（RSM）进行分析建模，以验证实验结果并建立高精度的预测方程。研究发现，纳米颗粒的加入显著提升了ISS的产水率和热效率。例如，在最低水流量0.29 kg/min下，5% Fe?O?功能化的生物wick使产水率达到了2.96 kg/m2，而传统ISS仅为1.60 kg/m2。同时，热效率从25.25%提升至51.85%，热力学效率从1.29%提升至2.8%。尽管增加水流量会减少产水率，但功能化的生物wick通过增强毛细作用和热传导性能，有效缓解了这一问题。此外，研究还通过计算蒸发热传递系数和对流热传递系数，进一步评估了ISS的热和质量传递性能。结果显示，功能化的生物wick在蒸发热传递系数上提高了28.7%–55.3%，而对流热传递系数则有所改善，但其提升幅度在1%和5%纳米颗粒浓度之间趋于平缓。

### 材料特性与性能评估

XRD分析显示，Fe?O?纳米颗粒的引入显著改变了亚麻布料的晶体结构，提升了其热传导能力。SEM图像进一步揭示了纳米颗粒在亚麻纤维上的分布情况，1%和5%的纳米颗粒浓度分别在不同放大倍数下显示出更均匀的分布和更高的覆盖率。EDX分析则确认了纳米颗粒在亚麻布料中的存在，并表明其对亚麻纤维的化学成分有显著影响。例如，1% Fe?O?功能化的亚麻布料中，碳含量从57%降至55%，而铁含量从4%增加到4%。5% Fe?O?功能化的亚麻布料中，碳含量降至45.1%，而铁含量升至13.9%。水接触角的测量结果表明，功能化的亚麻布料在润湿性方面有所改善，这有助于水在吸收器表面的均匀分布和提高蒸发效率。

### 热力学与热力学效率分析

研究进一步分析了ISS在不同水流量和纳米颗粒浓度下的热力学性能。结果显示，5% Fe?O?功能化的生物wick在不同水流量下均表现出更高的热效率和热力学效率。例如，在0.29 kg/min的水流量下，5% Fe?O?功能化的ISS热效率达到51.85%，而传统ISS仅为25.25%。热力学效率则从1.29%提升至2.8%。这些性能的提升主要归因于纳米颗粒对热传导和太阳能吸收的增强，以及生物wick对毛细作用和水膜维持能力的提升。此外，研究还分析了ISS在不同水流量条件下的能量输入和输出，以评估其经济可行性。

### 经济性与成本分析

从经济角度来看，5% Fe?O?功能化的ISS模型每升淡水成本为0.0106美元，比传统ISS降低了35.06%。同时，其回收期仅为101天，显著优于传统ISS的177天。这些经济优势主要得益于纳米颗粒的引入，使得ISS在保持高产水率的同时，降低了单位产水的成本。研究还对ISS的总成本、年度固定成本和运营维护成本进行了分析，结果显示功能化ISS在总成本和年度成本上均有所降低，同时提升了产水率。这些结果表明，通过纳米颗粒改性的生物wick材料可以在提升ISS性能的同时，实现经济上的可持续性。

### 研究结论与展望

本研究通过实验和建模验证了Fe?O?纳米颗粒改性的生物wick材料在提升ISS性能方面的有效性。结果显示，纳米颗粒的引入显著提高了水温、热效率和热力学效率，同时降低了单位产水成本。这些成果不仅为太阳能蒸馏技术提供了新的发展方向，也为大规模、低成本的海水淡化系统设计提供了理论依据。未来的研究可以进一步探索不同纳米颗粒组合对ISS性能的影响，以及生物wick材料在不同环境条件下的长期稳定性。此外，还可以研究其他类型的wick材料，如棉花、活性炭布料和金属片等，以寻找更优的解决方案。通过优化wick材料的厚度、孔隙率和纳米颗粒的浓度，有望进一步提升ISS的产水率和热效率，同时降低其运行成本。这些研究结果对于推动太阳能蒸馏技术在实际应用中的推广具有重要意义。