基于固废的相变复合材料制备方法与基本特性试验研究文献综述

 2023-08-11 11:08
  1. 文献综述(或调研报告):

固体废弃物(简称固废)是工农业生产过程中产生的相对无用或暂时无法利用的固态废物,其中工业固废主要是指在工业制造过程中产生的固体废物,主要包括尾矿、赤泥、钢铁渣、有色冶炼渣、粉煤灰、煤矸石、工业副产石膏[1,2]等;此外,农业生产中作物秸秆亦为固废的重要来源[3]。工业固废大量排放,不仅占用大量土地,耗费人力和财力,甚至有些固废中含有的重金属离子等有害物质,还会对大气、土壤、地表水及地下水产生严重污染;而作物秸秆,长期以来没有得到充分合理利用,尤其是大量秸秆被丢弃、焚烧,不仅造成资源浪费,还会污染大气环境。节能减排和保护环境的客观要求,以及可持续发展和循环经济理念的逐渐深入,使得如何实现固废的无害化、减量化、资源化处理处置,降低其造成的生态环境危害,成为固废领域研究的热点之一[1,4]

与此同时,随着地球能源的不断衰竭以及气候的不断恶化,如全球变暖、环境污染等,对于新能源的开发和新技术利用已成为共同关注的问题。解决这些问题的核心是将那些被浪费的能源储存起来,并在需要时加以利用,以弥补能源供应与需求之间的差异[5]

相变储能技术是一种优良的手段,因为它具有较高的储能密度,使得其不需要大的储存体积。相变材料(Phase Change Material, PCM)是一种潜热储能材料,常见的相变材料为固液相变材料。当一种材料由固态变为液态,或液态变为固态时,热能会发生转移。在吸热初期,这些固液相变材料和常规显热储热材料相同,但与后者不同的是,相变材料在吸热或放热的过程中温度会基本保持恒定。此外,单位体积相变材料的储热能力一般是同体积显热储能材料的5~14倍 [6]

根据现有研究,PCM可分成三大类:无机类,有机类和复合类。无机类中包含熔融盐、结晶水合盐、金属及其合金;有机类包含石蜡类、脂肪酸类 、多元醇类;复合类有混合型和定型型两种[7]

PCM通常要具有以下特点[8]:(1)热性能方面,相变潜热高、相变温度适宜、导热系数高、溶解协调性好;(2)物理性能方面,相稳定性高、体积变化小、过冷小、密度大;(3)化学性能方面,稳定性佳、不易分解、无腐蚀、无毒;(4)经济性方面,来源广泛、初期投资低、使用成本低。

戴远哲等[9]对近几年来相关研究总结,认为有机类相变材料具有稳定性好、相变温度点范围大、相容性好、热值高的优点;缺点是导热率不高、实际使用过程中体积变化率大、有一定的危险性。无机相变材料的优点是导热率高、热值高、实际使用过程中体积变化率小、经济性好;缺点是过冷度较大、随着使用时间的增长对系统会有一定的腐蚀性。相比较而言,有机相变材料虽然具有更好的长期使用的稳定性,但是导热和储能性能较无机相变材料差,并且经济性不佳。因此单类相变材料都有着各自使用的缺点与局限性,而复合相变蓄热材料通过复合化可以达到取长补短的目的,必定是今后深入研究和开发的主要方向。

复合相变材料一般有两大类,一类是多种相变材料混合,另一类是定型相变材料。第一类复合相变材料较易制作,可根据不同混合比例来调整相变温度,适应不同制作工艺;但其所使用时需要封装,且泄漏风险较大。Qian等[10]将PEG与Ag纳米粒子加入硅藻土中,并采用共混的方法制备了性能优良的板形复合相变材料(ss-PCMs);该复合材料潜热大、化学相容性好、稳定性好,是一种很有前途的建筑材料。Swati等[11]研制了基于PEG的复合相变材料,杂化石墨烯气凝胶(GNPs)的加入大大地提高了其导热性能,有很大的研究前景。第二类复合相变蓄热材料主要利用多孔介质材料、胶囊或高分子材料及纳米封装结构等作为基体或支撑材料,在保持它们储热能力的前提下,将相变材料置于微小空间中使其相变时还能维持原本形状[12~15]。这类材料节约了前期成本,降低了技术难度,同时还能一定程度上预防材料泄漏,具有安全性好、换热效果好等优点,但是否具有良好的化学相容性和协同工作性仍需进行更多尝试与测试。Sheng等[16]创新性地研发了铝硅合金相变材料微胶囊,并对其改性优化使得其高度耐用(循环次数可高达3000次)。Wu等[17]将石蜡引入三维网状结构的胶凝剂Gm中所制备的复合相变材料一定程度上缓解了其相变过程中因体积变化引起的泄露隐患,并一定程度上提高了其储热能力和稳定性。Luan等[18]发现,金属有机骨架(MOFs)是复合相变蓄热材料的理想宿主材料,利用其高度的多孔结构和可调谐的主客体相互作用可以极大地提高整个系统的稳定性。

目前,复合相变材料的制备方法主要有直接浸泡法、熔融共混法、接枝法、微胶囊法、烧结法和溶-凝胶法[19]

PCM在太阳能储能、调节和降低建筑能耗、控制混凝土水化热、控制热裂缝等方面有着广泛的应用[20]。相变材料在岩土工程(如道路工程)中的研究与应用尚处于初级阶段[21]

马骉[22]等综述了相变材料的种类和选取、在沥青混凝土路面的应用及研究重点,并合成出聚氨酯固-固相变储能材料(PUPCMs),证明其在相变温度范围内能够保持固相状态而不发生宏观流动现象,且相变焓值高、相变温度范围广,具有较好的潜热性能,且适用与道路沥青中以提高沥青路面的高温稳定性。针对沥青混合料拌和过程中的温度变化,利用FT-IR、TG、DSC分析PUPCMs的结构特性、热稳定性及储热能力;进一步验证其化学性质的稳定性,发现热处理前后PUPCMs特征官能团、相变焓值及温度变化幅度小,符合沥青混合料所需储热能力的要求,具有较好的应用前景。

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