利用天然纤维和纳米相变材料（nano-PCM）复合材料对双坡式太阳能蒸馏器进行性能优化

《Separation and Purification Technology》：Performance enhancement of double slope solar still using natural fibers and nano-PCM composite

本研究通过在双斜率太阳能蒸馏器中采用剑麻纤维与Al?O?-Glauber盐复合纳米相变材料，显著提高了产水量至4.58升/天（比传统DSS高115.02%），同时优化了热存储与传输效率，并验证了经济可行性。

　　近年来，随着全球对可持续能源和水资源利用的关注不断加深，太阳能蒸馏技术因其环保、低成本、无需电力或燃料等优点，成为解决淡水短缺问题的重要手段之一。传统的单坡太阳能蒸馏装置（Single Slope Solar Still, SSS）虽然在小型水处理中具有一定的应用价值，但在实际操作中存在效率较低、产能有限的问题，尤其在光照条件不佳时表现更为明显。为了解决这些问题，科学家们不断探索新的材料和技术，以提高太阳能蒸馏装置的性能。其中，双坡太阳能蒸馏装置（Double Slope Solar Still, DSS）因其结构优势，相较于单坡装置能提供更高的产水量，但其效率仍受到气候条件的显著影响。因此，本研究旨在通过引入天然纤维和纳米相变材料（Nano-PCM）的组合，进一步提升DSS的性能。

在太阳能蒸馏过程中，蒸发和冷凝是核心环节，其效率直接决定了最终的产水量。传统的蒸馏装置主要依赖于太阳辐射提供的热量，而热量的传递和储存能力受限，导致其在夜间或阴天时无法持续运行。为了克服这一局限，研究人员尝试使用纳米材料作为相变储能介质，以增强热量的储存能力，使装置在光照不足时仍能维持一定的工作效率。此外，天然纤维作为吸水材料，因其良好的毛细作用和水扩散能力，能够有效提升蒸发面积，从而提高整体的产水效率。

本研究中，采用了香蕉纤维、sisal纤维和棕榈纤维作为天然吸水材料，并将其与基于Al?O?和Glauber盐（GS）的纳米相变材料（Nano-PCM）结合，用于双坡太阳能蒸馏装置的实验研究。实验结果表明，sisal纤维与Nano-PCM的组合在提升产水量方面表现最为突出，其产水量达到了4.58升/天，比传统DSS提高了115.02%。这一显著提升的原因在于，sisal纤维具有较强的毛细作用和水扩散能力，能够有效促进水分的快速蒸发，而Nano-PCM则增强了热量的储存和传递效率，使得蒸馏过程在光照不足时仍能持续进行。

除了提升产水量，研究还关注了装置的能量效率和热力学效率（Exergy Efficiency）。实验结果显示，sisal纤维与Nano-PCM组合的平均能量效率和热力学效率分别达到了35.34%和3.33%，相较于传统DSS分别提高了76.2%和114.4%。这一结果表明，通过合理选择吸水材料和相变材料的组合，可以有效提升太阳能蒸馏装置的整体性能，使其在各种气候条件下都能保持较高的效率。

此外，经济性分析也是本研究的重要组成部分。实验结果显示，sisal纤维与Nano-PCM组合的产水成本仅为每升0.012美元，而传统DSS的产水成本则为每升0.021美元。这意味着，采用新的材料组合不仅能够提升产水量和效率，还能显著降低单位产水成本，从而提高装置的经济可行性。同时，该组合的回收期（Payback Period）仅为约143天（4.7个月），而传统DSS的回收期则长达231天（7.7个月）。这一结果表明，新的材料组合在经济上更具优势，能够更快地实现投资回报。

在材料选择方面，本研究采用的DSS结构由轻钢制成，集热板则采用铝材，以确保良好的热传导性能。集热板表面涂覆黑色涂料，进一步增强了其吸热能力。玻璃盖采用6毫米厚的纯玻璃，并具有30°的倾斜角度，以优化热量的分布和蒸发效率。此外，DSS的侧壁和底部覆盖了30毫米厚的玻璃棉，以减少热量损失，提高整体的热效率。

在实验过程中，研究人员对多种材料组合进行了系统评估，包括不同类型的天然纤维、纳米相变材料以及相关改性技术。例如，有研究使用了金字塔形太阳能蒸馏装置，结合棕榈叶作为吸水材料，其产水量达到了5160.8克/平方米。还有研究使用了Strychnos potatorum种子和 gooseberry 茎作为天然吸水材料，其产水量分别为1632毫升/天和1494毫升/天。此外，黑胡桃壳被用作吸水材料，其产水量达到了4.07升/平方米/天，而池塘和sisal纤维的组合则实现了更高的产水量，达到5.78升/平方米/天。

研究还发现，通过在集热板上涂覆纳米材料，如Al?O?纳米黑漆，可以显著提高太阳能蒸馏装置的产水量。例如，有研究使用了带有Al?O?纳米黑漆的亚麻纤维，其产水量比传统装置提高了92.96%。此外，研究还尝试了多种改进措施，如使用热泵、反射镜、吸水材料等，以提高太阳能蒸馏装置的性能。其中，一项研究使用了带有纳米相变材料的半球形太阳能蒸馏装置，其产水量达到了16.82升/平方米/天。另一项研究则使用了带有纳米相变材料的半管式太阳能蒸馏装置，其产水量达到了9.25升/平方米/天。

值得注意的是，尽管纳米相变材料在多个研究中被广泛应用，但天然纤维作为吸水材料的使用仍然相对有限。因此，本研究的创新点在于，将天然纤维与纳米相变材料结合，探索其在双坡太阳能蒸馏装置中的协同效应。通过这种组合，研究人员不仅能够提升蒸发效率，还能增强热量的储存和传递能力，从而提高装置的整体性能。

在实验过程中，研究人员对不同的材料组合进行了系统测试，并分析了其对产水量、能量效率和热力学效率的影响。实验结果表明，sisal纤维与Nano-PCM的组合在提升产水量方面表现最佳，其蒸发传热系数达到了164.24瓦/平方米·开尔文，远高于其他材料组合。此外，该组合的平均能量效率和热力学效率也显著提高，分别为35.34%和3.33%。这一结果表明，通过合理选择材料组合，可以有效提升太阳能蒸馏装置的性能，使其在各种气候条件下都能保持较高的效率。

在经济性方面，研究发现，sisal纤维与Nano-PCM组合的产水成本仅为每升0.012美元，而传统DSS的产水成本则为每升0.021美元。这意味着，采用新的材料组合不仅能够提升产水量和效率，还能显著降低单位产水成本，从而提高装置的经济可行性。同时，该组合的回收期仅为约143天（4.7个月），而传统DSS的回收期则长达231天（7.7个月）。这一结果表明，新的材料组合在经济上更具优势，能够更快地实现投资回报。

综上所述，本研究通过引入天然纤维和纳米相变材料的组合，成功提升了双坡太阳能蒸馏装置的性能。实验结果表明，sisal纤维与Nano-PCM的组合在提升产水量、能量效率和热力学效率方面表现最佳，同时在经济性方面也具有显著优势。这一研究为未来太阳能蒸馏技术的发展提供了新的思路和方向，特别是在提高蒸发效率和热储存能力方面。通过合理选择材料组合，研究人员可以有效提升太阳能蒸馏装置的性能，使其在各种气候条件下都能保持较高的效率，从而更好地满足实际应用的需求。