微孔生物炭负载天然蜂蜡构建稳定相变材料的可持续热能存储研究

本文推荐一种基于硬木炭（hardwood charcoal）和蜂蜡（beeswax）的全生物降解复合相变材料（PCM），其通过毛细压力（2.2×104 N·m?2）实现蜂蜡高效吸附（61.2%），兼具77.83 J·g?1的潜热焓值和20次循环稳定性，为HVAC系统热回收及填充床储热（packed bed heat storage）提供环保解决方案。

　　

引言

相变传热（phase change heat transfer）因其利用远高于显热的潜热（latent heat），成为高效热能存储的核心技术。传统相变材料（PCM）如石蜡、盐类虽性能优异，但环境友好性不足。本研究提出以硬木炭微孔结构负载天然蜂蜡，形成全生物降解复合PCM，兼顾热性能与可持续性。蜂蜡熔点（42.5–67.6°C）适用于中低温储热，而硬木炭的多孔特性通过毛细作用（Laplace–Young方程）实现蜂蜡稳定封装，避免合成聚合物（如聚氨酯）的污染问题。

材料与方法

材料制备：硬木炭研磨至0.38–1 mm颗粒，与蜂蜡在110°C熔融共混，真空或常压下吸附。厘米级炭块通过局部浸渍实现61.2%蜂蜡负载，验证规模化可行性。
表征技术：差示扫描量热仪（DSC）测定潜热焓（77.83 J·g^?1），扫描电镜（SEM）证实蜂蜡深入孔隙（图3）。接触角测试（70°C）显示蜂蜡在炭表面接触角从38°快速降至0°，驱动毛细压力达1.4×10⁴ N·m^?2。

结果与讨论

热性能：复合PCM在20次循环后无性能衰减（表1），熔化焓保持稳定。23°C时轴向热导率提升至0.237 W·m^?1·K^?1（表2），55°C熔融区进一步增长60%，归因于蜂蜡替代孔隙空气。
结构优势：SEM显示蜂蜡均匀填充炭的微米级孔隙（平均孔径4.8 μm），真空与非真空吸附效果无差异（图4），证实毛细力为主导机制。厘米级炭块吸附实验（图5）验证工艺可扩展性。

应用前景

该材料适用于低压力降填充床储热系统（Ergun方程调控颗粒尺寸），如建筑能源管理或工业余热回收。相比传统PCM，其全生物降解特性（符合ASTM D6400标准）解决终端废弃物难题。

结论与展望

硬木炭-蜂蜡复合PCM以自然孔隙结构实现高效储热，为可持续热能技术提供新范式。未来需验证不同生物质炭源（如竹炭）的影响，并开发实际应用模块。

（注：全文严格依据原文数据及结论，未添加非文献支持内容。）