MIL-101制备及吸附制冷性能研究

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吸附式制冷技术以低品位热能为驱动力,采用环境友好型制冷剂,具有节能、环保等优势。吸附制冷系统的核心是由吸附剂和制冷剂组成的吸附制冷工质对,传统的分子筛-水、硅胶-水、活性炭-甲醇等工质对存在吸附容量较小、制冷效率偏低等问题,限制了吸附制冷技术的发展和应用。开发新型高效吸附制冷工质对,尤其是具有优异吸附性能的吸附剂是提高吸附制冷系统性能的关键。  金属有机骨架材料MIL-101具有优异的吸附性能、良好的吸附稳定性和热稳定性,在吸附制冷应用中具有巨大潜力。本文提出采用MIL-101作为吸附剂,测定不同吸附质在MIL-101上的吸附/脱附平衡性能;研究成型MIL-101-水和成型MIL-101-乙醇工质对的吸附制冷循环特性,为MIL-101在吸附制冷领域的大规模应用提供基础数据。本文主要研究内容和结论如下:  (1)采用水热法小釜合成MIL-101,并将其压片成型,考察不同成型压力对MIL-101孔道结构和静态吸水性能的影响。测得成型压力从3MPa增加到10MPa,MIL-101的比表面积从2047m2/g降低至852m2/g,3MPa压片成型MIL-101试样(MIL-101-3)的静态水吸附量为79.69%;10MPa压片成型MIL-101试样(MIL-101-10)对氮气的吸附/脱附等温线出现明显的滞后环。  (2)考察成型MIL-101-3试样对水、乙醇和异丁烷的吸附/脱附平衡性能。水在成型MIL-101-3上的吸附等温线为S型等温线,其对水的平衡吸附量达到0.95kg/kg,水在MIL-101-3上的DTA脱附峰顶温度为86℃,完全脱附温度约100℃;乙醇在MIL-101-3上的吸附等温线属于Ⅰ型等温线,其对乙醇的平衡吸附量接近0.72kg/kg,乙醇在MIL-101-3上的DTA脱附峰顶温度为64℃;异丁烷在MIL-101-3上的吸附等温线属于Ⅰ型等温线,其对异丁烷的平衡吸附量约0.48kg/kg,异丁烷在MIL-101-3上的DTA脱附峰顶温度为60℃。表明MIL-101适用于较低温度热源驱动的吸附制冷过程,有利于缩小设备体积,提高系统效率。  (3)在实验室搭建的吸附制冷循环模拟实验装置上,考察不同工作参数对MIL-101-3-水工质对和MIL-101-3-乙醇工质对吸附制冷性能的影响。在蒸发温度10℃工况下,MIL-101-3-水工质对的吸附制冷量为1059kJ/kg;蒸发温度从10℃上升到15℃,吸附制冷量增加37%,达到1449kJ/kg。对于较高蒸发温度的吸附制冷过程,MIL-101-3-水工质具有显著优势。在蒸发温度10℃时,MIL-101-乙醇工质对的制冷量为360.6kJ/kg;蒸发温度从5℃上升到15℃,制冷量增加了28%。MIL-101-3-乙醇工质对可同时适用于制冷工况(蒸发温度约0℃)和空调工况(蒸发温度5~15℃)。同时,MIL-101具有良好的吸附稳定性,在经过60组吸附制冷循环实验后,MIL-101-3试样的比表面积和孔容较实验前略有下降,其吸附性能维持恒定。MIL-101满足吸附制冷基本要求,在吸附制冷领域具有良好的应用前景。
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