對溴化鋰溶液表面張力和沸騰溫度的影響論文

　　引 言

　　隨著科技的發展，能源及環境問題越來越成為人們關注的焦點。溴化鋰吸收式制冷機組(簡稱溴冷機)以其環保和可利用工業余熱等方面的優點，逐漸成為大型公共建筑中央空調的主選設備之一。但其運行效率不及壓縮式制冷空調機組，研究人員在提高溴冷機的熱效率方面做了很多工作，從高效換熱器和改進系統循環流程方面進行了大量研究。同時因工業余熱中煙氣資源豐富，節能潛力巨大，為使溴冷機更高效地利用低品位能源，一些研究者從改善機組使用溴化鋰溶液的特性入手，嘗試在溴化鋰溶液中混入添加劑以改善和提高溴化鋰溶液的熱物性，發現醇類等表面活性劑可以降低溶液表面張力，強化溶液的吸收過程。Hozawa等認為動態表面張力是溶液吸收效果增強的主要因素，對溶液表面張力降低的解釋歸結于“saltingout”模型(鹽析模型)的效果。Daiguji 等從分子動力學的角度研究了溴化鋰溶液的動態吸收過程，又微觀地分析了丙醇等添加劑對此過程的影響機理。朱蓓蓓等采用分子動力學軟件 GROMACS討論了添加劑辛醇作用下溴化鋰水溶液的汽液界面微觀形態。彭潺潺通過建模數值分析和測試了添加劑對溴化鋰水溶液吸收效果的影響。吳剛在研究中發現，添加適量的納米微粒及其分散劑，溴化鋰溶液的表面張力及發生溫度均大幅度降低，但偏離最優配比范圍會出現反作用。解國珍等在研究納米溴化鋰溶液的耐溫度特性時，分析了分散劑在各種溫度狀態下的燒結特性，提出避免納米微粒及其分散劑在溴化鋰溶液中產生燒結現象的新觀點，發現在溴化鋰溶液中加入固體納米微粒及相應分散劑后可改善溶液的傳遞特性。

　　關于納米微粒對溴化鋰溶液熱物性的影響研究主要從試驗方面或較宏觀的角度進行分析探討，對試驗現象的解釋一帶而過，沒有對溶液熱物性的變化進行更多的機理探討和更深層次的理論發掘。本文針對溴化鋰溶液的表面張力和沸騰溫度特性，分別在溴化鋰溶液中加入固體納米微粒及其相應分散劑，利用試驗方法研究不同種類固體添加劑對溴化鋰溶液表面張力和沸騰溫度的影響，從微觀的角度進行機理性分析，為固態添加劑應用到溴化鋰溶液提供數據和理論支持，并為分析不同種類添加劑對溴化鋰溶液熱物性的影響開辟路徑。

　　1.試驗研究

　　1.1 試驗材料

　　研究選用濃度為 99.9%的分析純溴化鋰作為基本溶質。以納米氧化銅和相應配合的分散劑檸檬酸銨(分散劑 B)、阿拉伯樹膠(分散劑 F)作為固體添加劑，其中納米微粒的純度為 99%，平均粒徑30 nm，比表面積≥40 m2·g1。通過與純水(蒸餾水)混合，經過一套嚴格的制備工藝，分別制備成混入不同種類固體添加劑的溴化鋰溶液。

　　1.2 試驗裝置及試驗

　　試驗裝置包括：①固體納米溴化鋰溶液制備裝置(包括 DF200A 電子分析天平、超聲波振蕩器、試管等);②恒溫裝置[由油浴加熱器、攪拌器(使油浴加熱介質溫度均勻)、高性能保溫材料(防止油浴器散熱)等組成];③溶液沸騰現象動態記錄裝置(包括 MAGA SPEED 30K 高速攝像儀、動態溫度測試系統);④表面張力分析系統(A801 表面張力儀、WBA-505 濃度分析儀)等。

　　試驗時，首先由固體納米溴化鋰溶液制備裝置完成添加固體納米微粒的各種溴化鋰溶液的試樣配制;然后使用電加熱器逐漸對玻璃燒杯中油浴進行加熱升溫，攪拌裝置完成浴油溫度均勻性，試管內放置不同種類的混入固體添加劑的溴化鋰溶液試樣;溶液沸騰現象動態記錄裝置完成對溶液動態沸點溫度的精確測試和數據處理，利用高速攝像機進行各種固體納米添加劑的溴化鋰溶液的沸騰現象和沸騰溫度的拍攝，即溶液氣泡生成過程和幾何參數進行對比性拍攝;同時，利用表面張力分析系統對各種溶液試樣進行表面張力的記錄與分析。

　　2.試驗與結果分析

　　為了提高對比測試純溶液和添加納米微粒后溶液沸騰溫度值的精度，將兩支試管一起放入恒溫油浴容器內同步測試數據。在一支試管中放入純溴化鋰溶液，另一支試管中依次放入納米溴化鋰溶液。逐步加溫油浴使溶液沸騰，觀察并用高速攝像機拍攝兩種液體沸騰時氣泡形成的動態圖形，動態記錄溶液的溫度變化。恒溫器內油浴溫度偏差在±0.2 ℃，每個溫度測試點安裝 3 個熱電偶測試溶液加熱溫度，并取平均作為其測試值。

　　2.1 固體納米添加劑對溴化鋰溶液表面張力影響

　　不同種類溴化鋰溶液的表面張力值見表 2，分散劑 B、分散劑 F、納米微粒對純溴化鋰溶液表面張力的影響如圖 2 所示，可以發現溶液濃度越大，表面張力越大。單獨加入分散劑 B 的溴化鋰溶液表面張力曲線與純溴化鋰溶液的特性曲線基本重合，說明分散劑 B 對溴化鋰溶液表面張力基本無影響;單獨加入分散劑 F 后，溶液表面張力減小最明顯，降低程度最大;單獨加入納米微粒后，溶液表面張力較純溶液稍有降低，但降低程度非常小;加入納米微粒及其相應分散劑之后，溶液的表面張力較純溶液也明顯變小，但降低幅度不及單獨使用分散劑 F。

　　在純溴化鋰溶液中加入分散劑 B 后，其在水中電離形成帶負電的羧酸根，該羧酸根對水分子的吸引會使溶液的表面自由能增大，表面張力升高。但由于分散劑 B 是一種小分子分散劑，每個鏈結上羧酸根的數目很少，且加入量也很少。因此在純溴化鋰溶液中單獨加入分散劑 B 后，溶液的表面張力僅有很小的變化，分散劑 B 對純溴化鋰溶液的表面張力基本無影響。同時，分散劑 B 是通過靜電穩定作用實現對納米微粒的分散，帶負電的羧酸根會增加納米微粒表面的負電荷，使其 Zeta 電位降低，實現靜電穩定作用。因此可以推測，對于具有類似小分子結構，且在水中電離后可吸附在納米微粒表面，并通過靜電穩定作用實現對納米微粒的分散穩定的'小分子分散劑，這一類分散劑對純溴化鋰溶液的表面張力基本無影響。

　　2.2 固體納米添加劑對溴化鋰溶液沸騰溫度影響

　　分散劑 B、分散劑 F、納米微粒對溴化鋰溶液沸騰溫度的影響，可以看出溶液的沸騰溫度基本隨濃度呈線性關系變化，濃度越大，沸騰溫度越大。在純溴化鋰溶液中加入分散劑 B 后，溶液的沸騰溫度曲線基本與純溴化鋰溶液的重合，說明分散劑 B 對溴化鋰溶液沸騰溫度基本無影響;單獨加入分散劑 F 后，溶液的沸騰溫度明顯下降;單獨加入納米微粒后，沸騰溫度有些許升高;加入納米微粒及其相應分散劑后，高濃度下溶液的沸騰溫度基本與純溴化鋰溶液一致，低濃度下溶液的沸騰溫度較純溶液稍有降低。

　　少量的分散劑 B 在純溴化鋰溶液中溶解后，溶液的濃度基本不變，僅是表面張力有非常小的波動，這基本不會改變溶液汽化成核時氣液界面的微觀條件，也不會使氣泡成核所需活化能有較大偏移，因此會出現溶液沸騰溫度基本一致的試驗現象。

　　加入納米微粒及其分散劑之后，雖然分散劑對納米微粒表面進行了修飾，但修飾過后的納米微粒仍然會填充凹坑，依然會抑制溶液的汽化成核，成為降低溶液沸騰溫度的負效應因素;同時，其表面張力的減小則成為降低溶液沸騰溫度的正效應因素。因此，溶液沸騰溫度的升高或降低取決于正、負效應的耦合結果。對該溶液加熱到 150℃以上時，納米微粒基本全部溶解在溶液中，溶液的內部組成發生明顯變化，因納米微粒的沉積造成沸騰溫度升高的負效應因素有所減弱，所以出現了低濃度時溶液的沸騰溫度稍有降低的現象。

　　3.結 論

　　不同種類固體添加劑會因其自身性質對溴化鋰溶液的表面張力和沸騰溫度產生不同影響。在溴化鋰溶液中加入小分子結構分散劑，通過在水中電離并通過靜電穩定作用實現對納米微粒的分散穩定，但該類分散劑對溴化鋰溶液的表面張力和沸騰溫度基本無影響。

　　分子結構中含有兩親基團和長碳鏈的高分子類分散劑，通過空間位阻穩定機理實現對納米微粒的分散穩定，可使溴化鋰溶液的表面張力和沸騰溫度都降低。外部輪廓為球形的納米微粒對溴化鋰溶液表面張力影響較小，但是在加熱表面的凹坑發生沉積使沸騰溫度有所升高。與納米微粒相適應的分散劑，可以使納米微粒破壞溶液界面飽和吸附層而影響溶液表面張力和沸騰溫度。綜合而言，納米溴化鋰溶液表面張力衰減的正效應因素和納米微粒填充凹坑的負效應因素的耦合影響將對其沸騰溫度產生重要影響。

　　研究結果為分析不同相態添加劑對溴化鋰溶液熱物性的影響開辟了路徑。研究沸騰溫度降低的納米溴化鋰溶液特性，有利于提高溴化鋰吸收式制冷機組的效率和更有效地利用余熱、廢熱能源。本文對添加固體納米微粒溴化鋰溶液沸騰溫度升高或降低的正負效應分析，為降低溴化鋰溶液沸騰溫度具有學術指導意義和應用價值。

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