类离子液体在相变储能中应用的可行性

2018-07-27 09:40:19 adman 71

在类离子液体中, 水合盐-水合盐、无水盐-水合盐体系即为常见的水合盐类共晶相变储能材料, 其已得到了广泛的研究和应用, 此处不再赘述. 本文主要讨论多元醇、酰胺和羧酸作为中性配体的类离子液体在相变储能中的应用.

相变储能材料的应用前景主要取决于其性能和工艺成本. 结合已有的相变储能材料研究, 从相变温度、循环性能、工艺成本和储能密度等方面对类离子液体在相变储能中应用的可行性进行分析.

从相变温度分析. 类离子液体固-液相变温度在−66~150℃, 与离子液体熔点类似, 正落于中低温相变储能材料的相变温度区间以内. 上述类型的类离子液体相变温度多处于0~30℃ (表3), 正是相变材料种类稀缺的相变温区, 可满足市场对空调相变换热材料和室温相变材料的迫切需求.

从循环性能分析. 离子液体可视为纯相化合物, 无相分离现象. 氢键供体类类离子液体为低共熔混合物, 即其组分比例位于固液相变的共晶点, 其组分均一熔化、均一凝固, 在吸、放热循环过程中可有效避免相分离, 具有较高的吸、放热循环稳定性.

从工艺成本分析. 工艺成本是衡量相变材料是否具有应用前景的重要指标. 白立光等[70]发现长链烷基咪唑类离子液体相变热最高可达152.6 J g−1. Bhatt等[71]利用离子交换法合成的四丁基铵盐离子液体焓变值最高275 J g−1. 影响上述离子液体产业化的关键因素在于生产成本过高, 性价比较低. 由于类离子液体的组分多为多元醇、氨基酸、有机酸、糖和胆碱衍生物等大宗化工产品, 价廉易得, 且多为代谢初级产物, 绿色环保. 其制备仅需多种化合物的简单混合加热, 加工成本极低, 且无副产物产生. 廉价、绿色的原料和简单的合成工艺有效降低了相变材料的工艺成本和对环境的影响, 提高了其应用的可行性.

从储能密度分析. Zhang等[72]在咪唑基离子液体中引入官能团, 合成了新型功能化离子液体, 发现官能团形成的氢键使得离子液体的熔解热、热容和储能密度分别提高了34%、86.5%和100%, 热分解温度高于200℃. 类离子液体中均存在三维氢键网络, 据此推断, 类离子液体应有更高的储能密度. 此外, 多元糖醇、有机羧酸、酰胺等类离子液体组分均为常见的高相变焓化合物, 见表4, 有机盐和无机盐中也不乏高储能密度的种类. 根据共晶相变材料的相变焓普遍规律分析, 利用具有高焓变值的化合物所得的类离子液体在很大程度上会具有较高的储能密度.

表3

表3 氢键供体-胆碱类类离子液体熔点[16]

R1

R2

R3

R4

X

化合物

Tf (℃)

CH3

CH3

CH3

C2H4OH

Cl

尿素

12

CH3

CH3

CH3

C2H4OH

NO3

尿素

4

CH3

CH3

CH3

C2H4OH

F

尿素

1

CH3

CH3

CH3

PhCH2

Cl

尿素

26

CH3

CH3

CH3

C2H4Cl

Cl

尿素

15

CH3

CH3

CH3

C2H4OH

Cl

甲基脲

29

CH3

CH3

CH3

C2H4OH

Cl

烯丙基脲

9

CH3

CH3

CH3

C2H4OH

Cl

香草醛

17

CH3

CH3

CH3

C2H4OH

Cl

2,3-二甲苯酚

17

CH3

CH3

CH3

C2H4OH

Cl

D-果糖

5

CH3

CH3

CH3

C2H4OH

Cl

香荚兰醛

17

CH3

CH3

CH3

C2H4OH

Cl

D-葡萄糖

15

CH3

CH3

CH3

C2H4OH

Cl

丙烯酰胺

32

CH3

CH3

CH3

C2H4OH

Cl

甲基丙

烯酸

15

CH3

CH3

CH3

C2H4OH

Cl

戊酸

22

CH3

CH3

CH3

C2H4OH

Cl

苯乙醇酸

33

CH3

CH3

CH3

C2H4OH

Cl

谷氨酸

13

CH3

CH3

CH3

C2H4OH

Cl

丙二酸

10

CH3

CH3

CH3

C2H4OH

Cl

草酸

34

CH3

CH3

CH3

C2H4OH

Cl

苯乙酸

25

CH3

CH3

CH3

C2H4OH

Cl

苯基丙酸

20


表4

表4 类离子液体典型组分的熔点和相变焓a)

化合物

熔点(℃)

相变焓(J g−1)

乙酸

15.9

164

二水草酸

101

398

丙二酸

135

224

丁二酸

188

311

己二酸

152

256

尿素

134

218

乙酰胺

82

233

丙酰胺

82

175

丁酰胺

117

212

癸酰胺

101

222

丙二酰胺

162

229

己二酰胺

226

365

1,6-己二醇

44

194

正癸醇[73]

7

210

十二醇[73]

24

216

肌醇

225

259

季戊四醇

191

281

内消旋-赤藓醇

110

273

双季戊四醇

220

263

2-氨基-2-甲基-1,3-丙二醇[74]

78

234

a)未标注引用文献化合物数据均为本课题组自测


由以上分析可见, 类离子液体可以满足相变储能材料实际应用中性能、经济等多方面的要求, 是一种接近理想状态的相变储能材料, 具有良好的研发和应用前景.


3.2类离子液体相变储能材料研究


在相变储能领域, 多元醇、酰胺和羧酸作为中性配体的类离子液体用作相变储能材料的研究还较少, 仅对酰胺-三水醋酸钠型类离子液体开展了研究.

方玉堂等[33]采用熔融共混法, 添加25% (质量分数)甲酰胺于结晶醋酸钠中, 可得到甲酰胺-三水醋酸钠类离子液体, 其熔点为41.77℃, 相变焓为241.3 J g−1, 经添加成型剂等可以形成稳定的相变材料, 具有过冷度低、放热时间长、循环稳定性好、相变焓高(233.9 J g−1)等优点, 可应用于相变蓄热地板辐射采暖. El-Bassuoni等[34]合成了尿素-三水醋酸钠二元相变储能材料, 相变温度为30℃, 相变焓为200.5 J g−1.

目前, 亟需开展各类型类离子液体熔点、凝固点、过冷度、熔解热、凝固热、导热系数、比热容、分解温度、体积膨胀率、吸放热循环稳定性等热物性的系统测试工作及对封装容器的腐蚀性研究, 以筛选具有优良综合性能的相变材料, 获取类离子液体, 尤其是无水型类离子液体相变过程中热物性变化规律, 为深入认识类离子液体储能机理, 构建类离子液体相变材料热物性理论预测模型, 开展相变材料的理论筛选积累基础数据.

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