Ca(NO3)2−LiNO3−H2O体系的相图研究及其相变储能材料的设计

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随着社会的发展,人们对能源方面的需求不断增加,但是能源的供应与需求都有很强的时间依赖性,在很多情况下还不能合理利用,从而导致能源的大量浪费。因此寻求储能材料成为人们急需解决的一个问题。相变储能材料(Phase Change Material,PCM)由于其在相变过程中吸放潜热的特性,并可以维持在一个相对恒定的温度,可以削弱能源供求之间在时间和速度上的不匹配程度,已成为近年来各国研究者在材料及能源科技发展研究方面非常活跃的领域。选择适合储热密度大的盐水体系的热力学模型,通过计算找出温度适宜的共晶点材料,进而对其储放热性能进行检测,是开发相变储能材料的有效方法。本文从我国储量丰富的钙锂资源入手,对Ca(NO32-LiNO3-H2O三元体系的溶解度相图进行深入研究,并借助热力学模型对该体系中潜在的相变储能材料进行研究,以期寻找到温度适宜的共晶点。为此,本课题展开的工作如下:(1)为了准确获得Ca(NO32-LiNO3-H2O体系的溶解度数据,对混合溶液中钙锂盐含量准确测定的分析方法进行了探讨。即先用烘水法对混合溶液中钙锂盐总量进行测定,钙的含量用草酸钙沉淀法测出,然后用差减法计算锂的含量。结果表明,烘水温度控制在225250°C,时间控制在1012 h,能将Ca(NO32-LiNO3-H2O体系中的水彻底除去,分析相对误差不超过±0.08%;当混合溶液中锂盐和钙盐的质量比未超过10:1时,钙、锂盐分析结果的相对误差在±0.9%以内。该方法与传统方法相比,具有精度高,溶解度数据准确的特点,满足对溶解度测得的要求。(2)文献报道的Ca(NO32-LiNO3-H2O三元体系的溶解度数据很少,且不完整。本文用等温溶解平衡法测定了273.15 K、298.15 K和323.15 K时Ca(NO32-LiNO3-H2O三元体系的准确溶解度,并绘出体系在不同温度下的溶解度相图。从得到的相图上看,273.15 K时Ca(NO32-LiNO3-H2O三元体系的等温溶解度曲线有2条分支,共饱点对应的平衡固相为Ca(NO3)2·4H2O+Li NO3·3H2O;298.15K时Ca(NO32-LiNO3-H2O三元体系中存在5个固相,分别为Ca(NO3)2·4H2O、Ca(NO3)2·3H2O、复盐、Li NO3和Li NO3·3H2O。结果发现,实验值和文献数据基本一致;323.15 K时,在靠近Ca(NO3)2的一侧,随着温度的升高,Ca(NO3)2浓度增大,体系的粘度增加,致使用实验手段无法测得全部溶解度,只获得了体系部分溶解度,包括一部分对应固相是Li NO3的溶解度和Ca(NO3)2-H2O二元体系的溶解度数据。(3)利用修正的BET模型,在仅用二元参数的情况下计算Ca(NO32-LiNO3-H2O三元体系的等温溶解度。结果表明BET模型预测的等温溶解度数据与本文实验值有一定的误差。为了得到更为准确的相图,利用本实验得到的溶解度数据,获得BET模型的盐-盐相互作用参数,重新计算三元体系Ca(NO32-LiNO3-H2O在273.15 K、298.15 K及323.15 K的等温溶解度,并预测了该体系在275373.15 K范围的完整相图。结果表明计算值和本文获得的实验值吻合的较好,有一定可靠性。并由相图得到该体系的两个共晶点:其中一个相变温度为292 K的二元共晶点,其组成用质量分数表示为Li NO3·3H2O:41.565%,Ca(NO3)2·4H2O:58.435%,另一个相变温度为288 K的三元共晶点,其组成用质量分数表示为Li NO3·3H2O:11.74%,Li NO3:25.8%,Ca(NO3)2·4H2O:62.46%。为验证这两个共晶材料作为潜在相变材料的可能性,对它们的储放热性能进行研究,包括结晶熔化行为与DSC测试,同时另选择其它不同的配比材料进行对比实验。结果表明:二元共晶材料Li NO3·3H2O-Ca(NO3)2·4H2O在1121°C的环境下,发生相变的温度为18°C左右,升降温平台都可以维持300 min以上,且热焓为106.5 J/g,表现为较好的吸放热能力,可用作潜在相变储热材料;三元共晶材料Li NO3·3H2O-Li NO3-Ca(NO3)2·4H2O发生相变的温度约为14.5°C,升温平台可以维持在250 min左右,而降温平台仅维持在60 min,但仍然可用作潜在相变储热材料。同时表明BET模型适合于用来预测和寻找水合熔盐相变储热材料。
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