CN115287048A - 一种稳定的三水醋酸钠过冷溶液及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能光热系统热能储存技术领域，具体公开了一种稳定的三水醋酸钠过冷溶液，其制备原料的质量百分比分别为：三水醋酸钠50~96%、马来酸0.1~46%，水1~30%。本发明的稳定的三水醋酸钠过冷溶液，加入马来酸能够有效抑制三水醋酸钠过冷溶液晶体析出，得到稳定的三水醋酸钠过冷溶液能够长期静置超过5个月无晶体析出，具有长期稳定性能，实现了三水醋酸钠长期稳定的储存能量；并且相变潜热未减少，激发温度未明显增加，在‑14℃~‑10℃之间，符合储热的要求，能够用作长期稳定的储热材料。
Description
技术领域
本发明属于太阳能光热系统热能储存技术领域，特别涉及一种稳定的三水醋酸钠过冷溶液及其制备方法与应用。
背景技术
太阳能相较于其他能源，具有以下优点：能量的无穷性，太阳能每秒向太空放射的能量约为3.8×1023kWh，是目前全球能耗的数万亿倍，相对于常规能源储量来说﹐太阳能的储量几乎是“无限的”取之不尽、用之不竭；存在的普遍性，相对于其它形式能源来说﹐太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性﹐可就地取用，这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景；利用的清洁性，太阳能像风能、潮汐能等其他洁净能源一样﹐其开发利用时﹐几乎不产生任何二次污染；开发的经济性，在目前的技术水平下﹐太阳能的开发利用不仅是可能的而且是可行的。随着科学技术的不断发展和突破，从中长期角度看，太阳能的开发利用将具有显著的经济性。综上可以看出太阳能在世界能源结构转换中担当重任，成为理想的替代能源。
目前全世界都在研究太阳能热发电系统，但是太阳能对地球能量的输送存在时间性﹐并不是每时每刻都能够利用太阳能，所以太阳能热发电系统中最需要解决的问题就是如何能在夜间和阴雨等无太阳直接照射的情况下进行发电，这就需要将太阳能用适当的方式储存起来﹐再在适当的时候将其取出利用。目前最好的办法就是用太阳能直接加热传热媒体﹐在通过传热媒体将热量传给储热容器﹔在适当的时候再由传热媒体将热量从储热容器中取出利用，进行发电。而三水醋酸钠因具有高储能密度、高导热系数以及近似恒温条件下被动蓄/放热的特性,被认为是50~60℃范围内最具潜力的相变储能材料。深度过冷时，三水醋酸钠可在环境温度下，长期维持液体状态不变。过冷是指用适当的方式缓慢冷却饱和溶液时，可使其变成过饱和而不析出溶质的结晶的现象，得到的溶液称为过冷溶液。过冷液体又称未饱和液体，指一定压力下温度低于对应的饱和温度的液体或温度低于凝固点的液体。由于过冷液态的三水醋酸钠冷却到室温的自身温度与环境温度相同，无显热的能量交换，因此利用这种特性可实现长期相变储能。然而三水醋酸钠过冷溶液不稳定，在实际应用中容易会发生晶体析出现象，是储存相变热量不可忽视的一个重要问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种稳定的三水醋酸钠过冷溶液及其制备方法，克服三水醋酸钠过冷溶液不稳定、容易发生晶体析出的缺陷与不足。
为实现上述目的，本发明提供一种稳定的三水醋酸钠过冷溶液，原料的质量百分比为：三水醋酸钠50~96%、马来酸0.1~46%、水1~30%。
本发明的技术方案的技术原理为：马来酸中有氢键，通过马来酸中的氢键使得与水结合形成水合分子，从而进一步聚集慢慢形成三维水化网状结构，从而有效抑制三水醋酸钠过冷溶液的晶体析出。
优选的，上述的稳定的三水醋酸钠过冷溶液，原料的质量百分比为：三水醋酸钠80~96%、马来酸1~10%、水1~10%。
优选的，上述的稳定的三水醋酸钠过冷溶液，原料的质量百分比为：三水醋酸钠95.6%、马来酸2%、水2.4%。
为实现上述目的，本发明提供了一种稳定的三水醋酸钠过冷溶液的制备方法，包括以下步骤：
（1）将三水醋酸钠粉末和马来酸进行研磨混合，得到研磨样品；
（2）将步骤（1）得到的研磨样品和蒸馏水混合，在水浴条件下进行加热搅拌，得到透明液体；
（3）将步骤（2）得到的透明液体在水浴条件下保温一段时间；
（4）将步骤（3）得到的透明液体冷却，得到稳定的三水醋酸钠过冷溶液。
优选的，上述的稳定的三水醋酸钠过冷溶液的制备方法中，所述步骤（2）中，所述步骤（2）中，在水浴条件加热至75℃~85℃保温1~3h大部分固体熔化成液体，然后搅拌5~10min，固体充分熔化并且混合均匀。
优选的，上述的稳定的三水醋酸钠过冷溶液的制备方法中，所述步骤（3）中，保温温度为75℃~85℃，保温时间1~2h，让液体趋于稳定，有利于后面长时间稳定储能。
优选的，上述的稳定的三水醋酸钠过冷溶液的制备方法中，所述步骤（4）中，稳定的三水醋酸钠过冷溶液的液面高度为4~6cm。
优选的，上述的稳定的三水醋酸钠过冷溶液的制备方法中，所述步骤（4）中，在干燥、室温条件下静置冷却。
上述的稳定的三水醋酸钠过冷溶液在长期稳定的储热材料中的应用。
与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：
1. 本发明的稳定的三水醋酸钠过冷溶液，加入马来酸能够有效抑制三水醋酸钠过冷溶液晶体析出，得到稳定的三水醋酸钠过冷溶液，长期静置超过5个月无晶体析出，具有长期稳定性能，能够实现了三水醋酸钠长期稳定的储存能量；并且相变潜热未减少，激发温度未明显增加或者降低，在-14℃~-10℃之间，符合储热的要求，能够用作长期稳定的储热材料；传统的太阳能转化系统的利用显热方式，新型储能材料三水醋酸钠的过冷溶液对太阳能的利用率高。
2. 本发明的稳定的三水醋酸钠过冷溶液，能够长期保持稳定，进行反复加热-冷却实验，模拟作为储能材料使用的实际情况，经过30次的循环反复加热-冷却实验，未出现晶体析出现象，达到理想要求；证明本发明的稳定的三水醋酸钠过冷溶液不仅能够长期稳定储能，还可以反复使用并非一次性。
3. 本发明的稳定的三水醋酸钠过冷溶液的制备方法，反应条件可控，设备要求简单，易于实现批量生产，制备得到的三水醋酸钠过冷溶液能够稳定地储存热能，提高热能利用率和保护环境。
附图说明
图1为本发明实施例1和对比例1制备的三水醋酸钠过冷溶液的激发温度曲线图。
图2为本发明的实施例1和对比例1制备的三水醋酸钠过冷溶液的TG-DSC曲线图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
以下实施例和对比例的容器为相同规格的玻璃广口瓶，采用相同批次三水醋酸钠。
实施例1
一种稳定的三水醋酸钠过冷溶液，其制备原料的质量百分比分别为：三水醋酸钠95.6%、马来酸2%、水2.4%。
一种稳定的三水醋酸钠过冷溶液的制备方法，包括以下步骤：
（1）将三水醋酸钠粉末和马来酸进行研磨混合，得到研磨样品；
（2）将步骤（1）得到的研磨样品和蒸馏水放入容器中，在水浴条件下进行加热至85℃保温1.5h，恒温条件下搅拌10min，得到透明液体；
（3）将步骤（2）得到的透明液体在水浴条件下85℃保温1h；
（4）将步骤（3）得到的透明液体在干燥、室温条件下静置冷却，得到稳定的三水醋酸钠过冷溶液，液面高度为4cm。
本实施例制备的稳定的三水醋酸钠过冷溶液长期静置超五个月，无晶体析出、保持稳定状态；经过30次循环加热（85℃）-冷却试验，未出现晶体析出现象，保持稳定；激发温度为-13.1℃。
实施例2
一种稳定的三水醋酸钠过冷溶液，其制备原料的质量百分比分别为：三水醋酸钠94.8%、马来酸3%、水2.2%。
一种稳定的三水醋酸钠过冷溶液的制备方法，包括以下步骤：
（1）将三水醋酸钠粉末和马来酸进行研磨混合，得到研磨样品；
（2）将步骤（1）得到的研磨样品和蒸馏水放入容器中，在水浴条件下进行加热至85℃保温1h，恒温条件下搅拌10min，得到透明液体；
（3）将步骤（2）得到的透明液体在水浴条件下85℃保温1h；
（4）将步骤（3）得到的透明液体在干燥、室温条件下静置冷却，得到稳定的三水醋酸钠过冷溶液，液面高度为4cm。
本实施例的稳定的三水醋酸钠过冷溶液长期静置超五个月，无晶体析出、保持稳定状态；经过30次循环加热（85℃）-冷却试验，未出现晶体析出现象，保持稳定，激发温度为-14℃。
实施例3
一种稳定的三水醋酸钠过冷溶液，其制备原料的质量百分比分别为：三水醋酸钠95.6%、马来酸2%、水2.4%。
一种稳定的三水醋酸钠过冷溶液的制备方法，包括以下步骤：
（1）将三水醋酸钠粉末和马来酸进行研磨混合，得到研磨样品；
（2）将步骤（1）得到的研磨样品和蒸馏水放入容器中，在水浴条件下进行加热至85℃保温1.5h，恒温条件下搅拌10min，得到透明液体；
（3）将步骤（2）得到的透明液体在水浴条件下85℃保温1h；
（4）将步骤（3）得到的透明液体在干燥、室温条件下静置冷却，得到稳定的三水醋酸钠过冷溶液，液面高度为5cm。
本对比例制备的三水醋酸钠过冷溶液可长期静置超五个月，经过30次循环加热（85℃）-冷却试验保持稳定，激发温度为-10℃。
对比例1
本对比例与实施例1不同之处在于：本对比例不加入马来酸，其制备原料的质量百分比分别为：三水醋酸钠97.55%、水2.45%。
本对比例的三水醋酸钠过冷溶液的制备方法，包括以下步骤：
（1）将三水醋酸钠和蒸馏水放入容器中，在水浴条件下进行加热至85℃保温1.5h，恒温条件下搅拌10min，得到透明液体；
（2）将步骤（1）得到的透明液体在水浴条件下85℃保温1h；
（3）将步骤（2）得到的透明液体在干燥、室温条件下静置冷却，得到的三水醋酸钠过冷溶液，液面高度为4cm。
本对比例的三水醋酸钠过冷溶液维持静置超过两周后开始有晶体析出，过冷溶液维持稳定过冷状态时间为两周。
对比例2
一种三水醋酸钠过冷溶液，其制备原料的质量百分比分别为：三水醋酸钠97.3%、马来酸2%、水0.7%。
一种三水醋酸钠过冷溶液的制备方法，包括以下步骤：
（1）将三水醋酸钠粉末和马来酸进行研磨混合，得到研磨样品；
（2）将步骤（1）得到的研磨样品和蒸馏水放入容器中，在水浴条件下进行加热至85℃保温1.5h，恒温条件下搅拌10min，得到透明液体；
（3）将步骤（2）得到的透明液体在水浴条件下85℃保温1h；
（4）将步骤（3）得到的透明液体在干燥、室温条件下静置冷却，得到三水醋酸钠过冷溶液，液面高度为4cm。
本对比例制备的三水醋酸钠过冷溶液可长期静置超三个月，经过30次循环加热（85℃）-冷却试验保持稳定，激发温度为-8℃。
对比例3
一种三水醋酸钠过冷溶液，其制备原料的质量百分比分别为：三水醋酸钠95.6%、马来酸2%、水2.4%。
一种三水醋酸钠过冷溶液的制备方法，包括以下步骤：
（1）将三水醋酸钠粉末和马来酸进行研磨混合，得到研磨样品；
（2）将步骤（1）得到的研磨样品和蒸馏水放入容器中，在水浴条件下进行加热至85℃保温1.5h，恒温条件下搅拌10min，得到透明液体；
（3）将步骤（2）得到的透明液体在水浴条件下85℃保温1h；
（4）将步骤（3）得到的透明液体在干燥、室温条件下静置冷却，得到稳定的三水醋酸钠过冷溶液，液面高度为3cm。
本对比例制备的三水醋酸钠过冷溶液可长期静置超五个月，经过30次循环加热（85℃）-冷却试验保持稳定，激发温度为-17℃，激发温度明显降低。
本发明实施例1和对比例1制备的三水醋酸钠过冷溶液的激发温度曲线图如图1，过冷溶液随环境温度降低而降低，在-13.1℃时发生激发，释放热量，温度上升，因环境温度很低，材料温度上升一定程度后就继续下降；表明本发明的三水醋酸钠过冷溶液与三水醋酸钠过冷溶液激发温度相近，未发生明显改变。图2为本发明的实施例1和对比例1制备的三水醋酸钠过冷溶液的TG-DSC曲线图，从图中可以看出本发明的稳定的三水醋酸钠过冷溶液热流峰值温度提高了5℃左右，在70~80℃之间，本发明的稳定的三水醋酸钠过冷溶液的样品热流密度更大，说明在此温度区间内马来酸吸收了部分热量。温度70℃左右时，样品均大致完成吸热过程，热流密度峰值基本相同，说明添加马来酸后的样品的相变潜热并没有发生较大变化。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (7)
1.一种稳定的三水醋酸钠过冷溶液，其特征在于，原料的质量百分比为：三水醋酸钠50~96%、马来酸0.1~46%、水1~30%。
2.一种如权利要求1所述的稳定的三水醋酸钠过冷溶液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将三水醋酸钠粉末和马来酸进行研磨混合，得到研磨样品；
（2）将步骤（1）得到的研磨样品和蒸馏水混合，在水浴条件下进行加热、搅拌，得到透明液体；
（3）将步骤（2）得到的透明液体在水浴条件下保温一段时间；
（4）将步骤（3）得到的透明液体冷却，得到稳定的三水醋酸钠过冷溶液。
3.根据权利要求2所述的稳定的三水醋酸钠过冷溶液的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，在水浴条件加热至75℃~85℃保温1~3h，然后搅拌5~10min。
4.根据权利要求2所述的稳定的三水醋酸钠过冷溶液的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，保温温度为75℃~85℃，保温时间1~2h。
5.根据权利要求2所述的稳定的三水醋酸钠过冷溶液的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中，稳定的三水醋酸钠过冷溶液的液体液面高度为4~6cm。
6.根据权利要求2所述的稳定的三水醋酸钠过冷溶液的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中，在干燥、室温条件下静置冷却。
7.根据权利要求1所述的稳定的三水醋酸钠过冷溶液在长期稳定的储热材料中的应用。
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