【摘 要】
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黄磷渣是用电炉法提取黄磷后所排出的废渣,每生产1吨黄磷,约排放10吨黄磷渣。目前黄磷渣的应用主要是用在制备水泥、混凝土和烧结砖等建筑材料领域,虽然黄磷渣的应用途径广泛,但总的利用率和经济效益都比较低,每年仍有超过800万吨的黄磷渣被堆积放置,不仅占用土地,还污染周边环境。相变储热具有平衡热能供应和热能需求的能力被广泛应用于太阳能热发电和工业废热回收等领域。但相变储热的核心相变材料具有腐蚀性和形状不
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黄磷渣是用电炉法提取黄磷后所排出的废渣,每生产1吨黄磷,约排放10吨黄磷渣。目前黄磷渣的应用主要是用在制备水泥、混凝土和烧结砖等建筑材料领域,虽然黄磷渣的应用途径广泛,但总的利用率和经济效益都比较低,每年仍有超过800万吨的黄磷渣被堆积放置,不仅占用土地,还污染周边环境。相变储热具有平衡热能供应和热能需求的能力被广泛应用于太阳能热发电和工业废热回收等领域。但相变储热的核心相变材料具有腐蚀性和形状不稳定等缺点,通常需要对其进行封装处理。黄磷渣具有多孔隙形貌,采用压制成型法可将其制成多孔陶瓷。此外,黄磷渣经过高温热循环后会生成大量的纤维状晶体黄长石,使其具备良好的高温耐腐蚀性、尺寸稳定性和热稳定性。因此本研究提出了以黄磷渣和相变材料为原料,制备高温复合相变储能材料（C-PCMs）的新途径。首先,研究对比了块状黄磷渣和粒状黄磷渣的化学成分与微观形貌,又通过物相分析了Ca Cl2-NaCl,Li2CO3-K2CO3和Na2SO4-NaCl三种相变材料与黄磷渣混合烧结后的化学相容性。结果表明:富含孔隙结构的粒状黄磷渣为封装材料比较合适。随着粒状黄磷渣颗粒的逐渐减小,孔隙结构内部的比表面积逐渐增大。高比表面积和粗糙的表面,有利于装载和稳定相变材料。粒状黄磷渣和Na2SO4-NaCl具有良好的化学相容性,Na2SO4-NaCl可作为相变材料。其次,研究了C-PCMs的力学性能与粒状黄磷渣颗粒尺寸和Na2SO4-NaCl含量之间的关系。结果表明:C-PCMs的力学性能受到粒状黄磷渣颗粒尺寸和Na2SO4-NaCl含量的双重影响,其中抗压强度和体积密度随着粒状黄磷渣颗粒尺寸的减小逐渐增大,而随着Na2SO4-NaCl含量的增加逐渐增大。当只考虑Na2SO4-NaCl的含量时,Na2SO4-NaCl含量为60%的C-PCMs抗压强度和体积密度分别为122.30MPa和2.08g/cm~3。当粒状黄磷渣颗粒平均粒径为12.52μm时C-PCMs具有良好的致密结构,其体积密度为2.40g/cm~3,抗压强度为227.50MPa。通过TG-DSC研究了C-PCMs的潜热值、相变温度和热导率等。结果表明:C-PCMs的热性能与Na2SO4-NaCl的含量和粒状黄磷渣的颗粒尺寸密切相关,其中潜热值随Na2SO4-NaCl的含量增加而增大。在只考虑Na2SO4-NaCl的含量时,Na2SO4-NaCl含量为60%的C-PCMs熔化和凝固温度分别为624°C和626°C,熔化潜热值和凝固潜热值分别为119.09J/g和137.78J/g,C-PCMs中Na2SO4-NaCl的结晶度和单位质量的有效能量分别为88.57%和198.49J/g。在Na2SO4-NaCl的含量为定值60%的前提下,平均粒径为12.52μm的C-PCMs熔化和凝固温度分别为620°C和622°C,熔化潜热值和凝固潜热值分别为133.45J/g和146.49J/g,C-PCMs中Na2SO4-NaCl的结晶度和单位质量的有效能量分别为99.25%和222.42J/g。通过传热性能分析可知,C-PCMs的热导率受基体材料影响很大。在温度为定值580°C的前提下,当C-PCMs的骨架由紧密粘附的粒状黄磷渣颗粒组成时热导率为1.191W/（m·K）,而当C-PCMs的骨架由熔融Na2SO4-NaCl固化时粘结的粒状黄磷渣颗粒组成时热导率为0.897W/（m·K）。两者的热导率都大于纯Na2SO4-NaCl的热导率约为0.500W/（m·K）。最后,通过120次的热循环试验研究了C-PCMs的热循环稳定性。结果表明:C-PCMs经历120次热循环后,粒状黄磷渣仍能抵抗Na2SO4-NaCl的腐蚀,而且C-PCMs经过120次热循环后其相变特性和质量均没有太大的损失,Na2SO4-NaCl在热循环过程中趋于均匀稳定。
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