利用粉煤灰和水合无机盐合成无机相变储能材料的方法技术

一种利用粉煤灰和水合无机盐合成无机相变储能材料的方法，属于无机非金属材料的合成技术领域，粉煤灰与复合相变材料的组成按质量百分数表征为粉煤灰30～40％，复合相变材料60～70％。复合相变材料的组成为十水硫酸钠49～58％、十二水合磷酸氢钠21～36％、硼砂3～4％，水11～18％。先将十水硫酸钠与十二水合磷酸氢钠和硼砂配成饱和溶液，然后利用粉煤灰的多孔性进行吸附，制成可调节室温的复合相变材料。本发明专利技术优点是：原料完全属于无机材料，来源广、成本低；利用了固体废弃物粉煤灰，且不用担心与建材的结合问题；合成方法简单，相变温度处于室温范围，方便对室内温度的调节；复合相变蓄热材料不分层、过冷度也得到缓解,性能稳定,重复性好,使用寿命延长,能够更好的应用于实际的建筑节能工程中。

【技术实现步骤摘要】
利用粉煤灰和水合无机盐合成无机相变储能材料的方法
本专利技术涉及无机非金属材料的合成
，特别是用固体废弃物(粉煤灰)、十水硫酸钠、十二水合磷酸氢钠及硼砂为原料合成无机复合储能相变材料的方法。
技术介绍
近年来，由于能源短缺问题越来越显著，各国开始致力于发展可再生能源和回收废热，例如对太阳能、风能、地热能等的利用。储热技术(Thermalenergystorage)可用于解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾，是提高能源利用效率和保护环境的有效手段，在太阳能利用、电力的“移峰填谷”、废热和余热的回收利用以及工业与民用建筑采暖与空调的节能等领域具有广泛的应用前景，已成为世界范围的研究热点。相变材料(PCM)作为相变储能技术的核心材料在储存太阳能和废热利用等方面有很大的潜力，相比于一般的储存材料，如水或岩石等，单位体积的PCM能储存更多的热量，另一个关键优势是PCM储热和恢复等温发生，这使得它们非常适用于空间加热或冷却。目前PCMs材料与建筑材料的结合方法主要包括直接掺入、浸渍、封装和定型相变材料等。其中直接掺入和浸渍是将相变材料和建筑材料直接结合，虽然比较简单，但是存在泄漏和材料不相容等问题。封装又分为宏观封装和微观封装，宏观封装是指把相变材料封装到一个特定的容器(如管状容器、球状容器、板状容器)中，微观封装(微胶囊技术)是指把相变材料封装在微型高分子聚合物中，然后再混入建筑材料中。定型相变材料指的是将相变材料分散在另外一种支撑材料(如高密度聚乙烯、丁苯橡胶等)中，形成一种复合材料。由于这种复合材料一般都具有较大的热容、合适的导热系数、较好的固定相变材料和较好的热循环稳定性，目前关注度越来越高。此外采用无机多孔材料吸附相变材料也是目前研究比较广泛的定型封装技术，目前应用较多的多孔材料有：膨胀珍珠岩、膨胀石墨、海泡石、蒙脱土、陶瓷等。粉煤灰作为典型的固体废弃物，因其较大的比表面积和多孔性质，且和水泥较好的结合能力，是用来吸附相变材料用于建筑节能的理想选择。目前国内外对于定型相变材料的研究大多数主要集中在有机相变材料，属于有机～有机类(大多数的微胶囊技术，三聚氰胺甲醛树脂～正十二醇、聚脲～硬脂酸丁酯等)或者无机～有机类(大多数的定型相变材料，部分微胶囊技术，高岭土～石蜡、硅藻土～聚乙二醇、膨胀石墨～软脂酸等)。无机相变材料尤其是无机水合盐类相对有机相变材料具有热密度大、导热系数高、成本低等优势，虽然过冷与相分离问题制约着无机相变材料的发展，但是有研究表明微孔吸附后相分离问题可以得到解决，并且还可以在一定程度上缓解过冷度。因此近年来针对无机相变材料的定型封装研究越来越多，目前研究较多的是膨胀石墨对于无机相变材料的吸附，但是膨胀石墨成本较高，本身预处理还要消耗能量，特别是膨胀石墨和水泥等建筑材料结合会导致建材的抗压强度下降，而相比膨胀石墨，粉煤灰虽然比表面积相对不大，但是粉煤灰本就为固体废弃物，利用粉煤灰吸附能够大幅度降低吸附剂的成本，而且消纳了固体废弃物，关键是粉煤灰与水泥的成分很接近，水泥生产中本就可以添加部分粉煤灰，因此不用考虑材料本身不相容的问题，且合成方法简单，不用预处理。本研究所述相变储能材料完全由无机材料合成，属于无机～无机类复合相变材料，相比其他有机～有机、有机～无机类相变储能材料具有能量密度大、成本低、安全系数高等优势；更是利用固废粉煤灰作为吸附载体，且相变也在室温完成，在建筑储能领域具有广阔的发展前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用粉煤灰、十水硫酸钠、十二水合磷酸氢钠及硼砂为原料合成无机复合储能相变材料的方法。本专利技术合成用的原料全部为无机材料，其中粉煤灰属于固废。本专利技术仅采用简单混合吸附方法，且在室温下发生相变，各项性能均达到预期目标，可用于调节室内温度，未来在建筑节能领域应用前景广阔，具有较高的经济价值和环境意义。本专利技术公开了一种利用粉煤灰和水合无机盐合成无机相变储能材料的方法，其特征在于粉煤灰、十水硫酸钠、十二水合磷酸氢钠、硼砂为原料，合成方法包括如下步骤：(1)原料准备：将粉煤灰在60摄氏度烘箱中干燥10～15小时，选择十水硫酸钠、十二水合磷酸氢钠两种无机水合盐作为相变材料，选择硼砂作为成核剂；(2)无机复合相变材料制备：控制十水硫酸钠、十二水合磷酸氢钠和硼砂的质量比，按照质量百分数十水硫酸钠49～58％、十二水合磷酸氢钠21～36％、硼砂3～4％，水11～18％进行混合，放入55～65摄氏度烘箱中直至其中的固体完全熔化形成饱和溶液；(3)粉煤灰吸附：按照质量百分数配比：粉煤灰30～40％，无机复合相变材料60～70％，将称量好粉煤灰加入上述饱和溶液中，利用磁力搅拌器在55～65摄氏度时，保持转速500～800转/分钟搅拌0.5-1.5小时，使得粉煤灰均匀分散于复合相变材料的饱和溶液中，再放入55～65摄氏度烘箱中10～15小时，保证粉煤灰吸附完全；(4)低温蒸发：将上述吸附完全的粉煤灰相变材料放10～20摄氏度恒温环境中干燥10～15小时，蒸发掉多余的水分。本专利技术的优点在于：利用固体废弃物粉煤灰、十水硫酸钠、十二水合磷酸氢钠及硼砂为原料合成无机复合储能相变材料，制备的原料为粉煤灰，消纳了固体废弃物，十水硫酸钠也属于储量比较丰富的矿物质，成本较低，十二水合磷酸钠和硼砂作为添加剂也比较容易获得。此外，本专利技术的合成方法简单，粉煤灰不需要额外预处理，且粉煤灰与无机相变材料仅通过简单吸附的方式就可以完成，得到的复合相变材料的初始热值达到了100～110焦/克，起始熔化温度23～25摄氏度，60摄氏度内的失重在5％以内，经过100次冷热循环后热值仍能保持在80焦/克以上。不仅解决了固体废弃物大量堆积对环境造成的污染，未来在建筑节能利用的应用也大有可期，而且符合国家倡导的“循环经济”的产业政策。附图说明图1粉煤灰复合相变材料制备流程。图2粉煤灰复合相变材料差示扫描量热图。图3粉煤灰复合相变材料X射线衍射图谱。图4粉煤灰复合相变材料显微组织。图5粉煤灰复合相变材料热重图像。图6粉煤灰复合相变材料循环实验结果。具体实施方式采用粉煤灰、十水硫酸钠、十二水合磷酸氢钠及硼砂为原料，合成无机复合储能相变材料，其配比如表1所示。制备流程如图1所示。对合成试样进行X射线衍射、SEM、热重分析和差示扫描量热分析。表1.制备粉煤灰复合相变材料原料配比图2是粉煤灰复合相变材料的差示扫描量热测试结果，如图所示，样品的起始熔化温度23摄氏度、熔化热109.0焦/克，起始凝固温度15摄氏度，凝固热72.2焦/克。图3、图4是粉煤灰复合相变材料的X射线衍射和SEM结果，图3可以看出，复合相变材料中的物相除了粉煤灰的主要成分(二氧化硅、莫来石)之外，就是硫酸钠和磷酸钠的水合物，图4是吸附前后的粉煤灰形貌，a图是吸附之前的粉煤灰形貌，b图是吸附之后的粉煤灰形貌。图5是粉煤灰复合相变材料的热重测试结果，从图中可以看出在工作温度(60摄氏度内)范围内样品的失重不超过5％。图6是样品的循环实验结果，经过100次冷热循环，材料的热值仍保持在80焦/克以上。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用粉煤灰和水合无机盐合成无机相变储能材料的方法，其特征在于以粉煤灰、十水硫酸钠、十二水合磷酸氢钠、硼砂为原料，合成方法包括如下步骤：(1)原料准备：将粉煤灰在60摄氏度烘箱中干燥10～15小时，选择十水硫酸钠、十二水合磷酸氢钠两种无机水合盐作为相变材料，选择硼砂作为成核剂；(2)无机复合相变材料制备：控制十水硫酸钠、十二水合磷酸氢钠和硼砂的质量比，放入55～65摄氏度烘箱中直至其中的固体完全熔化形成饱和溶液；(3)粉煤灰吸附：将称量好粉煤灰加入上述饱和溶液中，利用磁力搅拌器在55～65摄氏度时，保持转速500～800转/分钟搅拌0.5‑1.5小时，使得粉煤灰均匀分散于复合相变材料的饱和溶液中，再放入55～65摄氏度烘箱中10～15小时，保证粉煤灰吸附完全；(4)低温蒸发：将上述吸附完全的粉煤灰相变材料放10～20摄氏度恒温环境中干燥10～15小时，蒸发掉多余的水分。

【技术特征摘要】
1.一种利用粉煤灰和水合无机盐合成无机相变储能材料的方法，其特征在于以粉煤灰、十水硫酸钠、十二水合磷酸氢钠、硼砂为原料，合成方法包括如下步骤：(1)原料准备：将粉煤灰在60摄氏度烘箱中干燥10～15小时，选择十水硫酸钠、十二水合磷酸氢钠两种无机水合盐作为相变材料，选择硼砂作为成核剂；(2)无机复合相变材料制备：控制十水硫酸钠、十二水合磷酸氢钠和硼砂的质量比，放入55～65摄氏度烘箱中直至其中的固体完全熔化形成饱和溶液；(3)粉煤灰吸附：将称量好粉煤灰加入上述饱和溶液中，利用磁力搅拌器在55～65摄氏度时，保持转速500～800转/分钟搅拌0.5-1.5小时，使得粉煤灰均...

【专利技术属性】
技术研发人员：张梅，郭敏，刘磊，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11