Energy Use | 氨基酸基深共晶溶剂作为除湿溶液的热物性参数分析

图1 图文摘要

传统空调处理室外新风的处理过程中，需要同时处理显热和潜热负荷。在新风的除湿过程中，需要温度很低的冷冻水处理潜热负荷，这使得新风的温度过低，通常需要再热，造成的冷热量的相互抵消，增加了空调能耗。同时，过低温度的冷冻水和新风接触时会有冷凝水的产生，给室内的霉菌创造了一个舒适的成长环境，破坏室内生活环境。溶液除湿空调作为温湿度独立控制系统，通过液体干燥剂除湿，有效地解决了传统空调的两大痛点。但传统除湿溶液（如LiCl，LiBr溶液）对金属具有很高的腐蚀性，这限制了系统的应用范围的同时，也降低了系统的使用寿命。为了解决这个问题，研究人员通常会在除湿溶液里加入缓蚀剂，或在金属表面涂装防腐蚀层，但这极大地增加了系统的设计和维护成本，同时也一定程度上降低了系统的除湿效率。

图二 ADES的粘度

环境友好型深共晶溶剂本身低腐蚀性、低表面蒸汽压、无毒和价格低廉的特点使其有望全面替代传统除湿溶液。作者提出了基于氨基酸（L-精氨酸和L-脯氨酸）作为氢键受体，甘油为氢键供体制备而成的氨基酸基深共晶溶剂（ADES）。通过密度计、粘度计和表面张力仪分析了ADES的密度、粘度和表面张力等热物性参数；基于电化学工作站测试了其对铜、不锈钢和铁的腐蚀速率；以分析分子表面自由能的方式，选用COSMOtherm软件计算了其表面蒸汽压。ADES的粘度实验结果（图2）表明， 随着甘油比例的增加，ADES的粘度逐渐降低。原因在于甘油比例增加后，原本的氨基酸-甘油氢键网络被甘油-甘油氢键网络替换，氢键强度降低。温度升高时，ADES的粘度快速降低。这是因为温度升高使得分子运动更加剧烈，氢键网络遭到破坏，分子间的作用力减小。随着水含量的增加，氨基酸-甘油氢键网络逐渐被水分子破坏，使得ADES的粘度快速下降。相较于以L-精氨酸为氢键受体的ADES，以L-脯氨酸制备而成的ADES的粘度更低。原因在于L-精氨酸本身的氢键受体更多，与甘油会形成更加强大的氢键网络，从而限制溶液的流动。

图3 深共晶溶剂与传统除湿溶液的参数对比

传统除湿溶液对金属的腐蚀速率最高可至0.23mm/year，而ADES对金属的腐蚀速率低至0.01和0.001mm/year（图3）。这是因为氢键网络限制了金属离子和水分子的移动，极大低缓解了金属离子和水分子对金属表面的腐蚀。ADES虽然具有更低的金属腐蚀性，但其粘度和表面蒸汽压过高。粘度过高会增加系统运行时的能耗，而表面蒸汽压过高说明ADES的吸水能力有限。为了进一步优化ADES的设计，从模拟结果看出，降低其水含量可以使得蒸汽压大幅度降低，61%。同时，从实验结果可知，低粘度氢键供体-水含量的增加可以极大的为了降低ADES的粘度。因此可以选用本身粘度更低的溶剂如乙二醇作为氢键供体。