混合纳米流体传热传质与光催化特性的耦合机制

To realize the synergistic application of nanofluids to the heat and mass transfer as well as the photocatalysis fields, this project proposes a new technology of air purification with total heat recovery based on hybrid nanofluids. And following arrangements are settled to investigate the new basic problems in the new application field: 1) To prepare the stable TiO2-Ag hybrid nanofluids with sufficient shelf life and explore the dispersion method and mechanism. 2) To study the coupling mechanism of heat and mass transfer in different gas-liquid mixing types and obtain the optimal type.3)To explore the photocatalytic degradation of organic pollutants of TiO2-Ag hybrid nanofluids at different doped proportions, and analyze the coupling mechanism of heat and mass transfer as well as the photocatalysis to obtain the optimal mixture ratio, operating condition and gas-liquid mixing type. This project is proposed to realize an inter disciplinary research including high efficiency and energy saving technology by heat and mass transfer enhancement and total heat recovery, and air purification by and photocatalytic degradation and sterilization. It is expected that this work will provide experimental and theoretical basis for the developing of high efficiency and energy saving as well as environment-friendly air purification equipment.

为了实现纳米流体技术在传热传质与光催化领域的协同利用，本项目提出基于混合纳米流体的全热回收式空气净化新技术，并拟对其所面临的新的基础问题进行研究，包括：1）制备分散稳定性满足使用期限的TiO2-Ag混合纳米流体，探寻混合纳米流体的制备方法及分散机制；2）研究不同气液接触模式下TiO2-Ag纳米流体的传热传质耦合机制，获得最佳的气液传热传质组合方式；3）探索不同掺杂比例的TiO2/Ag纳米流体光催化降解有机污染物特性，并分析其与传热传质特性的耦合机制，获得传热传质与光催化协同利用最优效果的纳米流体配方、工况及气液接触方式。本项目将利用多功能混合纳米流体来实现传热传质强化、全热回收的高效节能技术和光催化、除菌的大气污染物治理技术这两个高新技术的深度交叉，为开发新型高效、节能环保的空气净化设备提供实验和理论依据。

协同利用纳米粒子本身的光催化特性和纳米流体强化传热传质特性是提升其综合应用潜力的有效途径。项目提出了基于TiO2-Ag混合纳米流体的全热回收式空气净化新技术，并对纳米流体在气液传热传质和光催化降解两方面的耦合机制进行研究。主要内容包括：（1）制备了TiO2-Ag混合纳米流体并研究了表面活性剂、超声振荡和储存时间稳定性的影响，确定了最佳分散工艺。（2）实验测试了纳米流体的导热系数和粘度，建立了人工神经网络模型较好地预测流体的热物性。（3）搭建了TiO2-Ag混合纳米流体全热回收式空气快速净化系统，研究了不同参杂比例的传热传质与光催化耦合特性，获得了最有效果的纳米流体配比，研究了“鼓泡”“喷雾”“填料”系统参数及纳米流体自身参数对强化传热传质特性的影响，并设计了智能切换控制系统。实验结果表明TiO2-Ag混合纳米流体传热传质与光催化与纳米粒子含量存在耦合关系，粒子浓度高传热传质性能会强化，但高粒子浓度的光线遮挡效应使得流体光催化作用减弱，体积分数为0.001%的TiO2-Ag纳米流体具有最佳的净化有机污染物性能。系统同时具备较强的PM2.5和PM10的净化和灭菌功能，鼓泡工况的强化传热和空气净化效果最优。在热回收和杀菌需求高的情况下推荐提高TiO2颗粒浓度的方式强化灭菌效果，而对有机污染物光催化降解需求高的情况下建议为低浓度（0.001%）。本研究为基于纳米流体的传热传质和光催化耦合机制探究提供了坚实的基础，为纳米流体技术在空气净化应用提供有价值的技术储备。