陳文域

（江蘇省常州宣納爾新能源科技有限公司 江蘇省常州 213023）

隨著工業(yè)化發(fā)展，對于水的需求也越來越大，世界各國都面臨著水資源缺少的問題，這對于社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)穩(wěn)健增長有著不利影響。從國內(nèi)已有數(shù)據(jù)來看，中國人均水資源量僅達(dá)到世界標(biāo)準(zhǔn)的1/4，屬于水資源最缺乏的一批國家。而要想應(yīng)對這一問題，目前最直接有效的方式就是對于大規(guī)模進(jìn)行海水淡化。進(jìn)行海水淡化主流的方式包括有如下幾種：多級閃蒸、滲透膜處理、電滲析以及離子交換等方式。但是這些方式都在一定程度上會(huì)引起不可再生能源的消耗，進(jìn)一步引發(fā)能源問題的加劇，并且造成污染。相比起這一類方式，使用太陽能則會(huì)具有較大優(yōu)勢，其能夠滿足環(huán)保的要求，減少對于不可再生能源的使用，還能夠保證長期供能，并且能量總量巨大。由于這些優(yōu)點(diǎn)的存在，太陽能海水淡化相關(guān)領(lǐng)域有了越來越多的研究者和從業(yè)人員，也得到了越來越多國家的重視。如果能夠?qū)崿F(xiàn)將太陽能應(yīng)用到大規(guī)模海水淡化上，那么就能夠有效緩解當(dāng)前淡水資源缺乏的問題，有利于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)發(fā)展。

1 國內(nèi)太陽能膜技術(shù)研究現(xiàn)狀

由于這一技術(shù)的巨大優(yōu)勢和廣闊前景，當(dāng)前對于其的相關(guān)研究很多。從國內(nèi)的研究情況來看，已取得了不小的成果。殷文其等人通過使用U型管集熱器制造了一套太陽能膜海水淡化設(shè)備，通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這一系統(tǒng)具有很好的淡水轉(zhuǎn)化率，并且能夠保持較高的穩(wěn)定性。王許云等人研究了太陽能膜、光照強(qiáng)度以及膜的排布方式對于實(shí)現(xiàn)海水淡化的效果的影響，最終驗(yàn)證了兩者的作用情況。田瑞等人基于建模軟件建立了相應(yīng)的仿真系統(tǒng)進(jìn)行模擬，通過與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)兩者的差值在5%范圍以內(nèi)。

通過上述內(nèi)容能夠看到，所進(jìn)行的研究主要是圍繞兩個(gè)方面展開：①對于已有的包括集熱部分、太陽能膜以及冷凝設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，提高海水淡化的轉(zhuǎn)化率；②對于海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模分析，進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測，為實(shí)現(xiàn)海水淡化系統(tǒng)的自動(dòng)化及相關(guān)研究做下鋪墊。而本文的研究內(nèi)容就是圍繞相應(yīng)設(shè)備的改進(jìn)建立起對應(yīng)的海水淡化系統(tǒng)。

相比于其他形式的太陽能膜，本次設(shè)計(jì)中所采用的中空纖維膜能夠?qū)崿F(xiàn)較高的過流量，保證了進(jìn)行海水淡化的效率，流程圖如圖1。尤其是在近些年來，關(guān)于太陽能膜的研究越來越多，進(jìn)行海水或者高濃度鹽水的處理效果也越來越好，也日漸使用到其他領(lǐng)域的水處理過程之中。隨著這一類型膜的普及，會(huì)大大提高水處理的效率，有效提升海水淡化的轉(zhuǎn)化率，對于推動(dòng)這一領(lǐng)域的發(fā)展以及緩解國內(nèi)缺水現(xiàn)狀有著積極的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 海水淡化流程圖

2 系統(tǒng)最佳實(shí)驗(yàn)條件確定

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡介

本次實(shí)驗(yàn)首先需要確定最佳的實(shí)驗(yàn)條件，包括有：待淡化水溫度以及待淡化水流量。實(shí)驗(yàn)主體是中空纖維膜海水淡化設(shè)備，對于這一設(shè)備，在本次實(shí)驗(yàn)中，將通過外部電源供電轉(zhuǎn)化為熱來代替太陽光，通過配置溶液代替海水，然后膜選用PP材料。其中，實(shí)驗(yàn)設(shè)備見表1，中空纖維膜的參數(shù)見表2。待處理水是通過水中加入鹽分取得。實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡化圖如圖2所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

表2 中空纖維膜參數(shù)

圖2 海水淡化最佳實(shí)驗(yàn)條件確定實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡化圖

實(shí)驗(yàn)流程為：首先將配置的類似海水的溶液加入到待處理水水箱，通過靜置以及大顆粒過濾設(shè)備，進(jìn)行初步的淡化。之后再將一次處理的水經(jīng)過第二階段的中空纖維膜，高鹽分水排出。得到的水蒸氣經(jīng)過換熱器，通過和冷凝水進(jìn)行充分的熱交換實(shí)現(xiàn)降溫后冷凝，最終到達(dá)淡水箱，就得到了我們所需要的淡水。通過調(diào)整控制因子，分為三組，并且每次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)間為1.5h，多次實(shí)驗(yàn)取平均值作為參考值。

對應(yīng)于最佳進(jìn)水溫度的確定實(shí)驗(yàn)，是通過分別對于流速為45L/h和85L/h的待淡化水進(jìn)行研究溫度對于滲透量的影響，其圖像如圖3。而出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因?yàn)椋喊殡S著進(jìn)水溫度的上升，對應(yīng)的飽和壓力也在隨之上升，從而膜兩側(cè)壓差增大。但是這一上漲趨勢也不可以無限進(jìn)行的，從數(shù)據(jù)中能夠看到，當(dāng)?shù)竭_(dá)75℃之后，溫度再繼續(xù)上升，到達(dá)80℃或者90℃時(shí)，溫度過高，超出膜的承受能力，會(huì)導(dǎo)致膜組件的工作性能受到影響，反而使得滲透速度下降，從而得到最佳進(jìn)水溫度為75℃。

圖3 入口溫度對于滲透速度的影響

對應(yīng)于最佳流量的確定實(shí)驗(yàn)，是通過分別對于流速為65℃和75℃的待淡化水進(jìn)行研究流量對于滲透量的影響情況，其圖像如圖4所示。而出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因?yàn)椋喊殡S著待處理水流量的增加，使得流體的擾動(dòng)程度更高，對應(yīng)的極化程度降低，使得分子更加易于流動(dòng)，大大提升了滲透速度。本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對應(yīng)圖像如圖4所示。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠表明，當(dāng)流量到達(dá)85L/h之后，再繼續(xù)增加流量，其對于滲流速度的提升效果并不明顯。在兩個(gè)溫度下，高溫的滲流速度增加情況更為顯著的原因在于：高溫會(huì)使得極化情況變嚴(yán)重，但是流速提升會(huì)顯著改善這一影響，抑制極化過程，驅(qū)動(dòng)蒸汽流動(dòng)，大大提升了蒸汽穿過中空纖維膜的速度。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

圖4 流量對于滲透速度的影響

經(jīng)過如上實(shí)驗(yàn)流程，通過對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終確定了最佳的實(shí)驗(yàn)條件為：待淡化水進(jìn)水溫度為75℃，待淡化水流速為85L/h。對應(yīng)于這一條件，在這一試驗(yàn)設(shè)備條件下能夠取得最大滲透速度為11.393。對于已有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備取到最佳實(shí)驗(yàn)條件，取適量待處理溶液加入水箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，讓系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行10h，實(shí)驗(yàn)期間并且及時(shí)給水箱補(bǔ)水，最終得到其平均滲流速度為12.392，最終獲得的淡水總量為16.976kg。而能夠取得這么多淡水的原因在于很好的控制了進(jìn)水的溫度以及水流速度，使得中空纖維膜的傳輸速率大大提升。

綜上所述，當(dāng)取到最佳的實(shí)驗(yàn)條件時(shí)，基于中空纖維膜建立的太陽能海水淡化設(shè)備能夠具有較高的滲透速度，從而有效提升了海水的轉(zhuǎn)換率，實(shí)現(xiàn)了高效脫鹽，并且中空纖維膜具有很好的淡化效果。

3 中空纖維膜太陽能海水淡化系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備選擇

在這一部分之中將會(huì)對于包括升溫-膜蒸餾-降溫整體流程的運(yùn)行情況展開，分析這一系統(tǒng)所實(shí)際運(yùn)行的性能情況，對于系統(tǒng)的可行性以及運(yùn)行的可靠性進(jìn)行研究。在前一部分中，通過采用外部電源供電作為熱源，并且采用配置溶液代替海水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究了待處理水進(jìn)水溫度以及待處理水流速對于太陽能膜滲透速率的影響情況，并且最終確定了最佳的實(shí)驗(yàn)條件。在這一部分，將會(huì)再加入太陽灶作為熱源，選用天然海水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間選擇在了溫度較高且白天光照較強(qiáng)的夏季，確保了環(huán)境光照的持續(xù)性和可靠性，考察了隨著時(shí)間變化海水轉(zhuǎn)化量的變化情況，并且對于最終所取得的淡水質(zhì)量進(jìn)行了分析，從而證明了基于中空纖維膜制成的太陽能海水淡化系統(tǒng)有著較高的轉(zhuǎn)化效率和可靠的工作性能。

本次實(shí)驗(yàn)選在了某樓的七層樓樓頂，整個(gè)系統(tǒng)包括了待處理水箱、流量測量儀、太陽能集熱器、太陽灶、蒸發(fā)器、換熱器以及淡水箱等等幾個(gè)部分組成，對應(yīng)的圖像如圖5。其對應(yīng)的工作流程為：先將海水加入待處理水水箱，然后海水通過太陽能集熱器第一次被加熱，之后再進(jìn)入到太陽灶之中，被第二次加熱。經(jīng)過兩次加熱的海水到達(dá)蒸發(fā)器之中，汽化成為水蒸汽，汽化后的蒸汽通過真空纖維膜，之后再到達(dá)換熱器，在換熱器中水蒸汽與原始海水進(jìn)行換熱，水蒸氣被冷凝成為水進(jìn)入淡水箱中，原始海水被加熱了。此外，對于這一系統(tǒng)，其方向能夠進(jìn)行調(diào)整，可以依照光照方向改變朝向，大大提升了加熱速度。

圖5 流程圖

對于這一系統(tǒng)中的升溫部分，主要包括有太陽能集熱器以及太陽灶，通過吸收太陽光獲取熱能進(jìn)行升溫，從而實(shí)現(xiàn)對于海水的升溫。而對于這整個(gè)系統(tǒng)來說，升溫系統(tǒng)無疑起著即為重要的作用，決定了整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率。太陽能集熱器依靠太陽光來加熱并將熱量傳遞到待處理水。對于太陽能集熱器來說，典型的包括有兩種：真空管類型以及平板類型。而在本實(shí)驗(yàn)中，選取了真空管型集熱器，其具有較高的傳熱速度，較強(qiáng)的絕熱性能，可靠的運(yùn)行性能、高轉(zhuǎn)化效率以及小熱容等特點(diǎn)。

對于太陽灶，其是進(jìn)行對于太陽能進(jìn)行匯聚實(shí)現(xiàn)溫度的更快提升，進(jìn)行傳遞熱量給工質(zhì)。對于這一設(shè)備，并不需要其他能源的輸入，因此并不會(huì)造成對于環(huán)境的破壞，并且進(jìn)行加熱的情況同煤氣灶相類似。當(dāng)前太陽能灶的類型主要包括有：箱式類型、平板式類型以及聚光類型三大類型。但是從使用情況來看，使用程度上最高的還是聚光類型的太陽灶，其主要的特點(diǎn)包括有：制造成本低、可實(shí)現(xiàn)功能豐富、便于進(jìn)行操作、構(gòu)造簡單以及運(yùn)行可靠。因此在本次設(shè)計(jì)過程之中，也選擇使用聚光類型太陽灶。

而對于蒸發(fā)器來說，其主要組成部分為：鋁板、雙層玻璃做成的底板以及蓋板、待處理誰入口管、支撐部分以及膜部分。其中藍(lán)膜鋁材能夠很好地實(shí)現(xiàn)對于陽光的聚集，保證蒸發(fā)器具有很好的工作狀態(tài)。當(dāng)待處理水進(jìn)入到蒸發(fā)器中，然后通過內(nèi)部的橫管流出。在蒸發(fā)器中，海水實(shí)現(xiàn)了由液態(tài)到氣態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。海水汽化上升，到達(dá)蒸發(fā)器的上部的蒸發(fā)器，進(jìn)而穿過后面的換熱器部分。然后穿過膜之后的水蒸氣經(jīng)過換熱器實(shí)現(xiàn)降溫液化，最終被收集到淡水箱中。

在上述過程中，作為冷凝組成的換熱器，也是整個(gè)系統(tǒng)之中極為重要的組成部分之一，好的換熱器能夠有效提升整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。對于換熱器來說，實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)換的驅(qū)動(dòng)力在于冷熱工質(zhì)之間的溫差，實(shí)現(xiàn)熱量從高溫工質(zhì)傳遞給低溫工質(zhì)。換熱器的類型主要可以分為三種：管型換熱器，板型換熱器以及其他類型。對于這三種類型來說，最為常用的就是管型，而其中使用頻率最高的又屬于蛇形換熱器。對于蛇形換熱器，其有著如下優(yōu)點(diǎn)：便于裝配，清洗便捷，檢修效率高以及制造成本低，因此得到了廣泛的認(rèn)可。在本次設(shè)計(jì)中，換熱器選擇了螺旋槽蛇形管，其主要實(shí)現(xiàn)的功能是對于水蒸氣進(jìn)行降溫進(jìn)入淡水箱，并且對于海水進(jìn)行預(yù)加熱。

3.2 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)論

要想驗(yàn)證系統(tǒng)的整體性能，就繞不開對于所產(chǎn)海水的數(shù)量以及質(zhì)量進(jìn)行研究。在本系統(tǒng)中，選擇將中空纖維太陽能膜放到蒸發(fā)器部分，對于淡水?dāng)?shù)量的統(tǒng)計(jì)主要是通過太陽能膜的滲透量來表現(xiàn)，對應(yīng)的圖像如下圖6所示。能夠看到，對于太陽能海水淡化系統(tǒng)來說，隨著時(shí)間的變化，滲透量有著一定的變化規(guī)律，其在一天之中，滲透量先上升后下降，在運(yùn)行的11h之中，總共獲得了73kg淡水，一天之中最大滲透量為7.984，這一值出現(xiàn)的時(shí)間為下午兩點(diǎn)。而之所以出現(xiàn)這一現(xiàn)象，是因?yàn)槭窍挛鐑牲c(diǎn)附近當(dāng)天溫度也達(dá)到最高，而且待處理海水溫度也達(dá)到了最高，從而此刻膜兩側(cè)具有最大的驅(qū)動(dòng)力，產(chǎn)生了著最大的滲透速度。

圖6 滲透速度伴隨時(shí)間的變化情況

如下為對于海水水質(zhì)的對照分析如表3。

表3 水質(zhì)指標(biāo)對照表

通過上表數(shù)據(jù)，分別將出口淡水?dāng)?shù)據(jù)同入口海水和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，能夠發(fā)現(xiàn)對于這一基于中空纖維膜的太陽能海水淡化系統(tǒng)，其處理過后的具有極好的水質(zhì)，也進(jìn)一步驗(yàn)證了這一生成流程以及對應(yīng)系統(tǒng)的可行性和高效性。

此外，對于系統(tǒng)優(yōu)劣的評價(jià)，還可以通過圍繞其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行展開。而對于經(jīng)濟(jì)性的評判，則可以通過采用能耗指標(biāo)。在本系統(tǒng)中，主要的能量損耗來自于三個(gè)泵，三個(gè)泵的總功率是580W。能耗計(jì)算的表達(dá)式如下：

對于這個(gè)實(shí)驗(yàn)來說，其總功率為580W，運(yùn)行時(shí)間總計(jì)為11h，其間產(chǎn)生的淡化水總量為73kg。將這個(gè)數(shù)據(jù)帶入上市，可以得到總的能耗為314.63kj/kg，也即是0.0874kWh/kg。雖然將這一耗能同自來水價(jià)相比，其價(jià)格仍然加高，但是這一海水淡化方式能夠用在無自來水供應(yīng)但有大量海水的區(qū)域中使用，并且最終獲得的淡水品質(zhì)較高，能夠達(dá)到直飲水的標(biāo)準(zhǔn)，比自來水價(jià)值更高。此外，隨著這一淡化方式的進(jìn)一步研究發(fā)展，成本也會(huì)慢慢降低，最終會(huì)低于自來水。

在這一部分之中，通過將上一部分的蒸餾部分同升溫部分以及降溫部分相結(jié)合，得到了完整的海水淡化系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)過程中，采用天然海水作為實(shí)驗(yàn)材料，用太陽能集熱板以及太陽灶吸收太陽光作為熱源進(jìn)行加熱工質(zhì)。為了保證光照強(qiáng)度和光照時(shí)間，選擇了在夏天進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終得到了所制得的的淡化水?dāng)?shù)量以及淡化水質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在一天之中，淡水?dāng)?shù)量的獲取速度是先增長后下降的，在下午兩點(diǎn)時(shí)有最大值，原因在于但是的環(huán)境溫度最高。通過對比淡水指標(biāo)和國家標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)淡水質(zhì)量較高，甚至符合直飲水標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述，這一基于中空纖維膜的太陽能海水淡化系統(tǒng)有著較好的海水淡化品質(zhì)以及較高的海水轉(zhuǎn)化率，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)效益的提升。

4 結(jié)束語

本文首先對當(dāng)前國內(nèi)外太陽能膜的研究成果進(jìn)行了介紹，然后通過對已有理論的分析及當(dāng)前實(shí)際需要設(shè)計(jì)了基于中空纖維膜的太陽能海水淡化系統(tǒng)。這一系統(tǒng)總體上可以分為三大部分：增溫部分、蒸餾部分、降溫部分。系統(tǒng)使用能量類型為太陽能，處理對象為天然海水，它能夠?qū)崿F(xiàn)高品質(zhì)高效率海水淡化。本文中，通過控制變量研究了海水進(jìn)口溫度以及待處理水的流速對于滲透速度的影響，得到了最佳的實(shí)驗(yàn)條件。之后，則對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地實(shí)驗(yàn)，對于一天之中淡水生產(chǎn)速度以及最終淡水的品質(zhì)進(jìn)行了測定，從而驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和高效性。

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