羅心怡， 鐘妮倩， 劉 暢， 尹鏡雲(yún)， 張中天， 金光球

（河海大學(xué)a.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.環(huán)境學(xué)院；c.水利水電學(xué)院；d.農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210098）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展對海洋資源的依賴程度逐步提升［1-4］，更加重視海上島嶼的建設(shè)和發(fā)展［5］，淡水資源是開發(fā)其他自然資源、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)。我國海上島嶼水資源問題嚴(yán)峻，雨水是最主要的淡水來源［6-10］。目前國內(nèi)外海水淡化技術(shù)主要包括反滲透膜法、多效蒸餾法和多級(jí)閃蒸法等。沙特阿拉伯的朱拜勒海水淡化廠通常被認(rèn)為是世界海水淡化重量級(jí)的海水淡化廠，同時(shí)使用熱多級(jí)閃蒸和反滲透技術(shù)處理海水，日產(chǎn)淡水量能夠達(dá)到4.55億L。為緩解用水緊張的問題，阿聯(lián)酋富查伊拉建造了目前世界最大的熱膜耦合海水淡化工廠，多效蒸餾法與反滲透法混合使用處理來自阿曼海灣的原海水，淡化水產(chǎn)量占總產(chǎn)量的62.5%，其中利用反滲透系統(tǒng)生產(chǎn)淡水量占到總產(chǎn)量的37.5%［7］。

但現(xiàn)有技術(shù)能耗大、海島電網(wǎng)系統(tǒng)未全覆蓋而難供電、滲透膜易被污染堵塞、設(shè)備保養(yǎng)維修難度大等問題制約海水淡化技術(shù)的發(fā)展［11-14］。因此，為了實(shí)現(xiàn)太陽能等可再生資源淡化島嶼海水、雨水回用供應(yīng)遠(yuǎn)洋海島淡水資源的目標(biāo)，需進(jìn)行工藝可行性和效果的實(shí)驗(yàn)研究［15-17］。由于諸多原因的影響，如在遠(yuǎn)洋島嶼展開實(shí)際研究耗資巨大；距離遙遠(yuǎn)，技術(shù)有限；野外操作環(huán)境因素干擾大，有必要探尋耗資小、易監(jiān)測和操作的實(shí)驗(yàn)。

鑒于以上原因，本文設(shè)計(jì)的晴雨兩用遠(yuǎn)洋島嶼海水淡化收集實(shí)驗(yàn)裝置以還原實(shí)際操作環(huán)境，并提出了實(shí)驗(yàn)操作方法，分析系統(tǒng)裝置性能，通過晴雨兩用遠(yuǎn)洋島嶼海水淡化實(shí)驗(yàn)室裝置來揭示蒸發(fā)法淡化海水收集內(nèi)在規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了模擬海水蒸發(fā)，如圖1所示淡化海水收集裝置的示意圖。配置了與海水等濃度的咸水在水槽中，淡水收集裝置漂浮于水槽中，溫濕度計(jì)固定于收集裝置內(nèi)通過GPRS傳輸記錄數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)中無需控制任何參數(shù)變化，只需記錄淡水收集裝置內(nèi)溫度、濕度等參數(shù)，定期收集裝置內(nèi)產(chǎn)生的淡水并測定體積。從而，該蒸發(fā)法淡化海水收集實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行，可以模擬其實(shí)際運(yùn)作時(shí)除天氣狀況之外的所有作用機(jī)制，通過后續(xù)可根據(jù)對裝置運(yùn)行效率的分析，結(jié)合適用地淡水資源的需求數(shù)據(jù)，確定裝置的規(guī)格等比例放大以實(shí)現(xiàn)效益最大化。實(shí)現(xiàn)對某一種或某幾種固定變量的分析。

1.1 淡水收集器

圖1（b）所示的淡水收集器底面為邊長50 cm的正方形，頂面稍微傾斜，長邊高為60 cm，短邊高為50 cm，其內(nèi)部中空，底部不封閉，其他5個(gè)面封閉，內(nèi)有高3 cm，頂端距儀器壁10 cm的斜槽，該斜槽由四條靠邊的內(nèi)部隔板組成，上部和下部共有3個(gè)孔徑為?2 cm的小孔。

晴朗天氣下，太陽輻射以短波輻射的形式射向地面，會(huì)以長波輻射的形式反射，淡水收集器采用透明有機(jī)玻璃板制作，可以吸收短波輻射，透光性達(dá)到90%以上且不隨時(shí)間衰減，采光面積大。而反射后的長波輻射卻難以透過玻璃面板，其內(nèi)部形成小型的密閉溫室，減少熱量的散失，容器內(nèi)溫度上升。中空的淡水收集器可以將熱量傳遞給直接接觸的水槽內(nèi)海水，海水受熱后水分子動(dòng)能加劇，運(yùn)動(dòng)加劇，動(dòng)能大于水分子之間的內(nèi)聚能時(shí)就能從水表面散逸，表面水分子在濃度梯度的作用下向水分子濃度較低的空氣運(yùn)動(dòng)，即從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，成為水蒸氣。水蒸氣向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)它接觸到溫度較低的容器上壁及側(cè)壁，或由于夜晚溫度下降受冷在容器壁面上轉(zhuǎn)化回液態(tài)。收集器頂部設(shè)計(jì)成斜板，冷凝形成的水珠在自身重力作用下滑動(dòng)，與相鄰水珠結(jié)合匯聚，當(dāng)水珠重力足夠大時(shí)便會(huì)在重力作用下沿著傾斜壁頂下滑，收集在容器底部的傾斜溝槽中，順著底部預(yù)留小孔流入收集管道。

1.2 海域模擬水槽設(shè)計(jì)

圖1（c）所示的海域模擬水槽其尺寸為50 cm×50 cm×20 cm，壁面用透光材質(zhì)，能滿足可視化要求，并具有耐用性和抗腐蝕性。該水槽意在模擬現(xiàn)實(shí)中的海域情況，加入包括江、河、湖泊中的淡水或海洋中的海水，形成與現(xiàn)實(shí)中相似的水域，然后與淡水收集器一同組合形成密閉空間，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時(shí)，水槽中的水轉(zhuǎn)化成水蒸氣上升進(jìn)入到淡水收集器中。

1.3 雨水收集器設(shè)計(jì)

圖1（d）所示的雨水收集器沿淡水收集器頂部的原有基礎(chǔ)上加高10 cm的擋板，擋板的材質(zhì)為透明有機(jī)玻璃，以此形成傾斜的雨水收集器。并且在較低處預(yù)留了孔徑為?2 cm的小孔，在小孔處加上管道，在下雨時(shí)雨水落入頂部收集器，在重力作用下沿著容器本身設(shè)置的斜坡落入預(yù)留的小孔，進(jìn)而進(jìn)入管道完成自動(dòng)收集。

1.4 裝置性能分析

本裝置基于海水自然蒸發(fā)的原理，通過收集海洋由于光熱蒸發(fā)而產(chǎn)生的淡水以及我國南海地區(qū)遠(yuǎn)洋海島豐沛的降水資源，在節(jié)能減排、充分利用自然資源的同時(shí)，可緩解遠(yuǎn)洋海島淡水資源的匱乏，主要的性能特點(diǎn)：

（1）節(jié)能環(huán)保。系統(tǒng)不需外界提供能量，可獨(dú)立運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)置一定的高度差，使蒸發(fā)的水汽由于與容器壁的溫差自動(dòng)凝結(jié)，并在重力作用下匯聚收集，系統(tǒng)不需要增加任何外來動(dòng)力。不受蒸汽、電力等條件限制，實(shí)現(xiàn)了零消耗，對能源緊缺且環(huán)保要求高的地區(qū)有很大應(yīng)用價(jià)值。

（2）低碳清潔。傳統(tǒng)工藝需消耗大量化石燃料提供燃力進(jìn)行淡化，在燃燒時(shí)會(huì)向環(huán)境排放大量溫室氣體，而本文設(shè)計(jì)的裝置利用太陽能，實(shí)際生產(chǎn)工藝過程中，不會(huì)產(chǎn)生污染問題。

（3）節(jié)約經(jīng)濟(jì)。傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)投資較高，設(shè)備昂貴，能源消耗過大，這在緩解淡水資源緊張的同時(shí)，也給資源和能源帶來了新的壓力。本文所用的太陽能具有儲(chǔ)量無限、零成本的獨(dú)特優(yōu)勢，無機(jī)械動(dòng)作，無噪音，無需專人管理和日常維護(hù)，只需定期收集完成淡化的海水。與目前已有的技術(shù)相比，裝置在正壓和常壓下運(yùn)行，省去了真空泵等高能耗組件，設(shè)備運(yùn)行成本低，實(shí)驗(yàn)的環(huán)境要求較低，實(shí)用性強(qiáng)，同時(shí)，裝置的設(shè)備簡易、材料簡單、制造成本低廉、安裝方便、操作簡單，便于安裝。應(yīng)用前景廣泛。

（4）不占用土地資源。本文裝置可安裝在海面，無需使用陸地資源，尤其在土地資源本就稀缺的孤島和土地資源較為緊張的各沿海城市。

2 實(shí)驗(yàn)采樣和測量

該海水淡化收集實(shí)驗(yàn)裝置可配置多種采樣、測量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場采集和測量：

（1）裝置溫度與濕度的采樣與測量。見圖1（a）所示，位于淡水收集器距頂部5 cm處預(yù)留的一個(gè)?2 cm小孔，在這個(gè)小孔處插入溫度濕度計(jì)探頭，并將小孔除溫度濕計(jì)傳導(dǎo)線路外的縫隙密封，以保證裝置的密閉性。然后用這個(gè)儀器每天定時(shí)測量裝置內(nèi)部的溫度與濕度，再加以記錄以獲取該裝置內(nèi)部的濕度與溫度在各個(gè)時(shí)段的變化情況。

（2）淡水收集量的采樣和測量。見圖1（a）所示海水淡化收集裝置的海域模擬水槽中加入等量江、河、湖泊中的淡水和海洋中的海水，經(jīng)太陽光照射后，水槽中的水轉(zhuǎn)化為水蒸氣，水蒸氣在頂部冷凝后延著容器內(nèi)壁流到淡水收集器內(nèi)部預(yù)留的斜水槽，斜水槽下部預(yù)留了2個(gè)孔徑為?2 cm的小孔，小孔由橡皮泥堵住，然后定時(shí)抽取已收集的水，用量筒測量所收集的水的體積并加以記錄，以此獲得該裝置在各時(shí)段所收集的淡水量。

（3）雨水收集量的采樣和測量。在圖1所示的雨水收集器中所預(yù)留的小孔處安裝管道，并通入同一個(gè)帶有刻度的收集器中，即可在重力作用下完成雨水自動(dòng)收集。在下雨時(shí)，記錄不同時(shí)刻收集器中所收集的總水量，再通過計(jì)算可得不同時(shí)刻所收集的雨水量。

3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 準(zhǔn)備海水

準(zhǔn)備足量氯化鈉化學(xué)試劑、Solinst Levelogge、以及清水配置平均電導(dǎo)率為40 mS/cm與海水等電導(dǎo)率的溶液。根據(jù)圖1水槽規(guī)格（50 cm×50 cm×20 cm），加清水至水槽內(nèi)水深達(dá)到12 cm左右，往清水中加入氯化鈉固體，攪拌至完全溶解。使用圖2所示Solinst Levelogger電導(dǎo)率儀測量水槽中平均電導(dǎo)率的溶液鹽度，根據(jù)顯示的讀數(shù)少量多次加入氯化鈉或清水，直至讀數(shù)保持在40 mS/cm海水配置完成。

3.2 組裝儀器

在圖1海水淡化收集實(shí)驗(yàn)裝置中組裝濕度計(jì)傳感變送器：

（1）安裝溫濕度傳感變送器。在淡水收集器壁上固定1個(gè)掛鉤，固定好溫濕度計(jì)探頭，用于監(jiān)測密閉容器內(nèi)的空氣溫度及濕度。將探頭伸入容器側(cè)壁預(yù)留小孔與掛鉤纏繞固定懸空放置于淡水收集器內(nèi)，顯示器置于容器外。同時(shí)，準(zhǔn)備第2臺(tái)溫濕度計(jì)用以監(jiān)測實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫度和空氣濕度。并將溫濕度計(jì)與電腦連接，實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置內(nèi)外溫度和濕度數(shù)據(jù)，容器內(nèi)外兩組溫度、濕度數(shù)據(jù)應(yīng)對比觀測。

（2）裝置組合。淡水收集器完成溫濕度計(jì)的固定以后，輕置于水槽上，在容器外壁標(biāo)記水面位置，固定水量。

根據(jù)蒸發(fā)冷凝的實(shí)驗(yàn)原理，后續(xù)實(shí)驗(yàn)中收集淡水并不會(huì)減少水槽內(nèi)氯化鈉的質(zhì)量，只需維持水量相等，即可保證水槽中是與海水相同電導(dǎo)率的水。3 d為1周期，定期定量補(bǔ)充清水，維持水量，保證實(shí)驗(yàn)海水電導(dǎo)率。

3.3 收集淡雨水

選址在實(shí)驗(yàn)室空曠的露臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有利于充分接收太陽輻射，同時(shí)減少人為因素對溫度、光照等實(shí)驗(yàn)條件的干擾。

晴天時(shí)，太陽光直射該裝置，使得與水槽組成的封閉系統(tǒng)中的溫度上升，裝置內(nèi)部的水轉(zhuǎn)化為水蒸氣上升，并在該裝置頂部觸頂冷凝，冷凝的水沿著有一定角度的頂面及各個(gè)壁面向下流，最終流入下方預(yù)留的斜槽，最后通過如圖1（b）所示斜槽所接的淡水收集管道進(jìn)行自動(dòng)收集。以2 d為收集周期，在相同的時(shí)間點(diǎn)使用醫(yī)用針筒從裝置壁設(shè)計(jì)的孔洞抽取集水槽內(nèi)匯聚的淡水，并通過100 mL量筒測定收集的淡水體積，記錄數(shù)據(jù)。在記錄收集淡水體積的同時(shí)，記錄當(dāng)日測得的最低氣溫、最高氣溫、大氣相對濕度等天氣狀況，便于數(shù)據(jù)分析。

在雨天，降雨落入裝置外側(cè)集水支架。傾斜的集水支架能夠使雨水在自身重力作用下順勢流動(dòng)，匯入雨水回收裝置儲(chǔ)存。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在晴雨兩用遠(yuǎn)洋海島海水淡化收集實(shí)驗(yàn)裝置的海域模擬槽中加入NaCl配置的模擬海水，其電導(dǎo)率與海洋海水的電導(dǎo)率基本保持一致，實(shí)驗(yàn)的晴雨兩用遠(yuǎn)洋海島海水淡化收集實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)安裝了溫度計(jì)、濕度計(jì)，并保持裝置的密閉性。通過實(shí)驗(yàn)并記錄收集的溫度、濕度和淡水收集量等數(shù)據(jù)并整理分析，得到了較好的結(jié)果。

（1）裝置處地高濕度狀態(tài)有利冷凝水形成。由圖3可知：每天隨時(shí)辰溫度的升高，密閉裝置內(nèi)相對濕度逐漸增加，但裝置內(nèi)的相對濕度始終保持在接近100%的水平。裝置內(nèi)出現(xiàn)濕度的波動(dòng)是由于濕熱的空氣會(huì)在裝置罩的內(nèi)壁上冷凝，產(chǎn)生一定量的冷凝水，冷凝水又會(huì)吸收周圍的濕空氣中的水分，故而使裝置內(nèi)的空氣濕度段時(shí)間降低；裝置內(nèi)空氣的濕度降低后，溫度的升高會(huì)促進(jìn)海水的進(jìn)一步蒸發(fā)，使?jié)穸仍俅谓咏?00%。這也說明了裝置內(nèi)空氣趨于飽和狀態(tài)，一旦條件適宜，裝置內(nèi)空氣中的水蒸氣就會(huì)冷凝。這也為后期裝置的改良和改進(jìn)提供了新的思路。

（2）氣候溫差偏大有利冷凝水形成。實(shí)驗(yàn)在4月的南京地區(qū)進(jìn)行，查詢天氣網(wǎng)4月份南京市溫差最大為11℃，最小為5℃，多數(shù)集中在10℃上下，平均溫差為9.2℃。淡水收集量最大能達(dá)到13.56 ml/d，最小為5.1 ml/d，平均收集量為11.43 ml/d。圖4由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取得的溫差與淡水收集量的相關(guān)性關(guān)系圖表明，溫差越大，淡水收集量越多。當(dāng)1 d之內(nèi)的溫差較大時(shí)，更易于實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的熱蒸汽冷凝，故在每日溫差較大時(shí)更易收集到更多的蒸發(fā)淡水。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的晴雨兩用遠(yuǎn)洋島嶼海水淡化收集實(shí)驗(yàn)裝置及給出的具體實(shí)驗(yàn)操作方法，經(jīng)實(shí)驗(yàn)和分析得出：①通過與傳統(tǒng)海水淡化工藝的對比，實(shí)驗(yàn)裝置具有清潔環(huán)保、經(jīng)濟(jì)便攜多用、裝置及操作簡單、不占用土地資源等多重優(yōu)勢。開發(fā)利用可再生能源太陽能實(shí)現(xiàn)海水淡化有利于我國海島淡水供應(yīng)問題具有現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景。②海水淡水收集裝置構(gòu)想合理，安裝溫濕度計(jì)能夠在節(jié)省人力的條件下使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)驗(yàn)步驟操作也很簡單。淡水收集裝置內(nèi)濕度始終維持在99%左右，接近飽和狀態(tài)，具備冷凝條件。③我國南海地區(qū)終年多雨，降水量大，雨水回用可以極大地緩解遠(yuǎn)洋海島淡水資源緊張的問題，滿足島民用水需求；同時(shí)通過集水支架在重力作用下實(shí)現(xiàn)雨水自動(dòng)回收極大程度上解決了耗費(fèi)人力的問題。

該實(shí)驗(yàn)裝置收集效果良好，若進(jìn)一步創(chuàng)造更為有利的冷凝條件，提高裝置的冷凝效率，則能在更大程度上將裝置內(nèi)接近飽和的水蒸氣轉(zhuǎn)化為可收集的淡水。