藍(lán)曉萌,王安琪,丁明梅,孫 敏,陳 衛(wèi),*

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210098)

水資源短缺及污染一直是困擾人類社會發(fā)展的重大問題,利用高效水處理技術(shù)從海水、苦咸水中獲得淡水,以及將工業(yè)廢水循環(huán)再利用,是解決水資源危機(jī)的關(guān)鍵。膜分離技術(shù)作為一種高效的水處理技術(shù),具有高效、可連續(xù)化操作且可控性強(qiáng)等特點,在海水淡化、工業(yè)廢水處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但膜分離技術(shù)中電滲析(electrodialysis)、反滲透(reverse osmosis,RO)等技術(shù)仍存在熱利用率低、能耗高、工作壓力高、二次污染等問題。膜蒸餾(membrane distillation,MD)技術(shù)設(shè)備簡單,適應(yīng)水質(zhì)范圍廣,可處理RO等膜技術(shù)難以處理的高濃度水。近零排放式MD工藝能夠明顯減少進(jìn)料液側(cè)的廢水外排放量,并有效解決進(jìn)料液側(cè)的污染物對水環(huán)境的二次污染問題[1]。然而,傳統(tǒng)的MD技術(shù)面臨兩個主要問題:一是傳統(tǒng)的加熱方式能耗較高;二是在運行過程中由于熱邊界層的存在,進(jìn)水側(cè)膜表面溫度低于水體的溫度,滲透液側(cè)膜表面的溫度高于滲透液主體的溫度,會造成溫差極化現(xiàn)象[2]。溫差極化現(xiàn)象使得水體和膜表面間的溫度差降低,導(dǎo)致了熱效率的降低。

近年來,通過光熱轉(zhuǎn)化來實現(xiàn)海水蒸餾的研究較為熱門。光熱膜蒸餾(photothermal membrane distillation,PMD)技術(shù)可利用光熱轉(zhuǎn)化材料將所吸收的太陽光能轉(zhuǎn)化為熱能,由于PMD的加熱過程局限于膜表面,可以減少輸送熱進(jìn)料溶液時產(chǎn)生的熱損失,從而有效地解決傳統(tǒng)MD的溫差極化問題[3]。與傳統(tǒng)MD技術(shù)相比,PMD技術(shù)具有設(shè)備簡單、進(jìn)料濃度范圍寬、零排放、能耗低等優(yōu)點,且兼具成本效益和能源效益,在海水、苦咸水脫鹽淡化及工業(yè)廢水循環(huán)再利用等領(lǐng)域得到應(yīng)用。本文從PMD基本原理、光熱膜材料研發(fā)、PMD系統(tǒng)設(shè)計及其實際應(yīng)用等方面綜述研究進(jìn)展,在分析該技術(shù)的局限性和應(yīng)用前景基礎(chǔ)上,提出有待深化研究的方向。

1 PMD及其水處理基本原理

MD采用疏水微孔膜為分隔介質(zhì)。在MD過程中,揮發(fā)性物質(zhì)在膜兩側(cè)蒸氣壓差的作用下透過膜孔到達(dá)滲透側(cè),從而完成物質(zhì)的分離。而PMD是將光熱轉(zhuǎn)化過程與MD結(jié)合,利用光熱轉(zhuǎn)化材料將吸收的太陽光能轉(zhuǎn)化為熱能并對進(jìn)料液進(jìn)行加熱,將進(jìn)料液中的揮發(fā)性物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣相透過膜孔,同時截留非揮發(fā)性物質(zhì),從而高效地處理海水、苦咸水及工業(yè)廢水等水體,實現(xiàn)水的凈化。PMD過程主要涉及3個轉(zhuǎn)化過程:(1)將光能轉(zhuǎn)化為熱量的光熱過程;(2)將液相水轉(zhuǎn)化為氣相的汽化過程;(3)通過膜的蒸汽在冷側(cè)冷凝轉(zhuǎn)化為水的冷凝過程[4]。根據(jù)光熱轉(zhuǎn)化發(fā)生的位置,PMD可分為兩種形式:一是膜型PMD系統(tǒng),對膜進(jìn)行改性使其具有光熱性與疏水性,太陽能在光熱膜上轉(zhuǎn)換為熱能,同時驅(qū)動進(jìn)料液汽化[4][圖1(a)];二是進(jìn)料型PMD系統(tǒng),將光熱材料分散在進(jìn)料液中,光熱材料吸收太陽能轉(zhuǎn)化為熱能,從而加熱進(jìn)料液[5][圖1(b)]。

注:Tf、Tf2—進(jìn)料側(cè)溶液溫度;Tfm、Tfm1—進(jìn)料側(cè)膜表面溫度;Tpm—滲透側(cè)膜表面溫度;Tp—滲透側(cè)溶液溫度;ΔTs1、ΔTs2—跨膜溫差。圖1 PMD基本過程原理圖Fig.1 Schematic Diagram of Fundamental Processes of PMD

1.1 光熱轉(zhuǎn)化過程

在PMD過程中,光熱材料吸收光能并在低溫條件下實現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)化。各種光熱材料包括碳基材料、等離激元材料、二維材料、非貴金屬及其復(fù)合物材料等,這些材料通過光激發(fā)電子的非輻射弛豫、等離子體共振、晶格振動等方式將吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能。光熱材料的太陽光吸收率α(θ)是評價膜材料光熱轉(zhuǎn)化能力的重要指標(biāo),由總吸收的太陽輻射光能與入射太陽輻射光能的比值表示,α(θ)越大,表明膜材料的光熱轉(zhuǎn)化能力越強(qiáng)。α(θ)的計算如式(1)[6]。

(1)

其中:λ——波長,nm,λmin=300 nm,λmax=2 500 nm;

θ——膜表面法線測量到的光的入射角;

A(λ)——太陽光譜輻照度,W/(m2·nm);

R(θ,λ)——光的入射角為θ、波長為λ處的總反射率。

1.2 氣化過程

氣化過程即進(jìn)料液中的揮發(fā)性物質(zhì)由液相轉(zhuǎn)化為氣相,并在蒸氣壓差的作用下透過膜孔到達(dá)滲透側(cè),非揮發(fā)性物質(zhì)被截留。PMD的膜通量Jvapor可反映氣化過程的速率,Jvapor越大,即單位時間內(nèi)氣化通過膜的物質(zhì)量越多,氣化過程的速率越快。Jvapor的計算如式(2)[7]。

Jvapor=k[Pv,f(S,Tpm+ΔTs)-Pv,d(0,Tpm)]

(2)

其中:Jvapor——膜通量,kg/(m2·h);

k——跨膜的傳質(zhì)系數(shù),kg/(m2·h·Pa);

Pv,f(S,Tpm+ΔTs)——熱側(cè)進(jìn)料液在溫度為Tpm+ΔTs、鹽度為S時的蒸氣壓,Pa;

Pv,d(0,Tpm) ——冷側(cè)滲透液在溫度為Tpm、鹽度為0時的蒸氣壓,Pa。

MD技術(shù)存在溫差極化的問題,在MD過程中,由于蒸發(fā)和熱損失,導(dǎo)致進(jìn)水側(cè)膜表面溫度Tfm1低于進(jìn)料溫度Tf,跨膜溫差ΔTs1減小,從而降低熱效率。而PMD利用光熱材料在膜界面上進(jìn)行加熱,膜表面溫度Tfm2高于水體溫度Tf,即ΔTs2>ΔTs1,從而解決溫差極化問題,提高熱效率[圖1(c)]。

1.3 冷凝過程

PMD的最后一個轉(zhuǎn)化過程是冷凝,以造水比(gain output ratio,GOR)衡量系統(tǒng)的冷凝效果和能源效率。GOR即冷凝餾出物的質(zhì)量與水蒸氣質(zhì)量的比值,GOR計算如式(3)[8]。

(3)

其中:RGOR——GOR的值;

mdistillate——冷凝餾出水的質(zhì)量,kg;

mvapor——水蒸氣的質(zhì)量,kg。

理想中沒有熱能損失且無潛熱回收的PMD系統(tǒng)GOR為1,然而在實際PMD過程中會產(chǎn)生部分熱能損失,使得GOR＜l。GOR越大,表明產(chǎn)生單位餾出水的能量消耗越低,系統(tǒng)的能源效率越高。

整個PMD過程的總效率用η表示,η的計算如式(4)[9]。

(4)

其中:J——蒸汽通量,kg/(m2·h);

ΔH——水蒸發(fā)的潛熱,kJ/kg,在1個大氣壓下純水的潛熱為2 257 kJ/kg;

A——輻照面積,m2;

I——入射光強(qiáng)度,kW/m2;

Hw——進(jìn)料的輔助熱量,kW。

2 PMD水處理技術(shù)的研究進(jìn)展

2.1 光熱膜材料的研發(fā)

PMD技術(shù)要求光熱膜材料具備低成本、易于制備、寬帶光吸收、光熱轉(zhuǎn)化效率高等特點。光熱材料的光熱轉(zhuǎn)化機(jī)制可分為4種:(1)基于分子熱振動機(jī)制的碳基材料,如炭黑(CB)和碳納米管(CNT)等;(2)基于等離子共振機(jī)制的等離激元材料,如銀(Ag)、鋁 (Al)、金(Au)等;(3)基于電子空穴的產(chǎn)生及弛豫機(jī)制的半導(dǎo)體材料,如硫化銅(CuS)、四氧化三鐵(Fe3O4)等;(4)其他材料。

2.1.1 碳基材料

(2)我底過去我只帶著我自己底影子伴個到處。我有和野蠻人同樣的思想,認(rèn)影子就是靈魂,實在,我除了影子以外還有什么呢?我是一無所有的人,所以我還愿以出諸過去的,現(xiàn)諸未來。

碳基材料能夠吸收光能并且通過晶格振動將其轉(zhuǎn)化為熱量。當(dāng)入射光的能量與碳基材料分子內(nèi)電子躍遷所需能量相匹配時,激發(fā)的電子將從基態(tài)躍遷到更高能量軌道,并通過電子-聲子耦合松弛。隨后,當(dāng)被激發(fā)的電子回到基態(tài)時,將釋放熱量[10]。

碳基材料如CNT、CB等,因其在太陽全光譜范圍內(nèi)具有出色的吸光性和高效的光熱轉(zhuǎn)化效率,成為PMD光熱材料的理想選擇。Huang等[11]利用靜電紡絲法和噴涂法研發(fā)出的聚二甲基硅氧烷/碳納米管/聚偏氟乙烯(PDMS/CNT/PVDF)膜具有寬帶吸收和高效光熱轉(zhuǎn)化能力[圖2(a)],在500～2 500 nm波長的吸收率高達(dá)92%。在1 kW/m2的光照下,該膜的表面溫度可提升至70.46 ℃。在處理苦咸水的測試中,該膜的通量高達(dá)1.43 kg/(m2·h),截鹽率為99.9%。Ju等[12]通過靜電紡絲法將CB與聚乙烯醇(PVA)負(fù)載在聚四氟乙烯(PTFE)膜基上研制出CB-PVA/PTFE復(fù)合膜[圖2(b)],該膜在1 kW/m2的光照下光熱轉(zhuǎn)化效率可達(dá)71.4%,截鹽率大于99.98%,通量高達(dá)1.05 kg/(m2·h)。

圖2 碳基材料在PMD的應(yīng)用Fig.2 Application of Carbon-Based Materials in PMD

2.1.2 等離激元材料

局域表面等離子體共振(LSPR)是當(dāng)光子頻率與金屬表面電子的固有頻率相匹配時,產(chǎn)生的光子共振相干振蕩現(xiàn)象。LSPR會引發(fā)近場增強(qiáng)、熱電子產(chǎn)生和光熱轉(zhuǎn)化這3個現(xiàn)象。當(dāng)金屬納米粒子在共振波長處受到照射時,會發(fā)生等離激元輔助的光熱效應(yīng),從而引起電子氣體振蕩,促使電子從占據(jù)態(tài)向未占據(jù)態(tài)躍遷,產(chǎn)生熱電子,并導(dǎo)致非熱電荷分布。這些熱電子的衰減主要通過輻射發(fā)射和電子-電子相互作用來實現(xiàn)載流子倍增。同時,通過電子-電子散射引起的衰減可以重新分配熱電子的能量,進(jìn)而提高金屬表面及周圍的溫度,實現(xiàn)將光能轉(zhuǎn)化為熱能的過程[13]。

常用的等離激元材料有Ag、Al、Au等。Ye等[14]以附著Ag納米顆粒的納米纖維膜作為親水層,PVDF作為疏水層,通過靜電紡絲法制備出PVDF-AgNO3/PVDF雙層納米纖維復(fù)合膜[圖3(a)]。優(yōu)化后的復(fù)合膜在1 kW/m2的光照下,表面溫度可達(dá)92.3 ℃,通量高達(dá)1.2 kg/(m2·h),光熱轉(zhuǎn)化效率達(dá)到60%。然而,等離子金屬納米粒子只能吸收紫外光波長而無法吸收更寬的波長,導(dǎo)致其光熱效率不高。因此,金屬納米粒子常被改性為特定的形狀、尺寸和結(jié)構(gòu),或與其他光熱材料結(jié)合以拓寬吸收波長。Zhou等[15]通過氣相沉積法將不同形狀、尺寸的Au沉積在氧化鋁納米多孔膜板(NPT)上,如圖3(b)所示,可有效減少光的反射作用,使得材料的光吸收范圍從可見光區(qū)延伸到中紅外區(qū),在200～10 000 nm波段的吸收率高達(dá)99%。

圖3 等離激元材料在PMD的應(yīng)用Fig.3 Application of Isoplasmon Materials in PMD

2.1.3 半導(dǎo)體材料

在半導(dǎo)體材料中,當(dāng)入射光的能量高于或等于半導(dǎo)體的帶隙能量時,會激發(fā)出帶隙以上的電子-空穴對,并以光子輻射或聲子非輻射的形式釋放能量。當(dāng)能量以聲子的形式釋放時,晶格會被局部加熱,實現(xiàn)將光能轉(zhuǎn)化為熱能的過程[16]。

圖4 半導(dǎo)體材料在PMD的應(yīng)用Fig.4 Application of Semiconductor Materials in PMD

2.1.4 其他材料

除了上述材料外,一些聚合物如聚苯胺(PANI)和聚吡咯(PPy)等,也被廣泛研究應(yīng)用于光熱轉(zhuǎn)化材料中。聚合物的光熱轉(zhuǎn)換機(jī)制與碳基材料類似,依靠分子的熱振動進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)化。PANI是一種良好的光熱材料,具有較強(qiáng)的光吸收和光熱轉(zhuǎn)換能力。Peng等[20]受飛蛾眼部的抗光反射納米結(jié)構(gòu)的啟發(fā),研發(fā)出帶有垂直PANI納米纖維層狀結(jié)構(gòu)的光熱膜[圖5(a)],該膜采用化學(xué)氧化聚合法在PVDF膜基表面生長一層垂直排列的PANI納米纖維層,能有效地降低對太陽光的反射,具有極強(qiáng)的光捕捉效應(yīng),太陽光吸收率高達(dá)50%。在一個太陽輻照下,該光熱膜通量高達(dá)1.09 kg/(m2·h),太陽能利用效率為74.15%。PPy 具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性,并且光反射能力較弱,是PMD光熱材料的理想選擇。Wu等[21]通過靜電紡絲的方法將PPy 沉積在PVDF膜基上作為光熱涂層[圖5(b)],在1 kW/m2的模擬陽光下,通量可達(dá)1.3 kg/(m2·h),光熱轉(zhuǎn)化效率為81.6%。

圖5 聚合物材料在PMD的應(yīng)用Fig.5 Application of Polymer Materials in PMD

2.2 PMD膜組件及操作條件的研究

除了光熱材料以外,PMD的膜組件設(shè)計及其操作條件直接影響其性能發(fā)揮。在PMD過程中,適當(dāng)增加膜池的流道長度與寬度可延長加熱時間,有效提升溫度差,從而提高膜通量。Dongare等[22]研究了膜池長度及寬度對膜通量的影響,結(jié)果表明,當(dāng)膜池長度由10 cm增加至100 cm時,膜通量提升將近一倍,而隨著膜池寬度的增加膜通量也顯著提升。此外,膜池的高度也會影響PMD系統(tǒng)性能,當(dāng)膜池較高時,進(jìn)水通道上水層較厚會降低光熱層吸收太陽光的效率,導(dǎo)致光熱轉(zhuǎn)化效率降低。Zhang等[23]將氮化鈦負(fù)載在PVDF膜基上,并采用基于氣隙膜蒸餾(air gap membrane distillation,AGMD)的PMD系統(tǒng)研究進(jìn)水深度對系統(tǒng)性能的影響,當(dāng)進(jìn)水深度從15 mm減至2 mm時,該系統(tǒng)光熱轉(zhuǎn)化效率達(dá)61.4%,膜通量從0.49 kg/(m2·h)升至0.94 kg/(m2·h)。

PMD的操作條件如進(jìn)水流速、進(jìn)水溫度也會影響其性能。在較低的進(jìn)水流速下,光熱膜與進(jìn)水有較長的接觸時間,能夠充分加熱進(jìn)水,降低熱損失,進(jìn)而提高熱效率和膜通量。根據(jù) Antoine方程,蒸氣壓會隨著溫度呈指數(shù)增加,進(jìn)而影響膜通量。Huang等[24]探究了進(jìn)水溫度對膜通量的影響,研究結(jié)果表明將進(jìn)料預(yù)熱至30～50 ℃可以有效推動PMD過程,膜通量提高了0.64 kg/(m2·h),若能將PMD工藝與輔助加熱系統(tǒng)相結(jié)合,可以進(jìn)一步提高其性能。

3 PMD水處理技術(shù)設(shè)備的改良設(shè)計

PMD水處理設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計直接關(guān)系到處理效果和太陽能利用效率,改良PMD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計,能有效提高光熱轉(zhuǎn)化效率及系統(tǒng)產(chǎn)水量。目前主要的PMD改良系統(tǒng)有外置型PMD系統(tǒng)、雙功能膜增強(qiáng)PMD系統(tǒng)以及多級PMD系統(tǒng)。

3.1 外置型PMD系統(tǒng)

外置型PMD系統(tǒng)通過真空太陽能管、太陽能集熱器、太陽能蒸餾器等將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能,儲存在儲能罐中,再利用換熱器加熱進(jìn)料液,使進(jìn)料液中的揮發(fā)性物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣相透過膜孔,隨后完成冷凝過程[圖6(a)]。Banat等[25]最早將太陽能蒸餾器與MD系統(tǒng)耦合,太陽能蒸餾器和MD系統(tǒng)可以同時脫鹽,該系統(tǒng)在室外0.25 kW/m2的光照下,通量高達(dá)1.2 kg/(m2·h)[圖6(b)]。Kim等[26]研發(fā)出了一種PMD海水淡化系統(tǒng),主要由太陽能集熱系統(tǒng)、熱量回收單元、溫度調(diào)節(jié)單元及殼管式直接接觸膜蒸餾(DCMD)模塊組成,該系統(tǒng)可24 h連續(xù)運行,且產(chǎn)水量高達(dá)31 m3/d。但外置型PMD系統(tǒng)中光熱轉(zhuǎn)化與MD過程分離,傳熱過程中存在熱量損失,造成溫差極化現(xiàn)象,使得熱效率較低。

圖6 PMD系統(tǒng)的改良設(shè)計Fig.6 Improved Design of PMD System

3.2 雙功能膜增強(qiáng)PMD系統(tǒng)

雙功能膜增強(qiáng)PMD系統(tǒng)如圖6(c)所示,膜型PMD系統(tǒng)通過對膜進(jìn)行改性使其具有光熱性與疏水性,太陽能在光熱膜上轉(zhuǎn)換為熱能,同時驅(qū)動進(jìn)料液汽化。此外,膜型PMD系統(tǒng)還可耦合電加熱裝置來提高進(jìn)料溶液溫度,從而有效提高產(chǎn)水量。Huang等[27]制備的PDMS/CNT/PVDF復(fù)合膜同時具備優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)化性能和焦耳熱效應(yīng),可以單獨或同時利用光熱轉(zhuǎn)化和焦耳熱加熱進(jìn)料液[圖6(d)]。當(dāng)光照發(fā)生變化時,還可以同步調(diào)整提供給焦耳加熱的功率,使總輸入功率保持在恒定水平,從而減少能源消耗并提高PMD系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.3 多級PMD系統(tǒng)

多級PMD如圖6(e)所示,系統(tǒng)的滲透側(cè)為多級結(jié)構(gòu)設(shè)計,可回收利用上一級冷凝產(chǎn)生的潛熱用于驅(qū)動下一階段的蒸發(fā)、冷凝過程,實現(xiàn)多階段的潛熱回收。多級PMD系統(tǒng)熱效率高、設(shè)備簡單,適合用于小規(guī)模的實際應(yīng)用。Dong等[28]構(gòu)建了一個三級光熱膜蒸餾系統(tǒng),進(jìn)一步探究流速對多級PMD裝置性能的影響[圖6(f)]。研究結(jié)果表明,在1 kW光照下,當(dāng)進(jìn)料流速為28 mL/h時,3級PDM系統(tǒng)的產(chǎn)水率高達(dá)2.3 kg/(m2·h),太陽能利用效率可達(dá)147.9%。

4 PMD水處理技術(shù)應(yīng)用

PMD相比于傳統(tǒng)的膜分離技術(shù),在能源回收利用以及水的可持續(xù)循環(huán)生產(chǎn)領(lǐng)域中具有顯著優(yōu)勢,已在海水和苦咸水淡化、工業(yè)廢水處理等多個領(lǐng)域得到應(yīng)用。此外,PMD技術(shù)還能與其他太陽能驅(qū)動技術(shù)戰(zhàn)略性組合來提高太陽能利用率,實現(xiàn)多功能化應(yīng)用。

4.1 海水、苦咸水淡化

PMD在海水和苦咸水脫鹽淡化領(lǐng)域已得到應(yīng)用,Said等[29]采用基于AGMD的PMD工藝對溶解性總固體(TDS)質(zhì)量濃度為40 000 mg/L的海水進(jìn)行脫鹽淡化,夏季時在得克薩斯州休斯敦進(jìn)行了長期測試[圖7(a)],在進(jìn)料流速為1.8 L/h的操作條件下,脫鹽率高于99.5%。Wang等[30]采用中空纖維膜,將基于真空膜蒸餾(vacuum membrane distillation,VMD)的PMD系統(tǒng)用于淡化杭州地區(qū)的苦咸水,當(dāng)日照充足時,該系統(tǒng)日產(chǎn)水量高達(dá)170 kg/m2,而多云時的日產(chǎn)水量也高于50 kg/m2[圖7(b)]。通過改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計、恢復(fù)潛熱等方式可以進(jìn)一步提高PMD的產(chǎn)水效率。Huang等[31]設(shè)計了一個多級PMD系統(tǒng)用于海水淡化[圖7(c)],單層系統(tǒng)在1 kW/m2的模擬陽光下通量僅為0.7 kg/(m2·h),而第二級系統(tǒng)通量可達(dá)1.1 kg/(m2·h),第六級系統(tǒng)通量高達(dá)1.8 kg/(m2·h)。

圖7 PMD在海水、苦咸水淡化的應(yīng)用Fig.7 Application of PMD in Desalination of Seawater and Brackish Water

4.2 工業(yè)廢水處理

PMD技術(shù)可有效去除廢水中的有機(jī)化合物、濃縮離子等,在工業(yè)廢水處理領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。PMD除了利用太陽能外,還能與工業(yè)余熱等低品位熱源結(jié)合,提高系統(tǒng)的能量利用效率,目前已應(yīng)用于處理印染廢水、石化廢水、重金屬廢水等工業(yè)廢水。將PMD技術(shù)用于印染廢水處理不僅可以利用印染廢水的廢熱輔助PMD過程,還能將染料回收進(jìn)行二次利用。Yan等[32]采用基于DCMD的PMD處理含氫溴酸、氯化鈉的染料廢水[圖8(a)],在照度為1 kW/m2,進(jìn)料流速為4.2 mL/s的操作條件下,光熱轉(zhuǎn)化效率高達(dá)85.2%,對氫溴酸、氯化鈉截留率高于99.5%。PMD技術(shù)對石化廢水也有較好的適應(yīng)性,如圖8(c)所示,Said等[33]采用PMD處理石化廢水,對溶解有機(jī)碳的截留率最高可達(dá)96%,TDS截留率保持在99%以上。PMD處理重金屬廢水過程中一般不會造成金屬離子價態(tài)的改變,有利于后續(xù)金屬回收處理。Shaheen等[34]研究了基于AGMD的PMD對含重金屬工業(yè)廢水的處理效果[圖8(b)],結(jié)果表明此工藝可有效去除廢水中的Fe3+、Cu2+、Cr3+等重金屬,對Zn2+的去除率高達(dá)97%,表明PMD在重金屬廢水處理領(lǐng)域中有巨大的應(yīng)用潛力。

圖8 PMD在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用Fig.8 Application of PMD in Industrial Wastewater Treatment

4.3 垃圾滲濾液處理

垃圾滲濾液具有氨氮含量高、有機(jī)物濃度高、污染物種類繁多以及微生物營養(yǎng)元素失調(diào)等特點。PMD將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能加熱進(jìn)料液,具備能耗低、進(jìn)料濃度范圍寬等特點,還能將垃圾滲濾液中的氨氮進(jìn)行回收利用,兼具能源效益和成本效益,在垃圾滲濾液處理領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。Bah等[35]將活性炭負(fù)載在PVDF膜基上,采用基于AGMD的PMD處理垃圾滲濾液,發(fā)現(xiàn)該膜的太陽光吸收率高達(dá)97%,對滲濾液中重金屬Cr2+、Ni2+和Fe2+的去除效率分別為98.70%、91.20%和99.70%,而對滲濾液中CODCr、TOC和氨氮的去除率達(dá)到90.36%、86.13%和69.30%,結(jié)果表明該工藝對滲濾液中重金屬、有機(jī)物和氨氮等具有良好的去除效果[圖9(a)]。但垃圾滲濾液原液中的大量有機(jī)物、固體懸浮物及各種金屬離子將會在膜表面吸附和沉積,導(dǎo)致膜污染,難以清洗恢復(fù),所以PMD并不適于直接處理滲濾液原液,常用于凈化預(yù)處理后的垃圾滲濾液。此外,由于滲濾液中氨氮質(zhì)量濃度一般為1 000～4 000 mg/L,是典型的高氨廢水,在處理垃圾滲濾液的同時,利用PMD技術(shù)實現(xiàn)氨氮的回收也極具現(xiàn)實意義。Zico等[36]使用太陽能驅(qū)動的改良DCMD研究從經(jīng)過超濾(UF)預(yù)處理的垃圾滲濾液中回收氨的效果[圖9(b)],結(jié)果表明氨的回收率高達(dá)98%,從預(yù)處理過的垃圾滲濾液中可以回收氨的量約為1.5 kg/m3。

圖9 PMD在垃圾滲濾液處理中的應(yīng)用Fig.9 Application of PMD in Landfill Leachate Treatment

4.4 多功能化應(yīng)用

太陽能能通過光伏、光化學(xué)和光熱過程進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化,被廣泛用于能源的生產(chǎn)。將PMD與能源生產(chǎn)戰(zhàn)略性集成能同時解決水資源和能源短缺問題,關(guān)于PMD系統(tǒng)在并行淡水生產(chǎn)和能源生產(chǎn)方面的研究也越來越多。Gao等[37]將聚對苯二甲酸環(huán)己撐甲基酯(PCT)凝膠用于PMD,研發(fā)H2O-H2共生成系統(tǒng)(HCS)進(jìn)行海水淡化,PCT凝膠能產(chǎn)生水蒸氣并實現(xiàn)光催化產(chǎn)H2,水蒸氣和H2通過疏水膜后冷凝,可分別從冷凝器的底部和頂部收集水和H2,該系統(tǒng)在自然陽光下,每日淡水產(chǎn)量達(dá)到5.0 kg/m2,H2產(chǎn)量可達(dá)4.6 mol/m2。Soomro等[38]將MD與光熱電站耦合構(gòu)建了一種復(fù)合PMD系統(tǒng)淡化海水,如圖10(a)所示,該復(fù)合系統(tǒng)在夏季的光照條件下,其產(chǎn)水率高達(dá)13 kg/(m2·h)。光伏太陽能集熱器 (PV/T)是能實現(xiàn)太陽能分級利用的技術(shù),將PV/T與MD裝置耦合也可實現(xiàn)高效的海水淡化。Wang等[39]研發(fā)出一種光伏膜蒸餾(PV-MD)裝置,光伏板被同時用于淡水生產(chǎn)和發(fā)電,多級膜蒸餾裝置安裝在光伏板背面,如圖10(b)所示,由光伏產(chǎn)生的余熱將直接用于驅(qū)動膜蒸餾,在1 kW/m2的太陽光照射下通量可達(dá)1.64 kg/(m2·h),并且光伏面板的發(fā)電效率不受影響。

圖10 PMD的綜合應(yīng)用Fig.10 Comprehensive Application of PMD

5 有待深化的研究方向

PMD具有低能耗、高截留率、模塊化設(shè)計等優(yōu)點,在近零排放水處理領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景,已經(jīng)應(yīng)用于海水、苦咸水的脫鹽淡化以及處理工業(yè)廢水等領(lǐng)域,并且能與其他太陽能驅(qū)動技術(shù)戰(zhàn)略性組合來實現(xiàn)多功能化應(yīng)用,但要實現(xiàn)它的規(guī)?；瘧?yīng)用,仍面臨著膜成本高、膜污染、膜潤濕以及產(chǎn)水量有待提高等諸多問題,需從以下幾方面進(jìn)一步研究。(1)研發(fā)新型光熱膜材料,改良系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計,以提高光熱轉(zhuǎn)化效率及系統(tǒng)產(chǎn)水量。針對PMD光熱效率及產(chǎn)水量有待提高的問題,需進(jìn)一步研發(fā)新型的光熱材料,比如在光熱層賦予微/納米結(jié)構(gòu),提高光在膜表層的散射,減少光反射率,以提高光吸收和光熱效率。此外,深入研究PMD的膜組件設(shè)計及其操作條件直接影響其性能的問題,并通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以減少熱能損失,從而有效提高PMD系統(tǒng)的太陽能利用率及產(chǎn)水量。(2)提高PMD裝置運行的穩(wěn)定性。長時間運行過程中,光熱材料穩(wěn)定性和生命周期以及膜污染、膜潤濕問題仍有待研究。研發(fā)具有長期光熱穩(wěn)定性的光熱膜材料,并探討實際光熱膜特性、操作條件和物料特性等因素對膜污染膜潤濕的影響,是今后研究的重點。(3)進(jìn)一步研究PMD技術(shù)與能源生產(chǎn)的戰(zhàn)略性集成。這種集成模式可以實現(xiàn)水資源和能源的協(xié)同利用,是解決水資源和能源短缺問題的重要途徑,有利于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。此外,將PMD系統(tǒng)與工業(yè)余熱等低品位熱源結(jié)合,也能提高系統(tǒng)的能量回收效率,從而進(jìn)一步提升PMD系統(tǒng)的整體性能。