基于中空纖維膜的太陽能海水淡化系統

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）

隨著工業化發展，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，這對于社會的可持續發展和經濟穩健增長有著不利影響。從國內已有數據來看，中國人均水資源量僅達到世界標準的1/4，屬于水資源最缺乏的一批國家。而要想應對這一問題，目前最直接有效的方式就是對于大規模進行海水淡化。進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引起不可再生能源的消耗，進一步引發能源問題的加劇，并且造成污染。相比起這一類方式，使用太陽能則會具有較大優勢，其能夠滿足環保的要求，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。由于這些優點的存在，太陽能海水淡化相關領域有了越來越多的研究者和從業人員，也得到了越來越多國家的重視。如果能夠實現將太陽能應用到大規模海水淡化上，那么就能夠有效緩解當前淡水資源缺乏的問題，有利于經濟發展和社會發展。

1 國內太陽能膜技術研究現狀

由于這一技術的巨大優勢和廣闊前景，當前對于其的相關研究很多。從國內的研究情況來看，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備，通過相關實驗發現這一系統具有很好的淡水轉化率，并且能夠保持較高的穩定性。王許云等人研究了太陽能膜、光照強度以及膜的排布方式對于實現海水淡化的效果的影響，最終驗證了兩者的作用情況。田瑞等人基于建模軟件建立了相應的仿真系統進行模擬，通過與實際實驗數據對比發現兩者的差值在5%范圍以內。

通過上述內容能夠看到，所進行的研究主要是圍繞兩個方面展開：①對于已有的包括集熱部分、太陽能膜以及冷凝設備進行改進，提高海水淡化的轉化率；②對于海水淡化系統進行仿真建模分析，進行動態觀測，為實現海水淡化系統的自動化及相關研究做下鋪墊。而本文的研究內容就是圍繞相應設備的改進建立起對應的海水淡化系統。

相比于其他形式的太陽能膜，本次設計中所采用的中空纖維膜能夠實現較高的過流量，保證了進行海水淡化的效率，流程圖如圖1。尤其是在近些年來，關于太陽能膜的研究越來越多，進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域的水處理過程之中。隨著這一類型膜的普及，會大大提高水處理的效率，有效提升海水淡化的轉化率，對于推動這一領域的發展以及緩解國內缺水現狀有著積極的現實意義。

圖1 海水淡化流程圖

2 系統最佳實驗條件確定

2.1 實驗設備簡介

本次實驗首先需要確定最佳的實驗條件，包括有：待淡化水溫度以及待淡化水流量。實驗主體是中空纖維膜海水淡化設備，對于這一設備，在本次實驗中，將通過外部電源供電轉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，實驗設備見表1，中空纖維膜的參數見表2。待處理水是通過水中加入鹽分取得。實驗設備簡化圖如圖2所示。

2.2 實驗流程

表1 實驗設備

表2 中空纖維膜參數

圖2 海水淡化最佳實驗條件確定實驗設備簡化圖

實驗流程為：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備，進行初步的淡化。之后再將一次處理的水經過第二階段的中空纖維膜，高鹽分水排出。得到的水蒸氣經過換熱器，通過和冷凝水進行充分的熱交換實現降溫后冷凝，最終到達淡水箱，就得到了我們所需要的淡水。通過調整控制因子，分為三組，并且每次實驗進行時間為1.5h，多次實驗取平均值作為參考值。

對應于最佳進水溫度的確定實驗，是通過分別對于流速為45L/h和85L/h的待淡化水進行研究溫度對于滲透量的影響，其圖像如圖3。而出現這一現象的原因為：伴隨著進水溫度的上升，對應的飽和壓力也在隨之上升，從而膜兩側壓差增大。但是這一上漲趨勢也不可以無限進行的，從數據中能夠看到，當到達75℃之后，溫度再繼續上升，到達80℃或者90℃時，溫度過高，超出膜的承受能力，會導致膜組件的工作性能受到影響，反而使得滲透速度下降，從而得到最佳進水溫度為75℃。

圖3 入口溫度對于滲透速度的影響

對應于最佳流量的確定實驗，是通過分別對于流速為65℃和75℃的待淡化水進行研究流量對于滲透量的影響情況，其圖像如圖4所示。而出現這一現象的原因為：伴隨著待處理水流量的增加，使得流體的擾動程度更高，對應的極化程度降低，使得分子更加易于流動，大大提升了滲透速度。本實驗數據對應圖像如圖4所示。從實驗數據能夠表明，當流量到達85L/h之后，再繼續增加流量，其對于滲流速度的提升效果并不明顯。在兩個溫度下，高溫的滲流速度增加情況更為顯著的原因在于：高溫會使得極化情況變嚴重，但是流速提升會顯著改善這一影響，抑制極化過程，驅動蒸汽流動，大大提升了蒸汽穿過中空纖維膜的速度。

2.3 實驗結論

圖4 流量對于滲透速度的影響

經過如上實驗流程，通過對比實驗數據，最終確定了最佳的實驗條件為：待淡化水進水溫度為75℃，待淡化水流速為85L/h。對應于這一條件，在這一試驗設備條件下能夠取得最大滲透速度為11.393。對于已有的實驗設備取到最佳實驗條件，取適量待處理溶液加入水箱進行實驗，讓系統連續運行10h，實驗期間并且及時給水箱補水，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，當取到最佳的實驗條件時，基于中空纖維膜建立的太陽能海水淡化設備能夠具有較高的滲透速度，從而有效提升了海水的轉換率，實現了高效脫鹽，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的實驗研究

3.1 實驗設備選擇

在這一部分之中將會對于包括升溫-膜蒸餾-降溫整體流程的運行情況展開，分析這一系統所實際運行的性能情況，對于系統的可行性以及運行的可靠性進行研究。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行實驗，研究了待處理水進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驗條件。在這一部分，將會再加入太陽灶作為熱源，選用天然海水進行實驗，實驗時間選擇在了溫度較高且白天光照較強的夏季，確保了環境光照的持續性和可靠性，考察了隨著時間變化海水轉化量的變化情況，并且對于最終所取得的淡水質量進行了分析，從而證明了基于中空纖維膜制成的太陽能海水淡化系統有著較高的轉化效率和可靠的工作性能。

本次實驗選在了某樓的七層樓樓頂，整個系統包括了待處理水箱、流量測量儀、太陽能集熱器、太陽灶、蒸發器、換熱器以及淡水箱等等幾個部分組成，對應的圖像如圖5。其對應的工作流程為：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，之后再進入到太陽灶之中，被第二次加熱。經過兩次加熱的海水到達蒸發器之中，汽化成為水蒸汽，汽化后的蒸汽通過真空纖維膜，之后再到達換熱器，在換熱器中水蒸汽與原始海水進行換熱，水蒸氣被冷凝成為水進入淡水箱中，原始海水被加熱了。此外，對于這一系統，其方向能夠進行調整，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行升溫，從而實現對于海水的升溫。而對于這整個系統來說，升溫系統無疑起著即為重要的作用，決定了整個系統的轉化效率。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。而在本實驗中，選取了真空管型集熱器，其具有較高的傳熱速度，較強的絕熱性能，可靠的運行性能、高轉化效率以及小熱容等特點。

對于太陽灶，其是進行對于太陽能進行匯聚實現溫度的更快提升，進行傳遞熱量給工質。對于這一設備，并不需要其他能源的輸入，因此并不會造成對于環境的破壞，并且進行加熱的情況同煤氣灶相類似。當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，其主要的特點包括有：制造成本低、可實現功能豐富、便于進行操作、構造簡單以及運行可靠。因此在本次設計過程之中，也選擇使用聚光類型太陽灶。

而對于蒸發器來說，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。其中藍膜鋁材能夠很好地實現對于陽光的聚集，保證蒸發器具有很好的工作狀態。當待處理水進入到蒸發器中，然后通過內部的橫管流出。在蒸發器中，海水實現了由液態到氣態的轉變過程。海水汽化上升，到達蒸發器的上部的蒸發器，進而穿過后面的換熱器部分。然后穿過膜之后的水蒸氣經過換熱器實現降溫液化，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，也是整個系統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系統的運行情況。對于換熱器來說，實現熱量轉換的驅動力在于冷熱工質之間的溫差，實現熱量從高溫工質傳遞給低溫工質。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，其有著如下優點：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可。在本次設計中，換熱器選擇了螺旋槽蛇形管，其主要實現的功能是對于水蒸氣進行降溫進入淡水箱，并且對于海水進行預加熱。

3.2 實驗過程及結論

要想驗證系統的整體性能，就繞不開對于所產海水的數量以及質量進行研究。在本系統中，選擇將中空纖維太陽能膜放到蒸發器部分，對于淡水數量的統計主要是通過太陽能膜的滲透量來表現，對應的圖像如下圖6所示。能夠看到，對于太陽能海水淡化系統來說，隨著時間的變化，滲透量有著一定的變化規律，其在一天之中，滲透量先上升后下降，在運行的11h之中，總共獲得了73kg淡水，一天之中最大滲透量為7.984，這一值出現的時間為下午兩點。而之所以出現這一現象，是因為是下午兩點附近當天溫度也達到最高，而且待處理海水溫度也達到了最高，從而此刻膜兩側具有最大的驅動力，產生了著最大的滲透速度。

圖6 滲透速度伴隨時間的變化情況

如下為對于海水水質的對照分析如表3。

表3 水質指標對照表

通過上表數據，分別將出口淡水數據同入口海水和相應標準進行比較，能夠發現對于這一基于中空纖維膜的太陽能海水淡化系統，其處理過后的具有極好的水質，也進一步驗證了這一生成流程以及對應系統的可行性和高效性。

此外，對于系統優劣的評價，還可以通過圍繞其經濟性進行展開。而對于經濟性的評判，則可以通過采用能耗指標。在本系統中，主要的能量損耗來自于三個泵，三個泵的總功率是580W。能耗計算的表達式如下：

對于這個實驗來說，其總功率為580W，運行時間總計為11h，其間產生的淡化水總量為73kg。將這個數據帶入上市，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相比，其價格仍然加高，但是這一海水淡化方式能夠用在無自來水供應但有大量海水的區域中使用，并且最終獲得的淡水品質較高，能夠達到直飲水的標準，比自來水價值更高。此外，隨著這一淡化方式的進一步研究發展，成本也會慢慢降低，最終會低于自來水。

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合，得到了完整的海水淡化系統。在實驗過程中，采用天然海水作為實驗材料，用太陽能集熱板以及太陽灶吸收太陽光作為熱源進行加熱工質。為了保證光照強度和光照時間，選擇了在夏天進行實驗，最終得到了所制得的的淡化水數量以及淡化水質量的實驗數據。實驗數據表明，在一天之中，淡水數量的獲取速度是先增長后下降的，在下午兩點時有最大值，原因在于但是的環境溫度最高。通過對比淡水指標和國家標準，發現淡水質量較高，甚至符合直飲水標準。綜上所述，這一基于中空纖維膜的太陽能海水淡化系統有著較好的海水淡化品質以及較高的海水轉化率，能夠實現穩定可靠的運行，可以實現效益的提升。

4 結束語

本文首先對當前國內外太陽能膜的研究成果進行了介紹，然后通過對已有理論的分析及當前實際需要設計了基于中空纖維膜的太陽能海水淡化系統。這一系統總體上可以分為三大部分：增溫部分、蒸餾部分、降溫部分。系統使用能量類型為太陽能，處理對象為天然海水，它能夠實現高品質高效率海水淡化。本文中，通過控制變量研究了海水進口溫度以及待處理水的流速對于滲透速度的影響，得到了最佳的實驗條件。之后，則對系統進行實地實驗，對于一天之中淡水生產速度以及最終淡水的品質進行了測定，從而驗證了系統的可行性和高效性。

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