可旋转的太阳能集热—减压膜蒸馏式脱盐研究

王世选，王芳，李进，夏东升

（1.武汉纺织大学纺织印染清洁生产教育部工程研究中心，湖北武汉430200；2.东华大学环境科学与工程学院，上海201620）

可旋转的太阳能集热—减压膜蒸馏式脱盐研究

王世选1，王芳2，李进1，夏东升1

（1.武汉纺织大学纺织印染清洁生产教育部工程研究中心，湖北武汉430200；2.东华大学环境科学与工程学院，上海201620）

设计构建了1套新型可旋转的太阳能集热—减压膜蒸馏脱盐系统装置，以太阳能集热提供热源，以3.5%的氯化钠溶液模拟海水进行脱盐实验。研究了不同进料液温度、冷侧真空度、进料液流量对膜组件性能的影响，以及1个工作日内膜通量、淡水电导率和截留率的影响变化。结果表明：当系统运行稳定时，膜组件入口进料液温度、冷侧真空度和进料液流量是影响系统性能的主要因素，且在1个工作日内系统所产淡水的电导率可达到10 μS/cm以下，截留率可达到99.9%以上。

太阳能；聚丙烯中空纤维膜；膜蒸馏；脱盐

膜蒸馏技术（MD）是将膜技术与热蒸馏过程结合在一起的新型膜分离技术〔1〕，以疏水性微孔膜的两侧蒸汽压差为传质动力，热侧的水蒸气透过膜孔到达冷侧而被冷凝富集〔2〕。由于MD不需要将待处理的液体加热到沸点以上，因此所需操作温度更低〔3〕，操作条件适中，克服了传统的脱盐技术过程中高温高压的缺陷，具有高效、节能、无相变、工艺简单等特点，在海水淡化、苦咸水淡化以及高浓度废水回收利用等方面得到了极大关注〔4〕。此外，将MD过程与可再生能源如太阳能、地热能、风能等技术耦合，利用低品位热源作为膜蒸馏的能源驱动，是目前膜蒸馏研究的一个新热点〔5〕。太阳能由于其清洁无污染、可再生、经济等优点使膜蒸馏与太阳能技术的集成成为研究者关注的焦点。

笔者设计并构建了1套新型可旋转式太阳能集热—减压膜蒸馏海水淡化系统装置，采用聚丙烯（PP）疏水性中空纤维膜组件，以3.5%NaCl溶液模拟海水，以可旋转式太阳能集热器吸收太阳能提供热源，进行太阳能集热—减压膜蒸馏脱盐实验，研究不同进料液温度、冷侧真空度、进料液流量对膜组件性能的影响，以及1个工作日内膜通量、淡水电导率和截留率的影响变化。

1　实验部分

1.1主要实验材料与仪器

热管式太阳能真空集热器，浙江神德新能源有限公司；太阳能辐射测量计SM206，深圳欣宝科仪；WT600-2J蠕动泵，保定兰格恒流泵有限公司；LZB-4玻璃转子流量计，上海帆扬机电有限公司；电导率仪SENSION5，美国HACH公司；SHB-Ⅲ循环水真空泵，郑州长城科工贸有限公司；恒温电辅加热储水箱，自制。聚丙烯（PP）疏水性中空纤维膜组件，浙江某公司。膜的性能参数：膜外壳尺寸90mm×430 mm，膜丝内径200μm，膜丝外径450μm，孔隙率60%～70%，膜面积0.121 5 m2，平均孔径0.05 μm。

1.2实验装置

可旋转的太阳能集热—减压膜蒸馏实验系统如图1所示。

图1　可旋转式太阳能集热—减压膜蒸馏系统示意

由图1可见，主要由太阳能集热系统、恒温电辅加热系统、膜组件、换热收集系统及抽真空系统组成。其中太阳能集热系统由12支真空管式太阳能集热器组成，有效集热面积1.8 m2，集热器下方配有直径5 m的可旋转底盘，可任意手动旋转集热器的方位，使集热器充分接收太阳辐射。在实验运行中采用电辅加热技术，海水由海水箱进入太阳能集热器，热源由太阳能提供，然后进入恒温电辅加热储水箱中储存。当水温无法满足温度要求时，采用电辅加热；当温度过高时，通过阀门控制进入集热器和储水箱的水量中和调节温度。当集热系统温度恒定时，海水被蠕动泵泵入膜组件，水蒸气在抽真空系统的压力下透过膜孔被换热收集系统冷凝并收集在淡水收集罐中。而蒸馏后的浓盐水则进入海水箱中进行循环利用。实验在武汉（北纬30.34°，东经114.18°）地区进行，武汉地区整年拥有较高日平均太阳辐射量，太阳能辐射资源相对较丰富；在晴天条件下，通过太阳能辐射测量计测量出7月某1个工作日内（8：30～17：30）的太阳能辐射强度。

1.3实验数据处理

当系统稳定时，每隔一段时间通过电子天平称量淡水收集罐和干燥器的质量增重，即为产水质量；用电导率仪测量淡水电导率；通过公式分别计算膜通量J〔6〕和脱盐截留率Rj〔7〕：

式中：J——膜通量，kg/（m2·h）；

W——淡水产量，kg；

S——有效膜面积，m2；

t——运行时间，h。

式中：Rj——脱盐截留率，%；ρh——模拟海水电导率；ρc——产水电导率。

2　结果与讨论

2.1太阳能集热—减压膜蒸馏系统脱盐实验

实验系统中，通过控制第二阀门、第三阀门和恒温电辅加热储水箱的电热丝开关来调节进水温度及流量；分别考察进料液温度、冷侧真空度和进料液流量对膜通量、淡水电导率和截留率的影响变化，确定影响系统性能的主要因素。

2.1.1进料液温度

进料液模拟海水NaCl质量分数为3.5%，冷侧真空度为0.095 MPa，进料液流量分别为70、90 L/h时，考察进料液温度对膜通量、淡水电导率和截留率的影响变化，结果如表1所示。

表1　进料液温度对膜通量、淡水电导率和截留率的影响

由表1可见，在90 L/h的流量下，料液温度由50℃升高到70℃，膜通量由4.38 kg/（m2·h）上升到10.31 kg/（m2·h），这是由于随着进料液温度增加，膜热侧的蒸汽压力增大，水蒸气通过膜组件的驱动力增大，因而膜通量增加。但考虑到膜材料和能耗的因素，温度不能无限提高，通常采用50～70℃。且在不同温度条件下，所产淡水的电导率均在10 μS/cm以下，截留率均在99.9%以上，说明该中空纤维在此实验条件下膜截留效率很高，膜性能很好。

2.1.2冷侧真空度

进料液模拟海水NaCl质量分数为3.5%，进料液流量为90 L/h，进料液温度分别为60、70℃时，考察冷侧真空度对膜通量、淡水电导率和截留率的影响变化，结果如表2所示。

表2　冷侧真空度对膜通量、淡水电导率和截留率的影响

由表2可见，在70℃下，冷侧真空度从0.075MPa提高到0.095 MPa，膜通量从3.46 kg/（m2·h）提高到10.31 kg/（m2·h），膜通量提高了将近3倍，由此可见膜通量随冷侧真空度的增大而增加，原因是由于减压膜蒸馏的驱动力之一为膜两侧的蒸汽压差，冷侧真空度越大，压差越大，蒸汽的驱动力越大，从而膜通量就越大。这与费克（Fick）定律所给出的膜通量与其他有关参数的关系式吻合〔8〕。同时，所产淡水的电导率随真空度升高而逐渐下降，这是由于随着真空度的增加，热侧水更容易汽化，所得淡水含盐率越低的缘故。且在此实验条件下，中空纤维膜组件对海水脱盐的截留效果很好，截留率均在99.9%以上。

2.1.3进料液流量

进料液模拟海水NaCl质量分数为3.5%，冷侧真空度为0.095 MPa，进料液温度为60、70℃时，考察进料液流量对膜通量、淡水电导率和截留率的影响变化，结果如表3所示。

表3　进料液流量对膜通量、淡水电导率和截留率的影响

由表3可见，在一定温度下，膜通量随流量的增加而增加，主要是由于进料液流量增大，进水速度加剧，增加了料液在膜组件中的湍流度，使温度损失减小，进而加大了水蒸气跨膜传输驱动力。且所产淡水电导率也逐渐下降，脱盐效果很明显，这是由于当温度和冷侧真空度达到合适条件时，随着进料液流量的增大，膜通量增大，电导率在此条件下容易达到理想脱盐状态。且在此实验条件下，中空纤维膜组件对海水脱盐的截留效果也很好，截留率均在99.9%以上。

2.21个工作日内太阳能集热—减压膜蒸馏系统脱盐实验

将实验条件设为进料液模拟海水NaCl质量分数为3.5%，冷侧真空度为0.095 MPa，进料液流量为90 L/h，关闭电辅加热系统，利用纯太阳能加热模拟海水，考察系统在1个工作日内膜通量、淡水电导率和截留率的变化。

2.2.1太阳能辐射强度对集热器出水温度的影响

太阳能辐射强度对集热器出水温度的影响如图2所示。

图2　太阳能辐射强度对集热器出水温度的影响

由图2可见，太阳能辐射强度和太阳能集热器出水温度随着时间的变化，先升高后降低，系统稳定运行时，由于水量基本不变，海水温度变化不大，集热器出水温度只与太阳能辐射强度有关。由于水的比热较大，集热器的升温与太阳辐射的变化并不同步，所以集热器出水温度变化要慢于太阳能辐射的变化。由于系统可任意旋转方位，使集热面始终与太阳辐射保持垂直，因此太阳能辐射强度在一段时间始终保持在1 000 W/m2左右水平，但在当日16：00之后天气突然呈阴天多云趋势，太阳能辐射强度急剧降低。

2.2.2进料液温度对膜通量的影响

进料液温度对膜通量的影响如图3所示。

图3　进料液温度和系统膜通量随时间的变化

由图3可见，进料水温度随时间的变化先升高后降低，但膜通量随时间的变化呈增长趋势，这是因为当太阳能辐射强度逐渐增大时，总的淡水产量也逐渐增多，当太阳能辐射强度减弱时，总的淡水产量增加幅度逐渐趋于平缓，最终趋于稳定不再增加，而淡水产量与膜通量有关（由公式1可知），运行时间和膜面积相同时，淡水产量越大，膜通量越大。

2.2.3淡水电导率和截留率随时间的影响变化

淡水电导率和截留率随时间的影响变化如表4所示。

表4　淡水电导率和截留率随时间的影响变化

由表4可见，淡水电导率随时间的变化呈不稳定的趋势，这与太阳能辐射强度和进料液温度有关，最初太阳能辐射强度并未达到最高值，导致太阳能集热器出水温度不高，从而使进料液温度升高缓慢，进料海水未得到充分的加热而被蒸发，使得淡水电导率在最初并不良好，但随着太阳能集热器出水温度的不断增加，进料海水得到充分的加热从而逐渐被蒸发，从而使得所产淡水的电导率逐渐降低，而在当日16：00之后天气突然呈阴天多云趋势，太阳能辐射强度急剧降低，太阳能集热器出水温度也随之逐渐下降，使得淡水电导率有增加趋势。而截留率与淡水电导率有关（由公式2可知），淡水电导率越小，截留率越大。

3　结论

（1）在太阳能集热—减压膜蒸馏脱盐实验过程中，膜组件入口进料液温度、冷侧真空度和进料液流量是影响系统性能的主要因素。随着三者的提高，膜通量显著增大，所产淡水电导率逐渐降低，而截留率则受进料液温度、冷侧真空度和进料液流量的影响不大。

（2）聚丙烯中空纤维膜在太阳能集热—减压膜蒸馏实验中表现出良好的分离性能，所产淡水的电导率可达到10 μS/cm以下，截留率可达到99.9%以上。

（3）将太阳能集热器应用于减压膜蒸馏系统中，充分利用了太阳能持续可再生、节能环保的特点，在天气晴朗时，太阳能集热器在温度方面表现出良好的性能；但在阴天多云天气，太阳能集热器则在温度方面表现不足，在此天气情况下，需采用电热水箱进行辅助加热的方式提高温度。

（4）设计的可旋转式太阳能集热—减压膜蒸馏系统，可任意手动旋转太阳能集热器追踪太阳的方位，使太阳能集热器充分接收太阳能；该系统能耗低、产水水质好、操作简单、运行稳定、有利于模块化操作。如技术成熟，可将自动追踪光源技术应用于太阳能集热器，因此在海水淡化或苦咸水淡化等方面有良好的应用前景。

［1］公言飞，杜启云，王薇，等.真空膜蒸馏淡化盐水的现状及发展［J］.水处理技术，2010，36（6）：14-16.

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［7］杜军，刘作华，陶长元，等.减压膜蒸馏分离含Cr（Ⅵ）水溶液的实验研究［J］.膜科学技术，2000，20（3）：14-10.

［8］毛尚良.减压膜蒸馏法的研究［J］.水处理技术，1994（5）：267-270.

Research on the rotatable solar collector-vacuum membrane distillation desalination

Wang Shixuan1，Wang Fang2，Li Jin1，Xia Dongsheng1
（1.Engineering Research Center for Clean Production of Textile Dyeing and Printing，Ministry of Education，Wuhan Textile University，Wuhan 430200，China；2.Environmental Science and Engineering Department，Donghua University，Shanghai 201620，China）

A new type of solar collector-vacuum membrane distillation desalination system has been designed and builted.The solar collector is used for providing heat sources for the system.Desalination experiments are conducted by using 3.5%of sodium chloride solution as simulated seawater.The effects of different temperatures of feed-in liquid，the vacuum degree on cold side，and the flow rate of feed-in liquid on the performances of the membrane module，as well as the changes of influences resulted from membrane flux，freshwater conductivity and retention rate per workday are studied.The results show that when the system runs stably，the main factors affecting the system performances are the inlet feed-in liquid temperature of the membrane module，vacuum degree on the cold side，and flow rate of the feed-in liquid.Moreover，the conductivity of fresh water produced by the system can reach 10 μS/cm or less，and the retention rate can be above 99.9%in a workday.

solar energy；polypropylene hollow fiber membrane；membrane distillation；desalination

X703.1

A

1005-829X（2016）05-0024-04

国家“十二五”科技支撑计划（2014BAC13B02-1）；国家“863”计划（2013AA031802）

王世选（1989—），硕士。E-mail：sxuan_king@qq.com。通讯联系人：夏东升，教授。E-mail：wufangtextile@sina. cn。

2016-02-07（修改稿）