基于中空纤维膜的太阳能海水淡化系统

陈文域

（江苏省常州宣纳尔新能源科技有限公司 江苏省常州 213023）

随着工业化发展，对于水的需求也越来越大，世界各国都面临着水资源缺少的问题，这对于社会的可持续发展和经济稳健增长有着不利影响。从国内已有数据来看，中国人均水资源量仅达到世界标准的1/4，属于水资源最缺乏的一批国家。而要想应对这一问题，目前最直接有效的方式就是对于大规模进行海水淡化。进行海水淡化主流的方式包括有如下几种：多级闪蒸、渗透膜处理、电渗析以及离子交换等方式。但是这些方式都在一定程度上会引起不可再生能源的消耗，进一步引发能源问题的加剧，并且造成污染。相比起这一类方式，使用太阳能则会具有较大优势，其能够满足环保的要求，减少对于不可再生能源的使用，还能够保证长期供能，并且能量总量巨大。由于这些优点的存在，太阳能海水淡化相关领域有了越来越多的研究者和从业人员，也得到了越来越多国家的重视。如果能够实现将太阳能应用到大规模海水淡化上，那么就能够有效缓解当前淡水资源缺乏的问题，有利于经济发展和社会发展。

1 国内太阳能膜技术研究现状

由于这一技术的巨大优势和广阔前景，当前对于其的相关研究很多。从国内的研究情况来看，已取得了不小的成果。殷文其等人通过使用U型管集热器制造了一套太阳能膜海水淡化设备，通过相关实验发现这一系统具有很好的淡水转化率，并且能够保持较高的稳定性。王许云等人研究了太阳能膜、光照强度以及膜的排布方式对于实现海水淡化的效果的影响，最终验证了两者的作用情况。田瑞等人基于建模软件建立了相应的仿真系统进行模拟，通过与实际实验数据对比发现两者的差值在5%范围以内。

通过上述内容能够看到，所进行的研究主要是围绕两个方面展开：①对于已有的包括集热部分、太阳能膜以及冷凝设备进行改进，提高海水淡化的转化率；②对于海水淡化系统进行仿真建模分析，进行动态观测，为实现海水淡化系统的自动化及相关研究做下铺垫。而本文的研究内容就是围绕相应设备的改进建立起对应的海水淡化系统。

相比于其他形式的太阳能膜，本次设计中所采用的中空纤维膜能够实现较高的过流量，保证了进行海水淡化的效率，流程图如图1。尤其是在近些年来，关于太阳能膜的研究越来越多，进行海水或者高浓度盐水的处理效果也越来越好，也日渐使用到其他领域的水处理过程之中。随着这一类型膜的普及，会大大提高水处理的效率，有效提升海水淡化的转化率，对于推动这一领域的发展以及缓解国内缺水现状有着积极的现实意义。

图1 海水淡化流程图

2 系统最佳实验条件确定

2.1 实验设备简介

本次实验首先需要确定最佳的实验条件，包括有：待淡化水温度以及待淡化水流量。实验主体是中空纤维膜海水淡化设备，对于这一设备，在本次实验中，将通过外部电源供电转化为热来代替太阳光，通过配置溶液代替海水，然后膜选用PP材料。其中，实验设备见表1，中空纤维膜的参数见表2。待处理水是通过水中加入盐分取得。实验设备简化图如图2所示。

2.2 实验流程

表1 实验设备

表2 中空纤维膜参数

图2 海水淡化最佳实验条件确定实验设备简化图

实验流程为：首先将配置的类似海水的溶液加入到待处理水水箱，通过静置以及大颗粒过滤设备，进行初步的淡化。之后再将一次处理的水经过第二阶段的中空纤维膜，高盐分水排出。得到的水蒸气经过换热器，通过和冷凝水进行充分的热交换实现降温后冷凝，最终到达淡水箱，就得到了我们所需要的淡水。通过调整控制因子，分为三组，并且每次实验进行时间为1.5h，多次实验取平均值作为参考值。

对应于最佳进水温度的确定实验，是通过分别对于流速为45L/h和85L/h的待淡化水进行研究温度对于渗透量的影响，其图像如图3。而出现这一现象的原因为：伴随着进水温度的上升，对应的饱和压力也在随之上升，从而膜两侧压差增大。但是这一上涨趋势也不可以无限进行的，从数据中能够看到，当到达75℃之后，温度再继续上升，到达80℃或者90℃时，温度过高，超出膜的承受能力，会导致膜组件的工作性能受到影响，反而使得渗透速度下降，从而得到最佳进水温度为75℃。

图3 入口温度对于渗透速度的影响

对应于最佳流量的确定实验，是通过分别对于流速为65℃和75℃的待淡化水进行研究流量对于渗透量的影响情况，其图像如图4所示。而出现这一现象的原因为：伴随着待处理水流量的增加，使得流体的扰动程度更高，对应的极化程度降低，使得分子更加易于流动，大大提升了渗透速度。本实验数据对应图像如图4所示。从实验数据能够表明，当流量到达85L/h之后，再继续增加流量，其对于渗流速度的提升效果并不明显。在两个温度下，高温的渗流速度增加情况更为显著的原因在于：高温会使得极化情况变严重，但是流速提升会显著改善这一影响，抑制极化过程，驱动蒸汽流动，大大提升了蒸汽穿过中空纤维膜的速度。

2.3 实验结论

图4 流量对于渗透速度的影响

经过如上实验流程，通过对比实验数据，最终确定了最佳的实验条件为：待淡化水进水温度为75℃，待淡化水流速为85L/h。对应于这一条件，在这一试验设备条件下能够取得最大渗透速度为11.393。对于已有的实验设备取到最佳实验条件，取适量待处理溶液加入水箱进行实验，让系统连续运行10h，实验期间并且及时给水箱补水，最终得到其平均渗流速度为12.392，最终获得的淡水总量为16.976kg。而能够取得这么多淡水的原因在于很好的控制了进水的温度以及水流速度，使得中空纤维膜的传输速率大大提升。

综上所述，当取到最佳的实验条件时，基于中空纤维膜建立的太阳能海水淡化设备能够具有较高的渗透速度，从而有效提升了海水的转换率，实现了高效脱盐，并且中空纤维膜具有很好的淡化效果。

3 中空纤维膜太阳能海水淡化系统的实验研究

3.1 实验设备选择

在这一部分之中将会对于包括升温-膜蒸馏-降温整体流程的运行情况展开，分析这一系统所实际运行的性能情况，对于系统的可行性以及运行的可靠性进行研究。在前一部分中，通过采用外部电源供电作为热源，并且采用配置溶液代替海水进行实验，研究了待处理水进水温度以及待处理水流速对于太阳能膜渗透速率的影响情况，并且最终确定了最佳的实验条件。在这一部分，将会再加入太阳灶作为热源，选用天然海水进行实验，实验时间选择在了温度较高且白天光照较强的夏季，确保了环境光照的持续性和可靠性，考察了随着时间变化海水转化量的变化情况，并且对于最终所取得的淡水质量进行了分析，从而证明了基于中空纤维膜制成的太阳能海水淡化系统有着较高的转化效率和可靠的工作性能。

本次实验选在了某楼的七层楼楼顶，整个系统包括了待处理水箱、流量测量仪、太阳能集热器、太阳灶、蒸发器、换热器以及淡水箱等等几个部分组成，对应的图像如图5。其对应的工作流程为：先将海水加入待处理水水箱，然后海水通过太阳能集热器第一次被加热，之后再进入到太阳灶之中，被第二次加热。经过两次加热的海水到达蒸发器之中，汽化成为水蒸汽，汽化后的蒸汽通过真空纤维膜，之后再到达换热器，在换热器中水蒸汽与原始海水进行换热，水蒸气被冷凝成为水进入淡水箱中，原始海水被加热了。此外，对于这一系统，其方向能够进行调整，可以依照光照方向改变朝向，大大提升了加热速度。

图5 流程图

对于这一系统中的升温部分，主要包括有太阳能集热器以及太阳灶，通过吸收太阳光获取热能进行升温，从而实现对于海水的升温。而对于这整个系统来说，升温系统无疑起着即为重要的作用，决定了整个系统的转化效率。太阳能集热器依靠太阳光来加热并将热量传递到待处理水。对于太阳能集热器来说，典型的包括有两种：真空管类型以及平板类型。而在本实验中，选取了真空管型集热器，其具有较高的传热速度，较强的绝热性能，可靠的运行性能、高转化效率以及小热容等特点。

对于太阳灶，其是进行对于太阳能进行汇聚实现温度的更快提升，进行传递热量给工质。对于这一设备，并不需要其他能源的输入，因此并不会造成对于环境的破坏，并且进行加热的情况同煤气灶相类似。当前太阳能灶的类型主要包括有：箱式类型、平板式类型以及聚光类型三大类型。但是从使用情况来看，使用程度上最高的还是聚光类型的太阳灶，其主要的特点包括有：制造成本低、可实现功能丰富、便于进行操作、构造简单以及运行可靠。因此在本次设计过程之中，也选择使用聚光类型太阳灶。

而对于蒸发器来说，其主要组成部分为：铝板、双层玻璃做成的底板以及盖板、待处理谁入口管、支撑部分以及膜部分。其中蓝膜铝材能够很好地实现对于阳光的聚集，保证蒸发器具有很好的工作状态。当待处理水进入到蒸发器中，然后通过内部的横管流出。在蒸发器中，海水实现了由液态到气态的转变过程。海水汽化上升，到达蒸发器的上部的蒸发器，进而穿过后面的换热器部分。然后穿过膜之后的水蒸气经过换热器实现降温液化，最终被收集到淡水箱中。

在上述过程中，作为冷凝组成的换热器，也是整个系统之中极为重要的组成部分之一，好的换热器能够有效提升整个系统的运行情况。对于换热器来说，实现热量转换的驱动力在于冷热工质之间的温差，实现热量从高温工质传递给低温工质。换热器的类型主要可以分为三种：管型换热器，板型换热器以及其他类型。对于这三种类型来说，最为常用的就是管型，而其中使用频率最高的又属于蛇形换热器。对于蛇形换热器，其有着如下优点：便于装配，清洗便捷，检修效率高以及制造成本低，因此得到了广泛的认可。在本次设计中，换热器选择了螺旋槽蛇形管，其主要实现的功能是对于水蒸气进行降温进入淡水箱，并且对于海水进行预加热。

3.2 实验过程及结论

要想验证系统的整体性能，就绕不开对于所产海水的数量以及质量进行研究。在本系统中，选择将中空纤维太阳能膜放到蒸发器部分，对于淡水数量的统计主要是通过太阳能膜的渗透量来表现，对应的图像如下图6所示。能够看到，对于太阳能海水淡化系统来说，随着时间的变化，渗透量有着一定的变化规律，其在一天之中，渗透量先上升后下降，在运行的11h之中，总共获得了73kg淡水，一天之中最大渗透量为7.984，这一值出现的时间为下午两点。而之所以出现这一现象，是因为是下午两点附近当天温度也达到最高，而且待处理海水温度也达到了最高，从而此刻膜两侧具有最大的驱动力，产生了着最大的渗透速度。

图6 渗透速度伴随时间的变化情况

如下为对于海水水质的对照分析如表3。

表3 水质指标对照表

通过上表数据，分别将出口淡水数据同入口海水和相应标准进行比较，能够发现对于这一基于中空纤维膜的太阳能海水淡化系统，其处理过后的具有极好的水质，也进一步验证了这一生成流程以及对应系统的可行性和高效性。

此外，对于系统优劣的评价，还可以通过围绕其经济性进行展开。而对于经济性的评判，则可以通过采用能耗指标。在本系统中，主要的能量损耗来自于三个泵，三个泵的总功率是580W。能耗计算的表达式如下：

对于这个实验来说，其总功率为580W，运行时间总计为11h，其间产生的淡化水总量为73kg。将这个数据带入上市，可以得到总的能耗为314.63kj/kg，也即是0.0874kWh/kg。虽然将这一耗能同自来水价相比，其价格仍然加高，但是这一海水淡化方式能够用在无自来水供应但有大量海水的区域中使用，并且最终获得的淡水品质较高，能够达到直饮水的标准，比自来水价值更高。此外，随着这一淡化方式的进一步研究发展，成本也会慢慢降低，最终会低于自来水。

在这一部分之中，通过将上一部分的蒸馏部分同升温部分以及降温部分相结合，得到了完整的海水淡化系统。在实验过程中，采用天然海水作为实验材料，用太阳能集热板以及太阳灶吸收太阳光作为热源进行加热工质。为了保证光照强度和光照时间，选择了在夏天进行实验，最终得到了所制得的的淡化水数量以及淡化水质量的实验数据。实验数据表明，在一天之中，淡水数量的获取速度是先增长后下降的，在下午两点时有最大值，原因在于但是的环境温度最高。通过对比淡水指标和国家标准，发现淡水质量较高，甚至符合直饮水标准。综上所述，这一基于中空纤维膜的太阳能海水淡化系统有着较好的海水淡化品质以及较高的海水转化率，能够实现稳定可靠的运行，可以实现效益的提升。

4 结束语

本文首先对当前国内外太阳能膜的研究成果进行了介绍，然后通过对已有理论的分析及当前实际需要设计了基于中空纤维膜的太阳能海水淡化系统。这一系统总体上可以分为三大部分：增温部分、蒸馏部分、降温部分。系统使用能量类型为太阳能，处理对象为天然海水，它能够实现高品质高效率海水淡化。本文中，通过控制变量研究了海水进口温度以及待处理水的流速对于渗透速度的影响，得到了最佳的实验条件。之后，则对系统进行实地实验，对于一天之中淡水生产速度以及最终淡水的品质进行了测定，从而验证了系统的可行性和高效性。

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