光伏光热—扩容蒸发—膜蒸馏海水淡化装置

王晓婷

摘 要：光伏光热-扩容蒸发-膜蒸馏海水淡化装置包括光伏光热组件、扩容蒸发浓缩、真空冷凝和膜蒸馏四个部分。利用光伏光热系统吸收太阳能，产出电能和热能扩容部分所得淡水可达优质饮用水标准（20ppm以下）；膜蒸馏利用扩容所得疏水的低品位热，通过温度差和浓度差产生大量低品质淡水（400ppm以下），实现能量梯级利用与综合利用。低品位热能利用于海水淡化可降低淡水成本，具有很大的应用潜力和综合经济效益。

背景及意义

目前，我国某些孤岛以及青海、西藏等高原地带日常生活所需淡水多从大陆或附近岛屿调水解决用水问题，资源耗量大，经济成本高，且在惡劣天气无法送达，因此在许多沿海地区和边远的内陆地区就近用海水或苦咸水淡化制取淡水成了解决问题的突破口。

传统海水淡化方式及缺陷主要有：

（1）多级闪蒸法：淡水分离设备及燃料油成本昂贵，浓盐水余热没有得到较好利用，并且化石能源造成环境污染。

（2）反渗透法（RO）：装置能耗较高，需在高压下工作，膜组件易损，且出水品质一般。

装置介绍

整个实验系统主要由光伏光热子系统、扩容蒸发子系统、真空冷凝子系统、膜蒸馏系统四部分组成。整个系统的工作原理为：测试过程中将光伏组件调整至合适角度后，待处理海水经入口水泵由电动调节阀控制流量进入太阳能热电系统吸热升温并给电池板降温提高其效率，电池板发电给系统的电机、水泵等供电；升温后的海水进入热水箱，集热器将海水水温提高到扩容所需温度后经水泵和节流阀进入扩容蒸发器；扩容蒸发器的真空度由接在淡水箱顶部的真空泵保持，高温海水进入扩容器后因压力的降低而汽化，产生的蒸汽经除雾器进入凝汽器，产生的浓盐水经盐水泵进入浓盐水箱；凝汽器由外界同循环冷却水冷却，蒸汽进入凝汽器冷凝后流入淡水箱储存；浓盐水箱中的浓盐水经盐水泵进入膜蒸馏装置脱盐得到淡水流入淡水箱储存。所得淡水均可供用户使用。

扩容蒸发子系统

扩容蒸发子系统的主要核心部件是扩容器。运行时，达到温度要求的盐水经盐水泵进入扩容蒸发器，扩容蒸发器内由真空泵维持一定的真空度，高温盐水因压力的陡然降低而部分汽化，汽化产生的蒸汽经上方的管道在经过除雾器后进入凝汽器冷凝，余下的浓盐水则在蒸发器下部由浓盐水泵抽走至浓盐水箱。

真空冷凝子系统

扩容蒸发子系统产生的蒸汽进入真空冷凝子系统，真空冷凝子系统主要是由凝汽器、淡水箱、真空泵组成的。运行时，真空泵维持着凝汽器的真空度，保证扩容蒸发器内的蒸汽可顺利到达凝汽器，循环冷却水不断地在冷凝管中流过给壳体内的蒸汽冷却使其冷凝。蒸汽充分冷凝后即可产出淡水进入淡水箱中储存。

膜蒸馏子系统

膜蒸馏利用疏水性微孔膜将两种温度不同的水溶液分隔开，在膜两侧水蒸气压力差的作用下，热侧的水蒸气通过膜孔进入冷侧，在冷侧冷凝下来得到淡水。在传统的疏水膜基础上引入纳米粒子，产生超疏水基团，能够实现水蒸气的快速分离，提高产水量；另外，在超疏水膜的基础上复合亲水基团，能够阻止基膜的疏水性的退化以及防治污染物的富集，降低维护成本。

市场前景分析

目前海水淡化所使用的热法产水品质高，在20ppm以下，但产水率不高，且疏水的低品位热无法得到有效利用；膜法产水量在20kg/（m2？h）左右，品质略低于热法。本系统将扩容蒸发与膜蒸馏相结合，产水量提高10倍以上，且二次利用了扩容所得疏水的低品位热，提高太阳能的综合利用率，两部分淡水都达到生活饮用水国家标准，大大降低了孤岛以及边远地区居民用水成本。

本装置可以分布式运行，具有小型集成化的特点，为孤岛及边远地区居民提供充足的水和电，具有广泛的应用前景。