基于纳滤多膜与太阳光热技术的南疆盐碱水分析研究

雍飞 阳剑 王家硕 朱家玮

摘 要：新疆南疆地区由于环境因素影响，目前是我国盐碱危害和影响关注度较高的地区之一，对该地区盐碱地水样成分进行相关处理，是南疆盐碱水综合高效利用的前景之一，作为液体肥料具有广阔的发展前景。通过对新疆南疆相关地区水资源紧缺现状分析，提出针对该地区土壤盐碱化综合利用的解决办法之一，通过分析南疆盐碱水在水-盐分离等物理过程中离子含量的变化，并就此利用盐碱水的纳滤多膜法取淡技术及太阳光热蒸发形成凝结水及饱和盐水提取结晶盐的水盐分离技术探析。

关键词：纳滤多膜;光热蒸发;发展现状

中图分类号：S-1

文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20201115003

收稿日期：2020-10-17

基金项目：兵团重大科技项目“盐碱水资源化利用关键技术研究与示范-水体成份测试与液体化肥提取”（项目编号：2018AA033）

作者简介：雍飞（1993-），男，硕士。研究方向：农业信息化理论与实施;通讯作者阳剑（1979-），男，中级。研究方向：农业信息化的规划与管理。

新疆南疆地区属于大陆暖温带属性，具有干旱性质的荒漠气候类型特点，常年降雨极少，降水集中在每年中下旬季节，其蒸发量大，光照时间长，同时能量资源比较充足。但是因为降水稀少，导致地区气候干燥，造成了长期水资源短缺，同时因种植改良采用的大水洗盐方式需要大量资源易导致排水量大，故水资源浪费严重，进一步导致土壤盐碱化严重。阿拉尔市作为兵团下辖阿拉尔垦区管理局的办公地区，垦区的可耕地面积较为广阔，下辖土壤资源丰富，但因为深处内陆，距离海洋遥远，且邻近沙漠，故昼夜温差大[1]，作为全国高产粮棉区之一，本地区的细绒棉和长绒棉的生产和深加工也已经逐渐成为了该地区的重要经济产业之一。

1 项目设计及部署

1.1 项目设计对比分析

为进一步对新疆南疆高盐碱地区的水盐进行分离研究，一直以来采用各种分离方式和种植模式，采用膜分离和太阳光热是比较成熟的一种方案，在实验前期，通过对现有技术的整合利用，结合这个地区使用各种膜分离技术，扩展到各种技术产生的效果研究，随着各项时间推移及综合国力的发展，各种运用技术也快速发展，反渗透技术的应用发展及广泛普及就是其中一种。在此同时，对于纳滤膜的各种应用，是随着高新技术的发展，逐步在国内得到普遍认识和应用，最主要在于各种环境下的苦咸水的脱盐和软化后的综合应用，还有用于饮用水深度处理、废水处理、可食用的饮料浓缩等行业[2]。

综合分析，反渗透膜和纳滤膜这2项技术在实际应用的过程中都可通过施加外部压力，对溶液中的盐离子和大分子的成分进行分离，其主要在透过水分子过程后可以截留溶液纳滤膜脱除效果相对较低[3]，但因纳滤膜的膜材料带有电荷性质，在整个的分离过程中由于会产生荷电膜进行脱盐这种方式，针对于在相对较低外界压力下，具有对多价离子的较高脱除效率的特点，从而可以体现出针对存在有不同价态的无机盐离子的选择透过性。因此在综合利用中的盐离子、糖类物质和水中污染物等成分。综合分析，反渗透膜对大部分的物质具有较明显的类似过滤的效果，在对比情况之下，反观纳滤膜过滤效果，在其对单价的无机离子的脱方面，反渗透膜和纳滤膜的优越性能和其相关特殊性能使其在不同环境及不同特点的水样处理方面具有不同的具体应用。

纳滤技术是近现代逐步发展并被快速应用的具有高新技术的有分离作用的膜。在此之前，通常认为其是具有松散效果的反渗透膜，具有纳米级孔径，主要是因为在截留的效果上其截留分子的效果介于反渗透效果和超滤效果之间，此项技术是因为在膜的表面带有电荷的特性，同时因为不具有相关的选择透过性，并能截留约为1nm大小的物质而被广泛采用。同时在纳滤膜的实际测试及分析中，此项技术还可将低价与高价离子进行区分以及大分子筛选。故此，纳滤技术在盐碱水淡化以及废水循环利用、处理带有盐碱性质的各种复杂条件下的关键问题等都有应用，且纳滤膜还具有操作压力较低、过程中基本无相变化、可常温下操作、能耗低、工艺简便、污染小等优点，在卤水资源开发等方面都具有很强的应用潜力[4]。在现有的应用之下，带有反渗透脱盐技术的应用已逐步成为获取淡水的主要途径之一，通过对丰富的海水和来自于不同环境下的苦咸水脱盐，可解决当前日益趋紧的生活饮用水的需求。

1.2 项目部署设计

本次项目中，利用太阳光热法进行实验，主要是因为太阳光热法是采用具有真空石英管结构的循环集热晒管，对其外部结构进行分析，认为外管具有较高透光和吸热特性，同时在其生产时，在其内管的外表面镀有特殊性质的蓝膜作为高效吸热涂层，同时管与管采用相互头尾相连的方式，可增加能量接收区域，增加获取热能的效率，使在内管中的盐碱水液体被充分加热直至沸腾蒸发为蒸汽。同时可以利用两管间抽成真空的要求来减少在气体与液体在对流和转换传导时所造成的部分热量消耗和损失，借助于设备自身的效能和现有技术，可以增强在循环方式太阳光照下的光热吸收效能和有效保温的性能。

采用循环方式的太阳光照集热技术，在对外部环境的适应性分析时，对项目的设计进行充分地分析研究，对外部设施研究考虑需要采用具有耐高温、耐腐蚀、透光性高、光热稳定的实际需求，故此选择采用具有成熟技术的二氧化硅材料制造的设施，同时，因本项目处于的南疆具有白天温度普遍较高的特点，采用并排串联循环方式连接的太阳光照集热在实地实施上连接简单方便，同时在实地部署后具有大于180°可以吸光的优化设计的特点。在尾端连接处可以通过U型弯管进行并排连接，最后形成具有大面积的并排串联循环集热系统，圆柱形管同时可以满足多角度吸热的需求，有太阳光照辐射便可取得能量。

流经真空热管的盐碱水处于流动过程中时，吸热涂层所吸收的太阳光热将由外管导热传递给内管再传递能量到液体，随着外部光照温度逐步升高，会使相对时间内流经管道相对位置的水体的热量逐步变化升温，最后致使部分液体首先发生汽化。随着水体在向前缓慢流动的过程中，串联循环集热系统内部液体温度将超过液体所处的沸点，随着盐碱水在向前流动过程中不断吸热，逐步达到沸点的水体也越来越多，管内气体所占比例逐渐变大。本次项目的串联循环集热系统是利用吸热和蒸发并行的方式，太阳光热采集的能量为盐碱水的蒸发提供动力来源。主要是盐碱水沿程在管中不间断地流动，并依据太阳光热获得热量使得液体汽化逐步产生水蒸气，随后是大量水蒸气进入冷凝系统，冷凝形成淡水，剩余盐碱水流出串联循环集热系统，因水蒸气多次的分离将使盐度增大，经多次循环直至溶液浓度变为高价盐溶液，导出溶液进行晒盐分析，分离其中相关具体的成分。

2 結果与分析

2.1 环境分析及结果分析

本项目综合所处南疆地区的室外环境等各项特殊因素，设计实施具有经济可行且研究价值较高的并排串联方式的循环集热系统。该系统在实际部署时操作相对简单并具有更高的实用价值。实验对系统的部署和初步测试结果进行分析研究，得出主要结论：在循环过程中液体自身吸收热量处于一个随时变化的过程，随流动距离逐渐增加，并且在温度净热增益值沿流经长度逐渐减小，经过测试入口流量越小的情况下，净热增益存在较为明显减小。同时，在液体的温度与入口流速刚好为反比关系，流速越大的情况下，循环系统内部的相对温度越低，温度变化情况具有不明显的问题。在循环集热过程中热导效率与水体入口流速呈正比关系。入口流速减慢，管内水体温度达到沸点，在发生液化时，产生的水蒸气虽为高热量的低效率区域，但可维持整个的集热效率处于一个稳定变化的状态，综合导热效率和管内水温的关系，入口流量约为0.005m3·h-1较为合适。

3 讨论

本次实验的效益主要对于后期正确平衡节水优先与生态优先的关系，遏制生态环境恶化的趋势具有很大作用，鉴于农业用水历来是南疆地区用水量的大户，通过大规模的进行节水综合性分析研究，可将农业节约出来的水部分或全部用于河流和湖泊生态环境的修复，从而扭转生态环境恶化的趋势，进而逐步改善并恢复原有的生态环境质量。

参考文献

[1] 刘坤.阿拉尔垦区农业水资源利用现状及分析[J].河北农业科学，2009，13（10）：102-103，109.

[2]倪国强，解田，胡宏，等.反渗透技术在水处理中的应用进展[J].化工技术与开发，2012，41（10）：23-27.

[3]李鹏.水处理中膜分离技术的应用分析[J].技术探讨，2014，4（25）：34-36.

[4]康为清，时历杰，赵有璟，等.水处理中膜分离技术的应用[J].无机盐工业，2014（05）：12-15.

（责任编辑 周康）