太阳能在盐水处理中的应用

2022-11-26谢跃林刘慧敏王美慧高爽丁健王亚雄

应用化工 2022年8期

谢跃林，刘慧敏，王美慧，高爽，丁健,2，王亚雄,2

(1.内蒙古自治区煤化工与煤炭综合利用重点实验室，内蒙古科技大学化学化工学院，内蒙古包头 014010；2.内蒙古煤炭绿色开采与绿色利用协同创新中心，内蒙古包头 014010)

海洋、盐湖等存在大量无法直接利用的盐水，而工农业生产会消耗淡水、甚至产生大量的高盐废水[1]。将海水、盐湖咸水等经适当处理后可实现对淡水资源的有效补充[2]、能够带来环境与经济的双重效益。因此对高效、节能盐水处理工艺和设备的研究尤为必要[3]。利用自然界的可再生能源——太阳能来处理盐水能显著提高处理效率并节约能源，是一种环保经济的生产淡水的方式[4]。大多数海水淡化、高盐废水脱盐系统可以直接使用热能，浓缩太阳能热能非常适合应用于盐水处理[5]。由于太阳能可以直接使用，所以太阳能可用于发电、供热、冷却从而达到脱盐和制取淡水的目的[6]。所以，开发利用光热、光电转换等新型设备和高效利用太阳能处理盐水至关重要。

1 技术进展

1.1 太阳能耦合蒸馏技术进行盐水处理

1.1.1 太阳能直接蒸馏脱盐由于大多数脱盐过程都是依靠热进行的，因此太阳能可以直接用作热源，或直接在太阳能集热器中产生蒸馏物，因此是一种简单、经济的蒸馏方法[7]。如高盐废水的传统处理方法是利用蒸发池直接吸收太阳光并蒸发盐水、最终实现零液体排放。蒸发池也可以结合光热装置，将阳光转化为中红外辐射、通过辐射耦合在水表面进行热化以提升光热效率[8]。太阳池是以太阳辐射作为能量来源的人造盐水池，作为重要的低温热源装置，已成为大规模太阳能热利用尤其是用于海水淡化的最广泛技术[9]。该系统包括太阳池与海水淡化两部分，浓缩海水首先被输送至太阳池，在浓度梯度下热交换后，下对流层的热浓盐水引入底部换热器并与海水淡化部分进行热交换；海水淡化部分采用蒸馏法进行海水淡化，所得淡水部分再注入太阳池的上对流层。这样，可以最大程度的实现能量和水资源的有效利用。

1.1.2 太阳能集热蒸馏脱盐由于阳光分散、能量密度低且存在周期性的变化，集中太阳能以提高工艺的运行温度是目前的研发热点。常泽辉等[10]设计了三反射面聚焦槽式聚光器和镜像焦点重叠式聚光器以聚焦太阳能、并直接加热海水，产生的水蒸汽再输入到海水淡化装置中生产淡水和制盐。Jang[11]则设计了直接太阳能热蒸馏装置，用作太阳光吸收剂的“黑色”复合泡沫有效地加热盐水以产生淡水蒸气，同时盐分截留率>99.5%。此外，通过使用抛物线型太阳能收集器(CPC)和平板集热器等来吸收太阳能可以为蒸馏脱盐工艺提供高品位热能。CPC集热的太阳能淡化系统主要由集热系统(热管式集热器等)、预热系统、蒸发冷凝系统等组成。关弘扬等[12]设计了一种结构新颖的小型集约化多级满液型蒸发回热式太阳能淡化系统，系统由5个集热/回热单元组成，每个单元由一个简化式CPC集热板、一个真空玻璃管集热/回热/冷凝一体化装置和一个补水器组成。Rahman[13]通过平板太阳能集热器将水预热至55～60 ℃，然后CPC加热预热过的盐水至85 ℃以上蒸发。该过程中太阳能作为唯一动力供给。Cheng等[14]设计了一种垂直分层太阳集热蒸气发生器，用于高效、稳定地蒸发工业高盐废水。

1.1.3 太阳能耦合多效蒸发处理盐水由于低温多效蒸发技术对热源要求不高，太阳池集热的多效蒸发海水淡化系统广为使用，该系统利用盐度梯度太阳池集热和蓄热耦合低温多效蒸发进行海水脱盐，具有较好的能源效率和经济效益[9]。此外，田禾[15]综合多级闪蒸和多效蒸发两种系统的优点，设计制造了具有一效蒸发器的太阳能闪蒸-多效蒸发海水淡化装置，在海水温度为68～78 ℃范围内具有较高的产水量，且系统内部温度不变，尤其适用于太阳能热源不稳定情况。顾明等[16]耦合太阳能平板集热系统和多效蒸发器建立了太阳能低温多效蒸发海水淡化系统。随着集中式太阳能的快速发展，刘晓华[17]设计了真空管集热的太阳能低温多效蒸发海水淡化装置，该装置在天气晴朗时无需其他能量而自动制取淡水。Wei等[18]基于此提出了一种全分离多效蒸发系统，利用太阳能等热源对送入全分离罐的空气进行预热，使罐中喷出的最后一次浓缩的高浓度盐水完全蒸发。机械蒸汽再压缩技术(MVR)[19]具有蒸发温度低、热效率高等优点，尤其适用于脱盐和淡水制取。为降低高盐废水蒸发结晶过程中MVR系统的能效，田雨[20]提出耦合太阳能集热的MVR蒸发结晶系统，仿真分析结果表明该系统压缩机耗功显著降低，系统性能系数达到24.96。周封[21]提出了一种利用太阳能的MVR高盐污水处理系统，采用分离子系统和余热回收子系统实现两级预热/冷却方式，结合太阳能子系统预热，以及浓缩、干燥子系统中的蒸汽压缩回收利用，有效降低了成本。Onishi[22]将太阳能辅助朗肯循环与MVR相结合，建立了太阳能等可再生能源驱动的零排放淡化厂。将太阳能热泵技术应用于多效蒸发淡化工艺中是海水淡化领域的一个新的设计概念，且其在造水比和能源效率等方面具有较大优势。该工艺以太阳能作为热源，第二类溴化锂吸收式热泵机组利用低温热源的热能，制取所需要的高温热媒(热水)，实现从低温向高温输送热能[23]，再通过多级闪蒸和蒸馏等方式来实现盐水淡化。

1.2 利用太阳能发电进行盐水处理

通过收集和转换太阳能为电能已被广泛用于盐水处理中的电能补给或为脱盐过程直接提供动力，如利用太阳池底部和表面较大的温差进行发电并作为盐水处理的高峰用电的补充电能。

1.2.1 太阳能蒸汽发电进行盐水处理 Sun等[24]提出了一种具有较高的集光和传水性能的新型双层太阳能蒸汽生成装置。该装置在光照条件下，超高压蒸气产生率为2.10 kg/(m2·h)，太阳能热效率为92.8%。因此，该装置可直接用于发电和水净化等用途。Demir[25]提出了一种新颖的太阳能蒸汽发电机(TEG)单元驱动反应堆发电和盐水处理，热效率为7.46%，产生551.2 W的电能、同时生产净水。由于在倾斜自然光照明条件下蒸发器的性能较低，制造全向照明下高效太阳能蒸发器(SSG)是该技术的核心。Wang[26]设计了具有多分支、多孔和分层结构的超黑松果胶(UBP)，在全向照明下表现出优异的SSG性能。如蒸发量为1.86 kg/(m2·h)，蒸发率为97.85%。UBP还在浓盐水处理中显示出良好的耐盐性。Guo等[27]构建了混合水凝胶蒸发器，具有充足的水运输、有效的水活化和防盐污染功能等优势。

1.2.2 太阳能光伏发电进行盐水处理由太阳能直接供电的新型太阳能蒸馏器是一种有效的脱盐过程。Wang等[28]研究了由光伏电池驱动的太阳能蒸馏器淡化系统，并估算了太阳能利用、淡水生产和盐生产情况。Diego[29]对太阳能光伏和海盐电池的尺寸进行了仿真研究。结果表明，30 kWp的光伏系统与50 kWh的海盐电池相结合，可以100%的满足海水淡化的电力需求。

1.2.3 太阳能烟囱发电进行盐水处理利用太阳能烟囱强化海水蒸发、在烟囱底部形成强大的饱和湿润气流，冷凝后获取其中的水分，冷凝余热或冷凝水用于发电，实现了集发电和海水淡化于一体的经济性系统。左潞[30]将太阳能烟囱发电与空气能热泵联合进行海水淡化，该系统充分利用太阳能、将太阳能烟囱与太阳池相结合，为空气能系统提供电能，保证了海水淡化的稳定性；同时提供一定的冷量，用于高温场所的降温。

1.2.4 太阳能发电耦合电渗析进行盐水处理太阳能发电装置进行光电转换后，所得电能输入电渗析装置后为电渗析膜堆提供电力支持，经提取钠离子和氯离子后，达到脱盐淡化之目的[31]。

1.3 太阳能耦合膜蒸馏系统进行盐水处理

太阳能-膜蒸馏系统是具有较高效率的盐水处理技术。Wang等[32]设计了一种新型的太阳能-真空膜蒸馏(SVMD)系统用于微咸水淡化或高盐废水处理，该系统淡水生产的保留率大于99.67%，平均脱盐率超过90%。Boukhriss等[33]将膜蒸馏系统与高效太阳能收集器耦合，生产高品质的饮用水和少量不受水源盐度影响的微咸水。Miralles-Cuevas[34]研究将太阳能与纳米膜过滤(NF)相结合，可处理废水中的微污染物和盐分。此外，NF预处理能够以较低的流速和较高的起始浓度进行，从而减少了太阳能收集器的面积。Yu[35]以亲水性单壁碳纳米管(SWCNT)膜作为过滤器、并在乙醇中分散多壁碳纳米管(MWCNT)粉末，通过简便的真空过滤方法制备全碳纳米管杂化膜。亲水性SWCNT膜为水提供了渗透通道，而超疏水性MWCNT具有自清洁、自扩散和宽带吸收的能力。因此，该杂化膜具有超高的太阳光吸收率(约99%)、低导热率和出色的光热转换能力。当多个膜自组装成大膜(约40 cm2)时，太阳热效率保持在约80%。Said[36]设计了“纳米光子太阳能薄膜蒸馏(NESMD)”系统使用太阳能进行盐水脱盐制取淡水。通过在商用聚四氟乙烯膜表面的疏水聚丙烯载体上的纳米涂层中嵌入炭黑纳米粒子以捕获光子，从而吸收照射在其表面80%的太阳光，使局部产生较高热量，加热沿着渗透膜一侧流动的盐水并加快水的蒸发。产生的水蒸气从热的一侧通过膜蒸馏被拉到冷一侧后遇冷形成淡水。该系统中太阳能为唯一能源输入，也无需提供冷却水。李正良等[37]基于降膜蒸发与凝结机理，设计了一台具有四效回热性能的吸收式太阳能耦合膜蒸馏海水淡化系统。由于在本系统中采用了横管、竖管降膜蒸发及降膜凝结技术，多数的蒸汽潜热及部分盐水的显热得以多次重复利用，而且由于对最末效蒸汽进行了主动吸收，因此回收了蒸汽的焓、强化了最后一效的蒸发过程，因而系统具有较高的性能系数。随着材料科学的飞速发展，各种先进的膜材料涌现用于合成太阳能蒸发淡化膜以提高效率。Prihatiningtyas[38]通过溶液浇铸成功制备了一系列三醋酸纤维素/Ludox-二氧化硅纳米复合物全蒸发膜，提高三醋酸纤维素膜的脱盐性能。Mao[39]报道了通过疏水过滤法制备的具有疏水表面的纳米级插层氧化石墨烯(GO)膜。SiO2纳米颗粒通过物理混合提高了GO膜的表面粗糙度。接枝十六烷基三甲氧基硅烷进一步提高了膜的疏水性。除在高温下逐渐增加的水通量外，出色的脱盐性能还可以通过改变盐浓度或在进料中添加模型污垢剂来保持稳定。

1.4 其它利用太阳能脱盐新技术或集成技术

1.4.1 增湿-去湿盐水淡化技术与蒸馏法及反渗透法不同，增湿-去湿(HDH)技术作为一种新型的盐水淡化技术，采用强化传热传质、改善回热等措施，解决传统太阳能蒸馏器存在蒸发慢、凝结慢、回热差等问题，产水率有较大提升。该工艺一般以空气等为载气，通过对盐水增湿和去湿操作后制取淡水[40]。为提高过程的热效率，常将去湿与增湿过程耦合，冷凝潜热直接传递到蒸发室后为蒸发过程提供汽化潜热。Fouda等[41]开发了太阳能辅助加湿-去湿脱盐系统与热回收和热储能装置的集成，以提高系统生产力、降低辅助耗电量和系统尺寸，确保系统持续运行。

1.4.2 利用界面蒸发的太阳能淡化界面太阳能驱动的蒸发可将太阳能有效转化为热能进行脱盐。Wu[42]将功能性F和Na位点分散在等离子制成的垂直取向石墨烯纳米片上，石墨烯纳米结构通过毛细作用将水向上泵送，以及纳米陷阱带来的高吸光率，鳍状纳米结构增强了快速的界面传热，以及石墨烯尖锐边缘加速了界面蒸发。不过，局部加热和生成的界面蒸汽会导致盐在蒸发器表面积聚，并阻塞蒸汽蒸发的通道，因此减少了太阳能吸收器的光吸收效率和使用寿命。通过光热材料和结构工程的设计可以有效解决盐累积的问题。Zhang等[43]利用木材制成的气凝胶具有良好的亲水性、低的导热性和较轻的重量，实现了较高的太阳能转化率(90.1%)。重要的是，蒸发器在夜间可完成盐残留物溶解而自清洁，保证了脱盐的稳定性。Fan[44]设计了分层太阳能吸收体系，包括3D MXene微孔骨架和垂直对齐的MXene纳米片，并装饰有金属-有机骨架衍生、嵌有钴纳米颗粒的二维碳纳米板的垂直阵列。三类光热材料的合理整合可实现宽带光吸收、有效的光热转换、低热损失以及快速的水传输行为。此外，当与带有亲水通道的疏水绝缘层组装在一起时，可以有效地抑制盐的结晶。Dong等[45]结合静电纺丝和纤维冷冻成型技术，制备了垂直排列的结构和多孔结构的器壁所组成的弹性陶瓷基纳米纤维气凝胶，促进了对流和扩散作用，即使在20%的盐水中和在阳光照射下，气凝胶亦能表现出优异的耐盐性。此外，由于特殊的结构与碳纳米管的吸光度的协同作用，气凝胶的吸光度高达98%，蒸发性能达到1.50 kg/(m2·h)。Gong等[46]展示了多功能天然膜界面蒸发的新概念，实现了从太阳能收集到废热回收和存储的能量转换的整个循环，同时有效地对水进行淡化和净化，集水率高达81.0%，并且清洁水效率为67.4%。

1.4.3 自持式太阳能脱盐技术 Ramalingam等[47]提出了自持式可见光驱动的电化学氧化还原脱盐，即利用可见光照明，使咸水连续脱盐为淡水。该体系内部集成了准固态染料敏化太阳能电池和具有双功能镀铂石墨纸电极的连续氧化还原流脱盐装置，可以将能量转换和水脱盐结合在一起，避免了脱盐时电能的消耗。Wang等[48]研究人员将“螺吡喃”分子锚定于铝基金属有机框架中，利用其“遇暗变阴阳，遇亮则复原”的特性，借助光调节，完成盐离子吸附和析出的过程。该吸附剂具有稳定的脱盐性能，为未来开发低能耗淡化技术提供了新思路。

1.4.4 其它太阳能耦合脱盐技术由于高的电池电极容量和低的能量消耗(主要归因于放电过程中的高能量回收)而实现的高脱盐能力，电化学去离子是一种从水溶液中脱除可溶性带电离子的新兴技术方法[49]。其中，太阳能耦合脱盐电池是一种新型的脱盐集成技术，通过输入来自光电转换的电能，在电极表面进行法拉第反应而提取盐溶液中的钠离子和氯离子、实现脱盐淡化。然后再通过放电过程(两电极短接或反向施加电压)释放离子到浓盐水中，同时回收部分能量。杨帆等[50]结合超声雾化和太阳能蒸发处理高盐水，实现同步回收淡水和盐分。超声雾化系统将高盐水雾化为小液滴，进入太阳能蒸发系统中迅速气化，液滴中盐分析出为盐分小颗粒。