薛喜東，張 丹，李 露，卜建偉，邵天寶，潘春佑，張 乾

(1.國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192；2.艾地盟生物科技〈天津〉有限公司，天津 300452)

太陽能膜蒸餾(SP-MD)是一種新型的海水淡化技術，該技術以太陽能作為熱源，驅動膜蒸餾系統(tǒng)進行海水淡化，從而獲取高品質淡水，充分利用了膜蒸餾技術操作溫度低和太陽能可再生、經(jīng)濟等優(yōu)點[1-2]，具有節(jié)能、環(huán)保雙重效益。

近年來，隨著淡水資源的越發(fā)短缺，學者對SP-MD海水淡化技術的研究逐漸增多。Chafidz等[3]在沙特阿拉伯搭建了一個集熱面積為18 m2的太陽能真空膜蒸餾(SP-VMD)海水淡化裝置，研究發(fā)現(xiàn)太陽輻照量對日產(chǎn)水量和日平均集熱效率有顯著影響，日產(chǎn)水量和日平均集熱效率的最大值分別為96.6 L/d和50.5%。Cipollina等[4]研究了料液流量和料液溫度對太陽能膜蒸餾系統(tǒng)造水比和膜通量的影響，研究發(fā)現(xiàn)造水比的提高有利于系統(tǒng)產(chǎn)水量的提高。Porrazzo 等[5]比較了自動控制模式(基于神經(jīng)網(wǎng)絡模型)和手動控制模式下的太陽能膜蒸餾(SP-MD)海水淡化性能，其中自動控制模式能夠根據(jù)水溫和太陽能輻照強度自動調節(jié)料液流量，發(fā)現(xiàn)自動控制模式的運行費用較低，熱效率和產(chǎn)水量較高。Bouguecha[6]研究了熱回收和無熱回收兩種運行模式下的太陽能直接接觸膜蒸餾(SP-DCMD)的產(chǎn)水性能，研究發(fā)現(xiàn)熱回收有利于系統(tǒng)產(chǎn)水量的提高，前者的產(chǎn)水平均流速為4.59 L/h，后者的產(chǎn)水平均流速為3.31 L/h。

本研究將自主設計的具有內(nèi)部熱量回收的新型空氣隙膜蒸餾組件與U型真空管式集熱器進行耦合，建立一套太陽能空氣隙膜蒸餾海水淡化系統(tǒng)，重點研究料液流量、中空纖維纏繞角度、太陽輻照量以及天氣等對系統(tǒng)產(chǎn)水性能的影響，并進行長期穩(wěn)定運行試驗來考察系統(tǒng)的可靠性。

1 試驗部分

1.1 試驗流程及裝置

試驗流程如圖1所示，換熱水箱(熱管式)注入原海水，當太陽能集熱器與換熱水箱熱工質溫差值大于5 ℃時，啟動太陽能循環(huán)泵，將太陽能集熱器的熱量經(jīng)熱管傳送至換熱水箱中的料液；當換熱水箱料液的溫差達到空氣隙膜蒸餾組件的設定溫度時，啟動膜蒸餾循環(huán)泵，將熱料液輸送至空氣隙膜蒸餾組件；熱料液流經(jīng)膜組件后經(jīng)冷卻器冷卻，作為冷料液返回空氣隙膜蒸餾組件；產(chǎn)生的純凈水由空氣隙膜蒸餾組件的產(chǎn)水出口流出。

注：1-太陽能集熱器；2-太陽能循環(huán)泵；3-熱管；4-換熱水箱；5-膜蒸餾循環(huán)泵；6-空氣隙膜蒸餾組件；7-冷卻器；8-料液補充閥；9-濃海水排放閥圖1 太陽能空氣隙膜蒸餾海水淡化試驗流程圖Fig.1 Schematic Diagram of Solar Powered AGMD Process for Seawater Desalination

1.2 空氣隙膜蒸餾組件

注：1-內(nèi)芯；2-絕熱隔網(wǎng)；3-中空纖維冷凝管；4-中空纖維膜；5-外殼；6-熱料液進口；7-冷料液出口；8-冷料液進口；9-熱料液出口；10-產(chǎn)水出口圖2 AGMD組件結構示意圖Fig.2 Structural Diagram of AGMD Module

AGMD組件如圖2所示，包括內(nèi)芯、中空纖維冷凝管、絕熱隔網(wǎng)、中空纖維膜和外殼。外殼設置有冷料液進口、冷料液出口、熱料液進口、熱料液出口和滲透液出口，中空纖維膜層和中空纖維冷凝管層交替螺旋纏繞在內(nèi)芯上，中空纖維膜層和中空纖維冷凝管層被絕熱隔網(wǎng)隔開，中空纖維冷凝管層的兩端分別與冷料液進口和冷料液出口通過環(huán)氧樹脂膠封，中空纖維微膜的兩端分別與熱料液進口和熱料液出口通過環(huán)氧樹脂膠封。

螺旋纏繞不僅可以增強料液的湍動，而且可延長單個膜組件內(nèi)中空纖維的的管程；絕熱隔網(wǎng)將中空纖維膜和中空纖維冷凝管隔開，保證了空氣隙的穩(wěn)定存在，避免直接熱傳導損失。

1.3 試驗材料與儀器

太陽能集熱器采用U型真空管式集熱器，由20 支真空管(Ф58×2 m)組成，集熱面積為 2.38 m2，傳熱工質為丙醇；膜蒸餾循環(huán)泵(型號：15WZR-10)；太陽能循環(huán)泵(型號：BRY20-20-125)；電導率儀(型號：DDSJ-308F)；太陽總輻照表(型號：TBQ-2)。

表1 AGMD組件及中空纖維技術參數(shù)Tab.1 Technical Parameters of AGMD Module and Hollow Fiber

試驗所用海水為模擬海水(TDS=35 000 mg/L)，模擬海水組成如表2所示。

表2 模擬海水的組成Tab.2 Composition of Simulated Seawater

2 太陽能空氣隙膜蒸餾傳熱原理

太陽能集熱器表面接收到的熱量Qt的計算方法如式(1)。

Qt=A·t·G

(1)

其中：A—集熱面積，m2；

t—集熱時間，s；

G—平均輻照強度，W/m2。

太陽能集熱器內(nèi)傳熱工質得熱量QR的計算方法如式(2)。

QR=ηt·Qt

(2)

其中：ηt—太陽能集熱器的光熱轉化效率。

換熱水箱得熱量Qs的計算方法如式(3)。

Qs=ηR·QR

(3)

其中：ηR—換熱水箱的換熱效率。

換熱水箱得熱量Qs為包括空氣隙膜蒸餾組件得熱量Qm和換熱水箱蓄熱量Qs1兩部分，如式(4)。

Qs=Qm+Qs1

(4)

式(4)中，空氣隙膜蒸餾組件得熱量Qm的計算方法如式(5)。

Qm=Qs-Qs1=F·ρ·CP·(T3-T2)·t

(5)

其中：F—空氣隙膜蒸餾組件的料液流量，L/s；

ρ—料液的密度，kg/L；

Cp—料液的比熱容，J/(kg·℃)；

T3—中空纖維膜的料液進口溫度，℃；

T2—中空纖維冷凝管的料液出口溫度，℃。

式(4)中，換熱水箱蓄熱量Qs1的計算方法如式(6)。

Qs1=ms·cp·(te-tb)

(6)

其中：te—換熱水箱的最終溫度，℃；

tb—換熱水箱的初始溫度，℃；

ms—換熱水箱內(nèi)的料液質量，kg。

圖3為空氣隙膜蒸餾組件的熱量傳遞流程圖。在中空纖維膜兩側蒸汽壓差的作用下，熱料液中的水蒸氣沿著管程，以蒸汽潛熱的形式將熱量傳遞至中空纖維冷凝管。熱料液由于失去蒸發(fā)潛熱，自上而下溫度降低；冷料液由于獲得蒸汽潛熱，自下而上溫度升高。

圖3 太陽能膜蒸餾系統(tǒng)的熱量傳遞原理圖Fig.3 Heat Transfer Principle Diagram of Solar Powered AGMD System

在空氣隙膜蒸餾組件的熱量傳遞過程中，熱料液失去的熱量Qh，計算方法如式(7)。

Qh=F·ρ·CP·(T3-T4)·t

(7)

其中：T4—中空纖維膜的料液出口溫度，℃。

熱料液失去的熱量包括傳遞給冷料液的熱量Qc和產(chǎn)水帶走的熱量Qd兩部分，如式(8)。

Qh=Qc+Qd

(8)

傳遞給冷料液的熱量Qc包括潛熱形式傳遞的Qq(產(chǎn)水所需熱量)和直接熱傳導形式傳遞的Qz，其中前者為熱量的主要傳遞形式，具體關系如式(9)和式(10)。

Qq=Fd·ΔH·t=M·ΔH

(9)

Qc=F·CP·(T2-T1)·t=Qz+Qq

(10)

其中:Fd—產(chǎn)水的質量流量，kg/s；

M—t時間內(nèi)的產(chǎn)水質量，kg；

T2—中空纖維冷凝管的料液出口溫度，℃；

T1—中空纖維冷凝管的料液進口溫度，℃；

ΔH—產(chǎn)水的汽化潛熱，J/kg。

空氣隙膜蒸餾組件的造水比GOR為產(chǎn)水所需熱量Qq與空氣隙膜蒸餾組件得熱量Qm的比值，表達式如式(11)。

(11)

由式(11)可知，在太陽輻照量一定的條件下，造水比對太陽能膜蒸餾系統(tǒng)的產(chǎn)水量起決定作用，因此膜蒸餾組件的性能對于產(chǎn)水量的提高至關重要，膜組件必須具有較高的造水比。

3 結果與討論

在太陽能空氣隙膜蒸餾系統(tǒng)中，空氣隙膜蒸餾組件和太陽能集熱器為主要單元，本研究首先從料液流量和中空纖維纏繞角度兩方面考察空氣隙膜蒸餾組件的產(chǎn)水性能；其次研究太陽能集熱器的集熱性能；在此基礎上，研究整個系統(tǒng)的性能，重點考察天氣對整個系統(tǒng)的影響和整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行情況。

3.1 料液流量對膜蒸餾組件的影響

在中空纖維纏繞角度為40°、熱料液進口溫度為50～80 ℃、冷料液進口溫度為25 ℃的條件下考察料液流量F對膜組件性能的影響，結果如圖4所示。

圖4 料液流量對膜組件性能的影響Fig.4 Effect of Flow Rate on Performance of Membrane Module

由圖4可知，膜通量隨料液流量的增大而增加，而造水比則降低。例如，當熱料液進口溫度為80 ℃時，料液流量從40 L/h增加至60 L/h時，膜通量從增加3.1 kg/(m2·h)至5.7 kg/(m2·h)，而造水比從5.4下降至2.9。這是由于極化現(xiàn)象對膜蒸餾的傳質有重要影響，隨著料液流量的增加，邊界層厚度變薄，中空纖維膜的表面溫度和表面濃度接近于料液主體，傳質系數(shù)增大，最終膜通量增大。對于造水比而言，在熱料液進口溫度不變的情況下，料液流量增大使得外部提供的熱量呈線性增長，其增加的幅度大于膜通量的增加幅度，因此造水導致比下降。在熱料液進口溫度為50 ℃時，料液流量對膜通量和造水比的影響較小，這主要是由于較低的溫度使得膜蒸餾過程的推動力不足。

3.2 中空纖維纏繞角度對膜蒸餾組件的影響

在熱料液溫度為80 ℃、冷料液進口溫度為25 ℃、料液流量為40～60 L/h的條件下考察中空纖維纏繞角度對膜組件性能的影響，結果如圖5所示。

圖5 纏繞角度對膜組件性能的影響Fig.5 Effect of Winding Angle on Performance of Membrane Module

由圖5可知，膜通量和造水比均隨著纏繞角度的增加而減小。這是由于在中空纖維長度一定的條件下，纏繞角度越小，中空纖維對料液的湍動效果越強，對應的邊界層厚度越薄，最終導致膜通量隨著纏繞角度的增加而減小。在料液流量料液流量較小時，減小纏繞角度可顯著提高膜通量，但考慮到纏繞角度直接影響料液的管程阻力大小，在流量一定的條件下，纏繞角度的減小將導致膜組件進口的壓力增加，容易造成膜組件進口處的中空纖維膜發(fā)生潤濕，因此，纏繞角度不易過小。比較圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，纏繞角度對膜通量的影響沒有流量明顯，增加流量比減小纏繞角度對膜通量的增加更有效。對于造水比而言，膜通量減小使得膜組件內(nèi)部回收的蒸汽潛熱量減小，需要外部提供的熱量增大，最終導致造水比降低，例如，在料液流量為60 L/h，纏繞角度從30°增加至60°，造水比從3.2下降至2.6。

3.3 太陽輻照量對太陽能集熱器的影響

太陽輻照量對太陽能集熱器的影響主要通過日平均集熱效率ηθ來體現(xiàn)，日平均集熱效率是指換熱水箱日蓄熱量Qs1與太陽能集熱器日接收熱量Qtd的比值，日平均集熱效率由集熱器的光熱轉換性能、換熱水箱的換熱性能和系統(tǒng)的保溫性能共同決定。試驗時，單獨運行太陽能集熱器單元，膜蒸餾組件不運行。系統(tǒng)每日從早上7點～下午17點工作，17點后將換熱水箱內(nèi)的料液混勻，記錄三個測試點的水溫，三個測試點的平均水溫即為試驗結束時換熱水箱溫度te，太陽輻照量Gt由太陽總輻照表測得，太陽能集熱器的日平均集熱效率ηθ計算方法如式(12)

(12)

其中：Gt—太陽輻照量，kW/(h·m2·d)；

te—換熱水箱的最終溫度，℃；

tb—換熱水箱的初始溫度，℃；

ms—換熱水箱內(nèi)的料液質量，kg。

圖6為太陽輻照量Gt對日平均集熱效率ηθ和換熱水箱日蓄熱量Qs1的影響。

圖6 太陽輻照量Gt對日平均集熱效率ηθ和換熱水箱日蓄熱量Qs1的影響Fig.6 Effect of Gt on ηθ and Qs1

由圖6可知，太陽能集熱器的日平均集熱效率在35%以上，且隨太陽輻照量的增加而減小，換熱水箱日蓄熱量隨太陽輻照量的增大而增大。這主要是由于隨著太陽輻照量的增大，整個系統(tǒng)的運行溫度升高，熱量通過管道、泵、換熱水箱、太陽能集熱器等向環(huán)境散發(fā)的熱量增多，且散發(fā)熱量增大的幅度大于太陽輻照量增加的幅度。而對于換熱水箱日蓄熱量而言，其大小由日平均集熱效率和太陽輻照量共同決定，雖然日平均集熱效率隨著太陽輻照量的增加而降低，但是其降低幅度小于太陽輻照量的增加幅度，從而導致?lián)Q熱水箱日蓄熱量增加。綜上，太陽輻照量對太陽能集熱器的性能有重要影響。

3.4 不同天氣對太陽能膜蒸餾系統(tǒng)的影響

天氣主要包括輻照情況(陰晴)、氣溫、季節(jié)等，本節(jié)著重考察輻照情況(晴天和多云)和季節(jié)對系統(tǒng)產(chǎn)水性能的影響。

首先考察晴天和多云對系統(tǒng)產(chǎn)水性能的影響，試驗在夏季七月份相鄰的晴天和多云兩種輻照情況下進行，晴天和陰天的平均輻照強度分別為712 W/m2和492 W/m2，氣溫T分別為25～32 ℃和28～36 ℃。運行條件為:料液流量50 L/h，冷料液進口溫度25 ℃。兩種輻照情況下的太陽能膜蒸餾系統(tǒng)運行效果如圖7和圖8所示。

圖7 不同天氣下的T3和膜通量變化Fig.7 Change Trend of T3 and Membrane Flux under Different Weather Conditions

圖8 不同天氣下的累計產(chǎn)水量和產(chǎn)水電導率變化Fig.8 Change Trend of Accumulated Water Yield and Conductivity under Different Weather Conditions

如圖7和圖8所示，晴天和多云對太陽能膜蒸餾系統(tǒng)有重要影響，晴天和陰天兩種天氣下的熱料液進口溫度T3、膜通量和累積產(chǎn)水量均有顯著的區(qū)別。這是由于太陽輻照量由天氣決定，晴天的太陽輻照量明顯高于陰天，因此，整個系統(tǒng)在晴天獲得的熱量較多，相應的膜蒸餾組件運行溫度較高，最終導致兩種天氣下膜通量和產(chǎn)水量的顯著差異。例如，在晴天和多云時，膜通量最大值分別為5.1 kg/(m2·h)和2.4 kg/(m2·h)，日產(chǎn)水量分別為20.6 L/d和7.5 L/d。通過觀察兩種輻照情況下的產(chǎn)水電導率變化曲線，二者的變化趨勢基本相同，初始電導率較大，而后快速穩(wěn)定在至20 μS/cm以下，最終產(chǎn)水電導率分別為16.1 μS/cm和14.4 μS/cm，因此產(chǎn)水水質幾乎不受天氣的影響。

此外，試驗還考察了季節(jié)對系統(tǒng)產(chǎn)水性能的影響，試驗在3月～10月的晴天條件下進行。每個月選取5個晴天運行，運行時間為上午8∶00～下午17∶00，記錄此時間段內(nèi)的氣溫T、太陽輻照量和產(chǎn)水量。5 d氣溫的平均值計為該月晴天的氣溫T，5 d太陽輻照量的平均值計為該月晴天的太陽輻照量，5 d產(chǎn)水量的平均值計為該月晴天的日產(chǎn)水量，日產(chǎn)水量Vd、氣溫T和太陽輻照量Gt隨季節(jié)的變化如圖9所示。

圖9 日產(chǎn)水量Vd、氣溫T和太陽輻照Gt隨季節(jié)的變化Fig.9 Change Trend of Daily Water Production, Air Temperature and Solar Irradiation with the Seasons

由圖9可知:在晴天條件下，日產(chǎn)水量隨季節(jié)的變化幅度較大，這主要是由于季節(jié)的變化引起氣溫和輻照量的變化，在夏季，輻照時間較長，太陽輻照量較大，系統(tǒng)得到的熱量較多；此外，夏季的氣溫也較高，系統(tǒng)與環(huán)境的溫差較小，系統(tǒng)散失的熱量較小，二者共同作用導致夏季的日產(chǎn)水量明顯高于其他季節(jié)。

3.5 穩(wěn)定運行

為了考察整個系統(tǒng)連續(xù)運行的穩(wěn)定性，進行了24 d的穩(wěn)定運行，運行條件為：料液流量50 L/h，冷料液進口溫度為25～27 ℃,集熱面積為2.38 m2。在運行期間，經(jīng)歷了各種天氣變化，日產(chǎn)水量Vd和日造水比GOR隨時間的變化如圖7所示。日造水比通過每日產(chǎn)水所需熱量和每日空氣隙膜蒸餾組件得熱量確定，具體如式(11)。

圖10 太陽能空氣隙膜蒸餾系統(tǒng)的穩(wěn)定運行圖Fig.10 Stable Operation of Solar Powered AGMD System

由圖10可知，在穩(wěn)定運行中，日產(chǎn)水量、太陽輻照量和日造水比的波動幅度較大，日產(chǎn)水量為3.8～21.7 L/d，太陽能輻照量為2.0 ～6.3 kW·h/m2，日造水比為1.1～3.2，但三者的變化趨勢基本一致。這主要是由于產(chǎn)水量受天氣的影響較大，當太陽輻照量增加時，膜蒸餾系統(tǒng)獲得的熱量增加，熱料液進口溫度增加，膜通量增大，且運行時間延長，最終導致日產(chǎn)水量增大。日造水比由日產(chǎn)水量和膜組件日得熱量共同決定，當熱料液進口溫度增加時，蒸汽壓隨溫度呈指數(shù)增長，日產(chǎn)水量的增加幅度大于膜蒸餾組件日得熱量增加的幅度，最終導致日造水比增大。在陰天時，由于換熱水箱的水溫較低，膜蒸餾過程運行的時間較短，且膜蒸餾過程的推動力較小，因此，日產(chǎn)水量較小。

4 結論

(1)基于自主設計的新型空氣隙膜蒸餾組件建立了一套具有內(nèi)部熱量回收的太陽能空氣隙膜蒸餾海水淡化系統(tǒng)，通過實際運行發(fā)現(xiàn)，利用太陽能驅動膜蒸餾來獲得淡水是可行的，在電能和水資源短缺的偏遠地區(qū)具有很好的應用價值。

(2) 試驗結果顯示，料液流量增加時，膜通量逐漸增大，造水比降低；膜通量和造水比均隨中空纖維纏繞角度的增加而減??；換熱水箱日得熱量隨太陽輻照量的增大而增加，而日平均集熱效率呈相反趨勢；天氣對太陽能膜蒸餾系統(tǒng)有重要影響，晴天天氣下的膜通量和日產(chǎn)水量顯著高于陰天，而產(chǎn)水電導率基本相同；在長期的穩(wěn)定運行中發(fā)現(xiàn)，日產(chǎn)水量、太陽輻照量和日造水比的波動趨勢基本一致。

(3) 在試驗條件下，當太陽能集熱面積為2.38 m2，膜面積為0.6 m2，料液流量為50 L/h時，最大膜通量為5.1 kg/(m2·h)，最大日造水比為3.2，最大日產(chǎn)水量為21.7 L/d。

(4)在太陽能膜蒸餾系統(tǒng)中，膜組件性能的提高和系統(tǒng)操作參數(shù)的優(yōu)化對于整個統(tǒng)產(chǎn)水量的提高至關重要，雖然太陽能膜蒸餾的造水比與傳統(tǒng)蒸餾無法相比，但考慮到可使用太陽能、地熱等低品位熱源，該技術具有突出的實際應用潛力。