太阳能膜蒸馏海水淡化技术研究和发展状况_曾辉

83.9% 、83.3% 。
2.2
国内研究发展状况
为 6.5L · · · · · m-2 h-1 和 5L m-2 h-1， 产品淡水的电导率≤12μs cm-1 和 40-60μs · cm-1；MD 系统的性能比为 0.28～0.79 ， 相 应的单 位淡水热耗为 2200～810 kWh · m-3， 其中进料液浓度为 35g· · L-1 时的性能比 1g L-1 时低 8～16% ， 相应的单位淡水热耗高 · 100～400 kWh m-3。
的单位产水能耗为 0.2～0.3kg · MJ ， 整个系统的单位产水能耗
-1
为 200～300kWh · · m-3，所产淡水电导率为 20～250μm cm-1。
120L ～160L ； 在 运 行 中 切 断 热 量 输 入 ， 膜 组 件 仍 能 工 作 约 30min 。 Tsung-Ching Chen 等
系统可分为 2 种 ： 太阳能直接加热型 、 太阳能间接加热型 。 图
2 所示为太阳能直接加热型系统 ， 主要由太 阳能集热器 、 膜
组 件 、冷 凝 器 、淡 水 收 集 罐 、泵 、海 水 预 热 器 、水 箱 等 设 备 组 成 。 进料海水通过海水预热器预热后进入水箱 ， 太阳能集热 器直接对水箱中海水加热 ； 一定温度的热海水进入膜组件进 行膜蒸馏过程 ， 实现盐 、 水分离 ， 蒸汽通 过膜孔 后 实 现 冷 凝 ， 产品淡水由淡水收集罐收集 ； 未通过膜组件的浓盐水经过回 热后排出 。 图 3 所示为太阳能间接加热型系统 ， 又称双回路 系统 ， 太阳能集热器对水 箱内的流体工质加 热 ， 进 料 海 水 与 流体工质在海水加热器中换热后 ， 进入膜蒸馏系统进行海水 淡化过程 。
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约 为 99.5% ， 膜 蒸 馏 系 统 的 效 率 为 90% ， 太 阳 能 集 热 器 效 率 约为 50% 。 大型装置采用太阳能间接加热的双回路系统 ， 两 个实验装置的概况如表 1 所示 。 文献 3 介绍了位于约旦的实 验装置的运行情况 ： 直接取电导率为 55000μm · cm-1 的红海 海 水 作 为 进 料 海 水 ， 每 m 集 热 器 的 产 水 量 为 2 ～11L/d ，MD
361021 ）
太 阳 能 膜 蒸 馏 海 水 淡 化技 术 是以 太 阳 能 为 驱 动 能源 、 基于 膜 蒸 馏 过程的 新 型 海 水 淡 化技 术 。 介绍 了 太 阳 能 膜 蒸 馏 海水淡化 太阳能 膜蒸馏 研究 发展 状 况 文章编号 ：1672-9064(2013)02－031－04 出未来的发展方向 。
液 ， 分别模拟太阳辐射 为 850W · m-2 和 1100W· m-2 进行了实 欧盟委员会资助 的另一个 MEDESOL 项 目 ［4-5］， 旨在开发 高效 、 低维护 、 低成本的太阳能多级膜蒸馏系统 ， 产水容量为 · 0.5-50m3 d-1。 已在西班牙建立了 1 个实验装置 ： 利用复合抛 物面聚光型集热器提 供热水 ， 通过钛 换 热 器 与 海 水 交 换 热 量 ； 采用气隙式膜蒸馏技 术 ， 以 PTFE 为 膜 材 料 ，3 个 膜 组 件 串联构成 3 级膜蒸馏系统 ， 膜的总面积为 2.8m2。 所用膜组件 在工厂的测试运行范围如表 2 所示 。 实验表明 ： 以 1g · L-1 和 · 35g L 的 NaCl 溶液作为进料液时 ， 得到的最大 膜通量分别
匮乏越来越引起人们的关注和重视 。 海水淡化作为一种开源 增量技术 ， 已成为解决淡水资源问题的重要途径 。 常用的海 水淡化方法有反渗透 、 多级闪蒸 、 多效蒸馏和 压汽蒸馏 ， 后 3 者属于热蒸馏方法 。 反渗透系统由电能 / 机械能驱动 ， 近年在 膜组件性能 、 能量回收 技术等方面得到了 长足 发 展 ， 造 水 成 本大幅下降 ， 其产水容量已占海水淡化总容量的 60% 左右 。 热蒸馏海水淡化方法目前主要用于电 - 水联产 ， 即利用电厂 较低温度的 热能来生产淡水 ， 此外 ， 该方法非常 适 合 于 工 业 余热回收和太阳热能 、 地热能等的有效利用 。 膜蒸馏 （Membrane Distillation — MD ） 是一 种 新 型 热 蒸 馏 海水淡化技术 。 在膜蒸馏系统中 ， 疏水微孔高分子膜把不同 温度的溶液分隔开 ， 热侧的水蒸汽在膜两侧水蒸汽压力差的 作用下通过膜孔进入冷侧后冷凝下来 ， 形成淡水 。 根据膜组 件冷侧蒸汽收集 - 冷凝方式的不同 ， 通常将膜蒸馏形式分成 四类 ： 直接接触式膜蒸馏 （DCMD ）、 减压膜蒸 馏 （VMD ）、 气隙 式膜蒸馏 （AGMD ） 和吹扫气膜蒸馏 （SGMD ）， 如图 1 所示 。 该 技术具有产水水质高 、 结构紧凑 、 易模块化等特点 ， 且操作温 度较低 ， 通常在 60～90℃ 。 太阳能作 为一种取之不尽的 绿色 能源 ， 通常的低温集热系统就能达到膜蒸馏过程需要的热源 温度 。 在能源紧张和水资源匮乏的时代背景下 ， 利用太阳能 驱动膜蒸馏系统来淡化海水可收到节能 、 环保双重效益 。 本 文将介绍其原理和 特点 ， 总结国内外研究 与发 展 状 况 ， 并 指
新
能
源
ຫໍສະໝຸດ Baidu
ISSN1672-9064 CN35-1272/TK
太阳能膜蒸馏海水淡化技术研究和发展状况
曾 辉 1，3 王永青 2，3
2 集 美 大学 机 械 工程学院
福建 厦 门 （1 集 美 大学 轮 机 工程学院
摘要 关键词
3 集 美 大学福建省 清 洁 燃 烧 与能源高效 利 用 工程 技 术 研究中 心
海 水 淡 化技 术 的 原 理 ，总 结 并 分 析 了 国 内 外 研究 发展 状 况 ，指 出 了 其 优 势所 在 和 发展 前景 。 中图分类号 ：TK519 文献标识码 ：A
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引言
随着世界人口增 加 、 人类生活方式的 变化 ， 淡 水 资 源 的
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太阳能膜蒸馏海水淡化系统原理及流程
根据太阳能与海水的换热方式 ， 太阳能膜蒸馏海水淡化
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Koschikowski 等 ［7］ 在 德 国 搭 建 了 1 个 集 热 器 面 积 5.9m2
的太阳能膜蒸馏淡化水实验台， 目标是开发日产水量为
0.2m3～2m3 的装置 。 膜组件中采用了回热措施 ， 即在膜冷侧利
用进料水回收蒸汽的冷凝热 。 利用自来水为进料水进行了实 验研究 ， 结果表明 ： 当进料液流量为 225L · h-1 时 ， 其最高水温 可 以 达 到 90℃ ， 产 水 率 为 15L· h -1， 在 夏 天 日 产 水 量 达 到
图2
太阳能直接加热型系统流程
图3
太阳能间接加热型系统流程
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图1 膜蒸馏原理示意图
太阳能膜蒸馏海水淡化技术的研究与发展状况
目前 ， 太阳能膜蒸馏海水淡化技术尚处于实验室研究和
基金项目 ： 福建省教 育 厅 资 助 科 技 项 目 （JA10193 ） 作者简介 ： 曾 辉 （1985～ ）， 男 ， 硕士 研究生 。 研究 方 向 ： 海 水 淡 化 。
Banat 等 ［6］提出了一种将 太阳能蒸馏器与 MD 相 结合的
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膜面积之比为 11 比 1 ； 产水量随太阳辐射强度 增加而增加 ， 在阴云天情况下系统无法运行 ； 产水量随组件数目的增加而 增加 ， 最大膜通量可以达到 14L · m· h ； 进料液温度越高 ， 进
· · d ， 大型装置容量达 10000L d-1。 目前已在约旦 、 摩洛 500 L 哥 、 埃及 、 德国和西班牙五个国家建立了 8 个 实验装置 ：6 个 产水量 60~150L · d 的小型装置和 2 个设计产水量为 900L·
-1
· d 和 1600L d 的较大型装置 。 小型装置利用太阳能直接对
［8］
设计了结构紧凑的太阳能吸收
器 - 直接接触式膜蒸馏组件 。 通过建立二维数学模型 ， 预测不 同温度对系统的产水量和各参数的影响 。 搭建了相关的实验 台 ， 利 用 8 个 300W 的 光 源 模 拟 稳 定 的 太 阳 辐 射 ， 膜 材 料 为
PTFE ， 膜有效面积为 0.00609m2。 以 3.5% 的 NaCl 溶液为进料
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海水进行加热 ， 系统中 泵 、 阀所需电能均由 太 阳 能 电 池 板 提 供 ； 采 用 PTFE 膜 ， 膜 面 积 为 7~12m ； 太 阳 能 集 热 器 面 积 为
2
7m 。 当集热器出口海水温度达到设定值时 ， 机电温度开关启
2
动 MD 进料泵 ， 系统开始运转 。 长达 3a 多的运行测试表明 ， 装置可在极低的维护下持续运行 。 文献 2 介绍了位于埃及的 小型实验装置 6 个月的 运行结果 ， 在 全 天 太 阳 辐 射 平 均 为 · · 7.25kWh d 时 ， 集热器单位面积产水率为 11.2L d ， 截留率
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小型示范阶段 ， 其应用研究主要集中于日产量小于 2000L 的 装置 。 太阳能能量密度低 ， 其能量利用装置 （ 包括集热装置和 光伏装置 ） 占地面积大 、 且成本较高 ， 同时膜蒸馏技术无论在 性能还是在经济性方面也都有待提高 ， 因此太阳能膜蒸馏海 水淡化技术实现商业化的道路还很长 。
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了动态模拟与仿真 ， 理 论计算值与实 验 值 的 相 对 误 差 小 于
6% 。 为了提高膜蒸馏通量 ， 使 用旋转切向入流的 方式来强
化传 质 过 程 ， 并 采 用 带 反 射 板 的 真 空 管 集 热 器 和 空 气 隙 膜 蒸馏组件 ， 搭建了太阳能膜蒸馏实验台 ， 结果表明 ， 在呼和浩 特夏季利用太阳能驱动膜蒸馏系统是可行的 。
2.1
国外研究发展状况
欧盟委员会资助 的 SMADES 项目旨在开发太 阳能独立 驱动的膜蒸馏海水淡化系统
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［1］
， 其中小型装置容量为 100系统 ： 海水在太阳能蒸馏器中被加热 ， 并部分汽化产生淡水 ； 剩下的溶液进入膜组件 ， 进一步产生淡水 。 建立了相关实验 台 ， 其 中膜组件为壳管式结 构 ， 采用 PP 膜材料 ， 有效 膜面积 为 0.036m2。 以 3.5% 的 NaCl 溶液代替海水 ， 分别采用电加热 和太阳能供热 2 种方式 ， 对系统进行了实验研究 。 结果表明 ： 产水通量随进料液温度呈指数增长 ； 浓度对产水通量影响很 小 ； 产水通量随流速的增加而增加 ， 流速较低时影响较大 ， 当 流速增加到 2100 雷诺数时影响逐渐减小 ； 最大产水通量和 进入膜组件的海水温度都比太 阳辐射最大值滞后 2～3h ；MD 的 产 水 量 占 总 产 水 量 的 80% 以 上 ； 当 太 阳 辐 射 平 均 为 · · 252W m-2 时 ， 系统工作 7.5h 的平均产水量为 9kg m-2。
-1
验 ， 结果表明 ： 膜通量随膜组件进口温度的增大而增大 ； 进料 液流速对膜通量影响不大 ； 当太阳辐射为 1100 W · m-2、 膜组 件进口温度为 50℃ 、 流速为 0.0259m · s-1 时 ， 最大膜通量达到 · 4.1 kg· m-2 h-1， 所产淡水电 导 率 为 3μm· cm -1； 当 太 阳 辐 射 为 · 1100W m-2， 膜组件 进口温度分别为 30℃ 、40℃ 、45℃ 、50℃ ， 流 速 为 0.0086m· s -1 时 ， 回 收 率 分 别 达 到 85.1% 、84.4% 、
杨华剑等 ［9-10］在杭州 地区搭建了一个集 热器面积为 8m2 的直接太阳能加热型膜蒸馏实验台 ， 研究了不同太阳辐射 、 不同膜面积 、 不同膜组件排列方式对系统产水量的影响 。 实 验表明 ， 在杭州地区 ， 每 m2 膜在晴朗和多云情况下日产水分 别高于 170kg 和 50kg ； 在太阳能丰富的沿海城市 ， 每 m2 集热 器年产水量可以达到 954kg ， 较适合的太阳能集热 板面积与