太阳能空气隙膜蒸馏海水淡化的试验

薛喜东，张 丹，李 露，卜建伟，邵天宝，潘春佑，张 乾

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

太阳能膜蒸馏(SP-MD)是一种新型的海水淡化技术，该技术以太阳能作为热源，驱动膜蒸馏系统进行海水淡化，从而获取高品质淡水，充分利用了膜蒸馏技术操作温度低和太阳能可再生、经济等优点[1-2]，具有节能、环保双重效益。

近年来，随着淡水资源的越发短缺，学者对SP-MD海水淡化技术的研究逐渐增多。Chafidz等[3]在沙特阿拉伯搭建了一个集热面积为18 m2的太阳能真空膜蒸馏(SP-VMD)海水淡化装置，研究发现太阳辐照量对日产水量和日平均集热效率有显著影响，日产水量和日平均集热效率的最大值分别为96.6 L/d和50.5%。Cipollina等[4]研究了料液流量和料液温度对太阳能膜蒸馏系统造水比和膜通量的影响，研究发现造水比的提高有利于系统产水量的提高。Porrazzo 等[5]比较了自动控制模式(基于神经网络模型)和手动控制模式下的太阳能膜蒸馏(SP-MD)海水淡化性能，其中自动控制模式能够根据水温和太阳能辐照强度自动调节料液流量，发现自动控制模式的运行费用较低，热效率和产水量较高。Bouguecha[6]研究了热回收和无热回收两种运行模式下的太阳能直接接触膜蒸馏(SP-DCMD)的产水性能，研究发现热回收有利于系统产水量的提高，前者的产水平均流速为4.59 L/h，后者的产水平均流速为3.31 L/h。

本研究将自主设计的具有内部热量回收的新型空气隙膜蒸馏组件与U型真空管式集热器进行耦合，建立一套太阳能空气隙膜蒸馏海水淡化系统，重点研究料液流量、中空纤维缠绕角度、太阳辐照量以及天气等对系统产水性能的影响，并进行长期稳定运行试验来考察系统的可靠性。

1 试验部分

1.1 试验流程及装置

试验流程如图1所示，换热水箱(热管式)注入原海水，当太阳能集热器与换热水箱热工质温差值大于5 ℃时，启动太阳能循环泵，将太阳能集热器的热量经热管传送至换热水箱中的料液；当换热水箱料液的温差达到空气隙膜蒸馏组件的设定温度时，启动膜蒸馏循环泵，将热料液输送至空气隙膜蒸馏组件；热料液流经膜组件后经冷却器冷却，作为冷料液返回空气隙膜蒸馏组件；产生的纯净水由空气隙膜蒸馏组件的产水出口流出。

注：1-太阳能集热器；2-太阳能循环泵；3-热管；4-换热水箱；5-膜蒸馏循环泵；6-空气隙膜蒸馏组件；7-冷却器；8-料液补充阀；9-浓海水排放阀图1 太阳能空气隙膜蒸馏海水淡化试验流程图Fig.1 Schematic Diagram of Solar Powered AGMD Process for Seawater Desalination

1.2 空气隙膜蒸馏组件

注：1-内芯；2-绝热隔网；3-中空纤维冷凝管；4-中空纤维膜；5-外壳；6-热料液进口；7-冷料液出口；8-冷料液进口；9-热料液出口；10-产水出口图2 AGMD组件结构示意图Fig.2 Structural Diagram of AGMD Module

AGMD组件如图2所示，包括内芯、中空纤维冷凝管、绝热隔网、中空纤维膜和外壳。外壳设置有冷料液进口、冷料液出口、热料液进口、热料液出口和渗透液出口，中空纤维膜层和中空纤维冷凝管层交替螺旋缠绕在内芯上，中空纤维膜层和中空纤维冷凝管层被绝热隔网隔开，中空纤维冷凝管层的两端分别与冷料液进口和冷料液出口通过环氧树脂胶封，中空纤维微膜的两端分别与热料液进口和热料液出口通过环氧树脂胶封。

螺旋缠绕不仅可以增强料液的湍动，而且可延长单个膜组件内中空纤维的的管程；绝热隔网将中空纤维膜和中空纤维冷凝管隔开，保证了空气隙的稳定存在，避免直接热传导损失。

1.3 试验材料与仪器

太阳能集热器采用U型真空管式集热器，由20 支真空管(Ф58×2 m)组成，集热面积为 2.38 m2，传热工质为丙醇；膜蒸馏循环泵(型号：15WZR-10)；太阳能循环泵(型号：BRY20-20-125)；电导率仪(型号：DDSJ-308F)；太阳总辐照表(型号：TBQ-2)。

表1 AGMD组件及中空纤维技术参数Tab.1 Technical Parameters of AGMD Module and Hollow Fiber

试验所用海水为模拟海水(TDS=35 000 mg/L)，模拟海水组成如表2所示。

表2 模拟海水的组成Tab.2 Composition of Simulated Seawater

2 太阳能空气隙膜蒸馏传热原理

太阳能集热器表面接收到的热量Qt的计算方法如式(1)。

Qt=A·t·G

(1)

其中：A—集热面积，m2；

t—集热时间，s；

G—平均辐照强度，W/m2。

太阳能集热器内传热工质得热量QR的计算方法如式(2)。

QR=ηt·Qt

(2)

其中：ηt—太阳能集热器的光热转化效率。

换热水箱得热量Qs的计算方法如式(3)。

Qs=ηR·QR

(3)

其中：ηR—换热水箱的换热效率。

换热水箱得热量Qs为包括空气隙膜蒸馏组件得热量Qm和换热水箱蓄热量Qs1两部分，如式(4)。

Qs=Qm+Qs1

(4)

式(4)中，空气隙膜蒸馏组件得热量Qm的计算方法如式(5)。

Qm=Qs-Qs1=F·ρ·CP·(T3-T2)·t

(5)

其中：F—空气隙膜蒸馏组件的料液流量，L/s；

ρ—料液的密度，kg/L；

Cp—料液的比热容，J/(kg·℃)；

T3—中空纤维膜的料液进口温度，℃；

T2—中空纤维冷凝管的料液出口温度，℃。

式(4)中，换热水箱蓄热量Qs1的计算方法如式(6)。

Qs1=ms·cp·(te-tb)

(6)

其中：te—换热水箱的最终温度，℃；

tb—换热水箱的初始温度，℃；

ms—换热水箱内的料液质量，kg。

图3为空气隙膜蒸馏组件的热量传递流程图。在中空纤维膜两侧蒸汽压差的作用下，热料液中的水蒸气沿着管程，以蒸汽潜热的形式将热量传递至中空纤维冷凝管。热料液由于失去蒸发潜热，自上而下温度降低；冷料液由于获得蒸汽潜热，自下而上温度升高。

图3 太阳能膜蒸馏系统的热量传递原理图Fig.3 Heat Transfer Principle Diagram of Solar Powered AGMD System

在空气隙膜蒸馏组件的热量传递过程中，热料液失去的热量Qh，计算方法如式(7)。

Qh=F·ρ·CP·(T3-T4)·t

(7)

其中：T4—中空纤维膜的料液出口温度，℃。

热料液失去的热量包括传递给冷料液的热量Qc和产水带走的热量Qd两部分，如式(8)。

Qh=Qc+Qd

(8)

传递给冷料液的热量Qc包括潜热形式传递的Qq(产水所需热量)和直接热传导形式传递的Qz，其中前者为热量的主要传递形式，具体关系如式(9)和式(10)。

Qq=Fd·ΔH·t=M·ΔH

(9)

Qc=F·CP·(T2-T1)·t=Qz+Qq

(10)

其中:Fd—产水的质量流量，kg/s；

M—t时间内的产水质量，kg；

T2—中空纤维冷凝管的料液出口温度，℃；

T1—中空纤维冷凝管的料液进口温度，℃；

ΔH—产水的汽化潜热，J/kg。

空气隙膜蒸馏组件的造水比GOR为产水所需热量Qq与空气隙膜蒸馏组件得热量Qm的比值，表达式如式(11)。

(11)

由式(11)可知，在太阳辐照量一定的条件下，造水比对太阳能膜蒸馏系统的产水量起决定作用，因此膜蒸馏组件的性能对于产水量的提高至关重要，膜组件必须具有较高的造水比。

3 结果与讨论

在太阳能空气隙膜蒸馏系统中，空气隙膜蒸馏组件和太阳能集热器为主要单元，本研究首先从料液流量和中空纤维缠绕角度两方面考察空气隙膜蒸馏组件的产水性能；其次研究太阳能集热器的集热性能；在此基础上，研究整个系统的性能，重点考察天气对整个系统的影响和整个系统的稳定运行情况。

3.1 料液流量对膜蒸馏组件的影响

在中空纤维缠绕角度为40°、热料液进口温度为50～80 ℃、冷料液进口温度为25 ℃的条件下考察料液流量F对膜组件性能的影响，结果如图4所示。

图4 料液流量对膜组件性能的影响Fig.4 Effect of Flow Rate on Performance of Membrane Module

由图4可知，膜通量随料液流量的增大而增加，而造水比则降低。例如，当热料液进口温度为80 ℃时，料液流量从40 L/h增加至60 L/h时，膜通量从增加3.1 kg/(m2·h)至5.7 kg/(m2·h)，而造水比从5.4下降至2.9。这是由于极化现象对膜蒸馏的传质有重要影响，随着料液流量的增加，边界层厚度变薄，中空纤维膜的表面温度和表面浓度接近于料液主体，传质系数增大，最终膜通量增大。对于造水比而言，在热料液进口温度不变的情况下，料液流量增大使得外部提供的热量呈线性增长，其增加的幅度大于膜通量的增加幅度，因此造水导致比下降。在热料液进口温度为50 ℃时，料液流量对膜通量和造水比的影响较小，这主要是由于较低的温度使得膜蒸馏过程的推动力不足。

3.2 中空纤维缠绕角度对膜蒸馏组件的影响

在热料液温度为80 ℃、冷料液进口温度为25 ℃、料液流量为40～60 L/h的条件下考察中空纤维缠绕角度对膜组件性能的影响，结果如图5所示。

图5 缠绕角度对膜组件性能的影响Fig.5 Effect of Winding Angle on Performance of Membrane Module

由图5可知，膜通量和造水比均随着缠绕角度的增加而减小。这是由于在中空纤维长度一定的条件下，缠绕角度越小，中空纤维对料液的湍动效果越强，对应的边界层厚度越薄，最终导致膜通量随着缠绕角度的增加而减小。在料液流量料液流量较小时，减小缠绕角度可显著提高膜通量，但考虑到缠绕角度直接影响料液的管程阻力大小，在流量一定的条件下，缠绕角度的减小将导致膜组件进口的压力增加，容易造成膜组件进口处的中空纤维膜发生润湿，因此，缠绕角度不易过小。比较图4和图5可以发现，缠绕角度对膜通量的影响没有流量明显，增加流量比减小缠绕角度对膜通量的增加更有效。对于造水比而言，膜通量减小使得膜组件内部回收的蒸汽潜热量减小，需要外部提供的热量增大，最终导致造水比降低，例如，在料液流量为60 L/h，缠绕角度从30°增加至60°，造水比从3.2下降至2.6。

3.3 太阳辐照量对太阳能集热器的影响

太阳辐照量对太阳能集热器的影响主要通过日平均集热效率ηθ来体现，日平均集热效率是指换热水箱日蓄热量Qs1与太阳能集热器日接收热量Qtd的比值，日平均集热效率由集热器的光热转换性能、换热水箱的换热性能和系统的保温性能共同决定。试验时，单独运行太阳能集热器单元，膜蒸馏组件不运行。系统每日从早上7点～下午17点工作，17点后将换热水箱内的料液混匀，记录三个测试点的水温，三个测试点的平均水温即为试验结束时换热水箱温度te，太阳辐照量Gt由太阳总辐照表测得，太阳能集热器的日平均集热效率ηθ计算方法如式(12)

(12)

其中：Gt—太阳辐照量，kW/(h·m2·d)；

te—换热水箱的最终温度，℃；

tb—换热水箱的初始温度，℃；

ms—换热水箱内的料液质量，kg。

图6为太阳辐照量Gt对日平均集热效率ηθ和换热水箱日蓄热量Qs1的影响。

图6 太阳辐照量Gt对日平均集热效率ηθ和换热水箱日蓄热量Qs1的影响Fig.6 Effect of Gt on ηθ and Qs1

由图6可知，太阳能集热器的日平均集热效率在35%以上，且随太阳辐照量的增加而减小，换热水箱日蓄热量随太阳辐照量的增大而增大。这主要是由于随着太阳辐照量的增大，整个系统的运行温度升高，热量通过管道、泵、换热水箱、太阳能集热器等向环境散发的热量增多，且散发热量增大的幅度大于太阳辐照量增加的幅度。而对于换热水箱日蓄热量而言，其大小由日平均集热效率和太阳辐照量共同决定，虽然日平均集热效率随着太阳辐照量的增加而降低，但是其降低幅度小于太阳辐照量的增加幅度，从而导致换热水箱日蓄热量增加。综上，太阳辐照量对太阳能集热器的性能有重要影响。

3.4 不同天气对太阳能膜蒸馏系统的影响

天气主要包括辐照情况(阴晴)、气温、季节等，本节着重考察辐照情况(晴天和多云)和季节对系统产水性能的影响。

首先考察晴天和多云对系统产水性能的影响，试验在夏季七月份相邻的晴天和多云两种辐照情况下进行，晴天和阴天的平均辐照强度分别为712 W/m2和492 W/m2，气温T分别为25～32 ℃和28～36 ℃。运行条件为:料液流量50 L/h，冷料液进口温度25 ℃。两种辐照情况下的太阳能膜蒸馏系统运行效果如图7和图8所示。

图7 不同天气下的T3和膜通量变化Fig.7 Change Trend of T3 and Membrane Flux under Different Weather Conditions

图8 不同天气下的累计产水量和产水电导率变化Fig.8 Change Trend of Accumulated Water Yield and Conductivity under Different Weather Conditions

如图7和图8所示，晴天和多云对太阳能膜蒸馏系统有重要影响，晴天和阴天两种天气下的热料液进口温度T3、膜通量和累积产水量均有显著的区别。这是由于太阳辐照量由天气决定，晴天的太阳辐照量明显高于阴天，因此，整个系统在晴天获得的热量较多，相应的膜蒸馏组件运行温度较高，最终导致两种天气下膜通量和产水量的显著差异。例如，在晴天和多云时，膜通量最大值分别为5.1 kg/(m2·h)和2.4 kg/(m2·h)，日产水量分别为20.6 L/d和7.5 L/d。通过观察两种辐照情况下的产水电导率变化曲线，二者的变化趋势基本相同，初始电导率较大，而后快速稳定在至20 μS/cm以下，最终产水电导率分别为16.1 μS/cm和14.4 μS/cm，因此产水水质几乎不受天气的影响。

此外，试验还考察了季节对系统产水性能的影响，试验在3月～10月的晴天条件下进行。每个月选取5个晴天运行，运行时间为上午8∶00～下午17∶00，记录此时间段内的气温T、太阳辐照量和产水量。5 d气温的平均值计为该月晴天的气温T，5 d太阳辐照量的平均值计为该月晴天的太阳辐照量，5 d产水量的平均值计为该月晴天的日产水量，日产水量Vd、气温T和太阳辐照量Gt随季节的变化如图9所示。

图9 日产水量Vd、气温T和太阳辐照Gt随季节的变化Fig.9 Change Trend of Daily Water Production, Air Temperature and Solar Irradiation with the Seasons

由图9可知:在晴天条件下，日产水量随季节的变化幅度较大，这主要是由于季节的变化引起气温和辐照量的变化，在夏季，辐照时间较长，太阳辐照量较大，系统得到的热量较多；此外，夏季的气温也较高，系统与环境的温差较小，系统散失的热量较小，二者共同作用导致夏季的日产水量明显高于其他季节。

3.5 稳定运行

为了考察整个系统连续运行的稳定性，进行了24 d的稳定运行，运行条件为：料液流量50 L/h，冷料液进口温度为25～27 ℃,集热面积为2.38 m2。在运行期间，经历了各种天气变化，日产水量Vd和日造水比GOR随时间的变化如图7所示。日造水比通过每日产水所需热量和每日空气隙膜蒸馏组件得热量确定，具体如式(11)。

图10 太阳能空气隙膜蒸馏系统的稳定运行图Fig.10 Stable Operation of Solar Powered AGMD System

由图10可知，在稳定运行中，日产水量、太阳辐照量和日造水比的波动幅度较大，日产水量为3.8～21.7 L/d，太阳能辐照量为2.0 ～6.3 kW·h/m2，日造水比为1.1～3.2，但三者的变化趋势基本一致。这主要是由于产水量受天气的影响较大，当太阳辐照量增加时，膜蒸馏系统获得的热量增加，热料液进口温度增加，膜通量增大，且运行时间延长，最终导致日产水量增大。日造水比由日产水量和膜组件日得热量共同决定，当热料液进口温度增加时，蒸汽压随温度呈指数增长，日产水量的增加幅度大于膜蒸馏组件日得热量增加的幅度，最终导致日造水比增大。在阴天时，由于换热水箱的水温较低，膜蒸馏过程运行的时间较短，且膜蒸馏过程的推动力较小，因此，日产水量较小。

4 结论

(1)基于自主设计的新型空气隙膜蒸馏组件建立了一套具有内部热量回收的太阳能空气隙膜蒸馏海水淡化系统，通过实际运行发现，利用太阳能驱动膜蒸馏来获得淡水是可行的，在电能和水资源短缺的偏远地区具有很好的应用价值。

(2) 试验结果显示，料液流量增加时，膜通量逐渐增大，造水比降低；膜通量和造水比均随中空纤维缠绕角度的增加而减小；换热水箱日得热量随太阳辐照量的增大而增加，而日平均集热效率呈相反趋势；天气对太阳能膜蒸馏系统有重要影响，晴天天气下的膜通量和日产水量显著高于阴天，而产水电导率基本相同；在长期的稳定运行中发现，日产水量、太阳辐照量和日造水比的波动趋势基本一致。

(3) 在试验条件下，当太阳能集热面积为2.38 m2，膜面积为0.6 m2，料液流量为50 L/h时，最大膜通量为5.1 kg/(m2·h)，最大日造水比为3.2，最大日产水量为21.7 L/d。

(4)在太阳能膜蒸馏系统中，膜组件性能的提高和系统操作参数的优化对于整个统产水量的提高至关重要，虽然太阳能膜蒸馏的造水比与传统蒸馏无法相比，但考虑到可使用太阳能、地热等低品位热源，该技术具有突出的实际应用潜力。