晴雨两用远洋海岛海水淡化收集装置设计及应用

罗心怡， 钟妮倩， 刘 畅， 尹镜雲， 张中天， 金光球

（河海大学a.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室；b.环境学院；c.水利水电学院；d.农业科学与工程学院，南京 210098）

0 引 言

随着经济的快速发展，中国经济发展对海洋资源的依赖程度逐步提升［1-4］，更加重视海上岛屿的建设和发展［5］，淡水资源是开发其他自然资源、发展海洋经济的基础。我国海上岛屿水资源问题严峻，雨水是最主要的淡水来源［6-10］。目前国内外海水淡化技术主要包括反渗透膜法、多效蒸馏法和多级闪蒸法等。沙特阿拉伯的朱拜勒海水淡化厂通常被认为是世界海水淡化重量级的海水淡化厂，同时使用热多级闪蒸和反渗透技术处理海水，日产淡水量能够达到4.55亿L。为缓解用水紧张的问题，阿联酋富查伊拉建造了目前世界最大的热膜耦合海水淡化工厂，多效蒸馏法与反渗透法混合使用处理来自阿曼海湾的原海水，淡化水产量占总产量的62.5%，其中利用反渗透系统生产淡水量占到总产量的37.5%［7］。

但现有技术能耗大、海岛电网系统未全覆盖而难供电、渗透膜易被污染堵塞、设备保养维修难度大等问题制约海水淡化技术的发展［11-14］。因此，为了实现太阳能等可再生资源淡化岛屿海水、雨水回用供应远洋海岛淡水资源的目标，需进行工艺可行性和效果的实验研究［15-17］。由于诸多原因的影响，如在远洋岛屿展开实际研究耗资巨大；距离遥远，技术有限；野外操作环境因素干扰大，有必要探寻耗资小、易监测和操作的实验。

鉴于以上原因，本文设计的晴雨两用远洋岛屿海水淡化收集实验装置以还原实际操作环境，并提出了实验操作方法，分析系统装置性能，通过晴雨两用远洋岛屿海水淡化实验室装置来揭示蒸发法淡化海水收集内在规律。

1 实验系统设计

为了模拟海水蒸发，如图1所示淡化海水收集装置的示意图。配置了与海水等浓度的咸水在水槽中，淡水收集装置漂浮于水槽中，温湿度计固定于收集装置内通过GPRS传输记录数据。在实验中无需控制任何参数变化，只需记录淡水收集装置内温度、湿度等参数，定期收集装置内产生的淡水并测定体积。从而，该蒸发法淡化海水收集实验在实验室运行，可以模拟其实际运作时除天气状况之外的所有作用机制，通过后续可根据对装置运行效率的分析，结合适用地淡水资源的需求数据，确定装置的规格等比例放大以实现效益最大化。实现对某一种或某几种固定变量的分析。

1.1 淡水收集器

图1（b）所示的淡水收集器底面为边长50 cm的正方形，顶面稍微倾斜，长边高为60 cm，短边高为50 cm，其内部中空，底部不封闭，其他5个面封闭，内有高3 cm，顶端距仪器壁10 cm的斜槽，该斜槽由四条靠边的内部隔板组成，上部和下部共有3个孔径为ϕ2 cm的小孔。

晴朗天气下，太阳辐射以短波辐射的形式射向地面，会以长波辐射的形式反射，淡水收集器采用透明有机玻璃板制作，可以吸收短波辐射，透光性达到90%以上且不随时间衰减，采光面积大。而反射后的长波辐射却难以透过玻璃面板，其内部形成小型的密闭温室，减少热量的散失，容器内温度上升。中空的淡水收集器可以将热量传递给直接接触的水槽内海水，海水受热后水分子动能加剧，运动加剧，动能大于水分子之间的内聚能时就能从水表面散逸，表面水分子在浓度梯度的作用下向水分子浓度较低的空气运动，即从液态转化为气态，成为水蒸气。水蒸气向上运动，当它接触到温度较低的容器上壁及侧壁，或由于夜晚温度下降受冷在容器壁面上转化回液态。收集器顶部设计成斜板，冷凝形成的水珠在自身重力作用下滑动，与相邻水珠结合汇聚，当水珠重力足够大时便会在重力作用下沿着倾斜壁顶下滑，收集在容器底部的倾斜沟槽中，顺着底部预留小孔流入收集管道。

1.2 海域模拟水槽设计

图1（c）所示的海域模拟水槽其尺寸为50 cm×50 cm×20 cm，壁面用透光材质，能满足可视化要求，并具有耐用性和抗腐蚀性。该水槽意在模拟现实中的海域情况，加入包括江、河、湖泊中的淡水或海洋中的海水，形成与现实中相似的水域，然后与淡水收集器一同组合形成密闭空间，当温度达到一定程度时，水槽中的水转化成水蒸气上升进入到淡水收集器中。

1.3 雨水收集器设计

图1（d）所示的雨水收集器沿淡水收集器顶部的原有基础上加高10 cm的挡板，挡板的材质为透明有机玻璃，以此形成倾斜的雨水收集器。并且在较低处预留了孔径为ϕ2 cm的小孔，在小孔处加上管道，在下雨时雨水落入顶部收集器，在重力作用下沿着容器本身设置的斜坡落入预留的小孔，进而进入管道完成自动收集。

1.4 装置性能分析

本装置基于海水自然蒸发的原理，通过收集海洋由于光热蒸发而产生的淡水以及我国南海地区远洋海岛丰沛的降水资源，在节能减排、充分利用自然资源的同时，可缓解远洋海岛淡水资源的匮乏，主要的性能特点：

（1）节能环保。系统不需外界提供能量，可独立运行，实验装置设置一定的高度差，使蒸发的水汽由于与容器壁的温差自动凝结，并在重力作用下汇聚收集，系统不需要增加任何外来动力。不受蒸汽、电力等条件限制，实现了零消耗，对能源紧缺且环保要求高的地区有很大应用价值。

（2）低碳清洁。传统工艺需消耗大量化石燃料提供燃力进行淡化，在燃烧时会向环境排放大量温室气体，而本文设计的装置利用太阳能，实际生产工艺过程中，不会产生污染问题。

（3）节约经济。传统海水淡化技术投资较高，设备昂贵，能源消耗过大，这在缓解淡水资源紧张的同时，也给资源和能源带来了新的压力。本文所用的太阳能具有储量无限、零成本的独特优势，无机械动作，无噪音，无需专人管理和日常维护，只需定期收集完成淡化的海水。与目前已有的技术相比，装置在正压和常压下运行，省去了真空泵等高能耗组件，设备运行成本低，实验的环境要求较低，实用性强，同时，装置的设备简易、材料简单、制造成本低廉、安装方便、操作简单，便于安装。应用前景广泛。

（4）不占用土地资源。本文装置可安装在海面，无需使用陆地资源，尤其在土地资源本就稀缺的孤岛和土地资源较为紧张的各沿海城市。

2 实验采样和测量

该海水淡化收集实验装置可配置多种采样、测量计进行现场采集和测量：

（1）装置温度与湿度的采样与测量。见图1（a）所示，位于淡水收集器距顶部5 cm处预留的一个ϕ2 cm小孔，在这个小孔处插入温度湿度计探头，并将小孔除温度湿计传导线路外的缝隙密封，以保证装置的密闭性。然后用这个仪器每天定时测量装置内部的温度与湿度，再加以记录以获取该装置内部的湿度与温度在各个时段的变化情况。

（2）淡水收集量的采样和测量。见图1（a）所示海水淡化收集装置的海域模拟水槽中加入等量江、河、湖泊中的淡水和海洋中的海水，经太阳光照射后，水槽中的水转化为水蒸气，水蒸气在顶部冷凝后延着容器内壁流到淡水收集器内部预留的斜水槽，斜水槽下部预留了2个孔径为ϕ2 cm的小孔，小孔由橡皮泥堵住，然后定时抽取已收集的水，用量筒测量所收集的水的体积并加以记录，以此获得该装置在各时段所收集的淡水量。

（3）雨水收集量的采样和测量。在图1所示的雨水收集器中所预留的小孔处安装管道，并通入同一个带有刻度的收集器中，即可在重力作用下完成雨水自动收集。在下雨时，记录不同时刻收集器中所收集的总水量，再通过计算可得不同时刻所收集的雨水量。

3 实验方法

3.1 准备海水

准备足量氯化钠化学试剂、Solinst Levelogge、以及清水配置平均电导率为40 mS/cm与海水等电导率的溶液。根据图1水槽规格（50 cm×50 cm×20 cm），加清水至水槽内水深达到12 cm左右，往清水中加入氯化钠固体，搅拌至完全溶解。使用图2所示Solinst Levelogger电导率仪测量水槽中平均电导率的溶液盐度，根据显示的读数少量多次加入氯化钠或清水，直至读数保持在40 mS/cm海水配置完成。

3.2 组装仪器

在图1海水淡化收集实验装置中组装湿度计传感变送器：

（1）安装温湿度传感变送器。在淡水收集器壁上固定1个挂钩，固定好温湿度计探头，用于监测密闭容器内的空气温度及湿度。将探头伸入容器侧壁预留小孔与挂钩缠绕固定悬空放置于淡水收集器内，显示器置于容器外。同时，准备第2台温湿度计用以监测实验环境的温度和空气湿度。并将温湿度计与电脑连接，实时监测装置内外温度和湿度数据，容器内外两组温度、湿度数据应对比观测。

（2）装置组合。淡水收集器完成温湿度计的固定以后，轻置于水槽上，在容器外壁标记水面位置，固定水量。

根据蒸发冷凝的实验原理，后续实验中收集淡水并不会减少水槽内氯化钠的质量，只需维持水量相等，即可保证水槽中是与海水相同电导率的水。3 d为1周期，定期定量补充清水，维持水量，保证实验海水电导率。

3.3 收集淡雨水

选址在实验室空旷的露台进行实验，有利于充分接收太阳辐射，同时减少人为因素对温度、光照等实验条件的干扰。

晴天时，太阳光直射该装置，使得与水槽组成的封闭系统中的温度上升，装置内部的水转化为水蒸气上升，并在该装置顶部触顶冷凝，冷凝的水沿着有一定角度的顶面及各个壁面向下流，最终流入下方预留的斜槽，最后通过如图1（b）所示斜槽所接的淡水收集管道进行自动收集。以2 d为收集周期，在相同的时间点使用医用针筒从装置壁设计的孔洞抽取集水槽内汇聚的淡水，并通过100 mL量筒测定收集的淡水体积，记录数据。在记录收集淡水体积的同时，记录当日测得的最低气温、最高气温、大气相对湿度等天气状况，便于数据分析。

在雨天，降雨落入装置外侧集水支架。倾斜的集水支架能够使雨水在自身重力作用下顺势流动，汇入雨水回收装置储存。

4 实验数据分析

在晴雨两用远洋海岛海水淡化收集实验装置的海域模拟槽中加入NaCl配置的模拟海水，其电导率与海洋海水的电导率基本保持一致，实验的晴雨两用远洋海岛海水淡化收集实验装置内安装了温度计、湿度计，并保持装置的密闭性。通过实验并记录收集的温度、湿度和淡水收集量等数据并整理分析，得到了较好的结果。

（1）装置处地高湿度状态有利冷凝水形成。由图3可知：每天随时辰温度的升高，密闭装置内相对湿度逐渐增加，但装置内的相对湿度始终保持在接近100%的水平。装置内出现湿度的波动是由于湿热的空气会在装置罩的内壁上冷凝，产生一定量的冷凝水，冷凝水又会吸收周围的湿空气中的水分，故而使装置内的空气湿度段时间降低；装置内空气的湿度降低后，温度的升高会促进海水的进一步蒸发，使湿度再次接近100%。这也说明了装置内空气趋于饱和状态，一旦条件适宜，装置内空气中的水蒸气就会冷凝。这也为后期装置的改良和改进提供了新的思路。

（2）气候温差偏大有利冷凝水形成。实验在4月的南京地区进行，查询天气网4月份南京市温差最大为11℃，最小为5℃，多数集中在10℃上下，平均温差为9.2℃。淡水收集量最大能达到13.56 ml/d，最小为5.1 ml/d，平均收集量为11.43 ml/d。图4由实验数据取得的温差与淡水收集量的相关性关系图表明，温差越大，淡水收集量越多。当1 d之内的温差较大时，更易于实验装置内的热蒸汽冷凝，故在每日温差较大时更易收集到更多的蒸发淡水。

5 结 语

本文设计的晴雨两用远洋岛屿海水淡化收集实验装置及给出的具体实验操作方法，经实验和分析得出：①通过与传统海水淡化工艺的对比，实验装置具有清洁环保、经济便携多用、装置及操作简单、不占用土地资源等多重优势。开发利用可再生能源太阳能实现海水淡化有利于我国海岛淡水供应问题具有现实意义和应用前景。②海水淡水收集装置构想合理，安装温湿度计能够在节省人力的条件下使实验数据得到实时监测，实验步骤操作也很简单。淡水收集装置内湿度始终维持在99%左右，接近饱和状态，具备冷凝条件。③我国南海地区终年多雨，降水量大，雨水回用可以极大地缓解远洋海岛淡水资源紧张的问题，满足岛民用水需求；同时通过集水支架在重力作用下实现雨水自动回收极大程度上解决了耗费人力的问题。

该实验装置收集效果良好，若进一步创造更为有利的冷凝条件，提高装置的冷凝效率，则能在更大程度上将装置内接近饱和的水蒸气转化为可收集的淡水。