海水淡化技術
發布時間：2019-12-25 / 瀏覽數：474
1.1。概觀
雖然地球表面有近四分之三被水覆蓋，但只有3％的水是可飲用的，也就是說，它含有500ppm或更少的鹽[2]。淡水的供應一直是人類歷史上*重要的問題之一。因此，大多數文明在靠近泉水和河流的肥沃地區發展。然而，由于到處都沒有淡水，古代人類不得不學習如何將海水和咸水地下水轉化為飲用水。歷史上，海水淡化一直是飲用水生產中*昂貴的方法[3]。在公元前四世紀，亞里士多德描述了一種蒸發污染水然后冷凝水蒸氣以獲得淡水的方法[4]。**次記錄的海水淡化應用可以追溯到長途海上航行很常見的時候（公元200年左右）。在這些航行中，海水被煮沸以產生水蒸氣，然后被大海綿捕獲并凝結[4]。
然而，近年來，由于人口增長，對淡水的需求迅速增加。據報道，到2025年世界人口中約有70％將遭受淡水短缺[5,6]。因此，大量的研究和開發旨在尋找有效的水處理技術[7-15]。
一個五口之家的基本需求（飲用和烹飪）所需的飲用水量為20?升/天[16]，可增加至50?升/天（10
1
在極熱的環境中升/天/人[17,18]。因此，選擇提供這種方法的方法主要取決于氣候條件，能源的可用性以及海水淡化系統的應用。因此，對不同技術及其要求的廣泛了解對于為特定位置選擇適當的系統至關重要。
1.2。海水淡化技術
海水淡化技術可分為相變熱處理，單相膜技術和混合系統，如圖1所示。熱處理可分為兩類：直接方法，當所有部件集成到一個系統中時;?間接方法，外部熱源提供熱能[19]。
圖1.海水淡化方法1.2.1。膜技術
膜技術使用半透膜，允許水分子通過并捕獲鹽和其他污染物。這種方法*初是
2
僅限于城市水處理，但由于膜類型的發展，這種技術的使用已經擴展到其他行業和應用[20]。
在正向滲透（FO）中，溶劑將自然地從低溶質濃度區域通過半透膜到達更高濃度區域。這些系統分兩步運行;?首先，對汲取溶液進行滲透稀釋，然后從稀釋的汲取溶液中提取脫鹽水[21]。后處理通常是困難且昂貴的，因此這些系統不能作為單獨的水脫鹽工藝[22]。
反滲透（RO）是大規模水生產中*有效的海水淡化方法之一，然而，這些系統需要對鹽水進行大量的預處理[23]。這使得它們對高度污染的給水的小規模處理成本很高[24]。此外，在反滲透中，必須施加顯著的壓力以克服滲透壓[23]，這需要昂貴且精密的泵。因此，這些系統在需要小規模生產（偏遠和農村地區）的海水淡化中的應用是不經濟或不合適的。
膜蒸餾（MD）是另一種方法，它采用熱能和膜技術進行水凈化。因此，使用疏水性微孔膜，其僅允許水蒸氣通過[23]。膜另一側的冷凝器冷凝水蒸氣以產生淡水。這些系統對污染物濃度和給水溫度高度敏感，通常需要高水溫才能提供所需的蒸汽壓力。此外，膜中捕獲的任何空氣都會進一步阻礙傳質[25]。
3
由于需要高壓，據報道這些膜技術需要高電能輸入[26]。此外，膜技術通常會遭受膜污染[27]，因此需要定期維護。這些問題排除了低成本解決方案的膜技術。
1.2.2。熱過程
熱脫鹽過程基于相變原理，其中將熱量添加到水中以引發蒸發。隨后從水蒸氣中除去冷凝潛熱，導致冷凝。冷凝水是飲用水，留下污染物。
在單級蒸餾（SSD）系統中，如圖2所示，脫鹽分兩步進行;?首先，通過在蒸發室中直接供熱來蒸發鹽水。其次，水蒸氣在冷凝器中冷凝，產生淡水。
圖2.單級蒸餾（SSD）系統的基本原理圖[28]
SSD方法需要大量的能量和高溫來煮沸和蒸發水[29]。據報道，該方法僅適用于應用程序
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具有緊湊尺寸的單元是重要的[29]，并且熱能源是高溫，廉價和豐富的。SSD工藝已成功應用于熱電聯產[30]和船舶應用[29]。降低蒸發器中的壓力會降低沸騰溫度，從而降低蒸發所需的能量。此外，通過顯著加熱鹽水給水來回收冷凝潛熱，提高了系統的整體效率。為解決此問題，我們引入了多級閃蒸（MSF），多效蒸餾（MED）和被動真空脫鹽（PVD）。
在多級閃蒸（MSF）脫鹽方法中，海水或微咸水通過一系列分級換熱器預熱，同時也用作冷凝劑以冷凝蒸汽，如圖3所示。為了*大化這些系統的產量需要高水溫和每個階段的連續減壓[31-33]。然而，較高的工作溫度會增加結垢的可能性[34,35]，這會隨著時間的推移而損害系統性能。
蒸汽噴射器（真空泵）
圖3.MSF海水淡化系統的示意圖[31]
與MSF系統類似，如圖4所示的多效蒸餾（MED）裝置由一系列低壓熱交換器組成，稱為“效應”。然而，MED系統重復利用冷凝潛熱來蒸發海水[23]，制造它們
五
比MSF更有效[36]。通常，MED在**階段需要高鹽水溫度和低壓以*大化蒸發。然而，有些系統設計用于在較低溫度下運行[37]，這樣可以減少結垢，但需要額外的傳熱面積[32]。
A：蒸發器B：管中管式冷凝器C：熱源D：給水泵E：產品水箱F：鹽水收集罐VI，V2，V3，V4，V5：閥門
高度大于10米的結構（例如建筑物，住宅等）
為了給這些MED和MSF系統提供低壓，采用了真空泵，增加了使用的能源以及對更多維護的需求
[39]。這導致了被動真空脫鹽（PVD）的發展，如圖5所示。
V2V3
到鹽水儲罐
V
我^
VJr
一世
F
1
?
到淡水儲水箱
圖5.PVD海水淡化裝置的示意圖[39]
6
在PVD中，真空條件由來自蒸發器底部的下落水提供，使得PVD系統獨立于真空泵。但是，要提供
需要的真空度，至少需要10瓦的高度[39]。
在所有上述蒸餾技術中，需要高溫源以將鹽水溫度提高到沸點，或者需要有效的真空壓力以降低鹽水的沸點。這些問題排除了這些用于低成本應用的方法。
為此，加濕除濕（HDH）脫鹽技術是蒸餾過程的替代方法。典型的HDH系統，如圖6所示，使用空氣作為載氣[40]將水蒸氣從加濕器輸送到除濕器。由于該方法基于空氣流的加濕，因此可以在低溫和大氣壓下操作。在這些系統中，所需的蒸發熱量被傳遞到水流，空氣流或兩者。隨后，兩個流在加濕器中相互作用，這導致空氣流的加濕。然后，通過除濕器中的冷卻流體從潮濕空氣中除去潛熱，從而產生飲用水。
鹽水出水集水盤^^BF^
圖6.水加熱HDH海水淡化裝置的示意圖[41]
在目前可用的海水淡化系統中，HDH方法已被證明是一種成本和能源效率的解決方案，適用于家庭住宅的小規模生產飲用水或向偏遠和農村地區供水[41-43]。與基于膜的技術不同，HDH系統可以用更高濃度的鹽凈化鹽水，這使得它們成為從天然氣井生產淡化水的有力候選者[44]。HDH系統的其他優點是簡單，安裝成本適中，容量靈活，運營成本低[40]。
1.3。太陽能輔助海水淡化
目前許多海水淡化廠使用化石燃料為膜技術的熱過程和電能提供熱能[42]，但這些通常成本高且不具有環境可持續性[45]。開發可以使用可再生能源運行的海水淡化系統似乎是經濟的，環保的。
由于缺水主要見于富含太陽能的貧瘠和偏遠地區，利用太陽能提供所需的能源是這些地區缺水和污染的明顯解決方案。太陽能是地球上*大的能源，所有其他能源都來源于此。
許多研究探索了太陽能在各種海水淡化方法中的應用[46-57]。在上一節提到的脫鹽方法中，蒸餾過程（SSD?，MSF?，MED?，PVD）和膜技術（RO，FO，MD）需要高價值的能源，因此不適合與太陽能耦合。
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太陽能蒸餾器（ST），如圖7所示，可能是*簡單的太陽能輔助海水淡化方法[58]。在該方法中，水蒸餾和熱吸收在單個室中發生。水蒸氣由于太陽輻照度而形成，然后上升到透明蓋，其中由于熱傳遞到外部環境而發生冷凝。由于透明蓋的傾斜，冷凝物滴下并且可以從底側收集。
圖7.?太陽能蒸餾系統的示意圖[58]
由于透明蓋上的冷凝，這些系統會失去對環境的潛熱。此外，太陽能蒸餾器被歸類為脫鹽的直接方法，其中直接加熱增加了玻璃冷凝表面這些系統[59的性能產生負面影響的溫度，60]。因此，這些系統的產率是相對低的，具有日產3-4升/米2?[61]。
1.4。太陽能輔助HDH脫鹽
HDH海水淡化方法基于與太陽能蒸餾器相同的原理，但加熱，加濕和除濕發生在不同的組件中，因此它們可以獨立設計[62]。因此，各種不同
配置可用于HDH系統[41]。另外，在HDH脫鹽技術中去耦加熱器消除了直接加熱的不良影響。
如圖8所示，太陽能HDH海水淡化系統由三個主要部分組成;?太陽能空氣/熱水器，加濕器和除濕器（冷凝器）。提高這些單個組件的性能將提高系統的整體性能。
加熱干燥空氣加熱水
圖8.典型的太陽能輔助HDH海水淡化系統的組件此外，對HDH海水淡化系統的挑戰是根據氣候和運行條件選擇適當的空氣和水流循環，因為這會顯著影響系統的產量。在HDH海水淡化系統中選擇適當的空氣和水循環取決于系統的相關技術優點和缺點以及環境條件。
如圖9?所示，HDH海水淡化系統可根據空氣和水循環分為四大類;?你閉式空氣/封閉水，？u封閉空氣/開放水“?，”露天/封閉水“和”露天/開放水域“。
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圖9.HDH海水淡化技術的分類圖此外，HDH海水淡化技術還可以分為兩組：強制或自然循環，也可以基于加熱技術;?空氣加熱，水加熱或空氣和水加熱系統。
1.4.1.1。封閉式空氣/閉水
在“封閉空氣/封閉水”系統中，顧名思義，空氣和水流都保留在系統中。這類似于SolarStill（ST），因為它可以恢復冷凝潛熱，從而提高系統的整體效率。Yuan等人研究了“封閉空氣/封閉水”循環的模式。圖10中示出了加濕和除濕過程。通過在加濕器和冷凝器之間連續循環空氣，在單個隔熱塔中進行加濕和除濕過程。來自太陽能收集器的熱水噴灑在蜂窩狀加濕器上，而冷凝器則加入海水。來自加濕器的流出水返回到海水池中，因此剩余的熱能被回收。
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1：太陽能收集器2,3：加濕器4,5：冷凝器6,7：鼓風機
8,11：海水收集9,10：新鮮收集12：淡水箱13：海水池14,15泵16：交叉閥17：控制器18：旁路管道19,20：噴霧器
圖10.Yuan等人的示意圖。HDH系統
據報道，由于海水水箱，該系統能夠運行24
與生產5.2每天小時升/米2?/天在六月和2.7?升/米2?/天在十二月
在中國西安。還發現，對于固定的太陽能吸收器區域，生產
隨著水流量的增加而減少，并且通過適當利用潛熱，
過程效率可能會提高。
2014年，Zamen等人。[63]對兩級太陽能HDH系統進行了實驗研究，如圖11所示。據報道，兩級HDH海水淡化裝置的產量比類似的單級裝置多20％。在夏季時的*大生產飲用水據報道，7.25升/米2?/天，用80?米2太陽能吸收器面積。他們的結論是，雖然單位產量隨著額外階段而有所改善，但當使用兩個以上階段時，這種改善可以忽略不計。考慮到單位生產的成本，他們建議*好的選擇是兩階段單位。
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圖11.兩級蒸發/冷凝HDH海水淡化裝置[63]?Mahmoud等。[64]對a進行了理論和實驗研究
空氣進來
空出來
圖12.使用菲涅耳透鏡太陽能加熱器進行HDH脫鹽[64]
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HDH脫鹽裝置如圖12所示。測試了“封閉空氣/封閉水”和“露天/封閉水”循環。他們發現來自加濕器的出口鹽水的溫度足夠高以便進一步使用，并且他們注意到閉合空氣循環比露天系統更具生產力。
在這方面，分別報告了開放和封閉空氣循環產生60?升/m?2?/天和112?升/m?2?/天的可能性。
從這些研究中可以得出結論，在環境空氣的能量和水分含量低于冷凝器排出的空氣的情況下，“封閉空氣/封閉水99”裝置的應用是合理的。而且，這些系統適用于鹽水供應溫度顯著低于來自加濕器的排出水溫度的條件。然而，這些系統中的鹽水濃度在每個循環后不斷增加，這增加了沉降的風險。
1.4.1.2。封閉式/開放水
顧名思義，“封閉空氣/開放水”HDH循環使系統內的空氣循環，同時排出鹽水。圖13所示是Al-Hallaj等人測試的系統。[65]，其中在通過冷凝器中的濕空氣預熱并通過平板太陽能收集器之后將水噴灑在蒸發器上。空氣在蒸發器和冷凝器之間循環，交替地進行加濕和除濕。據報道，在*佳水流速下實現了*大輸出，超過該流速，由于在較高流速下較低的蒸發和冷凝效率，產量減少。這可以通過在較高水流速下增加的傳熱和傳質系數來解釋。據報道，在低溫下空氣流速的影響也是顯著的，而它在較高溫度下的影響較小。因此，僅在高溫條件下建議自然空氣循環。
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平板太陽能集熱器
圖13.Al-Hallaj等人提出的HDH脫鹽結構。[65]
Amer等。[66]對圖14所示的“封閉空氣/開放水”HDH海水淡化系統進行了理論和實驗研究。該研究的主要目的是通過評估運行條件對裝置的影響來改善循環。生產率。因此，通過檢查三種不同的材料作為填充床來評估實際濕區域的影響以及傳質系數。此外，還檢查了空氣的強制和自然循環。
據報道，對于帶有木板巖的填充床，該系統具有*大生產率，而系統則采用強制空氣循環。該裝置的*大生產率為5.8?升/小時，加濕器的入口水溫為85℃，水質量流量為2.8?千克/分鐘。
15
（1）
（15）（16）
圖14.Amer等[66]提出的HDH海水淡化圖
（13>
（14）
（1）鹽水供應
（2）高架水箱
（3）排水
（4）過濾器
（5）給水泵
（6）轉子流量計
（7）冷凝器盤管
（8）冷凝器塔
（9）范
（10）加濕塔
（11）床上用品
（12）儲罐
（13）換熱器
（14）電加熱器
（15）鹽水
（16）蒸餾
“封閉空氣/開放水域”系統的應用在以下情況下是合理的
環境空氣具有低溫和含水量以及能量含量
離開系統的鹽水足夠低。
1.4.1.3。露天/閉水
戴等人。[67]用“露天/封閉水55循環”檢查了HDH海水淡化系統。如圖15所示，使用空氣和水流的水加熱和強制循環。據報道，該裝置克服了使用強制對流蜂窩加濕器同時提高蒸發溫度和降低冷凝溫度的難度。它也是
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結論是水和氣流速率和鹽水溫度*高
海水供應
蒸餾水
影響單位表現的參數。
圖15.Dai等人提出的HDH脫鹽單元。[67]
在隨后的研究中，戴等人。[68]在數學上模擬了圖15中所示的實驗單元。發現隨著入口空氣溫度和相對濕度的增加以及海水溫度的降低，產水量增加。還發現飼料和冷卻水的質量流量增加也會增加水的產量。
Al-Enezi等人。[2]對具有“封閉空氣/開放水”循環的HDH脫鹽系統進行了數學建模和實驗研究。如圖16所示，空氣和水流都被加熱并強制循環
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使用兩種流。據報道，*高的水產量處于高熱水溫度，冷冷卻水溫度，高氣流速率和低熱水流速。
出口空氣–^–
聚光器
產品★水＆袋裝柱水冷裝置水流儀表
水環流
加熱器
–
H
進氣
熱水器
圖16.Al-Enezi等[2]提出的實驗HDH海水淡化裝置
2008年，Yamali等人進行了另一項實驗研究。上的4I露天/閉式Watef?，周期。如圖17所示，空氣和水流都被加熱，并且強制循環用于兩個流。據報道，隨著初始水溫和儲水箱中水量的增加，生產增加。此外，通過使用雙通太陽能空氣加熱器，生產增加了15％。據報道，正在脫鹽的海水和冷卻水的產水量和質量流量成比例，而產量隨著氣流速率的增加而降低。
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墊加濕器
除濕機
化妝水
雙通太陽能空氣加熱器
-HX?
加熱器
水流量計
儲存罐
冷卻（t）–
泵
冷卻水
純凈水
圖17.Yamali等人提出的空氣加熱HDH脫鹽裝置。
由此可以得出結論，“露天/封閉水”系統可用于來自冷凝器的廢氣具有比環境空氣更低的溫度和水分含量以及排出的鹽水的溫度的條件。從加濕器足夠高，所以它的能量可以用在系統中。
1.4.1.4。露天/開放水域
袁等人。對具有“露天/開放水”循環的太陽能HDH海水淡化系統進行了調查。如圖18所示，采用強制循環的空氣和水加熱。
水收集器領域
冷卻水池
新鮮水罐
圖18.Yuan提出的HDH結構示意圖
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他們指出，該系統產生10.52?升/米2?/天的淡水，與
太陽輻射的平均強度為550W/m?2。
然而，發現具有“露天/開放水”循環的HDH脫鹽單元可能對出口流具有高熱損失。因此，如果環境空氣具有比離開冷凝器的空氣更多的能量和水分含量，并且離開加濕器的鹽水的溫度低于或接近入口海水溫度，則僅使用這樣的循環是合理的。否則，應提供額外的熱交換器以回收熱量。
1.5。研究問題
從文獻中可以得出結論，盡管已經開展了工作，但仍然有可能開發HDH海水淡化系統，因為在小規模應用中沒有專門的確定系統。因此，這項工作旨在確定：
我們如何為小規模淡水生產開發高效的太陽能HDH海水淡化系統？
