可旋轉(zhuǎn)的太陽能集熱—減壓膜蒸餾式脫鹽研究

王世選，王芳，李進(jìn)，夏東升

（1.武漢紡織大學(xué)紡織印染清潔生產(chǎn)教育部工程研究中心，湖北武漢430200；2.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海201620）

可旋轉(zhuǎn)的太陽能集熱—減壓膜蒸餾式脫鹽研究

王世選1，王芳2，李進(jìn)1，夏東升1

（1.武漢紡織大學(xué)紡織印染清潔生產(chǎn)教育部工程研究中心，湖北武漢430200；2.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海201620）

設(shè)計(jì)構(gòu)建了1套新型可旋轉(zhuǎn)的太陽能集熱—減壓膜蒸餾脫鹽系統(tǒng)裝置，以太陽能集熱提供熱源，以3.5%的氯化鈉溶液模擬海水進(jìn)行脫鹽實(shí)驗(yàn)。研究了不同進(jìn)料液溫度、冷側(cè)真空度、進(jìn)料液流量對膜組件性能的影響，以及1個(gè)工作日內(nèi)膜通量、淡水電導(dǎo)率和截留率的影響變化。結(jié)果表明：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，膜組件入口進(jìn)料液溫度、冷側(cè)真空度和進(jìn)料液流量是影響系統(tǒng)性能的主要因素，且在1個(gè)工作日內(nèi)系統(tǒng)所產(chǎn)淡水的電導(dǎo)率可達(dá)到10 μS/cm以下，截留率可達(dá)到99.9%以上。

太陽能；聚丙烯中空纖維膜；膜蒸餾；脫鹽

膜蒸餾技術(shù)（MD）是將膜技術(shù)與熱蒸餾過程結(jié)合在一起的新型膜分離技術(shù)〔1〕，以疏水性微孔膜的兩側(cè)蒸汽壓差為傳質(zhì)動力，熱側(cè)的水蒸氣透過膜孔到達(dá)冷側(cè)而被冷凝富集〔2〕。由于MD不需要將待處理的液體加熱到沸點(diǎn)以上，因此所需操作溫度更低〔3〕，操作條件適中，克服了傳統(tǒng)的脫鹽技術(shù)過程中高溫高壓的缺陷，具有高效、節(jié)能、無相變、工藝簡單等特點(diǎn)，在海水淡化、苦咸水淡化以及高濃度廢水回收利用等方面得到了極大關(guān)注〔4〕。此外，將MD過程與可再生能源如太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能等技術(shù)耦合，利用低品位熱源作為膜蒸餾的能源驅(qū)動，是目前膜蒸餾研究的一個(gè)新熱點(diǎn)〔5〕。太陽能由于其清潔無污染、可再生、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)使膜蒸餾與太陽能技術(shù)的集成成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。

筆者設(shè)計(jì)并構(gòu)建了1套新型可旋轉(zhuǎn)式太陽能集熱—減壓膜蒸餾海水淡化系統(tǒng)裝置，采用聚丙烯（PP）疏水性中空纖維膜組件，以3.5%NaCl溶液模擬海水，以可旋轉(zhuǎn)式太陽能集熱器吸收太陽能提供熱源，進(jìn)行太陽能集熱—減壓膜蒸餾脫鹽實(shí)驗(yàn)，研究不同進(jìn)料液溫度、冷側(cè)真空度、進(jìn)料液流量對膜組件性能的影響，以及1個(gè)工作日內(nèi)膜通量、淡水電導(dǎo)率和截留率的影響變化。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要實(shí)驗(yàn)材料與儀器

熱管式太陽能真空集熱器，浙江神德新能源有限公司；太陽能輻射測量計(jì)SM206，深圳欣寶科儀；WT600-2J蠕動泵，保定蘭格恒流泵有限公司；LZB-4玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，上海帆揚(yáng)機(jī)電有限公司；電導(dǎo)率儀SENSION5，美國HACH公司；SHB-Ⅲ循環(huán)水真空泵，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；恒溫電輔加熱儲水箱，自制。聚丙烯（PP）疏水性中空纖維膜組件，浙江某公司。膜的性能參數(shù)：膜外殼尺寸90mm×430 mm，膜絲內(nèi)徑200μm，膜絲外徑450μm，孔隙率60%～70%，膜面積0.121 5 m2，平均孔徑0.05 μm。

1.2實(shí)驗(yàn)裝置

可旋轉(zhuǎn)的太陽能集熱—減壓膜蒸餾實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　可旋轉(zhuǎn)式太陽能集熱—減壓膜蒸餾系統(tǒng)示意

由圖1可見，主要由太陽能集熱系統(tǒng)、恒溫電輔加熱系統(tǒng)、膜組件、換熱收集系統(tǒng)及抽真空系統(tǒng)組成。其中太陽能集熱系統(tǒng)由12支真空管式太陽能集熱器組成，有效集熱面積1.8 m2，集熱器下方配有直徑5 m的可旋轉(zhuǎn)底盤，可任意手動旋轉(zhuǎn)集熱器的方位，使集熱器充分接收太陽輻射。在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中采用電輔加熱技術(shù)，海水由海水箱進(jìn)入太陽能集熱器，熱源由太陽能提供，然后進(jìn)入恒溫電輔加熱儲水箱中儲存。當(dāng)水溫?zé)o法滿足溫度要求時(shí)，采用電輔加熱；當(dāng)溫度過高時(shí)，通過閥門控制進(jìn)入集熱器和儲水箱的水量中和調(diào)節(jié)溫度。當(dāng)集熱系統(tǒng)溫度恒定時(shí)，海水被蠕動泵泵入膜組件，水蒸氣在抽真空系統(tǒng)的壓力下透過膜孔被換熱收集系統(tǒng)冷凝并收集在淡水收集罐中。而蒸餾后的濃鹽水則進(jìn)入海水箱中進(jìn)行循環(huán)利用。實(shí)驗(yàn)在武漢（北緯30.34°，東經(jīng)114.18°）地區(qū)進(jìn)行，武漢地區(qū)整年擁有較高日平均太陽輻射量，太陽能輻射資源相對較豐富；在晴天條件下，通過太陽能輻射測量計(jì)測量出7月某1個(gè)工作日內(nèi)（8：30～17：30）的太陽能輻射強(qiáng)度。

1.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，每隔一段時(shí)間通過電子天平稱量淡水收集罐和干燥器的質(zhì)量增重，即為產(chǎn)水質(zhì)量；用電導(dǎo)率儀測量淡水電導(dǎo)率；通過公式分別計(jì)算膜通量J〔6〕和脫鹽截留率Rj〔7〕：

式中：J——膜通量，kg/（m2·h）；

W——淡水產(chǎn)量，kg；

S——有效膜面積，m2；

t——運(yùn)行時(shí)間，h。

式中：Rj——脫鹽截留率，%；ρh——模擬海水電導(dǎo)率；ρc——產(chǎn)水電導(dǎo)率。

2　結(jié)果與討論

2.1太陽能集熱—減壓膜蒸餾系統(tǒng)脫鹽實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，通過控制第二閥門、第三閥門和恒溫電輔加熱儲水箱的電熱絲開關(guān)來調(diào)節(jié)進(jìn)水溫度及流量；分別考察進(jìn)料液溫度、冷側(cè)真空度和進(jìn)料液流量對膜通量、淡水電導(dǎo)率和截留率的影響變化，確定影響系統(tǒng)性能的主要因素。

2.1.1進(jìn)料液溫度

進(jìn)料液模擬海水NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%，冷側(cè)真空度為0.095 MPa，進(jìn)料液流量分別為70、90 L/h時(shí)，考察進(jìn)料液溫度對膜通量、淡水電導(dǎo)率和截留率的影響變化，結(jié)果如表1所示。

表1　進(jìn)料液溫度對膜通量、淡水電導(dǎo)率和截留率的影響

由表1可見，在90 L/h的流量下，料液溫度由50℃升高到70℃，膜通量由4.38 kg/（m2·h）上升到10.31 kg/（m2·h），這是由于隨著進(jìn)料液溫度增加，膜熱側(cè)的蒸汽壓力增大，水蒸氣通過膜組件的驅(qū)動力增大，因而膜通量增加。但考慮到膜材料和能耗的因素，溫度不能無限提高，通常采用50～70℃。且在不同溫度條件下，所產(chǎn)淡水的電導(dǎo)率均在10 μS/cm以下，截留率均在99.9%以上，說明該中空纖維在此實(shí)驗(yàn)條件下膜截留效率很高，膜性能很好。

2.1.2冷側(cè)真空度

進(jìn)料液模擬海水NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%，進(jìn)料液流量為90 L/h，進(jìn)料液溫度分別為60、70℃時(shí)，考察冷側(cè)真空度對膜通量、淡水電導(dǎo)率和截留率的影響變化，結(jié)果如表2所示。

表2　冷側(cè)真空度對膜通量、淡水電導(dǎo)率和截留率的影響

由表2可見，在70℃下，冷側(cè)真空度從0.075MPa提高到0.095 MPa，膜通量從3.46 kg/（m2·h）提高到10.31 kg/（m2·h），膜通量提高了將近3倍，由此可見膜通量隨冷側(cè)真空度的增大而增加，原因是由于減壓膜蒸餾的驅(qū)動力之一為膜兩側(cè)的蒸汽壓差，冷側(cè)真空度越大，壓差越大，蒸汽的驅(qū)動力越大，從而膜通量就越大。這與費(fèi)克（Fick）定律所給出的膜通量與其他有關(guān)參數(shù)的關(guān)系式吻合〔8〕。同時(shí)，所產(chǎn)淡水的電導(dǎo)率隨真空度升高而逐漸下降，這是由于隨著真空度的增加，熱側(cè)水更容易汽化，所得淡水含鹽率越低的緣故。且在此實(shí)驗(yàn)條件下，中空纖維膜組件對海水脫鹽的截留效果很好，截留率均在99.9%以上。

2.1.3進(jìn)料液流量

進(jìn)料液模擬海水NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%，冷側(cè)真空度為0.095 MPa，進(jìn)料液溫度為60、70℃時(shí)，考察進(jìn)料液流量對膜通量、淡水電導(dǎo)率和截留率的影響變化，結(jié)果如表3所示。

表3　進(jìn)料液流量對膜通量、淡水電導(dǎo)率和截留率的影響

由表3可見，在一定溫度下，膜通量隨流量的增加而增加，主要是由于進(jìn)料液流量增大，進(jìn)水速度加劇，增加了料液在膜組件中的湍流度，使溫度損失減小，進(jìn)而加大了水蒸氣跨膜傳輸驅(qū)動力。且所產(chǎn)淡水電導(dǎo)率也逐漸下降，脫鹽效果很明顯，這是由于當(dāng)溫度和冷側(cè)真空度達(dá)到合適條件時(shí)，隨著進(jìn)料液流量的增大，膜通量增大，電導(dǎo)率在此條件下容易達(dá)到理想脫鹽狀態(tài)。且在此實(shí)驗(yàn)條件下，中空纖維膜組件對海水脫鹽的截留效果也很好，截留率均在99.9%以上。

2.21個(gè)工作日內(nèi)太陽能集熱—減壓膜蒸餾系統(tǒng)脫鹽實(shí)驗(yàn)

將實(shí)驗(yàn)條件設(shè)為進(jìn)料液模擬海水NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%，冷側(cè)真空度為0.095 MPa，進(jìn)料液流量為90 L/h，關(guān)閉電輔加熱系統(tǒng)，利用純太陽能加熱模擬海水，考察系統(tǒng)在1個(gè)工作日內(nèi)膜通量、淡水電導(dǎo)率和截留率的變化。

2.2.1太陽能輻射強(qiáng)度對集熱器出水溫度的影響

太陽能輻射強(qiáng)度對集熱器出水溫度的影響如圖2所示。

圖2　太陽能輻射強(qiáng)度對集熱器出水溫度的影響

由圖2可見，太陽能輻射強(qiáng)度和太陽能集熱器出水溫度隨著時(shí)間的變化，先升高后降低，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，由于水量基本不變，海水溫度變化不大，集熱器出水溫度只與太陽能輻射強(qiáng)度有關(guān)。由于水的比熱較大，集熱器的升溫與太陽輻射的變化并不同步，所以集熱器出水溫度變化要慢于太陽能輻射的變化。由于系統(tǒng)可任意旋轉(zhuǎn)方位，使集熱面始終與太陽輻射保持垂直，因此太陽能輻射強(qiáng)度在一段時(shí)間始終保持在1 000 W/m2左右水平，但在當(dāng)日16：00之后天氣突然呈陰天多云趨勢，太陽能輻射強(qiáng)度急劇降低。

2.2.2進(jìn)料液溫度對膜通量的影響

進(jìn)料液溫度對膜通量的影響如圖3所示。

圖3　進(jìn)料液溫度和系統(tǒng)膜通量隨時(shí)間的變化

由圖3可見，進(jìn)料水溫度隨時(shí)間的變化先升高后降低，但膜通量隨時(shí)間的變化呈增長趨勢，這是因?yàn)楫?dāng)太陽能輻射強(qiáng)度逐漸增大時(shí)，總的淡水產(chǎn)量也逐漸增多，當(dāng)太陽能輻射強(qiáng)度減弱時(shí)，總的淡水產(chǎn)量增加幅度逐漸趨于平緩，最終趨于穩(wěn)定不再增加，而淡水產(chǎn)量與膜通量有關(guān)（由公式1可知），運(yùn)行時(shí)間和膜面積相同時(shí)，淡水產(chǎn)量越大，膜通量越大。

2.2.3淡水電導(dǎo)率和截留率隨時(shí)間的影響變化

淡水電導(dǎo)率和截留率隨時(shí)間的影響變化如表4所示。

表4　淡水電導(dǎo)率和截留率隨時(shí)間的影響變化

由表4可見，淡水電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化呈不穩(wěn)定的趨勢，這與太陽能輻射強(qiáng)度和進(jìn)料液溫度有關(guān)，最初太陽能輻射強(qiáng)度并未達(dá)到最高值，導(dǎo)致太陽能集熱器出水溫度不高，從而使進(jìn)料液溫度升高緩慢，進(jìn)料海水未得到充分的加熱而被蒸發(fā)，使得淡水電導(dǎo)率在最初并不良好，但隨著太陽能集熱器出水溫度的不斷增加，進(jìn)料海水得到充分的加熱從而逐漸被蒸發(fā)，從而使得所產(chǎn)淡水的電導(dǎo)率逐漸降低，而在當(dāng)日16：00之后天氣突然呈陰天多云趨勢，太陽能輻射強(qiáng)度急劇降低，太陽能集熱器出水溫度也隨之逐漸下降，使得淡水電導(dǎo)率有增加趨勢。而截留率與淡水電導(dǎo)率有關(guān)（由公式2可知），淡水電導(dǎo)率越小，截留率越大。

3　結(jié)論

（1）在太陽能集熱—減壓膜蒸餾脫鹽實(shí)驗(yàn)過程中，膜組件入口進(jìn)料液溫度、冷側(cè)真空度和進(jìn)料液流量是影響系統(tǒng)性能的主要因素。隨著三者的提高，膜通量顯著增大，所產(chǎn)淡水電導(dǎo)率逐漸降低，而截留率則受進(jìn)料液溫度、冷側(cè)真空度和進(jìn)料液流量的影響不大。

（2）聚丙烯中空纖維膜在太陽能集熱—減壓膜蒸餾實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的分離性能，所產(chǎn)淡水的電導(dǎo)率可達(dá)到10 μS/cm以下，截留率可達(dá)到99.9%以上。

（3）將太陽能集熱器應(yīng)用于減壓膜蒸餾系統(tǒng)中，充分利用了太陽能持續(xù)可再生、節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，在天氣晴朗時(shí)，太陽能集熱器在溫度方面表現(xiàn)出良好的性能；但在陰天多云天氣，太陽能集熱器則在溫度方面表現(xiàn)不足，在此天氣情況下，需采用電熱水箱進(jìn)行輔助加熱的方式提高溫度。

（4）設(shè)計(jì)的可旋轉(zhuǎn)式太陽能集熱—減壓膜蒸餾系統(tǒng)，可任意手動旋轉(zhuǎn)太陽能集熱器追蹤太陽的方位，使太陽能集熱器充分接收太陽能；該系統(tǒng)能耗低、產(chǎn)水水質(zhì)好、操作簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、有利于模塊化操作。如技術(shù)成熟，可將自動追蹤光源技術(shù)應(yīng)用于太陽能集熱器，因此在海水淡化或苦咸水淡化等方面有良好的應(yīng)用前景。

［1］公言飛，杜啟云，王薇，等.真空膜蒸餾淡化鹽水的現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.水處理技術(shù)，2010，36（6）：14-16.

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Research on the rotatable solar collector-vacuum membrane distillation desalination

Wang Shixuan1，Wang Fang2，Li Jin1，Xia Dongsheng1
（1.Engineering Research Center for Clean Production of Textile Dyeing and Printing，Ministry of Education，Wuhan Textile University，Wuhan 430200，China；2.Environmental Science and Engineering Department，Donghua University，Shanghai 201620，China）

A new type of solar collector-vacuum membrane distillation desalination system has been designed and builted.The solar collector is used for providing heat sources for the system.Desalination experiments are conducted by using 3.5%of sodium chloride solution as simulated seawater.The effects of different temperatures of feed-in liquid，the vacuum degree on cold side，and the flow rate of feed-in liquid on the performances of the membrane module，as well as the changes of influences resulted from membrane flux，freshwater conductivity and retention rate per workday are studied.The results show that when the system runs stably，the main factors affecting the system performances are the inlet feed-in liquid temperature of the membrane module，vacuum degree on the cold side，and flow rate of the feed-in liquid.Moreover，the conductivity of fresh water produced by the system can reach 10 μS/cm or less，and the retention rate can be above 99.9%in a workday.

solar energy；polypropylene hollow fiber membrane；membrane distillation；desalination

X703.1

A

1005-829X（2016）05-0024-04

國家“十二五”科技支撐計(jì)劃（2014BAC13B02-1）；國家“863”計(jì)劃（2013AA031802）

王世選（1989—），碩士。E-mail：sxuan_king@qq.com。通訊聯(lián)系人：夏東升，教授。E-mail：wufangtextile@sina. cn。

2016-02-07（修改稿）