寒冷地區(qū)太陽能減壓膜蒸餾RO濃水淡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉 娟，田軍倉

（1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用工程研究中心，銀川 750021）

0 引 言

在眾多的苦咸水/海水淡化技術(shù)中，反滲透技術(shù)是最先進(jìn)有效、最節(jié)能的膜分離技術(shù)，然而反滲透（reverse osmosis，RO）濃水的處理卻是目前難以解決的一個(gè)問題。對(duì)于RO濃水處置最普遍的做法是直接排放，這樣既造成水資源浪費(fèi)，又對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染。利用膜蒸餾技術(shù)處理RO濃水受到越來越多人的關(guān)注。膜蒸餾（membrane distillation，MD）是傳統(tǒng)蒸餾工藝與膜分離技術(shù)相結(jié)合的一種新型技術(shù)，它以疏水性微孔膜兩側(cè)的蒸汽壓差作為傳質(zhì)推動(dòng)力，該過程受熱側(cè)溶液濃度的影響很小，因此可用于RO濃水的處理。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者利用膜蒸餾對(duì)高濃度鹽水進(jìn)行了濃縮處理試驗(yàn)，結(jié)果表明膜蒸餾是一種處理高濃度鹽水非常有前景的技術(shù)。Li等[1]利用直接接觸膜蒸餾（direct contact membrane distillation，DCMD）對(duì)高濃度鹽水進(jìn)行處理。Mericq等[2]利用真空膜蒸餾（vacuum membrane distillation，VMD）對(duì)300g/L濃鹽水進(jìn)行處理，模擬并優(yōu)化了操作條件。Adham等[3]在不同的操作條件下，對(duì)膜蒸餾脫鹽裝置中不同MD膜的性能進(jìn)行了比較。Ji等[4]對(duì)RO濃水的膜蒸餾結(jié)晶裝置進(jìn)行了研究。陳利等[5]分別采用2種不同材質(zhì)的膜對(duì)RO濃水進(jìn)行VMD處理。王軍等[6]釆用膜蒸餾技術(shù)處理RO濃水，考察了各因素對(duì)處理結(jié)果的影響。劉東等[7]利用新型高通量聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）中空纖維疏水膜，對(duì)石化企業(yè)廢水經(jīng)反滲透處理產(chǎn)生的濃水進(jìn)行VMD處理。唐娜等[8]采用PVDF中空纖維膜及聚四氟乙烯（poly tetra fluoro ethylene，PTFE）微孔平板膜組件對(duì)RO濃水進(jìn)行了VMD過程研究?？锃傊サ萚9]對(duì)VMD淡化高濃度鹽水過程中溫度、濃度、真空度對(duì)膜通量的影響進(jìn)行了研究。

膜蒸餾的熱側(cè)溶液可在較低的溫度下產(chǎn)生蒸汽，因此可利用低等級(jí)的廢熱或太陽能為膜蒸餾提供熱源。太陽能膜蒸餾苦咸水/海水淡化技術(shù)尚處于試驗(yàn)室研究和小型示范階段，歐盟委員會(huì)資助的SMADES項(xiàng)目開發(fā)了多個(gè)太陽能獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的膜蒸餾海水淡化系統(tǒng)[10]，Banat等[11]介紹了位于埃及的小型試驗(yàn)裝置，其6個(gè)月的運(yùn)行結(jié)果表明，在全天太陽輻射平均為7.25 kWh/d時(shí)，集熱器產(chǎn)水量為11.2 L/(d﹒m2)。Banat等[12]還介紹了位于約旦的試驗(yàn)裝置，用電導(dǎo)率為55000 μm/cm的紅海海水作為進(jìn)料液，集熱器單位面積的產(chǎn)水量為2～11L/d。Banat等[13]提出了一種將太陽能與膜蒸餾相結(jié)合的系統(tǒng)，以3.5%的NaCl溶液代替海水，當(dāng)太陽輻射平均為252 W/m2時(shí)，系統(tǒng)工作7.5h的平均產(chǎn)水量為9 L /m2。Koschikowski等[14]在德國(guó)搭建了一個(gè)集熱面積為5.9m2的小型太陽能膜蒸餾試驗(yàn)臺(tái)，在膜蒸餾冷側(cè)利用進(jìn)料液回收蒸汽的冷凝熱，當(dāng)最高水溫達(dá)到90℃時(shí)，膜通量為15L/h，在夏天產(chǎn)水量達(dá)到120L～160L/d。Qtaishat等[15]對(duì)太陽能膜蒸餾系統(tǒng)的性能及成本進(jìn)行了研究。楊華劍[16]在杭州地區(qū)搭建了一個(gè)集熱面積為8m2的太陽能膜蒸餾試驗(yàn)臺(tái)，集熱器產(chǎn)水量可以達(dá)到954 L/(y·m2)。殷文其等[17]在2010年將新型U型管式集熱器與膜蒸餾相結(jié)合，結(jié)果表明當(dāng)進(jìn)料液溫度和流量分別為88.6 ℃和332 L/h，冷卻水溫度和流量分別為10℃和440L/h時(shí)，膜通量為2.687 L /(m2·h)。曾輝[18]在2013年對(duì)太陽能真空膜蒸餾海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行了研究，在進(jìn)料液溫度高于65 ℃和冷側(cè)真空度為0.080MPa時(shí)，膜通量可以達(dá)到14.4 L/(m2·h)。由此可見，利用太陽能低品位能源驅(qū)動(dòng)膜蒸餾系統(tǒng)淡化苦咸水/海水是一項(xiàng)可行的水處理技術(shù)，然而太陽能集熱系統(tǒng)與膜蒸餾系統(tǒng)耦合匹配及系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)是需要解決的一個(gè)問題[19-20]。

膜蒸餾過程產(chǎn)生的淡水蒸汽需要一定的冷凝設(shè)備冷凝后形成淡水，冷凝過程中淡水蒸汽釋放的汽化潛熱較大，目前有關(guān)膜蒸餾過程蒸汽相變熱回收的報(bào)道極少[21-24]。王麗[25]利用多級(jí)和多效減壓膜蒸餾過程對(duì)膜蒸餾過程的能量進(jìn)行了回收。劉學(xué)晶[26]對(duì)減壓膜蒸餾系統(tǒng)進(jìn)行了工藝改進(jìn)，通過一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)熱量回收式減壓膜蒸餾裝置，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的熱量回收再利用。高云霄[27]設(shè)計(jì)和制備了一種新型的具有內(nèi)部熱回收功能的螺旋卷式氣隙膜蒸餾組件，實(shí)現(xiàn)對(duì)膜蒸餾過程中蒸汽潛熱的回收利用。張猛等[28]在VMD過程中設(shè)立特殊的多效蒸發(fā)區(qū)，使膜組件同時(shí)具有蒸汽的換熱降溫與原料液的升溫蒸發(fā)雙重作用，從而實(shí)現(xiàn) VMD 過程蒸發(fā)潛熱的高效回收利用。通過文獻(xiàn)分析可知膜蒸餾過程的熱回收多為通過對(duì)蒸汽的多級(jí)和多效利用，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的潛熱回收，但還是避免不了利用冷卻水對(duì)膜蒸餾所產(chǎn)蒸汽進(jìn)行冷凝。為實(shí)現(xiàn)蒸汽的冷凝需要大量的冷卻水，其耗水量遠(yuǎn)高于膜蒸餾的產(chǎn)水量，因此難以實(shí)現(xiàn)減排的初衷。

針對(duì)目前RO濃水的零排放、太陽能集熱與膜蒸餾的耦合匹配以及膜蒸餾系統(tǒng)蒸汽冷凝過程的冷卻水減排和相變熱回收問題，本文設(shè)計(jì)了一套適用于寒冷地區(qū)的太陽能減壓膜蒸餾RO濃水淡化系統(tǒng)，并在寧夏銀川市賀蘭縣苦咸水地區(qū)的溫室大棚里進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。本研究對(duì)解決太陽能集熱與膜蒸餾的耦合匹配及膜蒸餾的蒸汽冷凝和相變熱回收、降低膜蒸餾系統(tǒng)能耗、實(shí)現(xiàn)RO濃水零排放、減少濃水對(duì)環(huán)境污染具有重要意義。

1 系統(tǒng)組成、原理及設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

寒冷地區(qū)太陽能減壓膜蒸餾 RO濃水淡化系統(tǒng)主要由RO濃水箱、膜蒸餾組件、太陽能集熱器、冷凝裝置、循環(huán)泵、真空泵、淡水箱等構(gòu)成，如圖 1所示。該系統(tǒng)放置在寧夏銀川市賀蘭縣欣榮村的溫室大棚中，系統(tǒng)前端是一套用于溫室灌溉的反滲透系統(tǒng)，由于RO濃水無法排放，因此采用減壓膜蒸餾進(jìn)一步淡化。為了降低能耗，膜蒸餾所處理的RO濃水采用太陽能集熱器進(jìn)行加熱。膜蒸餾產(chǎn)生的淡水蒸汽利用反滲透淡水池中的換熱盤管及溫室地?zé)岜P管進(jìn)行冷卻，即解決了蒸汽冷凝問題，又實(shí)現(xiàn)了相變熱回收并可用于溫室加熱。

圖1 太陽能減壓膜蒸餾RO濃水淡化系統(tǒng)圖Fig.1 System of RO brine desalination for solar vacuum membrane distillation

1.2 系統(tǒng)工作原理

如圖 1所示，地下苦咸水通過原水泵輸送到磁砂過濾器，由安保過濾器過濾后，經(jīng)高壓泵加壓進(jìn)入反滲透膜組件中，產(chǎn)生的淡水進(jìn)入到淡水池中，產(chǎn)生的濃鹽水進(jìn)入到濃鹽水箱中。濃鹽水經(jīng)過太陽能集熱器間接加熱后，輸送到膜蒸餾組件，當(dāng)太陽能集熱器不能將濃鹽水加熱到設(shè)定的溫度時(shí)，可通過電加熱器進(jìn)行加熱。由膜蒸餾組件產(chǎn)生的淡水蒸汽被真空泵抽到淡水池散熱盤管中，經(jīng)過淡水池蒸汽散熱盤管冷凝后，進(jìn)入淡水箱，同時(shí)淡水池中的水被加熱，用于灌溉。當(dāng)不需要加熱淡水池中的水時(shí)，膜蒸餾組件產(chǎn)生的淡水蒸汽可由真空泵抽到溫室的地下散熱盤管中，經(jīng)溫室地下蒸汽散熱盤管冷凝后，進(jìn)入淡水箱中，同時(shí)加熱盤管上部的作物。這兩種冷卻方式既節(jié)約了冷卻水，又充分利用了盤管中的熱量給灌溉水或作物加熱。經(jīng)膜蒸餾組件不斷濃縮的濃鹽水最終排放到太陽能蒸發(fā)結(jié)晶器中。當(dāng)需要加熱的淡水池溫度或溫室地溫未達(dá)到所需的溫度時(shí)，可通過淡水池太陽能集熱系統(tǒng)換熱盤管或溫室地下太陽能集熱系統(tǒng)換熱盤管加熱。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1 膜蒸餾組件

系統(tǒng)前端RO濃水的產(chǎn)量為1m3/h，根據(jù)膜蒸餾廠家提供膜組件的產(chǎn)水量為 4L/m2﹒h，則所需的膜面積為250m2。由于本試驗(yàn)裝置為中試系統(tǒng)，因此選用有效膜面積為10 m2的PTFE膜中空纖維膜組件，由浙江東大環(huán)境工程有限公司提供，型號(hào)為 DDPT-S2312，耐水壓0.160MPa，使用溫度為-190～250℃。中空纖維膜能夠承受的熱側(cè)濃水溫度為 80℃，壓力為-0.090 MPa，膜絲平均內(nèi)徑為1.2 mm，平均外徑為2.3 mm，壁厚0.5mm，平均膜孔直徑為0.25μm，孔隙率55%。系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)水量為40 L/h，熱側(cè)濃水溫度為 80℃，滲透?jìng)?cè)真空壓力為-0.090MPa。

1.3.2 太陽能集熱器

普通的太陽能平板集熱器或真空管集熱器很難將濃水加熱到 80℃，因此選用山東力諾瑞特新能源有限公司的CPC型太陽能中溫集熱器。一組CPC型中溫集熱器外形尺寸為1.640 m×2.082 m，采光面積為3.026m2，最大工作壓力為 0.8MPa，靜態(tài)最高溫度為 276℃，載熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油（冬季防凍，夏季防結(jié)垢），容量為 2.23L。選用 1m3的保溫水箱作為膜蒸餾組件中的 RO濃水太陽能加熱水箱，同時(shí)兼做太陽能集熱器的緩沖箱。考慮到RO濃水對(duì)集熱器管道的腐蝕性，系統(tǒng)采用間接連接方式。

濃水水箱的加熱設(shè)計(jì)溫度為 80℃，反滲透的濃水出水溫度為15℃，則所需的太陽能集熱器面積Ac可按式（1）計(jì)算[29]。

式中Qw為日均熱水量，m3；c為水的定壓比熱，kJ/(kg·)℃；ρ為水的密度，kg/m3；tend為水箱的加熱設(shè)計(jì)溫度，℃；tL水的初始溫度，℃；JT為銀川地區(qū)安裝傾角平面年平均日太陽輻照量[30]，MJ/m2；f為太陽能保證率，取60%[30]；ηcd為集熱器全日集熱效率，根據(jù)產(chǎn)品性能取72.7%；ηL為管路及貯水箱熱損失率，取20%；經(jīng)計(jì)算得出，系統(tǒng)所需集熱面積為15.2 m2，實(shí)際選用5組CPC型太陽能中溫集熱器，安裝角度為銀川當(dāng)?shù)鼐暥取？紤]到陰天或冬季無法滿足要求時(shí)，選用6kW的輔助電加熱。

1.3.3 末端冷凝裝置

系統(tǒng)共采用兩種冷凝裝置，一種是浸沒在淡水池中的 ?40不銹鋼散熱盤管，一種是埋在溫室地下作物根部的?25地?zé)岜P管，兩種冷凝裝置均是自制的裝置。

1）散熱量計(jì)算

80℃的淡水蒸汽降為常溫淡水（設(shè)平均為 20℃）的散熱量Q可根據(jù)式（2）計(jì)算。

式中r為80℃蒸汽所具有的汽化潛熱量，kJ/kg[31]； m為每小時(shí)產(chǎn)水量，kg；Δt為最高蒸汽溫度降為常溫淡水的溫差，℃；通過計(jì)算可知散熱盤管散熱量為28 442W/s。

2）不銹鋼散熱盤管長(zhǎng)度計(jì)算

由于不銹鋼散熱盤管浸沒在淡水池中，因此管內(nèi)蒸汽向管外的傳熱分為管內(nèi)的凝結(jié)傳熱、管內(nèi)壁向管外壁的導(dǎo)熱、管外壁向水的自然對(duì)流傳熱三個(gè)過程。

管內(nèi)凝結(jié)傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)ih按式（3）計(jì)算[31]。

式中各參數(shù)均為散熱盤管內(nèi)蒸汽溫度 ts與管內(nèi)壁溫度 tn的平均溫度tm對(duì)應(yīng)的飽和水參數(shù)[31]，ts=80℃，設(shè)tn=40℃，則tm=60℃；tw為散熱盤管外表面溫度； g為重力加速度，m/s2；ρ為 tm對(duì)應(yīng)的水密度，kg/m3；ρv為 80℃水蒸汽的密度，kg/m3；λi為凝結(jié)水的熱導(dǎo)率，W/(m·K)；μ為凝結(jié)水的動(dòng)力粘度N·s/m2；d為管道直徑；r′為修正后的80℃水蒸汽的汽化潛熱，計(jì)算可得hi=5318.4 W/(m2·K)。

管外自然對(duì)流傳熱系數(shù)h0按式（4）計(jì)算[31]。

式中各參數(shù)均為散熱盤管外表面溫度 tw與水池水溫 tf的平均溫度tp所對(duì)應(yīng)的飽和水參數(shù)[31]，設(shè)tw=35℃，tf=15℃，則tp=25℃；λ0為熱導(dǎo)率，W/(m·K)；α為體積膨脹系數(shù)，m2/s；Δt=tw-tf；ν為運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；Pr為普朗特準(zhǔn)則數(shù)；C、n為由試驗(yàn)確定的常數(shù)；計(jì)算可得h0=79.3 W/(m2·K)。

不銹鋼散熱盤管的綜合傳熱系數(shù)K按式（5）計(jì)算。

式中b為?40不銹鋼管的厚度，1.5mm；λ為不銹鋼管導(dǎo)熱系數(shù)，16 W/(m·K)[29]，則計(jì)算綜合傳熱系數(shù)k=72.8W/(m2·K)。

不銹鋼盤管長(zhǎng)度l按式（6）計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算可得不銹鋼散熱盤管長(zhǎng)度為 47.85m。設(shè)計(jì)選用直徑為?40，長(zhǎng)度為50m的304不銹鋼鋼管做成散熱盤管放置在反滲透淡水池中。

3）溫室地?zé)岜P管長(zhǎng)度計(jì)算

溫室中的地?zé)岜P管埋設(shè)在土壤中，管內(nèi)蒸汽散熱過程為蒸汽在管內(nèi)的凝結(jié)傳熱、管內(nèi)壁向管外及其覆土層的導(dǎo)熱過程、地面與室內(nèi)空氣的自然對(duì)流傳熱。這與采暖系統(tǒng)中地?zé)岜P管的選型計(jì)算相似，則地?zé)岜P管長(zhǎng)度 l按式（7）計(jì)算：

式中q為每米地?zé)岜P管的散熱量，?25的地?zé)岜P管經(jīng)驗(yàn)值一般為q=20～25W/m[32]，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)取25 W/m，經(jīng)計(jì)算溫室地?zé)岜P管的長(zhǎng)度為1137m。設(shè)計(jì)選用直徑為?25，長(zhǎng)度為1 140 m地?zé)岜P管鋪設(shè)在溫室作物根部以下20cm處。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 RO濃水來源及組成

試驗(yàn)所用 RO濃水為用于溫室滴灌的苦咸水反滲透淡化系統(tǒng)，該系統(tǒng)的淡水產(chǎn)量為3m3/h，淡水與濃水的產(chǎn)水比例為3:1，因此濃水產(chǎn)量為1 m3/h。濃水成分組成如表1所示。

表1 RO濃水成分組成Table 1 Composition of RO brine

2.2 試驗(yàn)方案

1）太陽能集熱效果試驗(yàn)

通過對(duì)當(dāng)?shù)靥栞椪斩?、室外溫度、太陽能集熱器的進(jìn)出口溫度、RO濃水太陽能加熱水箱的水溫進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，分析太陽能集熱效果。

2）減壓膜蒸餾產(chǎn)水效果試驗(yàn)

①保證滲透?jìng)?cè)真空壓力不變，改變熱側(cè) RO濃水溫度，測(cè)試熱側(cè)膜蒸餾組件進(jìn)出口處的RO濃水流量、溫度和滲透?jìng)?cè)淡化蒸汽質(zhì)量流量及溫度，以及濃水和淡水電導(dǎo)率，分析熱側(cè)濃水溫度、濃度及膜污染對(duì)膜通量的影響。

②保證熱側(cè) RO濃水溫度不變，改變滲透?jìng)?cè)真空壓力，測(cè)試熱側(cè)膜蒸餾組件進(jìn)出口處的RO濃水流量、溫度和滲透?jìng)?cè)淡化蒸汽質(zhì)量流量及溫度，以及濃水和淡水電導(dǎo)率，分析滲透?jìng)?cè)真空壓力、熱側(cè)濃水濃度及膜污染對(duì)膜通量的影響。

3）冷凝裝置冷凝效果試驗(yàn)

通過對(duì)淡水池不銹鋼散熱盤管及溫室地下散熱盤管冷凝系統(tǒng)的入口處、中間段及出口處的溫度進(jìn)行測(cè)試，分析蒸汽在散熱盤管中的溫度降，從而進(jìn)一步分析冷凝系統(tǒng)的效果。

4）地?zé)岜P管加熱效果試驗(yàn)

地?zé)岜P管鋪設(shè)在作物根部以下20cm處，因此對(duì)距離盤管上表面10、20cm處土壤的溫度進(jìn)行測(cè)試，分析蒸汽散熱盤管對(duì)作物根部的加熱效果。

2.3 測(cè)試指標(biāo)及方法

利用北京世紀(jì)建通環(huán)境技術(shù)有限公司提供的 JTR12太陽輻射觀察站和 JTR13B室外氣象觀察站對(duì)當(dāng)?shù)氐奶柨傒椪斩群褪彝猸h(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)試。利用自制的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)太陽能集熱器的進(jìn)出口溫度、RO濃水太陽能加熱水箱溫度，及膜蒸餾組件的進(jìn)出口濃水流量、膜蒸餾組件的濃水進(jìn)出口溫度、淡水蒸汽出口溫度、不銹鋼蒸汽散熱盤管的進(jìn)出口溫度、溫室蒸汽地?zé)岜P管的進(jìn)出口溫度進(jìn)行測(cè)試，其中流量測(cè)量采用的是智能電磁流量計(jì)，流量測(cè)試范圍為 0～5m3/h，溫度測(cè)量采用的是三通專用DS18B20溫度傳感器，溫度測(cè)試范圍為-55～125℃。利用西安南控儀表設(shè)備有限公司提供的壓差補(bǔ)償型孔板蒸汽流量計(jì)對(duì)膜組件產(chǎn)生的蒸汽質(zhì)量流量、溫度、真空度進(jìn)行測(cè)試，蒸汽流量測(cè)量范圍0～310 m3/h，工作壓力-0.080 MPa，介質(zhì)溫度-20～+120℃。利用美國(guó)奧豪斯的電導(dǎo)率儀測(cè)試膜蒸餾濃水在不同濃縮陪數(shù)下的電導(dǎo)率和膜蒸餾淡水電導(dǎo)率，測(cè)試范圍為0.02～200 mS/cm。系統(tǒng)所用的循環(huán)泵為不銹鋼離心泵，流量為2 m3/h。真空泵為7.5 kW的水環(huán)式真空泵，最大吸氣量為280 m3/h，極限真空度為-0.097 MPa。

3 結(jié)果與分析

3.1 太陽能集熱效果分析

2016年對(duì)太陽能集熱系統(tǒng)進(jìn)行了全年測(cè)試，分別選擇冬、春、夏、秋季中典型的一天進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。圖 2為系統(tǒng)在1月25日、3月18日、7月3日及10月15日的變化曲線。

圖2 太陽能集熱效果分析圖Fig.2 Effect analysis of solar collector

由圖 2可知，所配的太陽能集熱器在春季和秋季可以將RO濃水加熱到80℃左右，夏季可加熱到90℃左右，而冬季可以加熱到 60℃左右。因此在不需要輔助電加熱的條件下，春夏秋 3個(gè)季節(jié)基本可以達(dá)到膜蒸餾的用熱要求，而冬季可通過輔助電加熱來滿足膜蒸餾的用熱要求。

3.2 減壓膜蒸餾效果分析

如圖3a所示，在溫室溫度為14℃以上、RO濃水礦化度為7.1g/L、系統(tǒng)流量為4m3/h的條件下，保持膜蒸餾滲透?jìng)?cè)真空壓力分別在-0.065、-0.070、-0.075、-0.080MPa時(shí)，淡水產(chǎn)水量隨著濃水進(jìn)水溫度的升高而升高。在真空壓力為-0.080MPa時(shí)，70℃的產(chǎn)水量是60℃的1.18倍，而80℃的產(chǎn)水量是60℃的2.08倍。如圖3b所示，在相同條件下，保持濃水進(jìn)水溫度分別在 60、65、70、75、80℃時(shí)，淡水產(chǎn)水量隨滲透?jìng)?cè)真空壓力的升高而升高。在濃水進(jìn)水溫度為80℃的條件下，真空壓力為-0.080MPa的產(chǎn)水量，分別比-0.065、-0.070、-0.075MPa的產(chǎn)水量提高了近2倍、1.5倍、1.2倍。因此隨著濃水進(jìn)水溫度和滲透?jìng)?cè)真空壓力的升高，膜蒸餾淡水產(chǎn)量也逐漸增大，其函數(shù)關(guān)系可按式[33]（10）表示。

式中J為膜蒸餾淡水產(chǎn)量，kg/h；Bm為膜蒸餾滲透系數(shù)，與膜的孔隙率、平均孔徑、膜厚度、膜孔內(nèi)的彎曲度等構(gòu)造有關(guān)；Pmf為熱側(cè)膜表面蒸氣壓，Pa；Pmp為滲透?jìng)?cè)膜表面蒸氣壓，Pa；Pv為真空泵壓力，Pa。水蒸氣壓可由安托萬公式[35]按式（11）計(jì)算。

式中A，B，C都是常數(shù)，對(duì)于水A=16.3872，B=3885.70，C=230.70[34]，T為水蒸氣溫度，℃。

圖3 不同因素對(duì)減壓膜蒸餾產(chǎn)水量的影響Fig.3 Effect of different factors on fresh water yield of vacuum membrane distillation

當(dāng)達(dá)到中空纖維膜所能耐受的最高溫度 80℃，及銀川地區(qū)膜蒸餾系統(tǒng)滲透?jìng)?cè)所能達(dá)到的最大穩(wěn)定真空壓力-0.080MPa時(shí)，膜蒸餾的淡水產(chǎn)水量達(dá)到最高值，可達(dá)到37.62 L/h。減壓膜蒸餾系統(tǒng)滲透?jìng)?cè)真空壓力設(shè)計(jì)值為-0.090MPa，由于受地域的限制和真空泵效率的影響，該系統(tǒng)滲透?jìng)?cè)所能達(dá)到的最大穩(wěn)定真空壓力為-0.080MPa，因此減壓膜蒸餾的淡水產(chǎn)量低于設(shè)計(jì)的40L/h。

如圖3c所示，在濃水進(jìn)水溫度為76℃、滲透?jìng)?cè)真空壓力為-0.077MPa、濃水流量為1.85 m3/h的條件下，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行4.5h，產(chǎn)水流量從0.474降到了0.33L/min，電導(dǎo)率由6.73增加到了11.82ms/cm，可以看出隨著濃水體積的減少，濃水濃度的增加，膜污染增大，導(dǎo)致淡水產(chǎn)量逐漸下降。如圖3d所示，在系統(tǒng)運(yùn)行了近240h以后，采用5%的硫酸溶液對(duì)中空纖維膜進(jìn)行清洗。在濃水進(jìn)水溫度為 80℃、真空壓力為-0.080MPa的條件下，清洗后的系統(tǒng)產(chǎn)水量比清洗前提高了近1.5倍。

3.3 冷凝裝置冷凝效果分析

如圖4a所示，將不銹鋼散熱盤管的蒸汽入口處作為橫坐標(biāo)的0點(diǎn)，沿不銹鋼盤管長(zhǎng)度50m處作為不銹鋼散熱盤管凝結(jié)淡水出口，分別測(cè)試離不銹鋼盤管入口處0、10、30、50m處的管內(nèi)溫度。當(dāng)不銹鋼散熱盤管入口處的淡水蒸汽溫度分別為60、55、50、45、40℃時(shí)，隨著蒸汽在管內(nèi)的流動(dòng)，到不銹鋼散熱盤出口處的溫度都接近水池中冷卻水的溫度20℃左右。因此可以說明設(shè)計(jì)的不銹鋼散熱盤管長(zhǎng)度可以滿足蒸汽冷凝的要求。

如圖4b所示，將地?zé)岜P管的蒸汽入口處作為橫坐標(biāo)的0點(diǎn)，沿地?zé)岜P管長(zhǎng)度1140m處為地?zé)岜P管凝結(jié)淡水出口，分別測(cè)試離地?zé)岜P管入口處0、380、760、1140m處的管內(nèi)溫度。當(dāng)?shù)責(zé)岜P管入口處蒸汽溫度分別為 60、55、50、45、40℃時(shí)，地?zé)岜P管出口處的溫度均在 20℃左右，接近土壤溫度，說明設(shè)計(jì)的地?zé)岜P管長(zhǎng)度可以滿足蒸汽冷凝的要求。

圖4 末端冷凝效果分析圖Fig.4 Analysis of condensing effect

3.4 地?zé)岜P管加熱效果分析

如圖5所示，當(dāng)溫室地?zé)岜P管中淡水蒸汽溫度從40℃上升到 65℃時(shí)，地?zé)岜P管表面溫度上升的幅度較大，但離盤管以上10、20cm處土壤的溫度變化幅度較小，在10cm處的土壤溫度平均在30℃左右，在20cm處的土壤溫度平均在25℃左右，對(duì)作物的根部有一定的加熱作用。因此在地表以下30～40cm處鋪設(shè)地?zé)岜P管較為適宜。

圖5 地?zé)岜P管內(nèi)不同蒸汽溫度對(duì)不同土壤層的影響Fig.5 Effect of different soil layers on different steam temperatures in geothermal coil

如圖5所示，當(dāng)溫室地?zé)岜P管中淡水蒸汽溫度從40℃上升到65℃時(shí)，地?zé)岜P管表面溫度上升的幅度較大，但離盤管以上10、20cm處土壤的溫度變化幅度較小，在10cm處的土壤溫度平均在 30℃左右，在 20cm處的土壤溫度平均在 25℃左右，對(duì)作物的根部有一定的加熱作用。因此在地表以下30～40cm處鋪設(shè)地?zé)岜P管較為適宜。

4 結(jié) 論

1）在試驗(yàn)條件下，所選的集熱器面積基本可以滿足全年的膜蒸餾用熱要求，在溫室淡水池中設(shè)計(jì)的不銹鋼散熱盤管長(zhǎng)度可以滿足蒸汽冷凝要求，在地表以下 30～40cm處鋪設(shè)地?zé)岜P管可以滿足冷凝要求和溫室加熱需求。

2）膜蒸餾淡水產(chǎn)水量隨濃水進(jìn)水溫度、滲透?jìng)?cè)真空壓力的增大而增大。當(dāng)濃水進(jìn)水溫度為 80℃、滲透?jìng)?cè)真空壓力為-0.080MPa時(shí)，產(chǎn)水量最大。在膜蒸餾系統(tǒng)運(yùn)行240 h時(shí)間后，產(chǎn)水量隨膜污染的增大而減小，當(dāng)對(duì)中空纖維膜進(jìn)行清洗后，清洗后的產(chǎn)水量比清洗前提高了近1.5倍。

3）通過試驗(yàn)驗(yàn)證，寒冷地區(qū)太陽能減壓膜蒸餾 RO濃水淡化系統(tǒng)基本能夠滿足使用要求。

本文對(duì)寒冷地區(qū)太陽能減壓膜蒸餾 RO濃水淡化系統(tǒng)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究，下一步還需對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過對(duì)太陽能集熱器的集熱性能、減壓膜蒸餾產(chǎn)水量的影響因素及冷凝裝置的冷凝方式做更深入的研究，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并通過數(shù)值模擬分析系統(tǒng)的最佳匹配條件，從而對(duì)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。