基于納濾多膜與太陽光熱技術(shù)的南疆鹽堿水分析研究

雍飛 陽劍 王家碩 朱家瑋

摘 要：新疆南疆地區(qū)由于環(huán)境因素影響，目前是我國鹽堿危害和影響關(guān)注度較高的地區(qū)之一，對該地區(qū)鹽堿地水樣成分進(jìn)行相關(guān)處理，是南疆鹽堿水綜合高效利用的前景之一，作為液體肥料具有廣闊的發(fā)展前景。通過對新疆南疆相關(guān)地區(qū)水資源緊缺現(xiàn)狀分析，提出針對該地區(qū)土壤鹽堿化綜合利用的解決辦法之一，通過分析南疆鹽堿水在水-鹽分離等物理過程中離子含量的變化，并就此利用鹽堿水的納濾多膜法取淡技術(shù)及太陽光熱蒸發(fā)形成凝結(jié)水及飽和鹽水提取結(jié)晶鹽的水鹽分離技術(shù)探析。

關(guān)鍵詞：納濾多膜;光熱蒸發(fā);發(fā)展現(xiàn)狀

中圖分類號：S-1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20201115003

收稿日期：2020-10-17

基金項(xiàng)目：兵團(tuán)重大科技項(xiàng)目“鹽堿水資源化利用關(guān)鍵技術(shù)研究與示范-水體成份測試與液體化肥提取”（項(xiàng)目編號：2018AA033）

作者簡介：雍飛（1993-），男，碩士。研究方向：農(nóng)業(yè)信息化理論與實(shí)施;通訊作者陽劍（1979-），男，中級。研究方向：農(nóng)業(yè)信息化的規(guī)劃與管理。

新疆南疆地區(qū)屬于大陸暖溫帶屬性，具有干旱性質(zhì)的荒漠氣候類型特點(diǎn)，常年降雨極少，降水集中在每年中下旬季節(jié)，其蒸發(fā)量大，光照時(shí)間長，同時(shí)能量資源比較充足。但是因?yàn)榻邓∩?，?dǎo)致地區(qū)氣候干燥，造成了長期水資源短缺，同時(shí)因種植改良采用的大水洗鹽方式需要大量資源易導(dǎo)致排水量大，故水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，進(jìn)一步導(dǎo)致土壤鹽堿化嚴(yán)重。阿拉爾市作為兵團(tuán)下轄阿拉爾墾區(qū)管理局的辦公地區(qū)，墾區(qū)的可耕地面積較為廣闊，下轄土壤資源豐富，但因?yàn)樯钐巸?nèi)陸，距離海洋遙遠(yuǎn)，且鄰近沙漠，故晝夜溫差大[1]，作為全國高產(chǎn)糧棉區(qū)之一，本地區(qū)的細(xì)絨棉和長絨棉的生產(chǎn)和深加工也已經(jīng)逐漸成為了該地區(qū)的重要經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)之一。

1?項(xiàng)目設(shè)計(jì)及部署

1.1?項(xiàng)目設(shè)計(jì)對比分析

為進(jìn)一步對新疆南疆高鹽堿地區(qū)的水鹽進(jìn)行分離研究，一直以來采用各種分離方式和種植模式，采用膜分離和太陽光熱是比較成熟的一種方案，在實(shí)驗(yàn)前期，通過對現(xiàn)有技術(shù)的整合利用，結(jié)合這個(gè)地區(qū)使用各種膜分離技術(shù)，擴(kuò)展到各種技術(shù)產(chǎn)生的效果研究，隨著各項(xiàng)時(shí)間推移及綜合國力的發(fā)展，各種運(yùn)用技術(shù)也快速發(fā)展，反滲透技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展及廣泛普及就是其中一種。在此同時(shí)，對于納濾膜的各種應(yīng)用，是隨著高新技術(shù)的發(fā)展，逐步在國內(nèi)得到普遍認(rèn)識和應(yīng)用，最主要在于各種環(huán)境下的苦咸水的脫鹽和軟化后的綜合應(yīng)用，還有用于飲用水深度處理、廢水處理、可食用的飲料濃縮等行業(yè)[2]。

綜合分析，反滲透膜和納濾膜這2項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用的過程中都可通過施加外部壓力，對溶液中的鹽離子和大分子的成分進(jìn)行分離，其主要在透過水分子過程后可以截留溶液納濾膜脫除效果相對較低[3]，但因納濾膜的膜材料帶有電荷性質(zhì)，在整個(gè)的分離過程中由于會產(chǎn)生荷電膜進(jìn)行脫鹽這種方式，針對于在相對較低外界壓力下，具有對多價(jià)離子的較高脫除效率的特點(diǎn)，從而可以體現(xiàn)出針對存在有不同價(jià)態(tài)的無機(jī)鹽離子的選擇透過性。因此在綜合利用中的鹽離子、糖類物質(zhì)和水中污染物等成分。綜合分析，反滲透膜對大部分的物質(zhì)具有較明顯的類似過濾的效果，在對比情況之下，反觀納濾膜過濾效果，在其對單價(jià)的無機(jī)離子的脫方面，反滲透膜和納濾膜的優(yōu)越性能和其相關(guān)特殊性能使其在不同環(huán)境及不同特點(diǎn)的水樣處理方面具有不同的具體應(yīng)用。

納濾技術(shù)是近現(xiàn)代逐步發(fā)展并被快速應(yīng)用的具有高新技術(shù)的有分離作用的膜。在此之前，通常認(rèn)為其是具有松散效果的反滲透膜，具有納米級孔徑，主要是因?yàn)樵诮亓舻男Ч掀浣亓舴肿拥男Ч橛诜礉B透效果和超濾效果之間，此項(xiàng)技術(shù)是因?yàn)樵谀さ谋砻鎺в须姾傻奶匦?，同時(shí)因?yàn)椴痪哂邢嚓P(guān)的選擇透過性，并能截留約為1nm大小的物質(zhì)而被廣泛采用。同時(shí)在納濾膜的實(shí)際測試及分析中，此項(xiàng)技術(shù)還可將低價(jià)與高價(jià)離子進(jìn)行區(qū)分以及大分子篩選。故此，納濾技術(shù)在鹽堿水淡化以及廢水循環(huán)利用、處理帶有鹽堿性質(zhì)的各種復(fù)雜條件下的關(guān)鍵問題等都有應(yīng)用，且納濾膜還具有操作壓力較低、過程中基本無相變化、可常溫下操作、能耗低、工藝簡便、污染小等優(yōu)點(diǎn)，在鹵水資源開發(fā)等方面都具有很強(qiáng)的應(yīng)用潛力[4]。在現(xiàn)有的應(yīng)用之下，帶有反滲透脫鹽技術(shù)的應(yīng)用已逐步成為獲取淡水的主要途徑之一，通過對豐富的海水和來自于不同環(huán)境下的苦咸水脫鹽，可解決當(dāng)前日益趨緊的生活飲用水的需求。

1.2?項(xiàng)目部署設(shè)計(jì)

本次項(xiàng)目中，利用太陽光熱法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，主要是因?yàn)樘柟鉄岱ㄊ遣捎镁哂姓婵帐⒐芙Y(jié)構(gòu)的循環(huán)集熱曬管，對其外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，認(rèn)為外管具有較高透光和吸熱特性，同時(shí)在其生產(chǎn)時(shí)，在其內(nèi)管的外表面鍍有特殊性質(zhì)的藍(lán)膜作為高效吸熱涂層，同時(shí)管與管采用相互頭尾相連的方式，可增加能量接收區(qū)域，增加獲取熱能的效率，使在內(nèi)管中的鹽堿水液體被充分加熱直至沸騰蒸發(fā)為蒸汽。同時(shí)可以利用兩管間抽成真空的要求來減少在氣體與液體在對流和轉(zhuǎn)換傳導(dǎo)時(shí)所造成的部分熱量消耗和損失，借助于設(shè)備自身的效能和現(xiàn)有技術(shù)，可以增強(qiáng)在循環(huán)方式太陽光照下的光熱吸收效能和有效保溫的性能。

采用循環(huán)方式的太陽光照集熱技術(shù)，在對外部環(huán)境的適應(yīng)性分析時(shí)，對項(xiàng)目的設(shè)計(jì)進(jìn)行充分地分析研究，對外部設(shè)施研究考慮需要采用具有耐高溫、耐腐蝕、透光性高、光熱穩(wěn)定的實(shí)際需求，故此選擇采用具有成熟技術(shù)的二氧化硅材料制造的設(shè)施，同時(shí)，因本項(xiàng)目處于的南疆具有白天溫度普遍較高的特點(diǎn)，采用并排串聯(lián)循環(huán)方式連接的太陽光照集熱在實(shí)地實(shí)施上連接簡單方便，同時(shí)在實(shí)地部署后具有大于180°可以吸光的優(yōu)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。在尾端連接處可以通過U型彎管進(jìn)行并排連接，最后形成具有大面積的并排串聯(lián)循環(huán)集熱系統(tǒng)，圓柱形管同時(shí)可以滿足多角度吸熱的需求，有太陽光照輻射便可取得能量。

流經(jīng)真空熱管的鹽堿水處于流動(dòng)過程中時(shí)，吸熱涂層所吸收的太陽光熱將由外管導(dǎo)熱傳遞給內(nèi)管再傳遞能量到液體，隨著外部光照溫度逐步升高，會使相對時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道相對位置的水體的熱量逐步變化升溫，最后致使部分液體首先發(fā)生汽化。隨著水體在向前緩慢流動(dòng)的過程中，串聯(lián)循環(huán)集熱系統(tǒng)內(nèi)部液體溫度將超過液體所處的沸點(diǎn)，隨著鹽堿水在向前流動(dòng)過程中不斷吸熱，逐步達(dá)到沸點(diǎn)的水體也越來越多，管內(nèi)氣體所占比例逐漸變大。本次項(xiàng)目的串聯(lián)循環(huán)集熱系統(tǒng)是利用吸熱和蒸發(fā)并行的方式，太陽光熱采集的能量為鹽堿水的蒸發(fā)提供動(dòng)力來源。主要是鹽堿水沿程在管中不間斷地流動(dòng)，并依據(jù)太陽光熱獲得熱量使得液體汽化逐步產(chǎn)生水蒸氣，隨后是大量水蒸氣進(jìn)入冷凝系統(tǒng)，冷凝形成淡水，剩余鹽堿水流出串聯(lián)循環(huán)集熱系統(tǒng)，因水蒸氣多次的分離將使鹽度增大，經(jīng)多次循環(huán)直至溶液濃度變?yōu)楦邇r(jià)鹽溶液，導(dǎo)出溶液進(jìn)行曬鹽分析，分離其中相關(guān)具體的成分。

2?結(jié)果與分析

2.1?環(huán)境分析及結(jié)果分析

本項(xiàng)目綜合所處南疆地區(qū)的室外環(huán)境等各項(xiàng)特殊因素，設(shè)計(jì)實(shí)施具有經(jīng)濟(jì)可行且研究價(jià)值較高的并排串聯(lián)方式的循環(huán)集熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)在實(shí)際部署時(shí)操作相對簡單并具有更高的實(shí)用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)對系統(tǒng)的部署和初步測試結(jié)果進(jìn)行分析研究，得出主要結(jié)論：在循環(huán)過程中液體自身吸收熱量處于一個(gè)隨時(shí)變化的過程，隨流動(dòng)距離逐漸增加，并且在溫度凈熱增益值沿流經(jīng)長度逐漸減小，經(jīng)過測試入口流量越小的情況下，凈熱增益存在較為明顯減小。同時(shí)，在液體的溫度與入口流速剛好為反比關(guān)系，流速越大的情況下，循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部的相對溫度越低，溫度變化情況具有不明顯的問題。在循環(huán)集熱過程中熱導(dǎo)效率與水體入口流速呈正比關(guān)系。入口流速減慢，管內(nèi)水體溫度達(dá)到沸點(diǎn)，在發(fā)生液化時(shí)，產(chǎn)生的水蒸氣雖為高熱量的低效率區(qū)域，但可維持整個(gè)的集熱效率處于一個(gè)穩(wěn)定變化的狀態(tài)，綜合導(dǎo)熱效率和管內(nèi)水溫的關(guān)系，入口流量約為0.005m3·h-1較為合適。

3?討論

本次實(shí)驗(yàn)的效益主要對于后期正確平衡節(jié)水優(yōu)先與生態(tài)優(yōu)先的關(guān)系，遏制生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢具有很大作用，鑒于農(nóng)業(yè)用水歷來是南疆地區(qū)用水量的大戶，通過大規(guī)模的進(jìn)行節(jié)水綜合性分析研究，可將農(nóng)業(yè)節(jié)約出來的水部分或全部用于河流和湖泊生態(tài)環(huán)境的修復(fù)，從而扭轉(zhuǎn)生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢，進(jìn)而逐步改善并恢復(fù)原有的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯?周康）