太陽能在鹽水處理中的應(yīng)用

謝躍林，劉慧敏，王美慧，高爽，丁健,2，王亞雄,2

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)煤化工與煤炭綜合利用重點實驗室，內(nèi)蒙古科技大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古煤炭綠色開采與綠色利用協(xié)同創(chuàng)新中心，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

海洋、鹽湖等存在大量無法直接利用的鹽水，而工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)會消耗淡水、甚至產(chǎn)生大量的高鹽廢水[1]。將海水、鹽湖咸水等經(jīng)適當(dāng)處理后可實現(xiàn)對淡水資源的有效補充[2]、能夠帶來環(huán)境與經(jīng)濟的雙重效益。因此對高效、節(jié)能鹽水處理工藝和設(shè)備的研究尤為必要[3]。利用自然界的可再生能源——太陽能來處理鹽水能顯著提高處理效率并節(jié)約能源，是一種環(huán)保經(jīng)濟的生產(chǎn)淡水的方式[4]。大多數(shù)海水淡化、高鹽廢水脫鹽系統(tǒng)可以直接使用熱能，濃縮太陽能熱能非常適合應(yīng)用于鹽水處理[5]。由于太陽能可以直接使用，所以太陽能可用于發(fā)電、供熱、冷卻從而達到脫鹽和制取淡水的目的[6]。所以，開發(fā)利用光熱、光電轉(zhuǎn)換等新型設(shè)備和高效利用太陽能處理鹽水至關(guān)重要。

1 技術(shù)進展

1.1 太陽能耦合蒸餾技術(shù)進行鹽水處理

1.1.1 太陽能直接蒸餾脫鹽 由于大多數(shù)脫鹽過程都是依靠熱進行的，因此太陽能可以直接用作熱源，或直接在太陽能集熱器中產(chǎn)生蒸餾物，因此是一種簡單、經(jīng)濟的蒸餾方法[7]。如高鹽廢水的傳統(tǒng)處理方法是利用蒸發(fā)池直接吸收太陽光并蒸發(fā)鹽水、最終實現(xiàn)零液體排放。蒸發(fā)池也可以結(jié)合光熱裝置，將陽光轉(zhuǎn)化為中紅外輻射、通過輻射耦合在水表面進行熱化以提升光熱效率[8]。太陽池是以太陽輻射作為能量來源的人造鹽水池，作為重要的低溫?zé)嵩囱b置，已成為大規(guī)模太陽能熱利用尤其是用于海水淡化的最廣泛技術(shù)[9]。該系統(tǒng)包括太陽池與海水淡化兩部分，濃縮海水首先被輸送至太陽池，在濃度梯度下熱交換后，下對流層的熱濃鹽水引入底部換熱器并與海水淡化部分進行熱交換；海水淡化部分采用蒸餾法進行海水淡化，所得淡水部分再注入太陽池的上對流層。這樣，可以最大程度的實現(xiàn)能量和水資源的有效利用。

1.1.2 太陽能集熱蒸餾脫鹽 由于陽光分散、能量密度低且存在周期性的變化，集中太陽能以提高工藝的運行溫度是目前的研發(fā)熱點。常澤輝等[10]設(shè)計了三反射面聚焦槽式聚光器和鏡像焦點重疊式聚光器以聚焦太陽能、并直接加熱海水，產(chǎn)生的水蒸汽再輸入到海水淡化裝置中生產(chǎn)淡水和制鹽。Jang[11]則設(shè)計了直接太陽能熱蒸餾裝置，用作太陽光吸收劑的“黑色”復(fù)合泡沫有效地加熱鹽水以產(chǎn)生淡水蒸氣，同時鹽分截留率>99.5%。此外，通過使用拋物線型太陽能收集器(CPC)和平板集熱器等來吸收太陽能可以為蒸餾脫鹽工藝提供高品位熱能。CPC集熱的太陽能淡化系統(tǒng)主要由集熱系統(tǒng)(熱管式集熱器等)、預(yù)熱系統(tǒng)、蒸發(fā)冷凝系統(tǒng)等組成。關(guān)弘揚等[12]設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)新穎的小型集約化多級滿液型蒸發(fā)回?zé)崾教柲艿到y(tǒng)，系統(tǒng)由5個集熱/回?zé)釂卧M成，每個單元由一個簡化式CPC集熱板、一個真空玻璃管集熱/回?zé)?冷凝一體化裝置和一個補水器組成。Rahman[13]通過平板太陽能集熱器將水預(yù)熱至55～60 ℃，然后CPC加熱預(yù)熱過的鹽水至85 ℃以上蒸發(fā)。該過程中太陽能作為唯一動力供給。Cheng等[14]設(shè)計了一種垂直分層太陽集熱蒸氣發(fā)生器，用于高效、穩(wěn)定地蒸發(fā)工業(yè)高鹽廢水。

1.1.3 太陽能耦合多效蒸發(fā)處理鹽水 由于低溫多效蒸發(fā)技術(shù)對熱源要求不高，太陽池集熱的多效蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)廣為使用，該系統(tǒng)利用鹽度梯度太陽池集熱和蓄熱耦合低溫多效蒸發(fā)進行海水脫鹽，具有較好的能源效率和經(jīng)濟效益[9]。此外，田禾[15]綜合多級閃蒸和多效蒸發(fā)兩種系統(tǒng)的優(yōu)點，設(shè)計制造了具有一效蒸發(fā)器的太陽能閃蒸-多效蒸發(fā)海水淡化裝置，在海水溫度為68～78 ℃范圍內(nèi)具有較高的產(chǎn)水量，且系統(tǒng)內(nèi)部溫度不變，尤其適用于太陽能熱源不穩(wěn)定情況。顧明等[16]耦合太陽能平板集熱系統(tǒng)和多效蒸發(fā)器建立了太陽能低溫多效蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)。隨著集中式太陽能的快速發(fā)展，劉曉華[17]設(shè)計了真空管集熱的太陽能低溫多效蒸發(fā)海水淡化裝置，該裝置在天氣晴朗時無需其他能量而自動制取淡水。Wei等[18]基于此提出了一種全分離多效蒸發(fā)系統(tǒng)，利用太陽能等熱源對送入全分離罐的空氣進行預(yù)熱，使罐中噴出的最后一次濃縮的高濃度鹽水完全蒸發(fā)。機械蒸汽再壓縮技術(shù)(MVR)[19]具有蒸發(fā)溫度低、熱效率高等優(yōu)點，尤其適用于脫鹽和淡水制取。為降低高鹽廢水蒸發(fā)結(jié)晶過程中MVR系統(tǒng)的能效，田雨[20]提出耦合太陽能集熱的MVR蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)，仿真分析結(jié)果表明該系統(tǒng)壓縮機耗功顯著降低，系統(tǒng)性能系數(shù)達到24.96。周封[21]提出了一種利用太陽能的MVR高鹽污水處理系統(tǒng)，采用分離子系統(tǒng)和余熱回收子系統(tǒng)實現(xiàn)兩級預(yù)熱/冷卻方式，結(jié)合太陽能子系統(tǒng)預(yù)熱，以及濃縮、干燥子系統(tǒng)中的蒸汽壓縮回收利用，有效降低了成本。Onishi[22]將太陽能輔助朗肯循環(huán)與MVR相結(jié)合，建立了太陽能等可再生能源驅(qū)動的零排放淡化廠。將太陽能熱泵技術(shù)應(yīng)用于多效蒸發(fā)淡化工藝中是海水淡化領(lǐng)域的一個新的設(shè)計概念，且其在造水比和能源效率等方面具有較大優(yōu)勢。該工藝以太陽能作為熱源，第二類溴化鋰吸收式熱泵機組利用低溫?zé)嵩吹臒崮?，制取所需要的高溫?zé)崦?熱水)，實現(xiàn)從低溫向高溫輸送熱能[23]，再通過多級閃蒸和蒸餾等方式來實現(xiàn)鹽水淡化。

1.2 利用太陽能發(fā)電進行鹽水處理

通過收集和轉(zhuǎn)換太陽能為電能已被廣泛用于鹽水處理中的電能補給或為脫鹽過程直接提供動力，如利用太陽池底部和表面較大的溫差進行發(fā)電并作為鹽水處理的高峰用電的補充電能。

1.2.1 太陽能蒸汽發(fā)電進行鹽水處理 Sun等[24]提出了一種具有較高的集光和傳水性能的新型雙層太陽能蒸汽生成裝置。該裝置在光照條件下，超高壓蒸氣產(chǎn)生率為2.10 kg/(m2·h)，太陽能熱效率為92.8%。因此，該裝置可直接用于發(fā)電和水凈化等用途。Demir[25]提出了一種新穎的太陽能蒸汽發(fā)電機(TEG)單元驅(qū)動反應(yīng)堆發(fā)電和鹽水處理，熱效率為7.46%，產(chǎn)生551.2 W的電能、同時生產(chǎn)凈水。由于在傾斜自然光照明條件下蒸發(fā)器的性能較低，制造全向照明下高效太陽能蒸發(fā)器(SSG)是該技術(shù)的核心。Wang[26]設(shè)計了具有多分支、多孔和分層結(jié)構(gòu)的超黑松果膠(UBP)，在全向照明下表現(xiàn)出優(yōu)異的SSG性能。如蒸發(fā)量為1.86 kg/(m2·h)，蒸發(fā)率為97.85%。UBP還在濃鹽水處理中顯示出良好的耐鹽性。Guo等[27]構(gòu)建了混合水凝膠蒸發(fā)器，具有充足的水運輸、有效的水活化和防鹽污染功能等優(yōu)勢。

1.2.2 太陽能光伏發(fā)電進行鹽水處理 由太陽能直接供電的新型太陽能蒸餾器是一種有效的脫鹽過程。Wang等[28]研究了由光伏電池驅(qū)動的太陽能蒸餾器淡化系統(tǒng)，并估算了太陽能利用、淡水生產(chǎn)和鹽生產(chǎn)情況。Diego[29]對太陽能光伏和海鹽電池的尺寸進行了仿真研究。結(jié)果表明，30 kWp的光伏系統(tǒng)與50 kWh的海鹽電池相結(jié)合，可以100%的滿足海水淡化的電力需求。

1.2.3 太陽能煙囪發(fā)電進行鹽水處理 利用太陽能煙囪強化海水蒸發(fā)、在煙囪底部形成強大的飽和濕潤氣流，冷凝后獲取其中的水分，冷凝余熱或冷凝水用于發(fā)電，實現(xiàn)了集發(fā)電和海水淡化于一體的經(jīng)濟性系統(tǒng)。左潞[30]將太陽能煙囪發(fā)電與空氣能熱泵聯(lián)合進行海水淡化，該系統(tǒng)充分利用太陽能、將太陽能煙囪與太陽池相結(jié)合，為空氣能系統(tǒng)提供電能，保證了海水淡化的穩(wěn)定性；同時提供一定的冷量，用于高溫場所的降溫。

1.2.4 太陽能發(fā)電耦合電滲析進行鹽水處理 太陽能發(fā)電裝置進行光電轉(zhuǎn)換后，所得電能輸入電滲析裝置后為電滲析膜堆提供電力支持，經(jīng)提取鈉離子和氯離子后，達到脫鹽淡化之目的[31]。

1.3 太陽能耦合膜蒸餾系統(tǒng)進行鹽水處理

太陽能-膜蒸餾系統(tǒng)是具有較高效率的鹽水處理技術(shù)。Wang等[32]設(shè)計了一種新型的太陽能-真空膜蒸餾(SVMD)系統(tǒng)用于微咸水淡化或高鹽廢水處理，該系統(tǒng)淡水生產(chǎn)的保留率大于99.67%，平均脫鹽率超過90%。Boukhriss等[33]將膜蒸餾系統(tǒng)與高效太陽能收集器耦合，生產(chǎn)高品質(zhì)的飲用水和少量不受水源鹽度影響的微咸水。Miralles-Cuevas[34]研究將太陽能與納米膜過濾(NF)相結(jié)合，可處理廢水中的微污染物和鹽分。此外，NF預(yù)處理能夠以較低的流速和較高的起始濃度進行，從而減少了太陽能收集器的面積。Yu[35]以親水性單壁碳納米管(SWCNT)膜作為過濾器、并在乙醇中分散多壁碳納米管(MWCNT)粉末，通過簡便的真空過濾方法制備全碳納米管雜化膜。親水性SWCNT膜為水提供了滲透通道，而超疏水性MWCNT具有自清潔、自擴散和寬帶吸收的能力。因此，該雜化膜具有超高的太陽光吸收率(約99%)、低導(dǎo)熱率和出色的光熱轉(zhuǎn)換能力。當(dāng)多個膜自組裝成大膜(約40 cm2)時，太陽熱效率保持在約80%。Said[36]設(shè)計了“納米光子太陽能薄膜蒸餾(NESMD)”系統(tǒng)使用太陽能進行鹽水脫鹽制取淡水。通過在商用聚四氟乙烯膜表面的疏水聚丙烯載體上的納米涂層中嵌入炭黑納米粒子以捕獲光子，從而吸收照射在其表面80%的太陽光，使局部產(chǎn)生較高熱量，加熱沿著滲透膜一側(cè)流動的鹽水并加快水的蒸發(fā)。產(chǎn)生的水蒸氣從熱的一側(cè)通過膜蒸餾被拉到冷一側(cè)后遇冷形成淡水。該系統(tǒng)中太陽能為唯一能源輸入，也無需提供冷卻水。李正良等[37]基于降膜蒸發(fā)與凝結(jié)機理，設(shè)計了一臺具有四效回?zé)嵝阅艿奈帐教柲荞詈夏ふ麴s海水淡化系統(tǒng)。由于在本系統(tǒng)中采用了橫管、豎管降膜蒸發(fā)及降膜凝結(jié)技術(shù)，多數(shù)的蒸汽潛熱及部分鹽水的顯熱得以多次重復(fù)利用，而且由于對最末效蒸汽進行了主動吸收，因此回收了蒸汽的焓、強化了最后一效的蒸發(fā)過程，因而系統(tǒng)具有較高的性能系數(shù)。隨著材料科學(xué)的飛速發(fā)展，各種先進的膜材料涌現(xiàn)用于合成太陽能蒸發(fā)淡化膜以提高效率。Prihatiningtyas[38]通過溶液澆鑄成功制備了一系列三醋酸纖維素/Ludox-二氧化硅納米復(fù)合物全蒸發(fā)膜，提高三醋酸纖維素膜的脫鹽性能。Mao[39]報道了通過疏水過濾法制備的具有疏水表面的納米級插層氧化石墨烯(GO)膜。SiO2納米顆粒通過物理混合提高了GO膜的表面粗糙度。接枝十六烷基三甲氧基硅烷進一步提高了膜的疏水性。除在高溫下逐漸增加的水通量外，出色的脫鹽性能還可以通過改變鹽濃度或在進料中添加模型污垢劑來保持穩(wěn)定。

1.4 其它利用太陽能脫鹽新技術(shù)或集成技術(shù)

1.4.1 增濕-去濕鹽水淡化技術(shù) 與蒸餾法及反滲透法不同，增濕-去濕(HDH)技術(shù)作為一種新型的鹽水淡化技術(shù)，采用強化傳熱傳質(zhì)、改善回?zé)岬却胧?，解決傳統(tǒng)太陽能蒸餾器存在蒸發(fā)慢、凝結(jié)慢、回?zé)岵畹葐栴}，產(chǎn)水率有較大提升。該工藝一般以空氣等為載氣，通過對鹽水增濕和去濕操作后制取淡水[40]。為提高過程的熱效率，常將去濕與增濕過程耦合，冷凝潛熱直接傳遞到蒸發(fā)室后為蒸發(fā)過程提供汽化潛熱。Fouda等[41]開發(fā)了太陽能輔助加濕-去濕脫鹽系統(tǒng)與熱回收和熱儲能裝置的集成，以提高系統(tǒng)生產(chǎn)力、降低輔助耗電量和系統(tǒng)尺寸，確保系統(tǒng)持續(xù)運行。

1.4.2 利用界面蒸發(fā)的太陽能淡化 界面太陽能驅(qū)動的蒸發(fā)可將太陽能有效轉(zhuǎn)化為熱能進行脫鹽。Wu[42]將功能性F和Na位點分散在等離子制成的垂直取向石墨烯納米片上，石墨烯納米結(jié)構(gòu)通過毛細作用將水向上泵送，以及納米陷阱帶來的高吸光率，鰭狀納米結(jié)構(gòu)增強了快速的界面?zhèn)鳠幔约笆┘怃J邊緣加速了界面蒸發(fā)。不過，局部加熱和生成的界面蒸汽會導(dǎo)致鹽在蒸發(fā)器表面積聚，并阻塞蒸汽蒸發(fā)的通道，因此減少了太陽能吸收器的光吸收效率和使用壽命。通過光熱材料和結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計可以有效解決鹽累積的問題。Zhang等[43]利用木材制成的氣凝膠具有良好的親水性、低的導(dǎo)熱性和較輕的重量，實現(xiàn)了較高的太陽能轉(zhuǎn)化率(90.1%)。重要的是，蒸發(fā)器在夜間可完成鹽殘留物溶解而自清潔，保證了脫鹽的穩(wěn)定性。Fan[44]設(shè)計了分層太陽能吸收體系，包括3D MXene微孔骨架和垂直對齊的MXene納米片，并裝飾有金屬-有機骨架衍生、嵌有鈷納米顆粒的二維碳納米板的垂直陣列。三類光熱材料的合理整合可實現(xiàn)寬帶光吸收、有效的光熱轉(zhuǎn)換、低熱損失以及快速的水傳輸行為。此外，當(dāng)與帶有親水通道的疏水絕緣層組裝在一起時，可以有效地抑制鹽的結(jié)晶。Dong等[45]結(jié)合靜電紡絲和纖維冷凍成型技術(shù)，制備了垂直排列的結(jié)構(gòu)和多孔結(jié)構(gòu)的器壁所組成的彈性陶瓷基納米纖維氣凝膠，促進了對流和擴散作用，即使在20%的鹽水中和在陽光照射下，氣凝膠亦能表現(xiàn)出優(yōu)異的耐鹽性。此外，由于特殊的結(jié)構(gòu)與碳納米管的吸光度的協(xié)同作用，氣凝膠的吸光度高達98%，蒸發(fā)性能達到1.50 kg/(m2·h)。Gong等[46]展示了多功能天然膜界面蒸發(fā)的新概念，實現(xiàn)了從太陽能收集到廢熱回收和存儲的能量轉(zhuǎn)換的整個循環(huán)，同時有效地對水進行淡化和凈化，集水率高達81.0%，并且清潔水效率為67.4%。

1.4.3 自持式太陽能脫鹽技術(shù) Ramalingam等[47]提出了自持式可見光驅(qū)動的電化學(xué)氧化還原脫鹽，即利用可見光照明，使咸水連續(xù)脫鹽為淡水。該體系內(nèi)部集成了準(zhǔn)固態(tài)染料敏化太陽能電池和具有雙功能鍍鉑石墨紙電極的連續(xù)氧化還原流脫鹽裝置，可以將能量轉(zhuǎn)換和水脫鹽結(jié)合在一起，避免了脫鹽時電能的消耗。Wang等[48]研究人員將“螺吡喃”分子錨定于鋁基金屬有機框架中，利用其“遇暗變陰陽，遇亮則復(fù)原”的特性，借助光調(diào)節(jié)，完成鹽離子吸附和析出的過程。該吸附劑具有穩(wěn)定的脫鹽性能，為未來開發(fā)低能耗淡化技術(shù)提供了新思路。

1.4.4 其它太陽能耦合脫鹽技術(shù) 由于高的電池電極容量和低的能量消耗(主要歸因于放電過程中的高能量回收)而實現(xiàn)的高脫鹽能力，電化學(xué)去離子是一種從水溶液中脫除可溶性帶電離子的新興技術(shù)方法[49]。其中，太陽能耦合脫鹽電池是一種新型的脫鹽集成技術(shù)，通過輸入來自光電轉(zhuǎn)換的電能，在電極表面進行法拉第反應(yīng)而提取鹽溶液中的鈉離子和氯離子、實現(xiàn)脫鹽淡化。然后再通過放電過程(兩電極短接或反向施加電壓)釋放離子到濃鹽水中，同時回收部分能量。楊帆等[50]結(jié)合超聲霧化和太陽能蒸發(fā)處理高鹽水，實現(xiàn)同步回收淡水和鹽分。超聲霧化系統(tǒng)將高鹽水霧化為小液滴，進入太陽能蒸發(fā)系統(tǒng)中迅速氣化，液滴中鹽分析出為鹽分小顆粒。

2 總結(jié)與展望

鹽水處理不僅要保障其有效性和經(jīng)濟性，還要注重節(jié)能環(huán)保、運行成本和能源效率等。由于利用太陽能脫鹽不僅具有能耗低、效率高等優(yōu)點，而且還可以制取淡水和實現(xiàn)廢水資源的再利用，所以對太陽能的應(yīng)用研究仍然是熱點，且未來研究重點在如下幾個方面：

(1)新結(jié)構(gòu)設(shè)計：強化傳熱、傳質(zhì)裝置的設(shè)計和應(yīng)用，如各種類型的鼓泡蒸發(fā)筒、鼓泡器、冷凝筒、熱管、波紋導(dǎo)熱板等的合理應(yīng)用；

(2)新材料合成：石墨烯、碳納米管、氣凝膠等新材料作為吸收劑或載體來改善太陽能脫鹽性能。如最大程度地吸收太陽光、減少熱量散失造成的能量損失、提高機械穩(wěn)定性等；

(3)工藝技術(shù)集成：脫鹽電池與太陽能光電系統(tǒng)的耦合、電容去離子技術(shù)與光伏電池的耦合等新技術(shù)的集成；

(4)多能源耦合：太陽能、風(fēng)能或其他形式的能量(如濃/淡鹽水之間的滲透能)在脫鹽過程中能量的耦合匹配及系統(tǒng)集成設(shè)計。