基于雙膜蒸餾的尿殘液水分回收技術(shù)研究

張非凡, 張良長, 劉力濤, 吳志強(qiáng)*, 吳 浩, 田 科

(1.中國航天員科研訓(xùn)練中心, 北京 100094; 2.湘潭大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院, 湘潭 411105)

1 引言

尿液是空間站內(nèi)成分最為復(fù)雜的廢水,經(jīng)尿處理子系統(tǒng)處理后能回收75%～83%的水分,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生高固體物質(zhì)含量的尿處理殘液(簡稱尿殘液)[1-3]。國際空間站內(nèi)尿處理子系統(tǒng)一個(gè)周期(26 天)尿殘液產(chǎn)量約22.5 L[4-5],3 人乘組年均產(chǎn)生尿殘液約312 L。然而尿殘液中仍含有質(zhì)量占比約88%的水分,這部分水分的流失會(huì)影響站內(nèi)水循環(huán)的閉合。對(duì)尿殘液實(shí)施進(jìn)一步的水分回收處理,既可提高現(xiàn)有空間站的水閉合度,又能大幅減少尿殘液容積,降低存儲(chǔ)風(fēng)險(xiǎn),對(duì)于提升空間站環(huán)控生保系統(tǒng)技術(shù)水平具有重要意義。但尿殘液具有強(qiáng)酸性、強(qiáng)氧化性等特性,逸出物質(zhì)復(fù)雜,使得進(jìn)一步回收水分存在較大技術(shù)難度,若處理不當(dāng),會(huì)使空間站內(nèi)部環(huán)境遭到破壞,威脅航天員健康和設(shè)備安全[6]。

NASA 等研究機(jī)構(gòu)圍繞尿殘液處理技術(shù)開展了技術(shù)選型和試驗(yàn)研究,通過直接干燥、間接干燥和分離干燥技術(shù)的8 項(xiàng)技術(shù)探索性研究,遴選出離子膜水處理技術(shù)(Ionomer-membrane Water Processor ,IWP),開展了深入的研究[4-6]。針對(duì)尿殘液的特點(diǎn)和處理處置需求,柳錄湘等[7]提出通過結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用前景較好的膜蒸餾技術(shù)完成尿殘液水分回收處理;張良長等[8]采用料液靜置間接加熱的膜蒸餾方式處理尿殘液,篩選出耐受性較好的疏水膜材料;在此基礎(chǔ)上,張非凡等[9]完成了質(zhì)子膜蒸餾性能測試。

本文利用疏水膜材料和質(zhì)子膜材料構(gòu)建雙膜蒸餾結(jié)構(gòu),通過疏水膜的物理截留和質(zhì)子膜的化學(xué)選擇性吸收完成尿殘液中其他組分的高度截留,對(duì)比考察不同雙膜組合的蒸餾性能,并研究工藝參數(shù)對(duì)蒸餾性能的影響,為下一步的應(yīng)用開發(fā)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)用尿殘液

依據(jù)國際空間站內(nèi)尿殘液的生成節(jié)律,以及完成尿殘液中80%的水分回收的目標(biāo),核算本文尿殘液雙膜蒸餾的目標(biāo)值。設(shè)在15 天完成22.5 L 尿殘液的水分回收處理,通過式(1)可計(jì)算獲得蒸餾速率目標(biāo)為100 g/m2/h。

式中:N為蒸餾速率,g/(m2/h);V為尿殘液產(chǎn)量,L;ρ為尿殘液密度,g/L;w為尿殘液中水分質(zhì)量比;P為水分回收率;S為處理膜材料面積,按一次性裝填全部一個(gè)周期的尿殘液所需膜材料計(jì)算,m2;t為處理時(shí)間,h;a為冗余系數(shù)取值1.5。

試驗(yàn)所用尿殘液來源于地面尿處理子系統(tǒng)蒸餾產(chǎn)物,收集男性工作人員尿液,添加硫酸和三氧化鉻等預(yù)處理劑后,再經(jīng)減壓蒸餾方式回收約82%水分之后的殘余液體,其常規(guī)理化指標(biāo)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用尿殘液常規(guī)理化指標(biāo)Table 1 General physicochemical parameters of urine brine for experiments

2.2 試驗(yàn)用膜材料

本研究所使用的3 種疏水膜和質(zhì)子膜材料為通過前期耐受性測試的膜材料[8],其參數(shù)如表2和表3 所示。

表2 疏水膜材料參數(shù)Table 2 Microporous hydrophobic membrane materials used in the test

表3 質(zhì)子膜材料參數(shù)Table 3 Ionomer membrane materials used in the test

2.3 試驗(yàn)方法

本文利用疏水膜和質(zhì)子膜構(gòu)建雙膜組合蒸餾結(jié)構(gòu),技術(shù)原理如圖1 所示,與尿殘液直接接觸疏水膜材料是微孔結(jié)構(gòu),允許氣體分子透過的同時(shí)截留液體和固體物質(zhì);外層是對(duì)水分子具有選擇透過性的質(zhì)子膜,進(jìn)一步完成對(duì)透過疏水膜的其他氣體組分的截留。干燥的熱吹掃氣體帶走質(zhì)子膜外表面的水分并維持雙膜蒸餾的持續(xù)進(jìn)行,水分蒸餾所需熱量通過吹掃氣體傳遞至尿殘液。利用雙膜結(jié)構(gòu),將物理截留和化學(xué)選擇性吸收結(jié)合,能截留料液中絕大部分的固體物質(zhì)[10-12]。雙膜蒸餾技術(shù)采用間接式加熱,可以有效解決尿殘液進(jìn)一步失水后帶來的結(jié)晶結(jié)垢問題;輕質(zhì)雙膜結(jié)構(gòu)既是分離組件,也是蒸餾部件,還能完成后續(xù)濃縮液或殘?jiān)拇鎯?chǔ),避免了后續(xù)殘?jiān)奶幚黼y題,為尿殘液水分回收提供一站式全流程解決方案。

圖1 雙膜蒸餾技術(shù)原理Fig.1 Principle of double-membrane distillation

尿殘液水分回收實(shí)驗(yàn)裝置如圖2 所示,吹掃氣體由下游風(fēng)機(jī)引入,經(jīng)過過濾器過濾后,進(jìn)入加熱器使溫度達(dá)到目標(biāo)溫度后進(jìn)入蒸餾模塊(由上部的料液存儲(chǔ)模塊和下部的空氣蒸發(fā)模塊組成,中間夾設(shè)膜材料),氣體從蒸餾模塊出來后進(jìn)入冷凝器中,冷凝除濕后氣體經(jīng)風(fēng)機(jī)后循環(huán)使用。試驗(yàn)采用靜態(tài)批次的方式進(jìn)行,每次試驗(yàn)在蒸餾模塊中夾裝100 mm×200 mm 大小的雙膜材料,而后加注1000 mL 尿殘液,開始本批次處理,達(dá)到一定水分回收率后停止本批次試驗(yàn)。試驗(yàn)過程定期稱量蒸餾模塊質(zhì)量,以此計(jì)算實(shí)際的水分回收率;并對(duì)氣體流量、溫度和濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)控,同時(shí)對(duì)蒸餾模塊前后的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,以計(jì)算實(shí)時(shí)蒸餾速率。

圖2 試驗(yàn)裝置流程圖Fig.2 Flowchart of the test device

2.4 測試方法

電導(dǎo)率和pH 采用便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀(Multi 3620 IDS,德國 WTW)測定,TOC 濃度采用總有機(jī)碳分析儀(TOC-VCPH,Shimadzu)測定;總氮(TN)含量使用TN 分析儀(Varo-TOC,Elementar)測定;NH4+-N 濃度采用陽離子色譜儀(Aquion,Thermo Fisher Scientific)測定;Cl-、SO42-濃度采用陰離子色譜儀(ISC-90,Thermo Fisher Scientific)測定;Cr+、Ca+、Mg+、Na+等金屬離子采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICAP7400,Thermo Fisher Scientific)測定;冷凝水中有機(jī)物質(zhì)使用液相色譜儀(Aquion,Thermo Fisher Scientific)測定;吹掃氣體組成采用熱脫附-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(Markes TD100-7890A-5975C, Agilent)測定。通過掃描電子顯微鏡(SEM S-4800,HITACHI)來表征疏水膜材料表面形貌,以場發(fā)射掃描電鏡(EDS SU-8020,HITACHI)來分析疏水膜材料表面成分變化;采用傅里葉紅外光譜儀(FTIR Nicolet IS 10,Thermo Fisher Scientific)來分析疏水膜表面的官能團(tuán)變化。

3 尿殘液雙膜蒸餾影響因素研究

3.1 雙膜組合對(duì)蒸餾速率的影響

不同膜組合蒸餾速率如圖3 所示,相同疏水膜、不同質(zhì)子膜的雙膜組合蒸餾速率差別較大;相同質(zhì)子膜、不同疏水膜的雙膜組合蒸餾速率差別較小,說明質(zhì)子膜對(duì)雙膜組合蒸餾速率的影響較大。由此可初步推斷,雙膜蒸餾過程中質(zhì)子膜的透水速率為限制蒸餾速率的主要因素。

圖3 不同膜組合的蒸餾速率Fig.3 Distillation rate of different combinations of double-membrane

Z1 和Z2 為進(jìn)口質(zhì)子膜材料,Z3 為國產(chǎn)質(zhì)子膜材料,Z1 和Z3 產(chǎn)品參數(shù)基本一致,但蒸餾速率相差較大,可能是由于質(zhì)子膜中單位磺酸基團(tuán)吸收水分子數(shù)量不一致導(dǎo)致。綜合考慮可獲得性和可控性,初步選擇厚度相對(duì)較大的國產(chǎn)Z3 質(zhì)子膜作為后續(xù)主要研究質(zhì)子膜材料。由于疏水膜材料與尿殘液直接接觸,且其對(duì)雙膜組合的蒸餾速率影響相對(duì)較小,因此疏水膜的選擇著重考慮機(jī)械強(qiáng)度和耐受性?；诖?初步選擇厚度大、孔隙率高和孔徑小的S2 疏水膜材料與Z3 質(zhì)子膜材料的雙膜組合進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn),該組合在30 ℃、進(jìn)氣流量 為 1 m3/h 條 件 下 的 蒸 餾 速 率 為68.4 g/(m2/h),通過適當(dāng)增大氣體流量或提高氣體溫度即可達(dá)到所要求的蒸餾速率。

3.2 溫度對(duì)雙膜組合蒸餾速率影響

因空間站內(nèi)資源有限,且對(duì)蒸發(fā)速率要求并不高,本文研究所使用進(jìn)氣溫度控制在30 ～60 ℃的中低溫范圍內(nèi)。圖4 給出了溫度對(duì)蒸餾速率的影響曲線,圖中N代表蒸餾速率,t代表蒸餾時(shí)間。如圖所示,蒸餾速率隨著進(jìn)氣溫度上升而升高;且溫度升高,蒸餾速率隨著時(shí)間的推移出現(xiàn)的下降趨勢更加明顯。30 ℃時(shí)蒸餾速率隨時(shí)間呈緩慢線性下降,95 h 內(nèi)僅下降12%;30 ℃以上時(shí),蒸餾速率隨時(shí)間快速下降,60 ℃時(shí)蒸餾速率下降幅度達(dá)26%。這是由于進(jìn)氣溫度的升高會(huì)提高膜內(nèi)側(cè)的水蒸汽分壓和跨膜傳質(zhì)推力,提高蒸餾速率;另外,質(zhì)子膜的溫度升高,會(huì)改變質(zhì)子膜內(nèi)部的擴(kuò)散系數(shù),從而提高質(zhì)子膜內(nèi)水分傳輸速率[13-14],進(jìn)而提高蒸餾速率。而蒸餾速率越快,尿殘液中的固體物質(zhì)含量上升越快,一方面降低了尿殘液的飽和水蒸氣分壓,另一方面加速了尿殘液在疏水膜上結(jié)晶進(jìn)程,形成膜孔堵塞降低疏水膜膜通量,使得溫度越高,其蒸餾速率隨隨時(shí)間的下降趨勢越明顯。

圖4 S2+Z3 膜組合在不同進(jìn)氣溫度下的蒸餾速率Fig.4 Distillation rate of S2+Z3 membrane combination at different inlet temperatures

根據(jù)前文計(jì)算的蒸餾速率要求可知,30 ℃條件下的平均蒸餾速率為168.3 g/(m2/h),滿足需求。且為了進(jìn)一步降低能量消耗,還可以在此基礎(chǔ)上,降低進(jìn)氣流量。

3.3 流量對(duì)雙膜組合蒸餾速率影響

不同進(jìn)氣流量下雙膜組合蒸餾速率的變化如圖5 所示,蒸餾速率隨進(jìn)氣流量的增加而提高,這是由于進(jìn)氣流量增加提高了吹掃氣體側(cè)的湍流度,增大了氣體側(cè)的傳質(zhì)傳熱系數(shù)。與溫度影響趨勢相同,大流量條件下的蒸餾速率隨時(shí)間的推移下降趨勢更為明顯,下降幅度相對(duì)更大。5 m3/h 和10 m3/h 的條件下,在170 h 內(nèi),蒸餾速率分別下降了31.3%和51.7%。根據(jù)前文計(jì)算的蒸餾速率要求可知,2 m3/h 條件下的平均蒸餾速率為128.8 g/(m2/h),滿足需求。

圖5 S2+Z3 膜組合在不同進(jìn)氣流量下的蒸餾速率Fig.5 Distillation rate of S2+Z3 membrane combination at different inlet gas flow rates

3.4 濕度對(duì)雙膜組合蒸餾速率影響

在30 ℃的溫度基準(zhǔn)條件下,本文試驗(yàn)選取的相對(duì)濕度范圍控制在15%RH ～35%RH。圖6 給出了不同進(jìn)氣濕度下膜組合蒸餾速率變化情況,從圖中可以看出相對(duì)濕度存在最佳條件即30%RH,進(jìn)一步降低或提升濕度均會(huì)降低蒸餾速率。進(jìn)氣濕度的變化導(dǎo)致吹掃氣體側(cè)水蒸氣分壓的變化,從而改變跨膜傳質(zhì)推力,影響蒸餾速率。比如吹掃氣體相對(duì)濕度增加,水蒸氣分壓上升,質(zhì)子膜內(nèi)外側(cè)水蒸氣壓差也即傳質(zhì)推力下降,導(dǎo)致蒸餾速率下降,這就是35%RH 條件下的蒸餾速率低于30%RH 的原因。而Majsztrik 等[15]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)進(jìn)氣濕度進(jìn)一步降低時(shí),會(huì)在質(zhì)子膜內(nèi)部與吹掃氣體接觸側(cè)形成不透水層,反而阻礙水分傳輸,導(dǎo)致蒸餾速率下降,因而在20%RH 和15%RH 條件下的蒸餾速率相對(duì)較低。

圖6 S2+Z3 膜組合在不同進(jìn)氣濕度下的蒸餾速率Fig.6 Distillation rate of S2+Z3 membrane combination at different inlet humidity

4 雙膜蒸餾過程與性能研究

在前文研究所得30 ℃,2 m3/h,30%RH 的優(yōu)化工藝條件下,開展了雙膜蒸餾過程研究,分別通過蒸發(fā)模塊進(jìn)出氣口實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)計(jì)算,以及通過蒸發(fā)模塊重量變化2 種方式獲得蒸餾速率的全過程實(shí)時(shí)變化規(guī)律,結(jié)果如圖7所示。2 種方式獲取的蒸餾速率和水分回收率變化趨勢基本一致,說明通過溫濕度數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)時(shí)蒸餾速率的方式有效。經(jīng)過約454 h 的運(yùn)行后,尿殘液水分回收率達(dá)到88.1%,此時(shí)基于尿液的總水分回收率達(dá)到98.0%,滿足處理要求。從完成尿殘液中88%水分回收的全過程來看,蒸餾速率在約210 h 左右,水分回收率約65%時(shí),出現(xiàn)較為明顯的拐點(diǎn),此前的蒸餾速率相對(duì)較快,變化趨勢較為緩和,210 h 之后蒸餾速率快速下降。推測原因可能是水分回收率達(dá)到65%時(shí),尿殘液中開始出現(xiàn)較大量的結(jié)晶沉積,導(dǎo)致疏水膜膜通量快速下降。

圖7 雙膜組合實(shí)時(shí)蒸餾速率變化曲線Fig.7 Real-time distillation rate of double-membrane combination

對(duì)試驗(yàn)過程中收集的冷凝水進(jìn)行分析測試,結(jié)果如表4 所示。冷凝水pH 相比原尿殘液有所上升,但仍維持在較低水平,說明有較多酸性物質(zhì)進(jìn)入到冷凝水中。從電導(dǎo)率和TOC 等綜合性指標(biāo)變化,以及各單項(xiàng)組分的含量變化來看,總體物質(zhì)截留率均在99%以上,很好地驗(yàn)證了雙膜組合對(duì)尿殘液中復(fù)雜物質(zhì)組分的截留效果。所得冷凝水水質(zhì)總體良好,能進(jìn)入空間站內(nèi)水處理子系統(tǒng)進(jìn)一步凈化處理,滿足水循環(huán)回路的要求。

表4 試驗(yàn)回收冷凝水水質(zhì)測試結(jié)果Table 4 Water quality of the recovery condensate

對(duì)冷凝水中的酸性有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行了分析,結(jié)果如表5 所示。其中主要為甲酸、乙酸和丙酸等小分子有機(jī)酸,3 種有機(jī)物質(zhì)占總TOC 含量91.64%。

表5 冷凝水有機(jī)物質(zhì)測量結(jié)果Table 5 Organic matter concentration in recovery condensate

表6 給出了吹掃氣體中詳細(xì)有機(jī)組分測試結(jié)果。吹掃氣體中各物質(zhì)含量均不高,遠(yuǎn)低于密閉環(huán)境有害氣體允許濃度指標(biāo)要求。含量相對(duì)較高的物質(zhì)主要為乙醇、2-丁酮、甲醇、丙酮等物質(zhì),4種物質(zhì)含量占比達(dá)到了93.7%。

表6 吹掃氣體中有機(jī)物含量統(tǒng)計(jì)表Table 6 Statistical table of organic matter content in purge gas mg/m3

為考察膜蒸餾過程對(duì)與尿殘液直接接觸的疏水膜材料表面特性的影響,對(duì)使用前后以及經(jīng)純凈水清洗后的疏水膜材料表面形貌及元素構(gòu)成進(jìn)行了分析。通過圖8 可知,相比使用前,使用后的膜材料表面出現(xiàn)規(guī)則結(jié)晶物和膠狀覆蓋層,均勻分布在整個(gè)膜材料表面,這應(yīng)該是試驗(yàn)后期蒸餾速率下降的主要原因。使用純凈水清洗后大部分物質(zhì)得以去除,仍有少部分物質(zhì)進(jìn)入膜孔內(nèi)部,造成了長久性的膜堵塞。

疏水膜材料表面EDS 元素分析結(jié)果如表7所示,可以看到,使用前膜材料表面主要由C 和F2 種元素構(gòu)成。而經(jīng)過雙膜蒸餾試驗(yàn)后,膜材料表面出現(xiàn)C、N、O 等有機(jī)組分,以及Cl、Na、Mg 等無機(jī)組分,且前者元素含量遠(yuǎn)高于后者,表明材料表面覆蓋層主要為有機(jī)物。而F 元素并未檢出,也證明了結(jié)晶等固體物質(zhì)對(duì)膜材料全范圍覆蓋。清洗后的膜材料表面主要為C、F、O 元素,說明純凈水沖洗后的殘余物中,大部分為有氧物質(zhì),如碳酸鹽、硫酸鹽、氫氧化物等,且其中鈣離子含量增加,可能是由于微溶性硫酸鈣最先在膜表面結(jié)晶沉積并進(jìn)入孔隙中,而其他有機(jī)物質(zhì)和無機(jī)鹽覆蓋在其表面,經(jīng)過清洗后才暴露出來[16]。

表7 疏水膜材料EDS 元素分析表Table 7 EDS element analysis of hydrophobic membrane %

傅里葉紅外分析結(jié)果如圖9 所示,經(jīng)與以往研究結(jié)果比對(duì),其中3345 cm-1為酰胺N-H,1620 cm-1為胺N-H,1460 cm-1為烷烴-CH2,1095 cm-1為醇C-O,1145 cm-1和1200 cm-1為C-F,555 cm-1和630 cm-1為C-Cl[17-19]。發(fā)現(xiàn)使用前的膜材料僅檢測到C-Cl 基團(tuán)和C-F 基團(tuán),而使用后的膜材料正面這2 個(gè)基團(tuán)均不存在,而是形成了仲醇C-O、烷烴-CH2、胺N-H 和酰胺N-H等新的基團(tuán),進(jìn)一步證明了大量有機(jī)物質(zhì)在疏水膜材料表面沉積。使用后的膜材料背面主要的官能團(tuán)構(gòu)成為C-Cl 基團(tuán)和C-F 基團(tuán),此外還有少量的N-H 基團(tuán),一方面說明試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)尿殘液的直接滲漏情況,另一方面也說明部分有機(jī)物進(jìn)入到膜孔結(jié)構(gòu)中,進(jìn)而會(huì)造成膜孔堵塞或潤濕。使用純凈水清洗后的膜材料表面除了C-Cl 基團(tuán)和C-F 基團(tuán)外,還含有仲醇C-O、烷烴-CH2、胺NH 和酰胺N-H 等,也說明了膜材料使用純凈水清洗后不能全部去除表面沉積物,如果要實(shí)現(xiàn)膜材料的重復(fù)利用,還需要采取其他針對(duì)性的清洗措施。

圖9 疏水膜材料傅里葉紅外分析結(jié)果Fig.9 FTIR analysis of hydrophobic membrane

5 雙膜膜袋蒸餾空間驗(yàn)證技術(shù)流程設(shè)計(jì)

結(jié)合本文研究結(jié)果,面向未來空間站驗(yàn)證和應(yīng)用場景,設(shè)計(jì)空間驗(yàn)證技術(shù)流程如圖10 所示。一方面,由于尿殘液雙膜蒸餾所收集氣體質(zhì)量較好,應(yīng)不會(huì)對(duì)艙內(nèi)大氣環(huán)境控制產(chǎn)生負(fù)面影響,可以采用吹掃氣體直接排入艙內(nèi)大氣環(huán)境的方案,以節(jié)約裝置基礎(chǔ)建設(shè)投入。但由于蒸餾過程中會(huì)有含量很低但味道濃烈的異味物質(zhì)逸出,因此在吹掃氣體下方增加異味去除組件。另一方面,將雙膜組合蒸餾結(jié)構(gòu)更改成袋式結(jié)構(gòu),雙膜膜袋完成該批次尿殘液的水分回收處理后,繼續(xù)作為尿殘液殘?jiān)拇鎯?chǔ)器,與剩余殘?jiān)黄饋G棄。

圖10 面向空間在軌驗(yàn)證的尿殘液雙膜蒸餾技術(shù)工藝流程圖Fig.10 Flowchart of urine brine double-membrane distillation technology for flight verification

運(yùn)行模式上,尿殘液水分回收裝置的運(yùn)行節(jié)律保持與尿處理子系統(tǒng)一致,尿處理子系統(tǒng)結(jié)束當(dāng)前處理周期,將尿殘液加注至雙膜蒸餾模塊中,尿殘液水分裝置開啟新的運(yùn)行周期,本批次試驗(yàn)結(jié)束后(少于尿處理子系統(tǒng)處理周期時(shí)長),更換雙膜蒸餾膜袋,等待下一批次的處理流程,并將本批次處理后的雙膜膜袋隨同保留在其中的剩余殘?jiān)黄鸹厥罩聊ご鎯?chǔ)袋中。本方案的特點(diǎn)在于流程相對(duì)簡單,基礎(chǔ)質(zhì)量和容積小。根據(jù)本文研究結(jié)果,建議進(jìn)氣溫度在30 ～35 ℃,由于雙膜膜袋膜面積大幅提升,單位時(shí)間水分蒸發(fā)量等比增加,進(jìn)氣流量能保證帶走所有水蒸氣且不會(huì)發(fā)生結(jié)露,可控制在8～12 m3/h。

應(yīng)用尿殘液雙膜蒸餾技術(shù),預(yù)期可將尿液中水分回收比例提升至95%以上,3 人乘組每年減少水分補(bǔ)給約280 kg,雙膜膜袋質(zhì)量預(yù)計(jì)0.6 kg,一次處理能回收16.9～20.0 kg 水,消耗物質(zhì)占回收物質(zhì)質(zhì)量比＜4%,具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

6 結(jié)論

1)較優(yōu)吹掃氣體條件為30 ℃,30%RH,2 m3/h,蒸餾速率滿足任務(wù)需求,在454 h 內(nèi)完成尿殘液中88.1%的水分回收。

2)雙膜蒸餾能高效截留尿殘液中的無機(jī)鹽和有機(jī)物,吹掃氣體質(zhì)量以及所回收冷凝水水質(zhì)良好。蒸餾過程中疏水膜表面會(huì)出現(xiàn)有結(jié)晶、沉積,少部分物質(zhì)會(huì)進(jìn)入膜孔內(nèi)造成膜堵塞和潤濕。

3)面向空間站在軌驗(yàn)證與應(yīng)用場景,提出了尿殘液雙膜蒸餾空間驗(yàn)證初步方案設(shè)計(jì),為后續(xù)進(jìn)一步的工程研制提供借鑒。下一步將開展面向?qū)嶋H應(yīng)用的袋式膜蒸餾技術(shù)研究。