王世選，王芳，李進，夏東升

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

可旋轉的太陽能集熱—減壓膜蒸餾式脫鹽研究

王世選1，王芳2，李進1，夏東升1

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

設計構建了1套新型可旋轉的太陽能集熱—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行脫鹽實驗。研究了不同進料液溫度、冷側真空度、進料液流量對膜組件性能的影響，以及1個工作日內膜通量、淡水電導率和截留率的影響變化。結果表明：當系統(tǒng)運行穩(wěn)定時，膜組件入口進料液溫度、冷側真空度和進料液流量是影響系統(tǒng)性能的主要因素，且在1個工作日內系統(tǒng)所產淡水的電導率可達到10 μS/cm以下，截留率可達到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（MD）是將膜技術與熱蒸餾過程結合在一起的新型膜分離技術〔1〕，以疏水性微孔膜的兩側蒸汽壓差為傳質動力，熱側的水蒸氣透過膜孔到達冷側而被冷凝富集〔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，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注〔4〕。此外，將MD過程與可再生能源如太陽能、地熱能、風能等技術耦合，利用低品位熱源作為膜蒸餾的能源驅動，是目前膜蒸餾研究的一個新熱點〔5〕。太陽能由于其清潔無污染、可再生、經濟等優(yōu)點使膜蒸餾與太陽能技術的集成成為研究者關注的焦點。

筆者設計并構建了1套新型可旋轉式太陽能集熱—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，以可旋轉式太陽能集熱器吸收太陽能提供熱源，進行太陽能集熱—減壓膜蒸餾脫鹽實驗，研究不同進料液溫度、冷側真空度、進料液流量對膜組件性能的影響，以及1個工作日內膜通量、淡水電導率和截留率的影響變化。

1　實驗部分

1.1主要實驗材料與儀器

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玻璃轉子流量計，上海帆揚機電有限公司；電導率儀SENSION5，美國HACH公司；SHB-Ⅲ循環(huán)水真空泵，鄭州長城科工貿有限公司；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：膜外殼尺寸90mm×430 mm，膜絲內徑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實驗裝置

可旋轉的太陽能集熱—減壓膜蒸餾實驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　可旋轉式太陽能集熱—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的可旋轉底盤，可任意手動旋轉集熱器的方位，使集熱器充分接收太陽輻射。在實驗運行中采用電輔加熱技術，海水由海水箱進入太陽能集熱器，熱源由太陽能提供，然后進入恒溫電輔加熱儲水箱中儲存。當水溫無法滿足溫度要求時，采用電輔加熱；當溫度過高時，通過閥門控制進入集熱器和儲水箱的水量中和調節(jié)溫度。當集熱系統(tǒng)溫度恒定時，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入海水箱中進行循環(huán)利用。實驗在武漢（北緯30.34°，東經114.18°）地區(qū)進行，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測量出7月某1個工作日內（8：30～17：30）的太陽能輻射強度。

1.3實驗數據處理

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

式中：J——膜通量，kg/（m2·h）；

W——淡水產量，kg；

S——有效膜面積，m2；

t——運行時間，h。

式中：Rj——脫鹽截留率，%；ρh——模擬海水電導率；ρc——產水電導率。

2　結果與討論

2.1太陽能集熱—減壓膜蒸餾系統(tǒng)脫鹽實驗

實驗系統(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來調節(jié)進水溫度及流量；分別考察進料液溫度、冷側真空度和進料液流量對膜通量、淡水電導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進料液溫度

進料液模擬海水NaCl質量分數為3.5%，冷側真空度為0.095 MPa，進料液流量分別為70、90 L/h時，考察進料液溫度對膜通量、淡水電導率和截留率的影響變化，結果如表1所示。

表1　進料液溫度對膜通量、淡水電導率和截留率的影響

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），這是由于隨著進料液溫度增加，膜熱側的蒸汽壓力增大，水蒸氣通過膜組件的驅動力增大，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，所產淡水的電導率均在10 μS/cm以下，截留率均在99.9%以上，說明該中空纖維在此實驗條件下膜截留效率很高，膜性能很好。

2.1.2冷側真空度

進料液模擬海水NaCl質量分數為3.5%，進料液流量為90 L/h，進料液溫度分別為60、70℃時，考察冷側真空度對膜通量、淡水電導率和截留率的影響變化，結果如表2所示。

表2　冷側真空度對膜通量、淡水電導率和截留率的影響

由表2可見，在70℃下，冷側真空度從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真空度的增大而增加，原因是由于減壓膜蒸餾的驅動力之一為膜兩側的蒸汽壓差，冷側真空度越大，壓差越大，蒸汽的驅動力越大，從而膜通量就越大。這與費克（Fick）定律所給出的膜通量與其他有關參數的關系式吻合〔8〕。同時，所產淡水的電導率隨真空度升高而逐漸下降，這是由于隨著真空度的增加，熱側水更容易汽化，所得淡水含鹽率越低的緣故。且在此實驗條件下，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進料液流量

進料液模擬海水NaCl質量分數為3.5%，冷側真空度為0.095 MPa，進料液溫度為60、70℃時，考察進料液流量對膜通量、淡水電導率和截留率的影響變化，結果如表3所示。

表3　進料液流量對膜通量、淡水電導率和截留率的影響

由表3可見，在一定溫度下，膜通量隨流量的增加而增加，主要是由于進料液流量增大，進水速度加劇，增加了料液在膜組件中的湍流度，使溫度損失減小，進而加大了水蒸氣跨膜傳輸驅動力。且所產淡水電導率也逐漸下降，脫鹽效果很明顯，這是由于當溫度和冷側真空度達到合適條件時，隨著進料液流量的增大，膜通量增大，電導率在此條件下容易達到理想脫鹽狀態(tài)。且在此實驗條件下，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個工作日內太陽能集熱—減壓膜蒸餾系統(tǒng)脫鹽實驗

將實驗條件設為進料液模擬海水NaCl質量分數為3.5%，冷側真空度為0.095 MPa，進料液流量為90 L/h，關閉電輔加熱系統(tǒng)，利用純太陽能加熱模擬海水，考察系統(tǒng)在1個工作日內膜通量、淡水電導率和截留率的變化。

2.2.1太陽能輻射強度對集熱器出水溫度的影響

太陽能輻射強度對集熱器出水溫度的影響如圖2所示。

圖2　太陽能輻射強度對集熱器出水溫度的影響

由圖2可見，太陽能輻射強度和太陽能集熱器出水溫度隨著時間的變化，先升高后降低，系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，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度有關。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，因此太陽能輻射強度在一段時間始終保持在1 000 W/m2左右水平，但在當日16：00之后天氣突然呈陰天多云趨勢，太陽能輻射強度急劇降低。

2.2.2進料液溫度對膜通量的影響

進料液溫度對膜通量的影響如圖3所示。

圖3　進料液溫度和系統(tǒng)膜通量隨時間的變化

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

2.2.3淡水電導率和截留率隨時間的影響變化

淡水電導率和截留率隨時間的影響變化如表4所示。

表4　淡水電導率和截留率隨時間的影響變化

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

3　結論

（1）在太陽能集熱—減壓膜蒸餾脫鹽實驗過程中，膜組件入口進料液溫度、冷側真空度和進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，所產淡水電導率逐漸降低，而截留率則受進料液溫度、冷側真空度和進料液流量的影響不大。

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

（3）將太陽能集熱器應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，在天氣晴朗時，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，需采用電熱水箱進行輔助加熱的方式提高溫度。

（4）設計的可旋轉式太陽能集熱—減壓膜蒸餾系統(tǒng)，可任意手動旋轉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、產水水質好、操作簡單、運行穩(wěn)定、有利于模塊化操作。如技術成熟，可將自動追蹤光源技術應用于太陽能集熱器，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，2010，36（6）：14-16.

［2］吳庸烈.膜蒸餾技術及其應用進展［J］.膜科學與技術，2003，23（4）：67-79.

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［5］Qtaishat M R，Banat F.Desalination by solar powered membrane distillation systems［J］.Desalination，2013，308（1）：186-197.

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［8］毛尚良.減壓膜蒸餾法的研究［J］.水處理技術，1994（5）：267-270.

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”科技支撐計劃（2014BAC13B02-1）；國家“863”計劃（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）