海水淡化技术

1.1。概观

虽然地球表面有近四分之三被水覆盖,但只有3%的水是可饮用的,也就是说,它含有500ppm或更少的盐[2]。淡水的供应一直是人类历史上最重要的问题之一。因此,大多数文明在靠近泉水和河流的肥沃地区发展。然而,由于到处都没有淡水,古代人类不得不学习如何将海水和咸水地下水转化为饮用水。历史上,海水淡化一直是饮用水生产中最昂贵的方法[3]。在公元前四世纪,亚里士多德描述了一种蒸发污染水然后冷凝水蒸气以获得淡水的方法[4]。第一次记录的海水淡化应用可以追溯到长途海上航行很常见的时候(公元200年左右)。在这些航行中,海水被煮沸以产生水蒸气,然后被大海绵捕获并凝结[4]。

然而,近年来,由于人口增长,对淡水的需求迅速增加。据报道,到2025年世界人口中约有70%将遭受淡水短缺[5,6]。因此,大量的研究和开发旨在寻找有效的水处理技术[7-15]。

一个五口之家的基本需求(饮用和烹饪)所需的饮用水量为20 升/天[16],可增加至50 升/天(10

1

在极热的环境中升/天/人[17,18]。因此,选择提供这种方法的方法主要取决于气候条件,能源的可用性以及海水淡化系统的应用。因此,对不同技术及其要求的广泛了解对于为特定位置选择适当的系统至关重要。

1.2。海水淡化技术

海水淡化技术可分为相变热处理,单相膜技术和混合系统,如图1所示。热处理可分为两类:直接方法,当所有部件集成到一个系统中时; 间接方法,外部热源提供热能[19]。

图1.海水淡化方法1.2.1。膜技术

膜技术使用半透膜,允许水分子通过并捕获盐和其他污染物。这种方法最初是

2

仅限于城市水处理,但由于膜类型的发展,这种技术的使用已经扩展到其他行业和应用[20]。

在正向渗透(FO)中,溶剂将自然地从低溶质浓度区域通过半透膜到达更高浓度区域。这些系统分两步运行; 首先,对汲取溶液进行渗透稀释,然后从稀释的汲取溶液中提取脱盐水[21]。后处理通常是困难且昂贵的,因此这些系统不能作为单独的水脱盐工艺[22]。

反渗透(RO)是大规模水生产中最有效的海水淡化方法之一,然而,这些系统需要对盐水进行大量的预处理[23]。这使得它们对高度污染的给水的小规模处理成本很高[24]。此外,在反渗透中,必须施加显着的压力以克服渗透压[23],这需要昂贵且精密的泵。因此,这些系统在需要小规模生产(偏远和农村地区)的海水淡化中的应用是不经济或不合适的。

膜蒸馏(MD)是另一种方法,它采用热能和膜技术进行水净化。因此,使用疏水性微孔膜,其仅允许水蒸气通过[23]。膜另一侧的冷凝器冷凝水蒸气以产生淡水。这些系统对污染物浓度和给水温度高度敏感,通常需要高水温才能提供所需的蒸汽压力。此外,膜中捕获的任何空气都会进一步阻碍传质[25]。

3

由于需要高压,据报道这些膜技术需要高电能输入[26]。此外,膜技术通常会遭受膜污染[27],因此需要定期维护。这些问题排除了低成本解决方案的膜技术。

1.2.2。热过程

热脱盐过程基于相变原理,其中将热量添加到水中以引发蒸发。随后从水蒸气中除去冷凝潜热,导致冷凝。冷凝水是饮用水,留下污染物。

在单级蒸馏(SSD)系统中,如图2所示,脱盐分两步进行; 首先,通过在蒸发室中直接供热来蒸发盐水。其次,水蒸气在冷凝器中冷凝,产生淡水。

图2.单级蒸馏(SSD)系统的基本原理图[28]

SSD方法需要大量的能量和高温来煮沸和蒸发水[29]。据报道,该方法仅适用于应用程序

4

具有紧凑尺寸的单元是重要的[29],并且热能源是高温,廉价和丰富的。SSD工艺已成功应用于热电联产[30]和船舶应用[29]。降低蒸发器中的压力会降低沸腾温度,从而降低蒸发所需的能量。此外,通过显着加热盐水给水来回收冷凝潜热,提高了系统的整体效率。为解决此问题,我们引入了多级闪蒸(MSF),多效蒸馏(MED)和被动真空脱盐(PVD)。

在多级闪蒸(MSF)脱盐方法中,海水或微咸水通过一系列分级换热器预热,同时也用作冷凝剂以冷凝蒸汽,如图3所示。为了最大化这些系统的产量需要高水温和每个阶段的连续减压[31-33]。然而,较高的工作温度会增加结垢的可能性[34,35],这会随着时间的推移而损害系统性能。

蒸汽喷射器(真空泵)
图3. MSF海水淡化系统的示意图[31]

与MSF系统类似,如图4所示的多效蒸馏(MED)装置由一系列低压热交换器组成,称为“效应”。然而,MED系统重复利用冷凝潜热来蒸发海水[23],制造它们

比MSF更有效[36]。通常,MED在第一阶段需要高盐水温度和低压以最大化蒸发。然而,有些系统设计用于在较低温度下运行[37],这样可以减少结垢,但需要额外的传热面积[32]。

A:蒸发器B:管中管式冷凝器C:热源D:给水泵E:产品水箱F:盐水收集罐VI,V2,V3,V4,V5:阀门

高度大于10米的结构(例如建筑物,住宅等)

为了给这些MED和MSF系统提供低压,采用了真空泵,增加了使用的能源以及对更多维护的需求

[39]。这导致了被动真空脱盐(PVD)的发展,如图5所示。

V2 V3
到盐水储罐
V 我^ VJ r 一世
F 1 Ë
到淡水储水箱
图5. PVD海水淡化装置的示意图[39]

6

在PVD中,真空条件由来自蒸发器底部的下落水提供,使得PVD系统独立于真空泵。但是,要提供

需要的真空度,至少需要10瓦的高度[39]。

在所有上述蒸馏技术中,需要高温源以将盐水温度提高到沸点,或者需要有效的真空压力以降低盐水的沸点。这些问题排除了这些用于低成本应用的方法。

为此,加湿除湿(HDH)脱盐技术是蒸馏过程的替代方法。典型的HDH系统,如图6所示,使用空气作为载气[40]将水蒸气从加湿器输送到除湿器。由于该方法基于空气流的加湿,因此可以在低温和大气压下操作。在这些系统中,所需的蒸发热量被传递到水流,空气流或两者。随后,两个流在加湿器中相互作用,这导致空气流的加湿。然后,通过除湿器中的冷却流体从潮湿空气中除去潜热,从而产生饮用水。

盐水出水集水盘^^ BF ^

图6.水加热HDH海水淡化装置的示意图[41]

在目前可用的海水淡化系统中,HDH方法已被证明是一种成本和能源效率的解决方案,适用于家庭住宅的小规模生产饮用水或向偏远和农村地区供水[41-43]。与基于膜的技术不同,HDH系统可以用更高浓度的盐净化盐水,这使得它们成为从天然气井生产淡化水的有力候选者[44]。HDH系统的其他优点是简单,安装成本适中,容量灵活,运营成本低[40]。

1.3。太阳能辅助海水淡化

目前许多海水淡化厂使用化石燃料为膜技术的热过程和电能提供热能[42],但这些通常成本高且不具有环境可持续性[45]。开发可以使用可再生能源运行的海水淡化系统似乎是经济的,环保的。

由于缺水主要见于富含太阳能的贫瘠和偏远地区,利用太阳能提供所需的能源是这些地区缺水和污染的明显解决方案。太阳能是地球上最大的能源,所有其他能源都来源于此。

许多研究探索了太阳能在各种海水淡化方法中的应用[46-57]。在上一节提到的脱盐方法中,蒸馏过程(SSD MSF MED PVD)和膜技术(RO,FO,MD)需要高价值的能源,因此不适合与太阳能耦合。

8

太阳能蒸馏器(ST),如图7所示,可能是最简单的太阳能辅助海水淡化方法[58]。在该方法中,水蒸馏和热吸收在单个室中发生。水蒸气由于太阳辐照度而形成,然后上升到透明盖,其中由于热传递到外部环境而发生冷凝。由于透明盖的倾斜,冷凝物滴下并且可以从底侧收集。

7. 太阳能蒸馏系统的示意图[58]

由于透明盖上的冷凝,这些系统会失去对环境的潜热。此外,太阳能蒸馏器被归类为脱盐的直接方法,其中直接加热增加了玻璃冷凝表面这些系统[59的性能产生负面影响的温度60]。因此,这些系统的产率是相对低的,具有日产3-4  升/米2 [61]。

1.4。太阳能辅助HDH脱盐

HDH海水淡化方法基于与太阳能蒸馏器相同的原理,但加热,加湿和除湿发生在不同的组件中,因此它们可以独立设计[62]。因此,各种不同

配置可用于HDH系统[41]。另外,在HDH脱盐技术中去耦加热器消除了直接加热的不良影响。

如图8所示,太阳能HDH海水淡化系统由三个主要部分组成; 太阳能空气/热水器,加湿器和除湿器(冷凝器)。提高这些单个组件的性能将提高系统的整体性能。

加热干燥空气加热水
图8.典型的太阳能辅助HDH海水淡化系统的组件此外,对HDH海水淡化系统的挑战是根据气候和运行条件选择适当的空气和水流循环,因为这会显着影响系统的产量。在HDH海水淡化系统中选择适当的空气和水循环取决于系统的相关技术优点和缺点以及环境条件。

如图所示HDH海水淡化系统可根据空气和水循环分为四大类; 闭式空气/封闭水u封闭空气/开放水“ ”露天/封闭水“和”露天/开放水域“。

10

图9. HDH海水淡化技术的分类图此外,HDH海水淡化技术还可以分为两组:强制或自然循环,也可以基于加热技术; 空气加热,水加热或空气和水加热系统。

1.4.1.1。封闭式空气/闭水

在“封闭空气/封闭水”系统中,顾名思义,空气和水流都保留在系统中。这类似于Solar Still(ST),因为它可以恢复冷凝潜热,从而提高系统的整体效率。Yuan等人研究了“封闭空气/封闭水”循环的模式。图10中示出了加湿和除湿过程。通过在加湿器和冷凝器之间连续循环空气,在单个隔热塔中进行加湿和除湿过程。来自太阳能收集器的热水喷洒在蜂窝状加湿器上,而冷凝器则加入海水。来自加湿器的流出水返回到海水池中,因此剩余的热能被回收。

11

1:太阳能收集器2,3:加湿器4,5:冷凝器6,7:鼓风机

8,11:海水收集9,10:新鲜收集12:淡水箱13:海水池14,15泵16:交叉阀17:控制器18:旁路管道19,20:喷雾器

图10. Yuan等人的示意图。HDH系统

据报道,由于海水水箱,该系统能够运行24

与生产5.2每天小时升/米2 /天在六月和2.7 升/米2 /天在十二月

在中国西安。还发现,对于固定的太阳能吸收器区域,生产

随着水流量的增加而减少,并且通过适当利用潜热,

过程效率可能会提高。

2014年,Zamen等人。[63]对两级太阳能HDH系统进行了实验研究,如图11所示。据报道,两级HDH海水淡化装置的产量比类似的单级装置多20%。在夏季时的最大生产饮用水据报道,7.25  升/米2 /天,用80 2太阳能吸收器面积。他们的结论是,虽然单位产量随着额外阶段而有所改善,但当使用两个以上阶段时,这种改善可以忽略不计。考虑到单位生产的成本,他们建议最好的选择是两阶段单位。

12

图11.两级蒸发/冷凝HDH海水淡化装置[63] Mahmoud等。[64]对a进行了理论和实验研究
空气进来

空出来

图12.使用菲涅耳透镜太阳能加热器进行HDH脱盐[64]

13

HDH脱盐装置如图12所示。测试了“封闭空气/封闭水”和“露天/封闭水”循环。他们发现来自加湿器的出口盐水的温度足够高以便进一步使用,并且他们注意到闭合空气循环比露天系统更具生产力。

在这方面,分别报告了开放和封闭空气循环产生60 升/ m 2 /天和112 升/ m 2 /天的可能性

从这些研究中可以得出结论,在环境空气的能量和水分含量低于冷凝器排出的空气的情况下,“封闭空气/封闭水99”装置的应用是合理的。而且,这些系统适用于盐水供应温度显着低于来自加湿器的排出水温度的条件。然而,这些系统中的盐水浓度在每个循环后不断增加,这增加了沉降的风险。

1.4.1.2。封闭式/开放水

顾名思义,“封闭空气/开放水”HDH循环使系统内的空气循环,同时排出盐水。图13所示是Al-Hallaj等人测试的系统。[65],其中在通过冷凝器中的湿空气预热并通过平板太阳能收集器之后将水喷洒在蒸发器上。空气在蒸发器和冷凝器之间循环,交替地进行加湿和除湿。据报道,在最佳水流速下实现了最大输出,超过该流速,由于在较高流速下较低的蒸发和冷凝效率,产量减少。这可以通过在较高水流速下增加的传热和传质系数来解释。据报道,在低温下空气流速的影响也是显着的,而它在较高温度下的影响较小。因此,仅在高温条件下建议自然空气循环。

14

平板太阳能集热器
图13.Al-Hallaj等人提出的HDH脱盐结构。[65]

Amer等。[66]对图14所示的“封闭空气/开放水”HDH海水淡化系统进行了理论和实验研究。该研究的主要目的是通过评估运行条件对装置的影响来改善循环。生产率。因此,通过检查三种不同的材料作为填充床来评估实际湿区域的影响以及传质系数。此外,还检查了空气的强制和自然循环。

据报道,对于带有木板岩的填充床,该系统具有最大生产率,而系统则采用强制空气循环。该装置的最大生产率为5.8 升/小时,加湿器的入口水温为85℃,水质量流量为2.8 千克/分钟。

15

(1)

(15)(16)

图14. Amer等[66]提出的HDH海水淡化图

(13>

(14)

(1)盐水供应

(2)高架水箱

(3)排水

(4)过滤器

(5)给水泵

(6)转子流量计

(7)冷凝器盘管

(8)冷凝器塔

(9)范

(10)加湿塔

(11)床上用品

(12)储罐

(13)换热器

(14)电加热器

(15)盐水

(16)蒸馏

“封闭空气/开放水域”系统的应用在以下情况下是合理的

环境空气具有低温和含水量以及能量含量

离开系统的盐水足够低。

1.4.1.3。露天/闭水

戴等人。[67]用“露天/封闭水55循环”检查了HDH海水淡化系统。如图15所示,使用空气和水流的水加热和强制循环。据报道,该装置克服了使用强制对流蜂窝加湿器同时提高蒸发温度和降低冷凝温度的难度。它也是

16

结论是水和气流速率和盐水温度最高

海水供应

蒸馏水

影响单位表现的参数。

图15.Dai等人提出的HDH脱盐单元。[67]

在随后的研究中,戴等人。[68]在数学上模拟了图15中所示的实验单元。发现随着入口空气温度和相对湿度的增加以及海水温度的降低,产水量增加。还发现饲料和冷却水的质量流量增加也会增加水的产量。

Al-Enezi等人。[2]对具有“封闭空气/开放水”循环的HDH脱盐系统进行了数学建模和实验研究。如图16所示,空气和水流都被加热并强制循环

17

使用两种流。据报道,最高的水产量处于高热水温度,冷冷却水温度,高气流速率和低热水流速。

出口空气 – ^ –

聚光器

产品★水&袋装柱水冷装置水流仪表

环流

加热器 H
 

进气

热水器

图16. Al-Enezi等[2]提出的实验HDH海水淡化装置

2008年,Yamali等人进行了另一项实验研究。上的4I露天/闭式Watef 周期。如图17所示,空气和水流都被加热,并且强制循环用于两个流。据报道,随着初始水温和储水箱中水量的增加,生产增加。此外,通过使用双通太阳能空气加热器,生产增加了15%。据报道,正在脱盐的海水和冷却水的产水量和质量流量成比例,而产量随着气流速率的增加而降低。

18

垫加湿器

除湿机

化妆水

双通太阳能空气加热器

-HX〜

加热器
水流量计
储存罐
冷却(t) –

冷却水

纯净水

图17. Yamali等人提出的空气加热HDH脱盐装置。

由此可以得出结论,“露天/封闭水”系统可用于来自冷凝器的废气具有比环境空气更低的温度和水分含量以及排出的盐水的温度的条件。从加湿器足够高,所以它的能量可以用在系统中。

1.4.1.4。露天/开放水域

袁等人。对具有“露天/开放水”循环的太阳能HDH海水淡化系统进行了调查。如图18所示,采用强制循环的空气和水加热。

水收集器领域

冷却水池

新鲜

图18. Yuan提出的HDH结构示意图

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他们指出,该系统产生10.52 升/米2 /天的淡水,与

太阳辐射的平均强度为550 W / m 2

然而,发现具有“露天/开放水”循环的HDH脱盐单元可能对出口流具有高热损失。因此,如果环境空气具有比离开冷凝器的空气更多的能量和水分含量,并且离开加湿器的盐水的温度低于或接近入口海水温度,则仅使用这样的循环是合理的。否则,应提供额外的热交换器以回收热量。

1.5。研究问题

从文献中可以得出结论,尽管已经开展了工作,但仍然有可能开发HDH海水淡化系统,因为在小规模应用中没有专门的确定系统。因此,这项工作旨在确定:

我们如何为小规模淡水生产开发高效的太阳能HDH海水淡化系统?

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