基于納濾多膜與太陽光熱技術的南疆鹽堿水分析研究

雍飛 陽劍 王家碩 朱家瑋

摘 要：新疆南疆地區由于環境因素影響，目前是我國鹽堿危害和影響關注度較高的地區之一，對該地區鹽堿地水樣成分進行相關處理，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展前景。通過對新疆南疆相關地區水資源緊缺現狀分析，提出針對該地區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及太陽光熱蒸發形成凝結水及飽和鹽水提取結晶鹽的水鹽分離技術探析。

關鍵詞：納濾多膜;光熱蒸發;發展現狀

中圖分類號：S-1

文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20201115003

收稿日期：2020-10-17

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

作者簡介：雍飛（1993-），男，碩士。研究方向：農業信息化理論與實施;通訊作者陽劍（1979-），男，中級。研究方向：農業信息化的規劃與管理。

新疆南疆地區屬于大陸暖溫帶屬性，具有干旱性質的荒漠氣候類型特點，常年降雨極少，降水集中在每年中下旬季節，其蒸發量大，光照時間長，同時能量資源比較充足。但是因為降水稀少，導致地區氣候干燥，造成了長期水資源短缺，同時因種植改良采用的大水洗鹽方式需要大量資源易導致排水量大，故水資源浪費嚴重，進一步導致土壤鹽堿化嚴重。阿拉爾市作為兵團下轄阿拉爾墾區管理局的辦公地區，墾區的可耕地面積較為廣闊，下轄土壤資源豐富，但因為深處內陸，距離海洋遙遠，且鄰近沙漠，故晝夜溫差大[1]，作為全國高產糧棉區之一，本地區的細絨棉和長絨棉的生產和深加工也已經逐漸成為了該地區的重要經濟產業之一。

1?項目設計及部署

1.1?項目設計對比分析

為進一步對新疆南疆高鹽堿地區的水鹽進行分離研究，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，在實驗前期，通過對現有技術的整合利用，結合這個地區使用各種膜分離技術，擴展到各種技術產生的效果研究，隨著各項時間推移及綜合國力的發展，各種運用技術也快速發展，反滲透技術的應用發展及廣泛普及就是其中一種。在此同時，對于納濾膜的各種應用，是隨著高新技術的發展，逐步在國內得到普遍認識和應用，最主要在于各種環境下的苦咸水的脫鹽和軟化后的綜合應用，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[2]。

綜合分析，反滲透膜和納濾膜這2項技術在實際應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，在整個的分離過程中由于會產生荷電膜進行脫鹽這種方式，針對于在相對較低外界壓力下，具有對多價離子的較高脫除效率的特點，從而可以體現出針對存在有不同價態的無機鹽離子的選擇透過性。因此在綜合利用中的鹽離子、糖類物質和水中污染物等成分。綜合分析，反滲透膜對大部分的物質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，在其對單價的無機離子的脫方面，反滲透膜和納濾膜的優越性能和其相關特殊性能使其在不同環境及不同特點的水樣處理方面具有不同的具體應用。

納濾技術是近現代逐步發展并被快速應用的具有高新技術的有分離作用的膜。在此之前，通常認為其是具有松散效果的反滲透膜，具有納米級孔徑，主要是因為在截留的效果上其截留分子的效果介于反滲透效果和超濾效果之間，此項技術是因為在膜的表面帶有電荷的特性，同時因為不具有相關的選擇透過性，并能截留約為1nm大小的物質而被廣泛采用。同時在納濾膜的實際測試及分析中，此項技術還可將低價與高價離子進行區分以及大分子篩選。故此，納濾技術在鹽堿水淡化以及廢水循環利用、處理帶有鹽堿性質的各種復雜條件下的關鍵問題等都有應用，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、污染小等優點，在鹵水資源開發等方面都具有很強的應用潛力[4]。在現有的應用之下，帶有反滲透脫鹽技術的應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境下的苦咸水脫鹽，可解決當前日益趨緊的生活飲用水的需求。

1.2?項目部署設計

本次項目中，利用太陽光熱法進行實驗，主要是因為太陽光熱法是采用具有真空石英管結構的循環集熱曬管，對其外部結構進行分析，認為外管具有較高透光和吸熱特性，同時在其生產時，在其內管的外表面鍍有特殊性質的藍膜作為高效吸熱涂層，同時管與管采用相互頭尾相連的方式，可增加能量接收區域，增加獲取熱能的效率，使在內管中的鹽堿水液體被充分加熱直至沸騰蒸發為蒸汽。同時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換傳導時所造成的部分熱量消耗和損失，借助于設備自身的效能和現有技術，可以增強在循環方式太陽光照下的光熱吸收效能和有效保溫的性能。

采用循環方式的太陽光照集熱技術，在對外部環境的適應性分析時，對項目的設計進行充分地分析研究，對外部設施研究考慮需要采用具有耐高溫、耐腐蝕、透光性高、光熱穩定的實際需求，故此選擇采用具有成熟技術的二氧化硅材料制造的設施，同時，因本項目處于的南疆具有白天溫度普遍較高的特點，采用并排串聯循環方式連接的太陽光照集熱在實地實施上連接簡單方便，同時在實地部署后具有大于180°可以吸光的優化設計的特點。在尾端連接處可以通過U型彎管進行并排連接，最后形成具有大面積的并排串聯循環集熱系統，圓柱形管同時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。

流經真空熱管的鹽堿水處于流動過程中時，吸熱涂層所吸收的太陽光熱將由外管導熱傳遞給內管再傳遞能量到液體，隨著外部光照溫度逐步升高，會使相對時間內流經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生汽化。隨著水體在向前緩慢流動的過程中，串聯循環集熱系統內部液體溫度將超過液體所處的沸點，隨著鹽堿水在向前流動過程中不斷吸熱，逐步達到沸點的水體也越來越多，管內氣體所占比例逐漸變大。本次項目的串聯循環集熱系統是利用吸熱和蒸發并行的方式，太陽光熱采集的能量為鹽堿水的蒸發提供動力來源。主要是鹽堿水沿程在管中不間斷地流動，并依據太陽光熱獲得熱量使得液體汽化逐步產生水蒸氣，隨后是大量水蒸氣進入冷凝系統，冷凝形成淡水，剩余鹽堿水流出串聯循環集熱系統，因水蒸氣多次的分離將使鹽度增大，經多次循環直至溶液濃度變為高價鹽溶液，導出溶液進行曬鹽分析，分離其中相關具體的成分。

2?結果與分析

2.1?環境分析及結果分析

本項目綜合所處南疆地區的室外環境等各項特殊因素，設計實施具有經濟可行且研究價值較高的并排串聯方式的循環集熱系統。該系統在實際部署時操作相對簡單并具有更高的實用價值。實驗對系統的部署和初步測試結果進行分析研究，得出主要結論：在循環過程中液體自身吸收熱量處于一個隨時變化的過程，隨流動距離逐漸增加，并且在溫度凈熱增益值沿流經長度逐漸減小，經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，在液體的溫度與入口流速剛好為反比關系，流速越大的情況下，循環系統內部的相對溫度越低，溫度變化情況具有不明顯的問題。在循環集熱過程中熱導效率與水體入口流速呈正比關系。入口流速減慢，管內水體溫度達到沸點，在發生液化時，產生的水蒸氣雖為高熱量的低效率區域，但可維持整個的集熱效率處于一個穩定變化的狀態，綜合導熱效率和管內水溫的關系，入口流量約為0.005m3·h-1較為合適。

3?討論

本次實驗的效益主要對于后期正確平衡節水優先與生態優先的關系，遏制生態環境惡化的趨勢具有很大作用，鑒于農業用水歷來是南疆地區用水量的大戶，通過大規模的進行節水綜合性分析研究，可將農業節約出來的水部分或全部用于河流和湖泊生態環境的修復，從而扭轉生態環境惡化的趨勢，進而逐步改善并恢復原有的生態環境質量。

參考文獻

[1] 劉坤.阿拉爾墾區農業水資源利用現狀及分析[J].河北農業科學，2009，13（10）：102-103，109.

[2]倪國強，解田，胡宏，等.反滲透技術在水處理中的應用進展[J].化工技術與開發，2012，41（10）：23-27.

[3]李鵬.水處理中膜分離技術的應用分析[J].技術探討，2014，4（25）：34-36.

[4]康為清，時歷杰，趙有璟，等.水處理中膜分離技術的應用[J].無機鹽工業，2014（05）：12-15.

（責任編輯?周康）