晴雨兩用遠洋海島海水淡化收集裝置設計及應用

羅心怡， 鐘妮倩， 劉 暢， 尹鏡雲， 張中天， 金光球

（河海大學a.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室；b.環境學院；c.水利水電學院；d.農業科學與工程學院，南京 210098）

0 引 言

隨著經濟的快速發展，中國經濟發展對海洋資源的依賴程度逐步提升［1-4］，更加重視海上島嶼的建設和發展［5］，淡水資源是開發其他自然資源、發展海洋經濟的基礎。我國海上島嶼水資源問題嚴峻，雨水是最主要的淡水來源［6-10］。目前國內外海水淡化技術主要包括反滲透膜法、多效蒸餾法和多級閃蒸法等。沙特阿拉伯的朱拜勒海水淡化廠通常被認為是世界海水淡化重量級的海水淡化廠，同時使用熱多級閃蒸和反滲透技術處理海水，日產淡水量能夠達到4.55億L。為緩解用水緊張的問題，阿聯酋富查伊拉建造了目前世界最大的熱膜耦合海水淡化工廠，多效蒸餾法與反滲透法混合使用處理來自阿曼海灣的原海水，淡化水產量占總產量的62.5%，其中利用反滲透系統生產淡水量占到總產量的37.5%［7］。

但現有技術能耗大、海島電網系統未全覆蓋而難供電、滲透膜易被污染堵塞、設備保養維修難度大等問題制約海水淡化技術的發展［11-14］。因此，為了實現太陽能等可再生資源淡化島嶼海水、雨水回用供應遠洋海島淡水資源的目標，需進行工藝可行性和效果的實驗研究［15-17］。由于諸多原因的影響，如在遠洋島嶼展開實際研究耗資巨大；距離遙遠，技術有限；野外操作環境因素干擾大，有必要探尋耗資小、易監測和操作的實驗。

鑒于以上原因，本文設計的晴雨兩用遠洋島嶼海水淡化收集實驗裝置以還原實際操作環境，并提出了實驗操作方法，分析系統裝置性能，通過晴雨兩用遠洋島嶼海水淡化實驗室裝置來揭示蒸發法淡化海水收集內在規律。

1 實驗系統設計

為了模擬海水蒸發，如圖1所示淡化海水收集裝置的示意圖。配置了與海水等濃度的咸水在水槽中，淡水收集裝置漂浮于水槽中，溫濕度計固定于收集裝置內通過GPRS傳輸記錄數據。在實驗中無需控制任何參數變化，只需記錄淡水收集裝置內溫度、濕度等參數，定期收集裝置內產生的淡水并測定體積。從而，該蒸發法淡化海水收集實驗在實驗室運行，可以模擬其實際運作時除天氣狀況之外的所有作用機制，通過后續可根據對裝置運行效率的分析，結合適用地淡水資源的需求數據，確定裝置的規格等比例放大以實現效益最大化。實現對某一種或某幾種固定變量的分析。

1.1 淡水收集器

圖1（b）所示的淡水收集器底面為邊長50 cm的正方形，頂面稍微傾斜，長邊高為60 cm，短邊高為50 cm，其內部中空，底部不封閉，其他5個面封閉，內有高3 cm，頂端距儀器壁10 cm的斜槽，該斜槽由四條靠邊的內部隔板組成，上部和下部共有3個孔徑為?2 cm的小孔。

晴朗天氣下，太陽輻射以短波輻射的形式射向地面，會以長波輻射的形式反射，淡水收集器采用透明有機玻璃板制作，可以吸收短波輻射，透光性達到90%以上且不隨時間衰減，采光面積大。而反射后的長波輻射卻難以透過玻璃面板，其內部形成小型的密閉溫室，減少熱量的散失，容器內溫度上升。中空的淡水收集器可以將熱量傳遞給直接接觸的水槽內海水，海水受熱后水分子動能加劇，運動加劇，動能大于水分子之間的內聚能時就能從水表面散逸，表面水分子在濃度梯度的作用下向水分子濃度較低的空氣運動，即從液態轉化為氣態，成為水蒸氣。水蒸氣向上運動，當它接觸到溫度較低的容器上壁及側壁，或由于夜晚溫度下降受冷在容器壁面上轉化回液態。收集器頂部設計成斜板，冷凝形成的水珠在自身重力作用下滑動，與相鄰水珠結合匯聚，當水珠重力足夠大時便會在重力作用下沿著傾斜壁頂下滑，收集在容器底部的傾斜溝槽中，順著底部預留小孔流入收集管道。

1.2 海域模擬水槽設計

圖1（c）所示的海域模擬水槽其尺寸為50 cm×50 cm×20 cm，壁面用透光材質，能滿足可視化要求，并具有耐用性和抗腐蝕性。該水槽意在模擬現實中的海域情況，加入包括江、河、湖泊中的淡水或海洋中的海水，形成與現實中相似的水域，然后與淡水收集器一同組合形成密閉空間，當溫度達到一定程度時，水槽中的水轉化成水蒸氣上升進入到淡水收集器中。

1.3 雨水收集器設計

圖1（d）所示的雨水收集器沿淡水收集器頂部的原有基礎上加高10 cm的擋板，擋板的材質為透明有機玻璃，以此形成傾斜的雨水收集器。并且在較低處預留了孔徑為?2 cm的小孔，在小孔處加上管道，在下雨時雨水落入頂部收集器，在重力作用下沿著容器本身設置的斜坡落入預留的小孔，進而進入管道完成自動收集。

1.4 裝置性能分析

本裝置基于海水自然蒸發的原理，通過收集海洋由于光熱蒸發而產生的淡水以及我國南海地區遠洋海島豐沛的降水資源，在節能減排、充分利用自然資源的同時，可緩解遠洋海島淡水資源的匱乏，主要的性能特點：

（1）節能環保。系統不需外界提供能量，可獨立運行，實驗裝置設置一定的高度差，使蒸發的水汽由于與容器壁的溫差自動凝結，并在重力作用下匯聚收集，系統不需要增加任何外來動力。不受蒸汽、電力等條件限制，實現了零消耗，對能源緊缺且環保要求高的地區有很大應用價值。

（2）低碳清潔。傳統工藝需消耗大量化石燃料提供燃力進行淡化，在燃燒時會向環境排放大量溫室氣體，而本文設計的裝置利用太陽能，實際生產工藝過程中，不會產生污染問題。

（3）節約經濟。傳統海水淡化技術投資較高，設備昂貴，能源消耗過大，這在緩解淡水資源緊張的同時，也給資源和能源帶來了新的壓力。本文所用的太陽能具有儲量無限、零成本的獨特優勢，無機械動作，無噪音，無需專人管理和日常維護，只需定期收集完成淡化的海水。與目前已有的技術相比，裝置在正壓和常壓下運行，省去了真空泵等高能耗組件，設備運行成本低，實驗的環境要求較低，實用性強，同時，裝置的設備簡易、材料簡單、制造成本低廉、安裝方便、操作簡單，便于安裝。應用前景廣泛。

（4）不占用土地資源。本文裝置可安裝在海面，無需使用陸地資源，尤其在土地資源本就稀缺的孤島和土地資源較為緊張的各沿海城市。

2 實驗采樣和測量

該海水淡化收集實驗裝置可配置多種采樣、測量計進行現場采集和測量：

（1）裝置溫度與濕度的采樣與測量。見圖1（a）所示，位于淡水收集器距頂部5 cm處預留的一個?2 cm小孔，在這個小孔處插入溫度濕度計探頭，并將小孔除溫度濕計傳導線路外的縫隙密封，以保證裝置的密閉性。然后用這個儀器每天定時測量裝置內部的溫度與濕度，再加以記錄以獲取該裝置內部的濕度與溫度在各個時段的變化情況。

（2）淡水收集量的采樣和測量。見圖1（a）所示海水淡化收集裝置的海域模擬水槽中加入等量江、河、湖泊中的淡水和海洋中的海水，經太陽光照射后，水槽中的水轉化為水蒸氣，水蒸氣在頂部冷凝后延著容器內壁流到淡水收集器內部預留的斜水槽，斜水槽下部預留了2個孔徑為?2 cm的小孔，小孔由橡皮泥堵住，然后定時抽取已收集的水，用量筒測量所收集的水的體積并加以記錄，以此獲得該裝置在各時段所收集的淡水量。

（3）雨水收集量的采樣和測量。在圖1所示的雨水收集器中所預留的小孔處安裝管道，并通入同一個帶有刻度的收集器中，即可在重力作用下完成雨水自動收集。在下雨時，記錄不同時刻收集器中所收集的總水量，再通過計算可得不同時刻所收集的雨水量。

3 實驗方法

3.1 準備海水

準備足量氯化鈉化學試劑、Solinst Levelogge、以及清水配置平均電導率為40 mS/cm與海水等電導率的溶液。根據圖1水槽規格（50 cm×50 cm×20 cm），加清水至水槽內水深達到12 cm左右，往清水中加入氯化鈉固體，攪拌至完全溶解。使用圖2所示Solinst Levelogger電導率儀測量水槽中平均電導率的溶液鹽度，根據顯示的讀數少量多次加入氯化鈉或清水，直至讀數保持在40 mS/cm海水配置完成。

3.2 組裝儀器

在圖1海水淡化收集實驗裝置中組裝濕度計傳感變送器：

（1）安裝溫濕度傳感變送器。在淡水收集器壁上固定1個掛鉤，固定好溫濕度計探頭，用于監測密閉容器內的空氣溫度及濕度。將探頭伸入容器側壁預留小孔與掛鉤纏繞固定懸空放置于淡水收集器內，顯示器置于容器外。同時，準備第2臺溫濕度計用以監測實驗環境的溫度和空氣濕度。并將溫濕度計與電腦連接，實時監測裝置內外溫度和濕度數據，容器內外兩組溫度、濕度數據應對比觀測。

（2）裝置組合。淡水收集器完成溫濕度計的固定以后，輕置于水槽上，在容器外壁標記水面位置，固定水量。

根據蒸發冷凝的實驗原理，后續實驗中收集淡水并不會減少水槽內氯化鈉的質量，只需維持水量相等，即可保證水槽中是與海水相同電導率的水。3 d為1周期，定期定量補充清水，維持水量，保證實驗海水電導率。

3.3 收集淡雨水

選址在實驗室空曠的露臺進行實驗，有利于充分接收太陽輻射，同時減少人為因素對溫度、光照等實驗條件的干擾。

晴天時，太陽光直射該裝置，使得與水槽組成的封閉系統中的溫度上升，裝置內部的水轉化為水蒸氣上升，并在該裝置頂部觸頂冷凝，冷凝的水沿著有一定角度的頂面及各個壁面向下流，最終流入下方預留的斜槽，最后通過如圖1（b）所示斜槽所接的淡水收集管道進行自動收集。以2 d為收集周期，在相同的時間點使用醫用針筒從裝置壁設計的孔洞抽取集水槽內匯聚的淡水，并通過100 mL量筒測定收集的淡水體積，記錄數據。在記錄收集淡水體積的同時，記錄當日測得的最低氣溫、最高氣溫、大氣相對濕度等天氣狀況，便于數據分析。

在雨天，降雨落入裝置外側集水支架。傾斜的集水支架能夠使雨水在自身重力作用下順勢流動，匯入雨水回收裝置儲存。

4 實驗數據分析

在晴雨兩用遠洋海島海水淡化收集實驗裝置的海域模擬槽中加入NaCl配置的模擬海水，其電導率與海洋海水的電導率基本保持一致，實驗的晴雨兩用遠洋海島海水淡化收集實驗裝置內安裝了溫度計、濕度計，并保持裝置的密閉性。通過實驗并記錄收集的溫度、濕度和淡水收集量等數據并整理分析，得到了較好的結果。

（1）裝置處地高濕度狀態有利冷凝水形成。由圖3可知：每天隨時辰溫度的升高，密閉裝置內相對濕度逐漸增加，但裝置內的相對濕度始終保持在接近100%的水平。裝置內出現濕度的波動是由于濕熱的空氣會在裝置罩的內壁上冷凝，產生一定量的冷凝水，冷凝水又會吸收周圍的濕空氣中的水分，故而使裝置內的空氣濕度段時間降低；裝置內空氣的濕度降低后，溫度的升高會促進海水的進一步蒸發，使濕度再次接近100%。這也說明了裝置內空氣趨于飽和狀態，一旦條件適宜，裝置內空氣中的水蒸氣就會冷凝。這也為后期裝置的改良和改進提供了新的思路。

（2）氣候溫差偏大有利冷凝水形成。實驗在4月的南京地區進行，查詢天氣網4月份南京市溫差最大為11℃，最小為5℃，多數集中在10℃上下，平均溫差為9.2℃。淡水收集量最大能達到13.56 ml/d，最小為5.1 ml/d，平均收集量為11.43 ml/d。圖4由實驗數據取得的溫差與淡水收集量的相關性關系圖表明，溫差越大，淡水收集量越多。當1 d之內的溫差較大時，更易于實驗裝置內的熱蒸汽冷凝，故在每日溫差較大時更易收集到更多的蒸發淡水。

5 結 語

本文設計的晴雨兩用遠洋島嶼海水淡化收集實驗裝置及給出的具體實驗操作方法，經實驗和分析得出：①通過與傳統海水淡化工藝的對比，實驗裝置具有清潔環保、經濟便攜多用、裝置及操作簡單、不占用土地資源等多重優勢。開發利用可再生能源太陽能實現海水淡化有利于我國海島淡水供應問題具有現實意義和應用前景。②海水淡水收集裝置構想合理，安裝溫濕度計能夠在節省人力的條件下使實驗數據得到實時監測，實驗步驟操作也很簡單。淡水收集裝置內濕度始終維持在99%左右，接近飽和狀態，具備冷凝條件。③我國南海地區終年多雨，降水量大，雨水回用可以極大地緩解遠洋海島淡水資源緊張的問題，滿足島民用水需求；同時通過集水支架在重力作用下實現雨水自動回收極大程度上解決了耗費人力的問題。

該實驗裝置收集效果良好，若進一步創造更為有利的冷凝條件，提高裝置的冷凝效率，則能在更大程度上將裝置內接近飽和的水蒸氣轉化為可收集的淡水。