太陽能在鹽水處理中的應用

謝躍林，劉慧敏，王美慧，高爽，丁健,2，王亞雄,2

(1.內蒙古自治區煤化工與煤炭綜合利用重點實驗室，內蒙古科技大學化學化工學院，內蒙古 包頭 014010；2.內蒙古煤炭綠色開采與綠色利用協同創新中心，內蒙古 包頭 014010)

海洋、鹽湖等存在大量無法直接利用的鹽水，而工農業生產會消耗淡水、甚至產生大量的高鹽廢水[1]。將海水、鹽湖咸水等經適當處理后可實現對淡水資源的有效補充[2]、能夠帶來環境與經濟的雙重效益。因此對高效、節能鹽水處理工藝和設備的研究尤為必要[3]。利用自然界的可再生能源——太陽能來處理鹽水能顯著提高處理效率并節約能源，是一種環保經濟的生產淡水的方式[4]。大多數海水淡化、高鹽廢水脫鹽系統可以直接使用熱能，濃縮太陽能熱能非常適合應用于鹽水處理[5]。由于太陽能可以直接使用，所以太陽能可用于發電、供熱、冷卻從而達到脫鹽和制取淡水的目的[6]。所以，開發利用光熱、光電轉換等新型設備和高效利用太陽能處理鹽水至關重要。

1 技術進展

1.1 太陽能耦合蒸餾技術進行鹽水處理

1.1.1 太陽能直接蒸餾脫鹽 由于大多數脫鹽過程都是依靠熱進行的，因此太陽能可以直接用作熱源，或直接在太陽能集熱器中產生蒸餾物，因此是一種簡單、經濟的蒸餾方法[7]。如高鹽廢水的傳統處理方法是利用蒸發池直接吸收太陽光并蒸發鹽水、最終實現零液體排放。蒸發池也可以結合光熱裝置，將陽光轉化為中紅外輻射、通過輻射耦合在水表面進行熱化以提升光熱效率[8]。太陽池是以太陽輻射作為能量來源的人造鹽水池，作為重要的低溫熱源裝置，已成為大規模太陽能熱利用尤其是用于海水淡化的最廣泛技術[9]。該系統包括太陽池與海水淡化兩部分，濃縮海水首先被輸送至太陽池，在濃度梯度下熱交換后，下對流層的熱濃鹽水引入底部換熱器并與海水淡化部分進行熱交換；海水淡化部分采用蒸餾法進行海水淡化，所得淡水部分再注入太陽池的上對流層。這樣，可以最大程度的實現能量和水資源的有效利用。

1.1.2 太陽能集熱蒸餾脫鹽 由于陽光分散、能量密度低且存在周期性的變化，集中太陽能以提高工藝的運行溫度是目前的研發熱點。常澤輝等[10]設計了三反射面聚焦槽式聚光器和鏡像焦點重疊式聚光器以聚焦太陽能、并直接加熱海水，產生的水蒸汽再輸入到海水淡化裝置中生產淡水和制鹽。Jang[11]則設計了直接太陽能熱蒸餾裝置，用作太陽光吸收劑的“黑色”復合泡沫有效地加熱鹽水以產生淡水蒸氣，同時鹽分截留率>99.5%。此外，通過使用拋物線型太陽能收集器(CPC)和平板集熱器等來吸收太陽能可以為蒸餾脫鹽工藝提供高品位熱能。CPC集熱的太陽能淡化系統主要由集熱系統(熱管式集熱器等)、預熱系統、蒸發冷凝系統等組成。關弘揚等[12]設計了一種結構新穎的小型集約化多級滿液型蒸發回熱式太陽能淡化系統，系統由5個集熱/回熱單元組成，每個單元由一個簡化式CPC集熱板、一個真空玻璃管集熱/回熱/冷凝一體化裝置和一個補水器組成。Rahman[13]通過平板太陽能集熱器將水預熱至55～60 ℃，然后CPC加熱預熱過的鹽水至85 ℃以上蒸發。該過程中太陽能作為唯一動力供給。Cheng等[14]設計了一種垂直分層太陽集熱蒸氣發生器，用于高效、穩定地蒸發工業高鹽廢水。

1.1.3 太陽能耦合多效蒸發處理鹽水 由于低溫多效蒸發技術對熱源要求不高，太陽池集熱的多效蒸發海水淡化系統廣為使用，該系統利用鹽度梯度太陽池集熱和蓄熱耦合低溫多效蒸發進行海水脫鹽，具有較好的能源效率和經濟效益[9]。此外，田禾[15]綜合多級閃蒸和多效蒸發兩種系統的優點，設計制造了具有一效蒸發器的太陽能閃蒸-多效蒸發海水淡化裝置，在海水溫度為68～78 ℃范圍內具有較高的產水量，且系統內部溫度不變，尤其適用于太陽能熱源不穩定情況。顧明等[16]耦合太陽能平板集熱系統和多效蒸發器建立了太陽能低溫多效蒸發海水淡化系統。隨著集中式太陽能的快速發展，劉曉華[17]設計了真空管集熱的太陽能低溫多效蒸發海水淡化裝置，該裝置在天氣晴朗時無需其他能量而自動制取淡水。Wei等[18]基于此提出了一種全分離多效蒸發系統，利用太陽能等熱源對送入全分離罐的空氣進行預熱，使罐中噴出的最后一次濃縮的高濃度鹽水完全蒸發。機械蒸汽再壓縮技術(MVR)[19]具有蒸發溫度低、熱效率高等優點，尤其適用于脫鹽和淡水制取。為降低高鹽廢水蒸發結晶過程中MVR系統的能效，田雨[20]提出耦合太陽能集熱的MVR蒸發結晶系統，仿真分析結果表明該系統壓縮機耗功顯著降低，系統性能系數達到24.96。周封[21]提出了一種利用太陽能的MVR高鹽污水處理系統，采用分離子系統和余熱回收子系統實現兩級預熱/冷卻方式，結合太陽能子系統預熱，以及濃縮、干燥子系統中的蒸汽壓縮回收利用，有效降低了成本。Onishi[22]將太陽能輔助朗肯循環與MVR相結合，建立了太陽能等可再生能源驅動的零排放淡化廠。將太陽能熱泵技術應用于多效蒸發淡化工藝中是海水淡化領域的一個新的設計概念，且其在造水比和能源效率等方面具有較大優勢。該工藝以太陽能作為熱源，第二類溴化鋰吸收式熱泵機組利用低溫熱源的熱能，制取所需要的高溫熱媒(熱水)，實現從低溫向高溫輸送熱能[23]，再通過多級閃蒸和蒸餾等方式來實現鹽水淡化。

1.2 利用太陽能發電進行鹽水處理

通過收集和轉換太陽能為電能已被廣泛用于鹽水處理中的電能補給或為脫鹽過程直接提供動力，如利用太陽池底部和表面較大的溫差進行發電并作為鹽水處理的高峰用電的補充電能。

1.2.1 太陽能蒸汽發電進行鹽水處理 Sun等[24]提出了一種具有較高的集光和傳水性能的新型雙層太陽能蒸汽生成裝置。該裝置在光照條件下，超高壓蒸氣產生率為2.10 kg/(m2·h)，太陽能熱效率為92.8%。因此，該裝置可直接用于發電和水凈化等用途。Demir[25]提出了一種新穎的太陽能蒸汽發電機(TEG)單元驅動反應堆發電和鹽水處理，熱效率為7.46%，產生551.2 W的電能、同時生產凈水。由于在傾斜自然光照明條件下蒸發器的性能較低，制造全向照明下高效太陽能蒸發器(SSG)是該技術的核心。Wang[26]設計了具有多分支、多孔和分層結構的超黑松果膠(UBP)，在全向照明下表現出優異的SSG性能。如蒸發量為1.86 kg/(m2·h)，蒸發率為97.85%。UBP還在濃鹽水處理中顯示出良好的耐鹽性。Guo等[27]構建了混合水凝膠蒸發器，具有充足的水運輸、有效的水活化和防鹽污染功能等優勢。

1.2.2 太陽能光伏發電進行鹽水處理 由太陽能直接供電的新型太陽能蒸餾器是一種有效的脫鹽過程。Wang等[28]研究了由光伏電池驅動的太陽能蒸餾器淡化系統，并估算了太陽能利用、淡水生產和鹽生產情況。Diego[29]對太陽能光伏和海鹽電池的尺寸進行了仿真研究。結果表明，30 kWp的光伏系統與50 kWh的海鹽電池相結合，可以100%的滿足海水淡化的電力需求。

1.2.3 太陽能煙囪發電進行鹽水處理 利用太陽能煙囪強化海水蒸發、在煙囪底部形成強大的飽和濕潤氣流，冷凝后獲取其中的水分，冷凝余熱或冷凝水用于發電，實現了集發電和海水淡化于一體的經濟性系統。左潞[30]將太陽能煙囪發電與空氣能熱泵聯合進行海水淡化，該系統充分利用太陽能、將太陽能煙囪與太陽池相結合，為空氣能系統提供電能，保證了海水淡化的穩定性；同時提供一定的冷量，用于高溫場所的降溫。

1.2.4 太陽能發電耦合電滲析進行鹽水處理 太陽能發電裝置進行光電轉換后，所得電能輸入電滲析裝置后為電滲析膜堆提供電力支持，經提取鈉離子和氯離子后，達到脫鹽淡化之目的[31]。

1.3 太陽能耦合膜蒸餾系統進行鹽水處理

太陽能-膜蒸餾系統是具有較高效率的鹽水處理技術。Wang等[32]設計了一種新型的太陽能-真空膜蒸餾(SVMD)系統用于微咸水淡化或高鹽廢水處理，該系統淡水生產的保留率大于99.67%，平均脫鹽率超過90%。Boukhriss等[33]將膜蒸餾系統與高效太陽能收集器耦合，生產高品質的飲用水和少量不受水源鹽度影響的微咸水。Miralles-Cuevas[34]研究將太陽能與納米膜過濾(NF)相結合，可處理廢水中的微污染物和鹽分。此外，NF預處理能夠以較低的流速和較高的起始濃度進行，從而減少了太陽能收集器的面積。Yu[35]以親水性單壁碳納米管(SWCNT)膜作為過濾器、并在乙醇中分散多壁碳納米管(MWCNT)粉末，通過簡便的真空過濾方法制備全碳納米管雜化膜。親水性SWCNT膜為水提供了滲透通道，而超疏水性MWCNT具有自清潔、自擴散和寬帶吸收的能力。因此，該雜化膜具有超高的太陽光吸收率(約99%)、低導熱率和出色的光熱轉換能力。當多個膜自組裝成大膜(約40 cm2)時，太陽熱效率保持在約80%。Said[36]設計了“納米光子太陽能薄膜蒸餾(NESMD)”系統使用太陽能進行鹽水脫鹽制取淡水。通過在商用聚四氟乙烯膜表面的疏水聚丙烯載體上的納米涂層中嵌入炭黑納米粒子以捕獲光子，從而吸收照射在其表面80%的太陽光，使局部產生較高熱量，加熱沿著滲透膜一側流動的鹽水并加快水的蒸發。產生的水蒸氣從熱的一側通過膜蒸餾被拉到冷一側后遇冷形成淡水。該系統中太陽能為唯一能源輸入，也無需提供冷卻水。李正良等[37]基于降膜蒸發與凝結機理，設計了一臺具有四效回熱性能的吸收式太陽能耦合膜蒸餾海水淡化系統。由于在本系統中采用了橫管、豎管降膜蒸發及降膜凝結技術，多數的蒸汽潛熱及部分鹽水的顯熱得以多次重復利用，而且由于對最末效蒸汽進行了主動吸收，因此回收了蒸汽的焓、強化了最后一效的蒸發過程，因而系統具有較高的性能系數。隨著材料科學的飛速發展，各種先進的膜材料涌現用于合成太陽能蒸發淡化膜以提高效率。Prihatiningtyas[38]通過溶液澆鑄成功制備了一系列三醋酸纖維素/Ludox-二氧化硅納米復合物全蒸發膜，提高三醋酸纖維素膜的脫鹽性能。Mao[39]報道了通過疏水過濾法制備的具有疏水表面的納米級插層氧化石墨烯(GO)膜。SiO2納米顆粒通過物理混合提高了GO膜的表面粗糙度。接枝十六烷基三甲氧基硅烷進一步提高了膜的疏水性。除在高溫下逐漸增加的水通量外，出色的脫鹽性能還可以通過改變鹽濃度或在進料中添加模型污垢劑來保持穩定。

1.4 其它利用太陽能脫鹽新技術或集成技術

1.4.1 增濕-去濕鹽水淡化技術 與蒸餾法及反滲透法不同，增濕-去濕(HDH)技術作為一種新型的鹽水淡化技術，采用強化傳熱傳質、改善回熱等措施，解決傳統太陽能蒸餾器存在蒸發慢、凝結慢、回熱差等問題，產水率有較大提升。該工藝一般以空氣等為載氣，通過對鹽水增濕和去濕操作后制取淡水[40]。為提高過程的熱效率，常將去濕與增濕過程耦合，冷凝潛熱直接傳遞到蒸發室后為蒸發過程提供汽化潛熱。Fouda等[41]開發了太陽能輔助加濕-去濕脫鹽系統與熱回收和熱儲能裝置的集成，以提高系統生產力、降低輔助耗電量和系統尺寸，確保系統持續運行。

1.4.2 利用界面蒸發的太陽能淡化 界面太陽能驅動的蒸發可將太陽能有效轉化為熱能進行脫鹽。Wu[42]將功能性F和Na位點分散在等離子制成的垂直取向石墨烯納米片上，石墨烯納米結構通過毛細作用將水向上泵送，以及納米陷阱帶來的高吸光率，鰭狀納米結構增強了快速的界面傳熱，以及石墨烯尖銳邊緣加速了界面蒸發。不過，局部加熱和生成的界面蒸汽會導致鹽在蒸發器表面積聚，并阻塞蒸汽蒸發的通道，因此減少了太陽能吸收器的光吸收效率和使用壽命。通過光熱材料和結構工程的設計可以有效解決鹽累積的問題。Zhang等[43]利用木材制成的氣凝膠具有良好的親水性、低的導熱性和較輕的重量，實現了較高的太陽能轉化率(90.1%)。重要的是，蒸發器在夜間可完成鹽殘留物溶解而自清潔，保證了脫鹽的穩定性。Fan[44]設計了分層太陽能吸收體系，包括3D MXene微孔骨架和垂直對齊的MXene納米片，并裝飾有金屬-有機骨架衍生、嵌有鈷納米顆粒的二維碳納米板的垂直陣列。三類光熱材料的合理整合可實現寬帶光吸收、有效的光熱轉換、低熱損失以及快速的水傳輸行為。此外，當與帶有親水通道的疏水絕緣層組裝在一起時，可以有效地抑制鹽的結晶。Dong等[45]結合靜電紡絲和纖維冷凍成型技術，制備了垂直排列的結構和多孔結構的器壁所組成的彈性陶瓷基納米纖維氣凝膠，促進了對流和擴散作用，即使在20%的鹽水中和在陽光照射下，氣凝膠亦能表現出優異的耐鹽性。此外，由于特殊的結構與碳納米管的吸光度的協同作用，氣凝膠的吸光度高達98%，蒸發性能達到1.50 kg/(m2·h)。Gong等[46]展示了多功能天然膜界面蒸發的新概念，實現了從太陽能收集到廢熱回收和存儲的能量轉換的整個循環，同時有效地對水進行淡化和凈化，集水率高達81.0%，并且清潔水效率為67.4%。

1.4.3 自持式太陽能脫鹽技術 Ramalingam等[47]提出了自持式可見光驅動的電化學氧化還原脫鹽，即利用可見光照明，使咸水連續脫鹽為淡水。該體系內部集成了準固態染料敏化太陽能電池和具有雙功能鍍鉑石墨紙電極的連續氧化還原流脫鹽裝置，可以將能量轉換和水脫鹽結合在一起，避免了脫鹽時電能的消耗。Wang等[48]研究人員將“螺吡喃”分子錨定于鋁基金屬有機框架中，利用其“遇暗變陰陽，遇亮則復原”的特性，借助光調節，完成鹽離子吸附和析出的過程。該吸附劑具有穩定的脫鹽性能，為未來開發低能耗淡化技術提供了新思路。

1.4.4 其它太陽能耦合脫鹽技術 由于高的電池電極容量和低的能量消耗(主要歸因于放電過程中的高能量回收)而實現的高脫鹽能力，電化學去離子是一種從水溶液中脫除可溶性帶電離子的新興技術方法[49]。其中，太陽能耦合脫鹽電池是一種新型的脫鹽集成技術，通過輸入來自光電轉換的電能，在電極表面進行法拉第反應而提取鹽溶液中的鈉離子和氯離子、實現脫鹽淡化。然后再通過放電過程(兩電極短接或反向施加電壓)釋放離子到濃鹽水中，同時回收部分能量。楊帆等[50]結合超聲霧化和太陽能蒸發處理高鹽水，實現同步回收淡水和鹽分。超聲霧化系統將高鹽水霧化為小液滴，進入太陽能蒸發系統中迅速氣化，液滴中鹽分析出為鹽分小顆粒。

2 總結與展望

鹽水處理不僅要保障其有效性和經濟性，還要注重節能環保、運行成本和能源效率等。由于利用太陽能脫鹽不僅具有能耗低、效率高等優點，而且還可以制取淡水和實現廢水資源的再利用，所以對太陽能的應用研究仍然是熱點，且未來研究重點在如下幾個方面：

(1)新結構設計：強化傳熱、傳質裝置的設計和應用，如各種類型的鼓泡蒸發筒、鼓泡器、冷凝筒、熱管、波紋導熱板等的合理應用；

(2)新材料合成：石墨烯、碳納米管、氣凝膠等新材料作為吸收劑或載體來改善太陽能脫鹽性能。如最大程度地吸收太陽光、減少熱量散失造成的能量損失、提高機械穩定性等；

(3)工藝技術集成：脫鹽電池與太陽能光電系統的耦合、電容去離子技術與光伏電池的耦合等新技術的集成；

(4)多能源耦合：太陽能、風能或其他形式的能量(如濃/淡鹽水之間的滲透能)在脫鹽過程中能量的耦合匹配及系統集成設計。