1.1。概觀

雖然地球表面有近四分之三被水覆蓋，但只有3％的水是可飲用的，也就是說(shuō)，它含有500或更少的鹽[2]。淡水的供應(yīng)一直是人類(lèi)歷史上最重要的問(wèn)題之一。因此，大多數(shù)文明在靠近泉水和河流的肥沃地區(qū)發(fā)展。然而，由于到處都沒(méi)有淡水，古代人類(lèi)不得不學(xué)習(xí)如何將海水和咸水地下水轉(zhuǎn)化為飲用水。歷史上，海水淡化一直是飲用水生產(chǎn)中最昂貴的方法[3]。在公元前四世紀(jì)，亞里士多德描述了一種蒸發(fā)污染水然后冷凝水蒸氣以獲得淡水的方法[4]。第一次記錄的海水淡化應(yīng)用可以追溯到長(zhǎng)途海上航行很常見(jiàn)的時(shí)候（公元200年左右）。在這些航行中，海水被煮沸以產(chǎn)生水蒸氣，然后被大海綿捕獲并凝結(jié)[4]。

然而，近年來(lái)，由于人口增長(zhǎng)，對(duì)淡水的需求迅速增加。據(jù)報(bào)道，到2025年世界人口中約有70％將遭受淡水短缺[5,6]。因此，大量的研究和開(kāi)發(fā)旨在尋找有效的水處理技術(shù)[7-15]。

一個(gè)五口之家的基本需求（飲用和烹飪）所需的飲用水量為20?升/天[16]，可增加至50?升/天（10

1

在極熱的環(huán)境中升/天/人[17,18]。因此，選擇提供這種方法的方法主要取決于氣候條件，能源的可用性以及海水淡化系統(tǒng)的應(yīng)用。因此，對(duì)不同技術(shù)及其要求的廣泛了解對(duì)于為特定位置選擇適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)至關(guān)重要。

1.2。海水淡化技術(shù)

海水淡化技術(shù)可分為相變熱處理，單相膜技術(shù)和混合系統(tǒng)，如圖1所示。熱處理可分為兩類(lèi)：直接方法，當(dāng)所有部件集成到一個(gè)系統(tǒng)中時(shí);?間接方法，外部熱源提供熱能[19]。

圖1.海水淡化方法1.2.1。膜技術(shù)

膜技術(shù)使用半透膜，允許水分子通過(guò)并捕獲鹽和其他污染物。這種方法最初是

2

僅限于城市水處理，但由于膜類(lèi)型的發(fā)展，這種技術(shù)的使用已經(jīng)擴(kuò)展到其他行業(yè)和應(yīng)用[20]。

在正向滲透（）中，溶劑將自然地從低溶質(zhì)濃度區(qū)域通過(guò)半透膜到達(dá)更高濃度區(qū)域。這些系統(tǒng)分兩步運(yùn)行;?首先，對(duì)汲取溶液進(jìn)行滲透稀釋，然后從稀釋的汲取溶液中提取脫鹽水[21]。后處理通常是困難且昂貴的，因此這些系統(tǒng)不能作為單獨(dú)的水脫鹽工藝[22]。

反滲透（）是大規(guī)模水生產(chǎn)中最有效的海水淡化方法之一，然而，這些系統(tǒng)需要對(duì)鹽水進(jìn)行大量的預(yù)處理[23]。這使得它們對(duì)高度污染的給水的小規(guī)模處理成本很高[24]。此外，在反滲透中，必須施加顯著的壓力以克服滲透壓[23]，這需要昂貴且精密的泵。因此，這些系統(tǒng)在需要小規(guī)模生產(chǎn)（偏遠(yuǎn)和農(nóng)村地區(qū)）的海水淡化中的應(yīng)用是不經(jīng)濟(jì)或不合適的。

膜蒸餾（）是另一種方法，它采用熱能和膜技術(shù)進(jìn)行水凈化。因此，使用疏水性微孔膜，其僅允許水蒸氣通過(guò)[23]。膜另一側(cè)的冷凝器冷凝水蒸氣以產(chǎn)生淡水。這些系統(tǒng)對(duì)污染物濃度和給水溫度高度敏感，通常需要高水溫才能提供所需的蒸汽壓力。此外，膜中捕獲的任何空氣都會(huì)進(jìn)一步阻礙傳質(zhì)[25]。

3

由于需要高壓，據(jù)報(bào)道這些膜技術(shù)需要高電能輸入[26]。此外，膜技術(shù)通常會(huì)遭受膜污染[27]，因此需要定期維護(hù)。這些問(wèn)題排除了低成本解決方案的膜技術(shù)。

1.2.2。熱過(guò)程

熱脫鹽過(guò)程基于相變?cè)?，其中將熱量添加到水中以引發(fā)蒸發(fā)。隨后從水蒸氣中除去冷凝潛熱，導(dǎo)致冷凝。冷凝水是飲用水，留下污染物。

在單級(jí)蒸餾（）系統(tǒng)中，如圖2所示，脫鹽分兩步進(jìn)行;?首先，通過(guò)在蒸發(fā)室中直接供熱來(lái)蒸發(fā)鹽水。其次，水蒸氣在冷凝器中冷凝，產(chǎn)生淡水。

圖2.單級(jí)蒸餾（）系統(tǒng)的基本原理圖[28]

方法需要大量的能量和高溫來(lái)煮沸和蒸發(fā)水[29]。據(jù)報(bào)道，該方法僅適用于應(yīng)用程序

4

具有緊湊尺寸的單元是重要的[29]，并且熱能源是高溫，廉價(jià)和豐富的。工藝已成功應(yīng)用于熱電聯(lián)產(chǎn)[30]和船舶應(yīng)用[29]。降低蒸發(fā)器中的壓力會(huì)降低沸騰溫度，從而降低蒸發(fā)所需的能量。此外，通過(guò)顯著加熱鹽水給水來(lái)回收冷凝潛熱，提高了系統(tǒng)的整體效率。為解決此問(wèn)題，我們引入了多級(jí)閃蒸（），多效蒸餾（）和被動(dòng)真空脫鹽（）。

在多級(jí)閃蒸（）脫鹽方法中，海水或微咸水通過(guò)一系列分級(jí)換熱器預(yù)熱，同時(shí)也用作冷凝劑以冷凝蒸汽，如圖3所示。為了最大化這些系統(tǒng)的產(chǎn)量需要高水溫和每個(gè)階段的連續(xù)減壓[31-33]。然而，較高的工作溫度會(huì)增加結(jié)垢的可能性[34,35]，這會(huì)隨著時(shí)間的推移而損害系統(tǒng)性能。

蒸汽噴射器（真空泵）

圖3.海水淡化系統(tǒng)的示意圖[31]

與系統(tǒng)類(lèi)似，如圖4所示的多效蒸餾（）裝置由一系列低壓熱交換器組成，稱為“效應(yīng)”。然而，系統(tǒng)重復(fù)利用冷凝潛熱來(lái)蒸發(fā)海水[23]，制造它們

五

比更有效[36]。通常，在第一階段需要高鹽水溫度和低壓以最大化蒸發(fā)。然而，有些系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于在較低溫度下運(yùn)行[37]，這樣可以減少結(jié)垢，但需要額外的傳熱面積[32]。

：蒸發(fā)器：管中管式冷凝器：熱源：給水泵：產(chǎn)品水箱：鹽水收集罐，2，3，4，5：閥門(mén)

高度大于10米的結(jié)構(gòu)（例如建筑物，住宅等）

為了給這些和系統(tǒng)提供低壓，采用了真空泵，增加了使用的能源以及對(duì)更多維護(hù)的需求

[39]。這導(dǎo)致了被動(dòng)真空脫鹽（）的發(fā)展，如圖5所示。

23

到鹽水儲(chǔ)罐

我^

一世

1

?

到淡水儲(chǔ)水箱

圖5.海水淡化裝置的示意圖[39]

6

在中，真空條件由來(lái)自蒸發(fā)器底部的下落水提供，使得系統(tǒng)獨(dú)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]。

在所有上述蒸餾技術(shù)中，需要高溫源以將鹽水溫度提高到沸點(diǎn)，或者需要有效的真空壓力以降低鹽水的沸點(diǎn)。這些問(wèn)題排除了這些用于低成本應(yīng)用的方法。

為此，加濕除濕（）脫鹽技術(shù)是蒸餾過(guò)程的替代方法。典型的系統(tǒng)，如圖6所示，使用空氣作為載氣[40]將水蒸氣從加濕器輸送到除濕器。由于該方法基于空氣流的加濕，因此可以在低溫和大氣壓下操作。在這些系統(tǒng)中，所需的蒸發(fā)熱量被傳遞到水流，空氣流或兩者。隨后，兩個(gè)流在加濕器中相互作用，這導(dǎo)致空氣流的加濕。然后，通過(guò)除濕器中的冷卻流體從潮濕空氣中除去潛熱，從而產(chǎn)生飲用水。

鹽水出水集水盤(pán)^^^

圖6.水加熱海水淡化裝置的示意圖[41]

在目前可用的海水淡化系統(tǒng)中，方法已被證明是一種成本和能源效率的解決方案，適用于家庭住宅的小規(guī)模生產(chǎn)飲用水或向偏遠(yuǎn)和農(nóng)村地區(qū)供水[41-43]。與基于膜的技術(shù)不同，系統(tǒng)可以用更高濃度的鹽凈化鹽水，這使得它們成為從天然氣井生產(chǎn)淡化水的有力候選者[44]。系統(tǒng)的其他優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，安裝成本適中，容量靈活，運(yùn)營(yíng)成本低[40]。

1.3。太陽(yáng)能輔助海水淡化

目前許多海水淡化廠使用化石燃料為膜技術(shù)的熱過(guò)程和電能提供熱能[42]，但這些通常成本高且不具有環(huán)境可持續(xù)性[45]。開(kāi)發(fā)可以使用可再生能源運(yùn)行的海水淡化系統(tǒng)似乎是經(jīng)濟(jì)的，環(huán)保的。

由于缺水主要見(jiàn)于富含太陽(yáng)能的貧瘠和偏遠(yuǎn)地區(qū)，利用太陽(yáng)能提供所需的能源是這些地區(qū)缺水和污染的明顯解決方案。太陽(yáng)能是地球上最大的能源，所有其他能源都來(lái)源于此。

許多研究探索了太陽(yáng)能在各種海水淡化方法中的應(yīng)用[46-57]。在上一節(jié)提到的脫鹽方法中，蒸餾過(guò)程（?，?，?，）和膜技術(shù)（，，）需要高價(jià)值的能源，因此不適合與太陽(yáng)能耦合。

8

太陽(yáng)能蒸餾器（），如圖7所示，可能是最簡(jiǎn)單的太陽(yáng)能輔助海水淡化方法[58]。在該方法中，水蒸餾和熱吸收在單個(gè)室中發(fā)生。水蒸氣由于太陽(yáng)輻照度而形成，然后上升到透明蓋，其中由于熱傳遞到外部環(huán)境而發(fā)生冷凝。由于透明蓋的傾斜，冷凝物滴下并且可以從底側(cè)收集。

圖7.?太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng)的示意圖[58]

由于透明蓋上的冷凝，這些系統(tǒng)會(huì)失去對(duì)環(huán)境的潛熱。此外，太陽(yáng)能蒸餾器被歸類(lèi)為脫鹽的直接方法，其中直接加熱增加了玻璃冷凝表面這些系統(tǒng)[59的性能產(chǎn)生負(fù)面影響的溫度，60]。因此，這些系統(tǒng)的產(chǎn)率是相對(duì)低的，具有日產(chǎn)3-4升/米2?[61]。

1.4。太陽(yáng)能輔助脫鹽

海水淡化方法基于與太陽(yáng)能蒸餾器相同的原理，但加熱，加濕和除濕發(fā)生在不同的組件中，因此它們可以獨(dú)立設(shè)計(jì)[62]。因此，各種不同

配置可用于系統(tǒng)[41]。另外，在脫鹽技術(shù)中去耦加熱器消除了直接加熱的不良影響。

如圖8所示，太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)由三個(gè)主要部分組成;?太陽(yáng)能空氣/熱水器，加濕器和除濕器（冷凝器）。提高這些單個(gè)組件的性能將提高系統(tǒng)的整體性能。

加熱干燥空氣加熱水

圖8.典型的太陽(yáng)能輔助海水淡化系統(tǒng)的組件此外，對(duì)海水淡化系統(tǒng)的挑戰(zhàn)是根據(jù)氣候和運(yùn)行條件選擇適當(dāng)?shù)目諝夂退餮h(huán)，因?yàn)檫@會(huì)顯著影響系統(tǒng)的產(chǎn)量。在海水淡化系統(tǒng)中選擇適當(dāng)?shù)目諝夂退h(huán)取決于系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)以及環(huán)境條件。

如圖9?所示，海水淡化系統(tǒng)可根據(jù)空氣和水循環(huán)分為四大類(lèi);?你閉式空氣/封閉水，？封閉空氣/開(kāi)放水“?，”露天/封閉水“和”露天/開(kāi)放水域“。

10

圖9.海水淡化技術(shù)的分類(lèi)圖此外，海水淡化技術(shù)還可以分為兩組：強(qiáng)制或自然循環(huán)，也可以基于加熱技術(shù);?空氣加熱，水加熱或空氣和水加熱系統(tǒng)。

1.4.1.1。封閉式空氣/閉水

在“封閉空氣/封閉水”系統(tǒng)中，顧名思義，空氣和水流都保留在系統(tǒng)中。這類(lèi)似于（），因?yàn)樗梢曰謴?fù)冷凝潛熱，從而提高系統(tǒng)的整體效率。等人研究了“封閉空氣/封閉水”循環(huán)的模式。圖10中示出了加濕和除濕過(guò)程。通過(guò)在加濕器和冷凝器之間連續(xù)循環(huán)空氣，在單個(gè)隔熱塔中進(jìn)行加濕和除濕過(guò)程。來(lái)自太陽(yáng)能收集器的熱水噴灑在蜂窩狀加濕器上，而冷凝器則加入海水。來(lái)自加濕器的流出水返回到海水池中，因此剩余的熱能被回收。

11

1：太陽(yáng)能收集器2,3：加濕器4,5：冷凝器6,7：鼓風(fēng)機(jī)

8,11：海水收集9,10：新鮮收集12：淡水箱13：海水池14,15泵16：交叉閥17：控制器18：旁路管道19,20：噴霧器

圖10.等人的示意圖。系統(tǒng)

據(jù)報(bào)道，由于海水水箱，該系統(tǒng)能夠運(yùn)行24

與生產(chǎn)5.2每天小時(shí)升/米2?/天在六月和2.7?升/米2?/天在十二月

在中國(guó)西安。還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于固定的太陽(yáng)能吸收器區(qū)域，生產(chǎn)

隨著水流量的增加而減少，并且通過(guò)適當(dāng)利用潛熱，

過(guò)程效率可能會(huì)提高。

2014年，等人。[63]對(duì)兩級(jí)太陽(yáng)能系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，如圖11所示。據(jù)報(bào)道，兩級(jí)海水淡化裝置的產(chǎn)量比類(lèi)似的單級(jí)裝置多20％。在夏季時(shí)的最大生產(chǎn)飲用水據(jù)報(bào)道，7.25升/米2?/天，用80?米2太陽(yáng)能吸收器面積。他們的結(jié)論是，雖然單位產(chǎn)量隨著額外階段而有所改善，但當(dāng)使用兩個(gè)以上階段時(shí)，這種改善可以忽略不計(jì)?？紤]到單位生產(chǎn)的成本，他們建議最好的選擇是兩階段單位。

12

圖11.兩級(jí)蒸發(fā)/冷凝海水淡化裝置[63]?等。[64]對(duì)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究

空氣進(jìn)來(lái)

空出來(lái)

圖12.使用菲涅耳透鏡太陽(yáng)能加熱器進(jìn)行脫鹽[64]

13

脫鹽裝置如圖12所示。測(cè)試了“封閉空氣/封閉水”和“露天/封閉水”循環(huán)。他們發(fā)現(xiàn)來(lái)自加濕器的出口鹽水的溫度足夠高以便進(jìn)一步使用，并且他們注意到閉合空氣循環(huán)比露天系統(tǒng)更具生產(chǎn)力。

在這方面，分別報(bào)告了開(kāi)放和封閉空氣循環(huán)產(chǎn)生60?升/?2?/天和112?升/?2?/天的可能性。

從這些研究中可以得出結(jié)論，在環(huán)境空氣的能量和水分含量低于冷凝器排出的空氣的情況下，“封閉空氣/封閉水99”裝置的應(yīng)用是合理的。而且，這些系統(tǒng)適用于鹽水供應(yīng)溫度顯著低于來(lái)自加濕器的排出水溫度的條件。然而，這些系統(tǒng)中的鹽水濃度在每個(gè)循環(huán)后不斷增加，這增加了沉降的風(fēng)險(xiǎn)。

1.4.1.2。封閉式/開(kāi)放水

顧名思義，“封閉空氣/開(kāi)放水”循環(huán)使系統(tǒng)內(nèi)的空氣循環(huán)，同時(shí)排出鹽水。圖13所示是-等人測(cè)試的系統(tǒng)。[65]，其中在通過(guò)冷凝器中的濕空氣預(yù)熱并通過(guò)平板太陽(yáng)能收集器之后將水噴灑在蒸發(fā)器上?？諝庠谡舭l(fā)器和冷凝器之間循環(huán)，交替地進(jìn)行加濕和除濕。據(jù)報(bào)道，在最佳水流速下實(shí)現(xiàn)了最大輸出，超過(guò)該流速，由于在較高流速下較低的蒸發(fā)和冷凝效率，產(chǎn)量減少。這可以通過(guò)在較高水流速下增加的傳熱和傳質(zhì)系數(shù)來(lái)解釋。據(jù)報(bào)道，在低溫下空氣流速的影響也是顯著的，而它在較高溫度下的影響較小。因此，僅在高溫條件下建議自然空氣循環(huán)。

14

平板太陽(yáng)能集熱器

圖13.-等人提出的脫鹽結(jié)構(gòu)。[65]

等。[66]對(duì)圖14所示的“封閉空氣/開(kāi)放水”海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。該研究的主要目的是通過(guò)評(píng)估運(yùn)行條件對(duì)裝置的影響來(lái)改善循環(huán)。生產(chǎn)率。因此，通過(guò)檢查三種不同的材料作為填充床來(lái)評(píng)估實(shí)際濕區(qū)域的影響以及傳質(zhì)系數(shù)。此外，還檢查了空氣的強(qiáng)制和自然循環(huán)。

據(jù)報(bào)道，對(duì)于帶有木板巖的填充床，該系統(tǒng)具有最大生產(chǎn)率，而系統(tǒng)則采用強(qiáng)制空氣循環(huán)。該裝置的最大生產(chǎn)率為5.8?升/小時(shí)，加濕器的入口水溫為85℃，水質(zhì)量流量為2.8?千克/分鐘。

15

（1）

（15）（16）

圖14.等[66]提出的海水淡化圖

（13>

（14）

（1）鹽水供應(yīng)

（2）高架水箱

（3）排水

（4）過(guò)濾器

（5）給水泵

（6）轉(zhuǎn)子流量計(jì)

（7）冷凝器盤(pán)管

（8）冷凝器塔

（9）范

（10）加濕塔

（11）床上用品

（12）儲(chǔ)罐

（13）換熱器

（14）電加熱器

（15）鹽水

（16）蒸餾

“封閉空氣/開(kāi)放水域”系統(tǒng)的應(yīng)用在以下情況下是合理的

環(huán)境空氣具有低溫和含水量以及能量含量

離開(kāi)系統(tǒng)的鹽水足夠低。

1.4.1.3。露天/閉水

戴等人。[67]用“露天/封閉水55循環(huán)”檢查了海水淡化系統(tǒng)。如圖15所示，使用空氣和水流的水加熱和強(qiáng)制循環(huán)。據(jù)報(bào)道，該裝置克服了使用強(qiáng)制對(duì)流蜂窩加濕器同時(shí)提高蒸發(fā)溫度和降低冷凝溫度的難度。它也是

16

結(jié)論是水和氣流速率和鹽水溫度最高

海水供應(yīng)

蒸餾水

影響單位表現(xiàn)的參數(shù)。

圖15.等人提出的脫鹽單元。[67]

在隨后的研究中，戴等人。[68]在數(shù)學(xué)上模擬了圖15中所示的實(shí)驗(yàn)單元。發(fā)現(xiàn)隨著入口空氣溫度和相對(duì)濕度的增加以及海水溫度的降低，產(chǎn)水量增加。還發(fā)現(xiàn)飼料和冷卻水的質(zhì)量流量增加也會(huì)增加水的產(chǎn)量。

-等人。[2]對(duì)具有“封閉空氣/開(kāi)放水”循環(huán)的脫鹽系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和實(shí)驗(yàn)研究。如圖16所示，空氣和水流都被加熱并強(qiáng)制循環(huán)

17

使用兩種流。據(jù)報(bào)道，最高的水產(chǎn)量處于高熱水溫度，冷冷卻水溫度，高氣流速率和低熱水流速。

出口空氣–^–

聚光器

產(chǎn)品★水＆袋裝柱水冷裝置水流儀表

水環(huán)流

加熱器

–

進(jìn)氣

熱水器

圖16.-等[2]提出的實(shí)驗(yàn)海水淡化裝置

2008年，等人進(jìn)行了另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究。上的4露天/閉式?，周期。如圖17所示，空氣和水流都被加熱，并且強(qiáng)制循環(huán)用于兩個(gè)流。據(jù)報(bào)道，隨著初始水溫和儲(chǔ)水箱中水量的增加，生產(chǎn)增加。此外，通過(guò)使用雙通太陽(yáng)能空氣加熱器，生產(chǎn)增加了15％。據(jù)報(bào)道，正在脫鹽的海水和冷卻水的產(chǎn)水量和質(zhì)量流量成比例，而產(chǎn)量隨著氣流速率的增加而降低。

18

墊加濕器

除濕機(jī)

化妝水

雙通太陽(yáng)能空氣加熱器

-?

加熱器

水流量計(jì)

儲(chǔ)存罐

冷卻（）–

泵

冷卻水

純凈水

圖17.等人提出的空氣加熱脫鹽裝置。

由此可以得出結(jié)論，“露天/封閉水”系統(tǒng)可用于來(lái)自冷凝器的廢氣具有比環(huán)境空氣更低的溫度和水分含量以及排出的鹽水的溫度的條件。從加濕器足夠高，所以它的能量可以用在系統(tǒng)中。

1.4.1.4。露天/開(kāi)放水域

袁等人。對(duì)具有“露天/開(kāi)放水”循環(huán)的太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)查。如圖18所示，采用強(qiáng)制循環(huán)的空氣和水加熱。

水收集器領(lǐng)域

冷卻水池

新鮮水罐

圖18.提出的結(jié)構(gòu)示意圖

19

他們指出，該系統(tǒng)產(chǎn)生10.52?升/米2?/天的淡水，與

太陽(yáng)輻射的平均強(qiáng)度為550/?2。

然而，發(fā)現(xiàn)具有“露天/開(kāi)放水”循環(huán)的脫鹽單元可能對(duì)出口流具有高熱損失。因此，如果環(huán)境空氣具有比離開(kāi)冷凝器的空氣更多的能量和水分含量，并且離開(kāi)加濕器的鹽水的溫度低于或接近入口海水溫度，則僅使用這樣的循環(huán)是合理的。否則，應(yīng)提供額外的熱交換器以回收熱量。

1.5。研究問(wèn)題

從文獻(xiàn)中可以得出結(jié)論，盡管已經(jīng)開(kāi)展了工作，但仍然有可能開(kāi)發(fā)海水淡化系統(tǒng)，因?yàn)樵谛∫?guī)模應(yīng)用中沒(méi)有專門(mén)的確定系統(tǒng)。因此，這項(xiàng)工作旨在確定：

我們?nèi)绾螢樾∫?guī)模淡水生產(chǎn)開(kāi)發(fā)高效的太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)？