太阳能光电联合蒸发用于高效海水淡化的研究

发布时间：2020-03-31 15:28

【摘要】：目前全球淡水资源不仅匮乏,污染问题也十分严重。应对这一问题,海水淡化无疑是最有发展前景的解决方案之一,目前发展最为广泛的是反渗透技术、多效蒸馏技术和多级闪蒸技术。但是这些技术手段都需要有大量的能源消耗,有加重全球气候变暖和环境污染的可能,而丰富的太阳能作为清洁能源用于海水淡化领域,可以在减缓水资源短缺危机的同时,减少能耗。新型太阳能界面蒸发技术实现了限域性加热,将光能合理利用,加热少量水进行蒸发,减少了能量损耗,因而蒸发效率更高。同时在没有大电网覆盖的偏远地区和给水设施不够完善的地区,太阳能蒸发技术就可以不需要电能提供清洁的饮用水,这个理念的实现还需要考虑阴天和夜晚时产水量的问题,并且单位产水率还有待进一步提高。因此,开发一种高吸光率、高产水率、制备不复杂、可复制扩大的太阳能蒸发器,对于推动太阳能蒸发实际应用化有极其重要的作用。本论文以光电联合作用为核心,提高太阳能蒸发器蒸发效率为主要目的,制备了高产水率的光电联合蒸发器,应用于海水等盐水淡化领域,并对装置进行实际应用潜力分析。光电热材料通过脱脂棉浸渍氧化石墨烯溶液后高温煅烧碳化制得,集光电热性能一体化,制备方法简单,材料疏松多孔通过毛细作用可将水分不断地供给给表面。光电热材料实现将太阳能转换为热能,在一个太阳光强下表面温度可达到82.6°C,利用不断产生的热量对少量水进行限域性加热,减少了热量向大量水体和周围的损失,提高了蒸发效率。蒸发器在实验室模拟太阳光情况下实验结果,蒸发器在只有光热作用下,在一个太阳光照强度下,蒸发效率为1.85 kg m~(-2) h~(-1),蒸发器在光电联合作用下,蒸发效率达到4.7 kg m~(-2) h~(-1),电热效果的增加使得蒸发效率提高很多。在多倍太阳光强度下,蒸发效率呈现线性增长趋势,因此在实际应用中可以增加双透镜聚光系统,加强光照强度,从而进一步提高蒸发效率。样品在光电联合作用下的蒸发效率高于只有一种能量输入的情况。说明相较于只有光热的太阳能蒸发器,本实验设计的光电联合蒸发器,可以有效提高蒸发水量,应用前景十分可观。蒸发器对实际海水进行淡化处理实验中,海水中阳离子浓度包括钾钙钠镁离子,在淡化前后去除率均达99.9%以上,阴离子包括氯离子、硫酸根、硝酸根、氟离子,在淡化前后去除率均达99.8%以上。海水的电导率为56 900μS cm~(-1),淡化处理后,降低为6.42μS cm~(-1),去除率达到99.989%,证明光电联合蒸发器对海水中盐分去除效率很高,接近100%。由于各种离子的去除,使得水样pH更为接近7.0。海水中TOC含量为125.8 mg L~(-1),经过处理后淡化水中TOC为23.45 mg L~(-1),去除率为81.36%,淡化过程中对海水中微生物有很高的杀菌作用,同时淡化出水浊度下降。
【图文】：

全球水资源

水资源是地球自然资源中很重要的一种，广义上来说是指地球表层中可供人类利用的水，其中包括储存在岩石圈和生物圈的水、大量的海水等。狭义上来说是能为人类直接利用的淡水，可以说有淡水的地方就有生命，它孕育了丰富的物种，陆地上的生命归根结底都依赖于淡水。据统计，全球的总水量为 1386 000 000 km3，可谓水资源丰富，然而 97.22%为海水，这部分水资源不加处理不可被直接饮用和灌溉，甚至不可作为工业用水[1]。淡水资源量如图 1-1所示，淡水仅占总水量的2.78%，淡水资源中77.78%为地表水，地表水中99.35%为南北两极冰川冰雪水，可被人类较易利用的水资源仅仅是江河湖泊和地下水的一部分。所以从数据来看利用量十分少，仅占全球总水量的十万分之七[2, 3]。并且，全球淡水资源分布十分不均[4]，俄罗斯、巴西、印度等九个国家的淡水资源数量就占全球淡水资源总量的 60%。由于水资源分布不均，导致众多地理性缺水地区淡水严重缺乏，根据联合国《世界水资源综合评估报告》显示，到 2025 年，将有涉及 40 多个地区和国家的 30 多亿人口缺水。我国水资源状况也不容乐观，总量并不丰富，约有 2.8 万亿 m3，而人均水量只有 2200 m3，是全球人均水量的四分之一，其中山东、山西、河南、河北、宁夏、宁夏、江苏六个省，人均水资源量小于 500 m3，，属于极度缺水地区[5]。

示意图,多级闪蒸,技术,示意图

MFS）简称多级闪蒸，是海水淡化行业中最为成熟的技术，由 20 世纪 50 年代发展起来。示意图如图1-2 所示。图 1-2 多级闪蒸技术示意图Fig.1-2 Schematic diagram of multiple stage flashing system一般是将海水加热到特定的温度，然后海水进入压力较低的闪蒸室，此时温度高的海水对应较高的饱和蒸气压，所以会有部分液体迅速汽化，将其冷凝
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P747

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