水处理

太阳能光热海水淡化效率创新高

2020-02-20 12:17:37 电气技术 作者:电气技术杂志社

淡水是人类社会赖以生存和发展的基本物质之一,而目前仅存在于河流、湖泊和可供人类直接利用的地下淡水已不足0.36%。占地球总水量的97%以上的海水,由于含盐度太高不能直接饮用或灌溉,剩下不足3%的淡水分布极其不均,其中3/4被冻结在地球的两极及高寒地带的冰川中,余下的淡水中地下水又比地表水多出了37倍。

随着社会经济发展及工业化进展的加快,人类对淡水资源的需求日益增长;一些岛屿和沿海盐碱地区以及内陆苦咸水地区一直属于缺乏淡水的地区。为解决这一发展中的矛盾,尤其是缺水地区对淡水的渴求,就近进行海水或苦咸水淡化已成为扩大淡水来源的有效途径之一。

当然,对海水或苦咸水进行淡化的方法有很多,如常规蒸馏法、离子交换法、渗析法、反渗透膜法以及冷冻法等。这些传统的方法除需要消耗大量的燃料或电力外,还会污染空气并造成温室效应。因此,95%的能耗来自太阳能,几乎不消耗石油、天然气、煤炭等常规能源,绿色无污染,所得淡水纯度高的太阳能海水淡化技术得到了广泛应用。

2018年,美国能源部宣布资助2100万美元支持太阳能光热海水淡化技术研发项目,旨在加快太阳能光热海水淡化技术的创新突破,降低光热海水淡化的成本;2019年,我国工业和信息化部、水利部联合发布的《国家鼓励的工业节水工艺、技术和装备目录(2019年)》中,“太阳能光热低温度多效海水淡化技术”被提及。

2013年,我国首个太阳能光热海水淡化示范项目在海南建成投产,日产蒸馏水约30吨,可解决约5000人对健康饮用水的需求,其产水成本约为传统装置的45%;2020年,沙特首个“太阳能圆顶”海水淡化厂将开工建设,将采用聚光太阳能技术进行海水淡化,生产成本约为0.34美元/吨,远远低于海水淡化厂采用反渗透方法的生产成本。

除了制取成本,效率也是太阳能海水淡化的关注点。此前,美国莱斯大学研究人员利用廉价塑料透镜将太阳光聚焦到“热点”,将太阳能海水淡化系统的效率提高了50%左右。他们表示,提高太阳能海水淡化系统性能的典型方法是增加太阳能聚光器并增加光线,而该方法的最大优势在于使用相同数量的光,既可低成本地重新分配电力,还能大幅提高纯净水的生产率。

日前,上海交通大学制冷与低温工程研究所与麻省理工学院的研究人员发表了有关超高效太阳能海水淡化研究的最新进展,即在1000W/m2的太阳辐照下,通过采用商用和低成本材料搭建的实验装置,创纪录地实现了385%的太阳蒸发效率和5.78L/(m2h)的海水淡化产水率,相关成果已发表于《Energy & Environmental Science》杂志。

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图 1 麻省理工的光热海水淡化测试装置

全被动式的太阳能海水淡化技术,由于其装置结构简单、取材方便,是解决海水淡化适应性的有效技术之一,尤其适用于缺乏基建和偏远地区,然而其效率一直偏低(约35%)。近年来,太阳能界面蒸发为高效便携式海水淡化提供了新的思路,成为了能源科学、材料科学和热科学等交叉领域的研究热点,但其效率也十分有限(约100%)。

该研究团队指出,系统性的能量传递优化是达到超高效太阳能海水淡化的关键,而非高性能材料。他们提出的“界面局部加热型多级太阳能蒸馏架构”,结合了太阳能界面局部加热和蒸汽焓回收利用,显著提升了被动式太阳能海水淡化的效率,比此前的有关研究所得的效率高出了2倍多。

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图 2 局部加热多级太阳能蒸馏(TMSS)

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图3 TMSS装置的设计与部件

据介绍,该被动式太阳能海水淡化装置还可以通过毛细作用进行被动补水,同时通过盐分在夜间的反向扩散实现被动排盐,可保证长效稳定的被动式工作。

该研究团队进一步表示,可满足一个家庭日常饮水需求的该装置预造价估约100美元,在基础设施有限但阳光和海水充足的地区有着极高的应用潜力。因此,该研究成果为解决偏远或离网地区的淡水短缺问题提供了更加切实有效的解决方法,还为界面太阳能蒸发走向实用化和高效化提供了全新的思路和理论框架。


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