优质氧化型杀菌剂厂家高效利用太阳辐射从海水、地表水和市政污水中提取饮用水

　　优质氧化型杀菌剂厂家高效利用太阳辐射从海水、地表水和市政污水中提取饮用水

　　优质氧化型杀菌剂生产厂家高效利用太阳辐射从海水、地表水和市政污水中提取饮用水。当今世界仍有几亿人由于没有最基本的水处理设施而在直饮未经任何处理的地表水或地下水。除此之外，被自然灾害袭击的地区经常断水断电，灾民用水得不到保障。

　　因此，十分需要不依靠电力驱动的简单经济的分散式净水设备。由于许多缺水区域都有充足的阳光，利用太阳辐射将原水蒸发再冷凝收集蒸馏水的技术便很有前景。

　　最近，界面加热概念以其高效蒸发气液界面水分子的特点备受关注。蒸发效率(ηevp)的提高大多是由漂浮在水表面的吸光材料促成的，例如带铝纳米颗粒涂层的氧化铝纳米多孔浮层(ηevp = 88.4%，辐照度：4 sun; 1 sun = 1 kW/m2)， 一厘米厚孔隙率66%的顶部碳化亲水木浮层(ηevp = 86.7%，辐照度：10 sun)，亲水的石墨烯气凝胶浮层 (ηevp = 83%，辐照度：1 sun)等等。

　　虽然此类通过吸光浮层提高ηevp的烧杯实验不胜枚举，但真正把界面加热概念开发成蒸发冷凝一体化的蒸馏水制备系统的研究寥寥无几，关于这种界面加热蒸馏水制备系统的产水能量效率ηsys的数据更是稀少。

　　为数不多的例子有：一个用吸水纤维素布料包裹的条状聚苯乙烯浮层的系统在一个晴天(7 kWh/(m2∙d))产水2.5 L/(m2∙d)，相当于ηsys = 24%。另一个系统应用的是包裹碳纳米颗粒的聚乙烯醇海绵状浮层，在1 sun的辐照度下产水通量为0.62 kg/(m2∙h)， 相当于ηsys = 42% 。

　　近来界面加热概念也被用在接触式膜蒸馏系统。该系统由一张憎水微孔膜将原水和蒸馏水分开。

　　膜的进水面附上一层吸光发热材料并与原水直接接触。进水面经光照射发热后直接加热原水和膜孔空气层之间的界面水分子，水蒸气穿过膜后加入到滤出面的蒸馏水流里。

　　据一个先驱性的研究工作报道，这种进水面界面加热膜蒸馏系统在700 W/m2 条件下，系统产水能量效率ηsys达到了53.8%。在随后的一个改进工作里，据作者估算，ηsys在1 sun条件下达到了68%。但是以上两个工作在计算ηsys时都没有考虑到系统中两个分别用来循环原水和蒸馏水的蠕动泵所耗费的电能，造成对ηsys的过高估计。

　　其实，如果可以避免入射光强度在原水中的衰减，原水在循环时的热损，以及提高冷凝效率，该系统的ηsys应该可以进一步提高。为了使太阳能蒸馏系统的ηsys超过100%(即热力学极限)，单级蒸馏系统可以进一步被开发成多级蒸馏系统，后面一级回收前面一级蒸汽冷凝时所释放的热量。例如一个十级膜蒸馏系统在~900 W/m2条件下产水通量高达3 L/(m2·h)，远远高于热力学极限值1.32 L/(m2·h)，虽然该系统的单级ηsys不足50%。

　　另外一个十级纸巾吸水蒸馏系统的水蒸发效率ηevp在1 sun条件下达到385%，其系统产水效率ηsys在自然光下达到~180%。但是该系统的单级ηsys并没有被报道。由于这两个系统都采用毛细结构吸取原水，非常容易被浑浊的原水堵塞而降低ηsys。

　　目前为止，还没有界面加热蒸馏系统展示出能直接从浑浊的原水和污水中提取饮用水的功能。

　　成果简介

　　滤出面界面加热太阳能膜蒸馏

　　为了提高单级产水效率，佛罗里达大西洋大学易鹏课题组开发了非电力驱动的滤出面界面加热膜蒸馏系统(图1)。

　　该系统包括一个原水室，一个蒸馏室和一个冷凝室，都由亚克力有机玻璃制成。在原水室和蒸馏室之间是一张憎水的孔径为0.45微米的聚偏氟乙烯(PVDF)膜。膜的滤出面用黑色染料涂上一层碳黑纳米颗粒。原水通过重力从较高处注满原水室，进入膜孔的进水端，但由于PVDF的憎水性，原水不会穿透PVDF膜。阳光被黑色的滤出面吸收，产生热量，并通过热传导将热量从滤出面传递到进水面的原水表面进行界面加热和蒸发。蒸汽穿过膜和蒸馏室，在冷凝室凝结成蒸馏水。

　　图1. (a) 滤出面界面加热膜蒸馏的系统示意图 (b) 通过热传导从滤出面对膜孔内和进水面的原水进行界面加热的原理示意图。

　　创新点

　　照比进水面界面加热膜蒸馏，这个新的设计不需要蠕动泵来维持系统的运转，节省能耗。避免了阳光穿过原水而产生衰减。原水在原水室里保持静止有利于热量累积。足够的冷凝空间使冷凝效率提高。

　　另外，把膜放在原水室的上方会避免由于颗粒沉淀而造成的膜堵塞问题。与浮层界面加热技术相比，憎水膜的采用使这个新系统可以以任意的倾斜角度摆放，接收比水平面更多的辐照度，提高产水通量。

　　图2. (a) 滤出面界面加热膜蒸馏小试系统的照片 (b) 不同天气和日间平均辐照度下该系统产水通量和产水能量效率ηsys。

　　在自然光下，该小试系统在平均日间辐照度652 W/m2的条件下，每平方米膜产水通量高达8.56 kg/(m2·day)，系统的产水能量效率ηsys为67.5%，为所有单级蒸馏系统在自然光下的最高值(图2)。并且在系统运行的初始阶段，该效率并不随原水种类的变化(去离子水，海水，水渠水以及生活污水)而发生显著改变。

　　图3. (a)海水、 (b)水渠水和(c)市政污水等原水与处理过后产出的蒸馏水的视觉比照和异养菌平板计数实验(HPC)的结果对比。在1800 W/m2的人造光源下，最初的8小时内，产出的蒸馏水在(d)浊度，(e) 电导率和(f) 化学需氧量(COD)上比相应的原水有显著的降低。

　　该系统在1800 W/m2的人造光源下运转的最初8个小时里，可以去除市政污水里的所有异养细菌，99.9%的浊度和99.6%的化学需氧量;处理海水时可以使电导率降低99.9% (图3)。

　　在以海水，水渠水和市政污水为原水时，系统的平均运转时间分别为32、18和10天，随后因PVDF膜被原水穿透而停止运转。继续运转需要对膜进行清洗或更换。产出的蒸馏水经第三方水质检测公司测定符合美国饮用水标准。因此该系统是第一个展示出能从浑浊的原水和市政污水中直接提取饮用水的太阳能膜蒸馏系统和界面蒸馏系统。

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