優(yōu)質(zhì)氧化型殺菌劑廠家高效利用太陽(yáng)輻射從海水、地表水和市政污水中提取飲用水

　　優(yōu)質(zhì)氧化型殺菌劑生產(chǎn)廠家高效利用太陽(yáng)輻射從海水、地表水和市政污水中提取飲用水。當(dāng)今世界仍有幾億人由于沒(méi)有最基本的水處理設(shè)施而在直飲未經(jīng)任何處理的地表水或地下水。除此之外，被自然災(zāi)害襲擊的地區(qū)經(jīng)常斷水?dāng)嚯姡瑸?zāi)民用水得不到保障。

　　因此，十分需要不依靠電力驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的分散式凈水設(shè)備。由于許多缺水區(qū)域都有充足的陽(yáng)光，利用太陽(yáng)輻射將原水蒸發(fā)再冷凝收集蒸餾水的技術(shù)便很有前景。

　　最近，界面加熱概念以其高效蒸發(fā)氣液界面水分子的特點(diǎn)備受關(guān)注。蒸發(fā)效率(ηevp)的提高大多是由漂浮在水表面的吸光材料促成的，例如帶鋁納米顆粒涂層的氧化鋁納米多孔浮層(ηevp = 88.4%，輻照度：4 sun; 1 sun = 1 kW/m2)， 一厘米厚孔隙率66%的頂部碳化親水木浮層(ηevp = 86.7%，輻照度：10 sun)，親水的石墨烯氣凝膠浮層 (ηevp = 83%，輻照度：1 sun)等等。

　　雖然此類通過(guò)吸光浮層提高ηevp的燒杯實(shí)驗(yàn)不勝枚舉，但真正把界面加熱概念開(kāi)發(fā)成蒸發(fā)冷凝一體化的蒸餾水制備系統(tǒng)的研究寥寥無(wú)幾，關(guān)于這種界面加熱蒸餾水制備系統(tǒng)的產(chǎn)水能量效率ηsys的數(shù)據(jù)更是稀少。

　　為數(shù)不多的例子有：一個(gè)用吸水纖維素布料包裹的條狀聚苯乙烯浮層的系統(tǒng)在一個(gè)晴天(7 kWh/(m2∙d))產(chǎn)水2.5 L/(m2∙d)，相當(dāng)于ηsys = 24%。另一個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用的是包裹碳納米顆粒的聚乙烯醇海綿狀浮層，在1 sun的輻照度下產(chǎn)水通量為0.62 kg/(m2∙h)， 相當(dāng)于ηsys = 42% 。

　　近來(lái)界面加熱概念也被用在接觸式膜蒸餾系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一張?jiān)魉�微孔膜將原水和蒸餾水分開(kāi)。

　　膜的進(jìn)水面附上一層吸光發(fā)熱材料并與原水直接接觸。進(jìn)水面經(jīng)光照射發(fā)熱后直接加熱原水和膜孔空氣層之間的界面水分子，水蒸氣穿過(guò)膜后加入到濾出面的蒸餾水流里。

　　據(jù)一個(gè)先驅(qū)性的研究工作報(bào)道，這種進(jìn)水面界面加熱膜蒸餾系統(tǒng)在700 W/m2 條件下，系統(tǒng)產(chǎn)水能量效率ηsys達(dá)到了53.8%。在隨后的一個(gè)改進(jìn)工作里，據(jù)作者估算，ηsys在1 sun條件下達(dá)到了68%。但是以上兩個(gè)工作在計(jì)算ηsys時(shí)都沒(méi)有考慮到系統(tǒng)中兩個(gè)分別用來(lái)循環(huán)原水和蒸餾水的蠕動(dòng)泵所耗費(fèi)的電能，造成對(duì)ηsys的過(guò)高估計(jì)。

　　其實(shí)，如果可以避免入射光強(qiáng)度在原水中的衰減，原水在循環(huán)時(shí)的熱損，以及提高冷凝效率，該系統(tǒng)的ηsys應(yīng)該可以進(jìn)一步提高。為了使太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng)的ηsys超過(guò)100%(即熱力學(xué)極限)，單級(jí)蒸餾系統(tǒng)可以進(jìn)一步被開(kāi)發(fā)成多級(jí)蒸餾系統(tǒng)，后面一級(jí)回收前面一級(jí)蒸汽冷凝時(shí)所釋放的熱量。例如一個(gè)十級(jí)膜蒸餾系統(tǒng)在~900 W/m2條件下產(chǎn)水通量高達(dá)3 L/(m2·h)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱力學(xué)極限值1.32 L/(m2·h)，雖然該系統(tǒng)的單級(jí)ηsys不足50%。

　　另外一個(gè)十級(jí)紙巾吸水蒸餾系統(tǒng)的水蒸發(fā)效率ηevp在1 sun條件下達(dá)到385%，其系統(tǒng)產(chǎn)水效率ηsys在自然光下達(dá)到~180%。但是該系統(tǒng)的單級(jí)ηsys并沒(méi)有被報(bào)道。由于這兩個(gè)系統(tǒng)都采用毛細(xì)結(jié)構(gòu)吸取原水，非常容易被渾濁的原水堵塞而降低ηsys。

　　目前為止，還沒(méi)有界面加熱蒸餾系統(tǒng)展示出能直接從渾濁的原水和污水中提取飲用水的功能。

　　成果簡(jiǎn)介

　　濾出面界面加熱太陽(yáng)能膜蒸餾

　　為了提高單級(jí)產(chǎn)水效率，佛羅里達(dá)大西洋大學(xué)易鵬課題組開(kāi)發(fā)了非電力驅(qū)動(dòng)的濾出面界面加熱膜蒸餾系統(tǒng)(圖1)。

　　該系統(tǒng)包括一個(gè)原水室，一個(gè)蒸餾室和一個(gè)冷凝室，都由亞克力有機(jī)玻璃制成。在原水室和蒸餾室之間是一張?jiān)魉�的孔徑�?.45微米的聚偏氟乙烯(PVDF)膜。膜的濾出面用黑色染料涂上一層碳黑納米顆粒。原水通過(guò)重力從較高處注滿原水室，進(jìn)入膜孔的進(jìn)水端，但由于PVDF的憎水性，原水不會(huì)穿透PVDF膜。陽(yáng)光被黑色的濾出面吸收，產(chǎn)生熱量，并通過(guò)熱傳導(dǎo)將熱量從濾出面?zhèn)鬟f到進(jìn)水面的原水表面進(jìn)行界面加熱和蒸發(fā)。蒸汽穿過(guò)膜和蒸餾室，在冷凝室凝結(jié)成蒸餾水。

　　圖1. (a) 濾出面界面加熱膜蒸餾的系統(tǒng)示意圖 (b) 通過(guò)熱傳導(dǎo)從濾出面對(duì)膜孔內(nèi)和進(jìn)水面的原水進(jìn)行界面加熱的原理示意圖。

　　創(chuàng)新點(diǎn)

　　照比進(jìn)水面界面加熱膜蒸餾，這個(gè)新的設(shè)計(jì)不需要蠕動(dòng)泵來(lái)維持系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，節(jié)省能耗。避免了陽(yáng)光穿過(guò)原水而產(chǎn)生衰減。原水在原水室里保持靜止有利于熱量累積。足夠的冷凝空間使冷凝效率提高。

　　另外，把膜放在原水室的上方會(huì)避免由于顆粒沉淀而造成的膜堵塞問(wèn)題。與浮層界面加熱技術(shù)相比，憎水膜的采用使這個(gè)新系統(tǒng)可以以任意的傾斜角度擺放，接收比水平面更多的輻照度，提高產(chǎn)水通量。

　　圖2. (a) 濾出面界面加熱膜蒸餾小試系統(tǒng)的照片 (b) 不同天氣和日間平均輻照度下該系統(tǒng)產(chǎn)水通量和產(chǎn)水能量效率ηsys。

　　在自然光下，該小試系統(tǒng)在平均日間輻照度652 W/m2的條件下，每平方米膜產(chǎn)水通量高達(dá)8.56 kg/(m2·day)，系統(tǒng)的產(chǎn)水能量效率ηsys為67.5%，為所有單級(jí)蒸餾系統(tǒng)在自然光下的最高值(圖2)。并且在系統(tǒng)運(yùn)行的初始階段，該效率并不隨原水種類的變化(去離子水，海水，水渠水以及生活污水)而發(fā)生顯著改變。

　　圖3. (a)海水、 (b)水渠水和(c)市政污水等原水與處理過(guò)后產(chǎn)出的蒸餾水的視覺(jué)比照和異養(yǎng)菌平板計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)(HPC)的結(jié)果對(duì)比。在1800 W/m2的人造光源下，最初的8小時(shí)內(nèi)，產(chǎn)出的蒸餾水在(d)濁度，(e) 電導(dǎo)率和(f) 化學(xué)需氧量(COD)上比相應(yīng)的原水有顯著的降低。

　　該系統(tǒng)在1800 W/m2的人造光源下運(yùn)轉(zhuǎn)的最初8個(gè)小時(shí)里，可以去除市政污水里的所有異養(yǎng)細(xì)菌，99.9%的濁度和99.6%的化學(xué)需氧量;處理海水時(shí)可以使電導(dǎo)率降低99.9% (圖3)。

　　在以海水，水渠水和市政污水為原水時(shí)，系統(tǒng)的平均運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間分別為32、18和10天，隨后因PVDF膜被原水穿透而停止運(yùn)轉(zhuǎn)。繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)需要對(duì)膜進(jìn)行清洗或更換。產(chǎn)出的蒸餾水經(jīng)第三方水質(zhì)檢測(cè)公司測(cè)定符合美國(guó)飲用水標(biāo)準(zhǔn)。因此該系統(tǒng)是第一個(gè)展示出能從渾濁的原水和市政污水中直接提取飲用水的太陽(yáng)能膜蒸餾系統(tǒng)和界面蒸餾系統(tǒng)。

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