優質氧化型殺菌劑廠家高效利用太陽輻射從海水、地表水和市政污水中提取飲用水

　　優質氧化型殺菌劑生產廠家高效利用太陽輻射從海水、地表水和市政污水中提取飲用水。當今世界仍有幾億人由于沒有最基本的水處理設施而在直飲未經任何處理的地表水或地下水。除此之外，被自然災害襲擊的地區經常斷水斷電，災民用水得不到保障。

　　因此，十分需要不依靠電力驅動的簡單經濟的分散式凈水設備。由于許多缺水區域都有充足的陽光，利用太陽輻射將原水蒸發再冷凝收集蒸餾水的技術便很有前景。

　　最近，界面加熱概念以其高效蒸發氣液界面水分子的特點備受關注。蒸發效率(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。

　　雖然此類通過吸光浮層提高ηevp的燒杯實驗不勝枚舉，但真正把界面加熱概念開發成蒸發冷凝一體化的蒸餾水制備系統的研究寥寥無幾，關于這種界面加熱蒸餾水制備系統的產水能量效率ηsys的數據更是稀少。

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

　　近來界面加熱概念也被用在接觸式膜蒸餾系統。該系統由一張憎水微孔膜將原水和蒸餾水分開。

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

　　據一個先驅性的研究工作報道，這種進水面界面加熱膜蒸餾系統在700 W/m2 條件下，系統產水能量效率ηsys達到了53.8%。在隨后的一個改進工作里，據作者估算，ηsys在1 sun條件下達到了68%。但是以上兩個工作在計算ηsys時都沒有考慮到系統中兩個分別用來循環原水和蒸餾水的蠕動泵所耗費的電能，造成對ηsys的過高估計。

　　其實，如果可以避免入射光強度在原水中的衰減，原水在循環時的熱損，以及提高冷凝效率，該系統的ηsys應該可以進一步提高。為了使太陽能蒸餾系統的ηsys超過100%(即熱力學極限)，單級蒸餾系統可以進一步被開發成多級蒸餾系統，后面一級回收前面一級蒸汽冷凝時所釋放的熱量。例如一個十級膜蒸餾系統在~900 W/m2條件下產水通量高達3 L/(m2·h)，遠遠高于熱力學極限值1.32 L/(m2·h)，雖然該系統的單級ηsys不足50%。

　　另外一個十級紙巾吸水蒸餾系統的水蒸發效率ηevp在1 sun條件下達到385%，其系統產水效率ηsys在自然光下達到~180%。但是該系統的單級ηsys并沒有被報道。由于這兩個系統都采用毛細結構吸取原水，非常容易被渾濁的原水堵塞而降低ηsys。

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

　　成果簡介

　　濾出面界面加熱太陽能膜蒸餾

　　為了提高單級產水效率，佛羅里達大西洋大學易鵬課題組開發了非電力驅動的濾出面界面加熱膜蒸餾系統(圖1)。

　　該系統包括一個原水室，一個蒸餾室和一個冷凝室，都由亞克力有機玻璃制成。在原水室和蒸餾室之間是一張憎水的孔徑為0.45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。原水通過重力從較高處注滿原水室，進入膜孔的進水端，但由于PVDF的憎水性，原水不會穿透PVDF膜。陽光被黑色的濾出面吸收，產生熱量，并通過熱傳導將熱量從濾出面傳遞到進水面的原水表面進行界面加熱和蒸發。蒸汽穿過膜和蒸餾室，在冷凝室凝結成蒸餾水。

　　圖1. (a) 濾出面界面加熱膜蒸餾的系統示意圖 (b) 通過熱傳導從濾出面對膜孔內和進水面的原水進行界面加熱的原理示意圖。

　　創新點

　　照比進水面界面加熱膜蒸餾，這個新的設計不需要蠕動泵來維持系統的運轉，節省能耗。避免了陽光穿過原水而產生衰減。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避免由于顆粒沉淀而造成的膜堵塞問題。與浮層界面加熱技術相比，憎水膜的采用使這個新系統可以以任意的傾斜角度擺放，接收比水平面更多的輻照度，提高產水通量。

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

　　在自然光下，該小試系統在平均日間輻照度652 W/m2的條件下，每平方米膜產水通量高達8.56 kg/(m2·day)，系統的產水能量效率ηsys為67.5%，為所有單級蒸餾系統在自然光下的最高值(圖2)。并且在系統運行的初始階段，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后產出的蒸餾水的視覺比照和異養菌平板計數實驗(HPC)的結果對比。在1800 W/m2的人造光源下，最初的8小時內，產出的蒸餾水在(d)濁度，(e) 電導率和(f) 化學需氧量(COD)上比相應的原水有顯著的降低。

　　該系統在1800 W/m2的人造光源下運轉的最初8個小時里，可以去除市政污水里的所有異養細菌，99.9%的濁度和99.6%的化學需氧量;處理海水時可以使電導率降低99.9% (圖3)。

　　在以海水，水渠水和市政污水為原水時，系統的平均運轉時間分別為32、18和10天，隨后因PVDF膜被原水穿透而停止運轉。繼續運轉需要對膜進行清洗或更換。產出的蒸餾水經第三方水質檢測公司測定符合美國飲用水標準。因此該系統是第一個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能膜蒸餾系統和界面蒸餾系統。

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