基于吸收光谱技术的NaCl溶液液膜多参数同步测量方法及其在海水淡化降膜蒸发中的应用

针对海水淡化降膜蒸发过程中管外结晶现象与液膜厚度、温度及浓度(mass fraction)的关联性问题，研究人员开发了一种基于吸收光谱技术的NaCl溶液液膜多参数(厚度/T/浓度)同步测量方法。通过自制标准装置验证，该方法测量平均相对偏差分别为5.30%、0.10%和3.30%，结合高速相机与热像仪揭示了液膜蒸发速率与温度(298.00–313.00?K)及初始浓度(5.00–20.00%)的动态关系，为优化蒸发器设计提供了关键数据支持。

　　

海水淡化技术是解决全球水资源短缺的重要途径，其中水平管降膜蒸发技术因其高热传递系数和低能耗特点被广泛应用。然而，蒸发管外表面结晶现象会显著降低蒸发效率，这一现象与液膜厚度、温度及浓度等参数密切相关。传统测量方法如电导探针、激光诱导荧光等技术仅能单一参数测量，且存在干扰液膜流动或需要添加示踪剂等问题。数值模拟研究虽能分析多参数影响，但受限于理论假设与实际的偏差。因此，开发高精度、非侵入式的液膜多参数同步测量技术成为优化蒸发器设计的关键突破口。

针对这一挑战，上海理工大学的研究团队在《Desalination》发表研究，提出基于吸收光谱的NaCl溶液液膜多参数同步测量新方法。研究以NaCl溶液（海水主要成分）为对象，通过傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)测定不同温度(T)和浓度(C)下的近红外(950.00–1700.00?nm)吸收光谱，筛选出特征波长λ?(1409.08?nm)、λ?(1437.28?nm)、λ?(1507.03?nm)和λ?(1063.66?nm)构建同步反演模型。结合自主研发的液膜多参数测量系统（含卤素灯、光纤和近红外光谱仪），利用自制标准装置验证显示厚度、温度和浓度测量平均相对偏差分别为5.30%、0.10%和3.30%。进一步结合高速相机与热像仪，首次量化了不同温度(298.00–313.00?K)和初始浓度(5.00–20.00%)条件下NaCl溶液液膜蒸发过程中的体积变化率与浓度变化率规律。

关键技术包括：1) 傅里叶变换红外光谱(FTIR)用于获取NaCl溶液特征吸收谱；2) 多波长(λ?–λ?)吸收光谱反演算法实现厚度/T/浓度同步计算；3) 自制标准装置（精度0.01?mm）验证测量准确性；4) 高速相机-热像仪联用系统动态监测蒸发过程。

吸收光谱特征分析
通过FTIR测定发现，选定波长处的吸收系数在不同T和C下保持稳定，为多参数同步测量提供理论基础。其中λ?(1063.66?nm)对温度变化敏感，而λ?–λ?对浓度和厚度变化响应显著。

测量方法验证
采用可调厚度(0.10–1.00?mm)的楔形标准装置验证，结果显示该方法在0.30–0.80?mm厚度范围内精度最优，温度测量误差仅±0.30?K，浓度误差<±0.50%。

液膜蒸发动力学研究
实验表明：1) 液膜温度每升高5.00?K，体积变化率提升12.00–18.00%；2) 初始浓度增加5.00%会导致浓度变化率下降约7.00%，这与溶液粘度增加抑制蒸发速率有关。

该研究创新性地实现了液膜关键参数的原位同步测量，突破了传统方法时空分辨率不协调的局限。所揭示的蒸发动力学规律为优化降膜蒸发器设计提供了直接依据，例如通过精确控制液膜厚度(0.30–0.80?mm)和温度(>303.00?K)可有效抑制管外结晶。未来可扩展至真实海水体系，推动海水淡化技术的工业化应用。研究团队提出的非迭代式光谱反演算法，避免了误差累积问题，为复杂流体多参数检测提供了新范式。