《Desalination》：Energy-efficient staged humidification–dehumidification crystallization for zero-liquid-discharge treatment of high-salinity brines
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•分级HDH结晶将单位热量消耗降低了37%（2H）和47%（3H）。•在250 g kg?1浓度下，三阶段循环比蒸发式结晶器的热量需求减少66%。•得率比从0.64上升至1.94；第二定律效率从0.18提升至0.34。•级数与效率之间存在耦合关系：当εhum > 0.56时，
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分级HDH结晶将单位热量消耗降低了37%（2H）和47%（3H）。
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在250 g kg?1浓度下，三阶段循环比蒸发式结晶器的热量需求减少66%。
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得率比从0.64上升至1.94；第二定律效率从0.18提升至0.34。
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级数与效率之间存在耦合关系：当εhum > 0.56时，3H方案不可行。
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优化后的处理成本从每吨进料卤水1.375美元降至0.979美元。
引言
全球淡水短缺正因人口增长、工业扩张以及气候变化对自然水循环的干扰而日益加剧，超过二十亿人生活在严重水资源压力之下[1]。海水淡化是一项成熟的、具有全球可复制性的应对方案，但其产生的高浓度卤水的处理面临日益严峻的环境和法规限制[2]。这推动了卤水增值混合技术的研究，例如膜蒸馏结合反向电渗析[3]和高通量太阳能驱动渗透[4]，同时也促进了向零液体排放（ZLD）系统的转变——该类系统在消除液态废物的同时回收纯水和固态盐。在ZLD流程中，结晶是最具挑战性的环节，也是能耗最高的阶段。
该阶段的热力学下限即分离最小功，是指在环境温度下将进料分离为纯水与固态盐所需的可逆功。对于NaCl溶液，该最小功从海水盐度下约11 kJ kg?1（进料）上升至70 g kg?1时的19 kJ kg?1（反渗透卤水浓度水平），再至200–250 g kg?1时的33.5–35 kJ kg?1（见第3.5节），其中结晶步骤贡献了约120 g kg?1以上的大部分能耗[5]。该下限比蒸发每公斤水所需的2300 kJ低两个数量级，因此热结晶器的能耗需求并非由分离功决定，而是取决于潜热回收程度[6]：无任何回收的结晶器在250 g kg?1浓度下需要约1745 kJ kg?1（进料）的热量（见第4.5节），是最小功的五十倍。因此，高盐卤水处理无论在何种技术路线上，其实际能耗都远高于其热力学极限，即使在成熟的气压压缩系统中，仍高于最小功约一个数量级[7]。
困难在于热力学而非机械方面：潜热必须跨越有限温差传递，而决定不可逆性及由此产生的能耗的，正是该温差而非热量多少。本研究表明，通过不改进任何部件，仅将蒸发负荷分配到多个增湿级中，使每一级以更小的局部驱动力运行，便可消除大部分额外能耗。
HDH工艺是一种低温、常压技术，能够耐受高进料盐度并降低结垢风险，因为其直接接触式增湿器避免了热交换表面与高浓度卤水的接触。Lawal等人[8]对热驱动、可再生能源驱动及低品位热源进行了综述，Narayan等人[9]则对太阳能驱动的小型系统进行了研究。循环气流在增湿器（盐水蒸发处）和减湿器（水蒸气冷凝为淡水处）之间携带热量和水蒸气。在固定效率条件下，性能取决于增湿器与减湿器之间传热速率与传质速率的匹配程度，而分级设计可促进这种匹配。尽管已有此框架，HDH研究几乎完全集中于淡水生产[10]，其在过饱和条件下用于控制结晶的应用却鲜有关注。
Chen等人[11]提出了首个基于HDH的结晶系统（图S1；见补充信息第S1节），证明了以空气作为传热介质可实现卤水浓缩和盐结晶，并报告了相对于蒸发式结晶56%–59%的能耗降低。该研究确立了可行性，但未解决热力学限制问题：单一增湿器与减湿器之间的部分匹配导致大量热量未被回收，由此产生的局部温差使系统无法逼近其可逆包络线[12]。
平行的研究流关注了用于淡水生产的多增湿器HDH系统。两级空气加热HDH已通过气泡柱增湿器进行了实验验证[13]，并对改进型空气加热循环进行了数值优化[14]。Khass等人[15]考察了单级、两级和三增湿器空气加热构型，发现它们是改进型HDH系列中热力学和经济性上最有利的变体，在匹配条件下，每增加一级都能降低单位热量消耗并提高得率比。然而，他们未研究将这一方案扩展至结晶过程（即卤水被驱动至超过饱和状态）的情形。
多级HDH与结晶的集成也已被研究。Shamet等人[16]评估了四种与真空蒸发结晶器耦合的多级HDH构型，其配套的?经济分析研究[17]对?破坏进行了分解。在该研究中，HDH部分作为脱盐流程运行，将50 g kg?1的浓盐水浓缩至75 g kg?1再到约225 g kg?1，而未进入饱和区；结晶过程则在下游的真空室中进行，该真空室消耗了约85%的电力和50%–58%的热量输入，使得率比从1.204降至1.121。因此，零液体排放的能耗成本存在于附加的结晶器中，而非HDH循环本身；表2总结了与本系统的区别。
尚未被构建的方案是：将分级设计应用于结晶负荷本身，使增湿级联在高温高盐区运行，从而将卤水跨越饱和边界，且无需单独的结晶器。分级设计能否在高盐区保持其优势并非显而易见：卤水性质、局部驱动力以及每级的熵平衡均与淡水工况不同，且在超过饱和状态下的运行施加了饱和线以下不会出现的可行性约束。
本研究通过提出并分析一种分级HDH结晶系统来填补这一空白，该系统在Chen等人[11]的框架基础上，引入了Khass等人[15]的多增湿器空气加热构型，将其扩展至过饱和区运行。系统设计了三种构型——按主增湿级数分别称为1H、2H和3H——在统一稳态框架下进行建模，该框架耦合了热量、质量和盐的传递，并通过熵平衡支持系统级?分析，同时与多增湿器空气加热HDH脱盐数据进行验证。核心发现是：分级设计可将单位热量消耗降低近50%，这一效果超出了仅依靠可实现的部件效率所能达到的水平，因此分级设计被推广为耦合传热传质循环中减少不可逆性的通用设计原则。
各章节摘要
高盐卤水结晶系统
本工作研究了Chen等人[11]（图S1）所引入的增湿–减湿（HDH）结晶概念的分级扩展。本文考察的构型将增湿负荷分为一、二或三级串联，分别记为1H、2H和3H。三者共享完全相同的卤水侧结构，仅在卤水和空气通过增湿段的路径上有所区别，从而使得在匹配运行条件下可进行一对一比较。
方法论
本文建立了稳态热力学模型来描述图1和图3所示的1H、2H和3H HDH结晶构型中耦合的热量、质量和盐传递过程。该模型通过对每个控制体（混合器、减湿器、增湿器、加热器、结晶增湿器和盐分离器）应用组分守恒方程来构建，并沿用了Chen等人[11]用于HDH的建模方法。
结果与讨论
分析围绕六个独立变量展开：进料卤水盐度、进料卤水温度（循环最低温度）、热源温度（循环最高温度）、增湿器和减湿器效率，以及增湿级数。各变量在表6所列范围内变化，其余变量保持在标称值；表6还列出了固定的热力学、经济和运行输入参数。
结论
本文将分级增湿–减湿结晶作为一种降低高盐度零液体排放处理能耗和成本的途径进行了分析，通过稳态能量、熵、?和成本模型对一级、二级和三级热耦合增湿构型（1H、2H、3H）进行了比较。主要结果如下：
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分级设计在标称条件下将单位热量消耗降低了37%（2H）和47%（3H），且该降低效应在整个参数范围内均成立。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
作者感谢法赫德国王石油和矿业大学可持续能源系统跨学科研究中心通过IRC-SES项目（编号INSE2623）提供的资金支持。
M.A.M. Ahmed|Omar G. Kaoud|Syed M. Zubair
