热真空淡化（VD）：从自然真空到膜/喷射器强化的技术进展、运行挑战与水–能–矿可持续路径综述

《Eng》：Review on Thermal Vacuum Desalination: Technologies, Challenges and Sustainable Pathways

　　

全球水资源短缺和传统淡化的能源需求推动热真空淡化（thermal vacuum desalination, VD）的发展，该技术降低盐水沸点，并可利用太阳能、废热、海洋热能和地热能等低品位热源。本综述追溯从被动自然真空系统到强制真空、喷射器、喷雾闪蒸、降膜和膜配置的进展。所报道的主要数值均具有案例特异性。一篇被综述的多级太阳能自然真空配置报告热效率高达86%，一种实验性可变几何径向喷射器报告相对于其测试的参考几何结构，平均夹带比（entrainment ratio）提高107%。一个实验性太阳能文丘里（Venturi）原型根据其运行循环产生7.01–9.02 kg/(m²·d)。另外，一项经过验证的14效 MED-HV（14-effect MED-HV）系统的 Aspen Plus 模拟报告增益输出比（gain output ratio, GOR）为13.49，而一项实验性 DCMD-结晶（DCMD-crystallization）研究报道对高盐采出水（hypersaline produced water）的水回收率为98.9%。尽管有这些有前景的结果，真空淡化技术的大规模部署仍受运行不稳定性、间歇性热输入和膜结垢（membrane scaling）阻碍。本综述通过区分模型、实验室、中试规模和综述来源证据，批判性评估真空淡化技术。它按案例评估能耗、技术经济可行性和环境绩效。本综述强调真空淡化（VD）中的主要挑战，如真空稳定性、间歇运行、结垢、不可逆膜润湿（irreversible membrane wetting）和长期性能验证，并提出未来研究优先事项。通过对关键发现的评估，本综述提出推进热真空淡化技术走向可持续实际应用的战略路径，即通过水–能–矿协同（water–energy–mineral synergies）整合水处理、能效和矿物回收。

1. 热真空淡化中的水–能关系
全球淡水缺口和电力增长使传统多级闪蒸（Multi-Stage Flash, MSF）和多效蒸馏（Multi-Effect Distillation, MED）难以为继，每生产1 m³淡水可产生高达20 kg CO₂。VD在约40–70 °C蒸发，可利用太阳能、废热、海洋温差和地热。综述框架强调低品位热利用、真空生成、微尺度膜与闪蒸动力学。文献检索聚焦2019—2025年动态/间歇运行、两相流、真空效应、实验/中试和技术经济/生命周期评估；Scopus显示VD年发文量从2015年21篇增至2025年41篇。

2. 真空淡化技术的演进
从太阳能蒸馏器发展到真空太阳能蒸馏器，再按真空生成机制分为自然真空和强制真空。自然真空基于Torricelli流体静力平衡，用气压水柱维持亚大气压；强制真空通过机械或动量装置强化。

3. 真空系统的分类
真空蒸馏分为自然真空被动系统和强制真空系统，可用于海水和废水淡化。盐度升高会提高沸点并影响馏出液产量。

3.1 自然真空系统
太阳能自然真空淡化（Solar Natural Vacuum Desalination, SNVD）利用Torricelli原理，理论水柱约10.33 m，被动产生真空，使海水在40–50 °C沸腾。先进设计回收冷凝潜热预热进料，并注水排气减轻不可凝气体（Non-Condensable Gases, NCGs）。多级SNVD热效率可达86%；注水放气法降低成本，在Chennai日产31 kg、热效率约79%。吸附式真空系统可用辐射冷却作被动冷凝器。主要限制是高度和体积。

3.2 强制真空系统
采用机械蒸汽再压缩（Mechanical Vapor Recompression, MVR）、喷射器或Venturi。喷射器无运动部件、耐腐蚀，可用于热蒸汽压缩多效蒸馏（TVC-MED）。喷雾闪蒸（Spray Flash Desalination, SFD）增大蒸发面积，但快速闪蒸形成高盐低温壳并产生液体携带效应。Hu等发现临界喷雾高度，0.01–0.25 m时水产量由28.5增至43.5 kg/h。间歇运行导致启停，真空膜蒸馏（Vacuum Membrane Distillation, VMD）停机冷却时易结晶和膜润湿。

3.2.1 喷射器与喷射器设计进展
花瓣型喷嘴夹带比提高17.5%，10齿chevron改善剪切层，四喷嘴阵列提高34%，可变几何径向喷射器（Variable Geometry Radial Ejector, VGRE）平均提高107%。多喷嘴优于单喷嘴，火用损失主要在混合室；三喷嘴可使喷射器兼作真空泵和冷凝器。

3.2.2 与可再生能源的混合与集成
真空淡化可与太阳能热、废热、地热和海洋热能转换（Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC）耦合，太阳能喷射器配储热节能30–50%。地热50–80 °C提供基荷热。太阳能与海洋热能模型年产3524 kg/m²。太阳能VMD与MVR耦合GOR 5.52、能量回收54%。工业废热和地热可降低VMD热需求达90%。

3.2.3 高真空多效淡化与气压式喷射器冷凝
MED-HV（High-Vacuum Multiple Effect Distillation）用14级级联，压力低至0.8 kPa，饱和温度约4 °C，抑制硫酸钙结垢。两相气压喷射器-冷凝器替代终端冷凝器。系统产水超过96,000 L/d，GOR 13.49，比常规MED高34.1%，回收率83%。

3.2.4 真空加湿–除湿（VHDH）
太阳能真空加湿–除湿（Vacuum Humidification–Dehumidification, VHDH）在加湿器压力50 kPa时蒸发率提高，最优压力70 kPa，淡水产量18 L/h。

4. 真空淡化基本原理与传递现象
需理解喷雾闪蒸（Spray Flash Evaporation, SFE）、降膜蒸发和VMD的微尺度传热传质，包括热–盐极化、液滴动力学和液体夹带。

4.1 喷雾闪蒸与降膜配置
雾化10–100 μm液滴或形成薄膜可提高表面体积比，热效率较滴流提高达110%。快速蒸发形成较冷更盐液壳，降低局部蒸汽压；液体携带效应污染蒸汽。喷雾降膜（Spray Falling Film, SFF）较滴流/管喂（Dripping/Pipe Feed, DPF）提高淡水产量62.4%、热效率110.1%。旋转鼓提高产水140%；相变材料（Phase Change Material, PCM）管可日落后继续产水。多效管式在40 kPa时最大淡水产量7.056 kg/d，最佳压力40–60 kPa。

4.2 真空膜蒸馏（VMD）
VMD热效率高，可与低品位热和零液体排放（Zero Liquid Discharge, ZLD）结合。VMD热效率89%，直接接触膜蒸馏（Direct Contact Membrane Distillation, DCMD）仅16%；VMD电耗高。VMD-结晶处理总溶解固体（Total Dissolved Solids, TDS）超过150,000 mg/L采出水，水回收超过98%并产盐。10齿chevron喷嘴使夹带比提高95%，可在18 °C蒸发。Venturi自蒸发-自冷凝连续流日产9.02 kg/m²，间歇模式日产7.01 kg/m²。

4.2.1 多级表面加热真空膜蒸馏
表面加热VMD（Surface-Heated VMD, SHVMD）直接加热膜表面，减轻温度极化，回收潜热，GOR超过4。VMD-结晶可处理高盐页岩水，但表面加热膜制造和高盐换热器可靠性是挑战。

4.2.2 真空膜淡化中的缓解策略
(a) 控制极化和结垢策略：热–盐极化降低蒸汽压驱动力。表面加热膜、旋转鼓、全疏膜、Janus膜、微气泡和停机流程被研究；旋转鼓使太阳能真空单元效率增益30–50%，微气泡减少CaCO₃结垢40–60%。
(b) 增强抗润湿膜材料进展：膜润湿由跨膜压力超过液体进入压力（Liquid Entry Pressure, LEP）引发。全疏重入结构和Janus膜可保持LEP >2.5 bar。全疏膜盐截留 >99%；Janus聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene, PTFE）膜通量提高30%；仿生多层Janus膜通量37.16 kg m^?2 h^?1，盐截留99.99%。

4.3 膜蒸馏热效率与电效率比较
真空淡化热效率高于大气蒸馏，但VMD电耗高。VMD电耗158.4 kWh/m³，约为DCMD 5.42 kWh/m³的29.2倍。盐度0–7%使产率下降21.8%。实验室SFF热效率70.8%，现场仅19–26%。

5. 真空淡化技术的局限
运行不稳定影响可靠性、效率和规模化；高盐、NCG、挥发性有机物（Volatile Organic Compounds, VOCs）和复杂流仍是障碍。

5.1 运行挑战
5.1.1 间歇性与停机问题：反复启停导致VMD结垢和膜润湿。P1不排放四天通量损失51%，P2排放不冲洗通量下降，P3排放后淡水冲洗DCMD恢复最佳，但不直接适用于VMD。储热和辐射冷却可缓解。
5.1.2 采出水处理稳定性挑战：DCMD-结晶处理156,700 mg/L油田采出水，水回收从42.0%提高至98.9%。页岩油设施停机时250,000+ ppm TDS盐水过饱和沉淀，堵塞孔道并润湿膜。
5.1.3 不可凝气体与两相动力学：NCG降低水蒸气分压和传质驱动力，增加压缩机功耗。VOC可透过膜污染渗透液。两相喷射器受入口压力、几何和NCG/VOC影响。

5.2 结垢、污垢与不可凝气体的缓解策略
缓解证据技术特异。VMD微气泡曝气去除约70%盐垢；多级表面加热VMD模型改善水回收和热利用。DCMD停机协议不能直接外推为VMD验证。无通用排气计划，有效性需长期工业验证。

5.3 盐水处置与管理
浓盐水处置包括地表水排放、深井注入和蒸发塘，有生态风险。ZLD和混合系统受重视；体积减量和资源回收可产水和回收镁、锂。DCMD-结晶处理高盐油田采出水成本可降至0.50美元/桶。2030年锂和镁需求预计分别增长300%和50%。

5.4 热真空与传统淡化：比较评估
不同研究规模、进料、能量核算和成本不同，不能等同比较。MSF能耗高；高真空MSF/MED与气压喷射器冷凝可改善能效。VMD单独比热能耗（Specific Thermal Energy Consumption, STEC）可达734.63 kWh/m³（65 °C）和757.45 kWh/m³（60 °C），与MED耦合后降至29.96 kWh/m³，热回收后26.38 kWh/m³。优化真空淡化可较MSF降低能耗50–70%。

5.5 中试示范与放大挑战
8 m³/d中试VMD处理放射性废水，核素截留超过99.9%，真空稳定。中试ME-VMD带潜热回收GOR 5。放大时实验室SFF热效率70.8%，室外仅19%。建议动态NCG吹扫、热缓冲和模块化几何放大。

6. 关键研究空白与未来展望
6.1 研究空白
两相流、间歇膜结垢、资源回收和大规模集成仍为主要瓶颈。
6.2 未来研究优先领域
需专门研究VMD间歇停机；VOC和NCG联合影响需建模与实验；关键矿物选择性回收尚未证明；预测控制与储热集成仍是建议路径。

7. 真空淡化的可持续、高效与可再生方面
7.1 超低温热驱动真空淡化
40–50 °C超低热源、闪蒸罐压力5–10 kPa可产淡水；加热水温度和流量影响产水。Cu₂O纳米颗粒真空辅助蒸馏器产水提高133.6%，多效管式在40–60 kPa产水约为大气两倍。
7.2 效率提升
7.2.1 MVR：回收蒸汽潜热。处理含油废水时排放压力0.105–0.135 MPa，压缩机功耗比预测高近5%，偏差小于10%。
7.2.2 建模和设计创新：VMD模型优化进料温度和真空压力使通量分别提高400%和50%，盐截留 >99%；65 °C通量18.42 kg/(m²·h)；改造VMD能源和火用效率提高20–30%；混合膜蒸馏与太阳能池GOR >10，比能耗（Specific Energy Consumption, SEC）<150 kWh/m³。
7.3 TEA与LCA
技术经济分析（Techno-Economic Analysis, TEA）需说明规模、进料、能源、当地价格和核算边界；规模相关成本模型覆盖1–1,000,000 L/h。生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）结果强案例依赖，尚无通用成本或碳减排范围。
7.4 数学建模、计算模拟与优化（CFD和AI/ML）
计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）用于模拟温度极化、蒸汽通量和耦合传热传质；人工智能/机器学习（Artificial Intelligence/Machine Learning, AI/ML）用于参数优化和污垢预测，部分模型与实验相关性超过95%。

8. 结论
热真空淡化是低品位热驱动的重要技术，可在低至18 °C蒸发。技术从SNVD发展到强制真空、喷射器、多级热回收、喷雾闪蒸、降膜和VMD。实验太阳能Venturi产水7.01–9.02 kg/(m²·d)；14效MED-HV模拟GOR 13.49；DCMD-结晶高盐采出水回收 >98%。中试证明技术可行，但TEA和LCA仍案例依赖。主要挑战为可再生间歇、高盐、VOC/NCG、两相喷射器、关键矿物选择性回收和长期验证。