在世界许多地区，雨水是一种重要且可持续的水资源。然而，大气污染以及雨水收集方式常常会使雨水受到污染，其中包含可溶性物质（如溶解气体和矿物质）以及不可溶性物质（如灰尘和病原体），这些物质统称为总溶解固体和总悬浮固体。虽然这类物质本身并不危害人类健康，但由于它们可能表明水已受到污染，因此在水净化过程中通常会对其浓度进行检测。为确保收集到的雨水不会对人类健康构成威胁，必须对其进行处理，将总溶解固体和总悬浮固体浓度降至安全水平。
传统上，雨水净化依赖多种处理技术，包括膜过滤、蒸馏、常规过滤以及化学消毒。超滤和反渗透等膜处理技术能有效去除悬浮物、微生物和溶解盐，但容易因污染而降低效率，且运营成本较高。蒸馏虽能得到高度纯净的水，但能耗极大，不适合在分散式场合使用。
砂滤、活性炭过滤和陶瓷过滤等常规过滤方法虽然成本低，能有效去除浊度和有机污染物，但对溶解盐和病原体的去除效果较差，且需要频繁维护。氯消毒、臭氧消毒和紫外线消毒等化学消毒方法虽能有效控制微生物，却无法去除溶解性杂质，还可能产生有害副产物。实际上，要将雨水净化为饮用水，往往需要多种处理方法协同作用，因为单一方法无法确保水质安全。此外，大多数传统净化方法都依赖化学药剂，且能耗较高。
因此，人们希望寻找基于自然原理的净化方法，以更低的能耗和化学药剂消耗来净化雨水。例如，在寒冷天气里，高盐度海水表面会形成低盐度的海冰。这就是冻结浓缩法的原理，它具有诸多优势：能耗低于蒸馏，不会导致膜污染，产生的冰晶几乎为纯水，因此能够有效分离盐分、重金属和有机污染物。此外，该技术不会引入新的污染物，且适用于分散式应用，是雨水净化的理想可持续替代方案。
本文提出在冻结浓缩技术基础上采用一种名为逐步冻结浓缩的新方法，用以降低雨水中总溶解固体和总悬浮固体的含量。与其他冻结浓缩技术相比，逐步冻结浓缩法具有明显优势。在悬浮冻结浓缩法中，会形成大量小冰晶，需要复杂的步骤才能分离出纯冰，这不仅增加了操作难度和能耗，还可能使溶质滞留在冰晶中。而块状冻结浓缩法则需先将大量水冷冻成块，再分离出浓缩液，虽然操作相对简单，但由于溶质可能被困在冰块中，导致纯度和回收率较低。
相比之下，逐步冻结浓缩法能够可控地促使单个冰晶生长，从而逐步将纯水与浓缩液分离。这种方法减少了溶质滞留的可能性，提高了分离效率，且系统设计更为简单。其回收率和浓缩效率也高于块状冻结浓缩法，同时还能保持原有溶质的比例。此外，通过控制搅拌和温度，逐步冻结浓缩法更容易实现规模化优化，非常适合对效率和水质要求较高的净水和海水淡化领域。
只要具备可供冰形成的冷却表面以及能够搅拌溶液以避免冰水界面出现过高的溶质浓度梯度，逐步冻结浓缩法便可在多种场景下应用。该技术已被用于啤酒、费霍亚果浆、咖啡、果汁和牛奶的浓缩处理，以及盐水淡化、乳清回收利用和废水处理等领域。不同应用中，对该技术的评价标准也有所不同：比如饮料浓缩更关注浓缩液与原液的浓度比例，而海水淡化则更侧重冰的纯度。
目前，逐步冻结浓缩法在制备清洁水方面仍存在一些问题：首先，生成的冰纯度较低，会影响水的饮用质量；其次，为保证冰的质量，需要限制冰的生长速度，从而导致冰的产量较低；最后，该技术属于分批处理方式，每次处理后都需要暂停流程以便提取冰，进一步降低了整体产量。
为此，本研究采用了降膜冻结净化装置，这种装置可以设计为半连续自动运行模式。进料溶液会从储液槽持续泵送到垂直冷却表面的分配器中，然后以薄液膜形式流回储液槽。运行几分钟后就会开始结冰，只需停止循环并略微加热冷却表面，让冰融化后落入冰箱即可轻松收集冰块。由于这种装置的冰不会像其他逐步冻结浓缩装置那样被封闭，因此可以方便地监测冰的形成过程。降膜冻结浓缩法已被用于咖啡、啤酒和盐水的浓缩处理，污染物分离效率可达89.6%，充分证明了其在雨水净化中的应用潜力。
目前尚无研究探讨不同操作参数对降膜冻结浓缩法处理雨水效果的影响。因此，本研究旨在运用响应面分析法，研究初始雨水中总溶解固体和总悬浮固体含量、处理周期及循环次数等因素对污染物分离效率、浓缩倍数、冰的杂质含量以及冰回收率的影响。
为确保系统高效运行，需对其结构和运行方式进行优化。响应面分析法是一种结合实验设计方法和统计模型的系统化工具，可用于找出变量间的关联关系并进行优化。本研究选择该方法，是因为它能够通过较少的实验次数完成高效的设计，具备强大的统计分析能力，可识别出重要的关联和交互效应，同时生成的优化模型易于理解，可直接应用于实际场景。
