光伏供电的真空辅助太阳能海水淡化装置作为拟议零液体排放工艺组件的实验与数学研究

《Desalination and Water Treatment》：Experimental and mathematical investigation of a photovoltaic-powered vacuum-assisted solar desalination unit as a component of a proposed zero-liquid-discharge process

　　

太阳能驱动海水淡化是淡水生产的一种可持续方法，并构成未来零液体排放（ZLD）系统的重要构建模块。在本研究中，研究人员将一座光伏供电的真空辅助太阳能海水淡化装置作为拟议ZLD框架的主要水回收组件，进行了实验和理论研究。下游结晶和盐回收单元仅为说明整体工艺配置而概念性呈现，未纳入本次实验验证。研究人员收集了为期一年的太阳辐照度、环境温度、盐水温度、盐度、密度、蒸发速率、淡水产量和能耗测量数据，并与理论预测进行了比较。实验观察与所建立的数学模型之间取得了良好的一致性。在高太阳辐照度时期实现了最大淡水生产率，峰值产量约为20.4 kg m^-2 day^-1。光伏供电的真空运行显著增强了蒸发，同时减少了对外部电能的依赖。结果表明，所提出的太阳能海水淡化装置作为一种有效的可再生能源驱动的水回收技术，可集成到未来包含下游盐水浓缩和结晶过程的ZLD系统中。

该研究发表于《Desalination and Water Treatment》。面对水资源短缺与环境污染压力，传统海水淡化和废水处理产生大量浓盐水，带来处置难题。零液体排放（ZLD）技术通过最大限度回收水和资源利用受到关注，但高能耗限制其推广。太阳能驱动淡化特别是太阳能蒸馏器结构简单、维护成本低，但传统蒸馏器产水率低。真空辅助可通过降低沸点增强蒸发，光伏供电可减少外部电能依赖。然而，以往研究多分别针对真空强化、光伏供电或下游浓缩，综合实验验证较少。因此，研究人员提出并实验研究一种光伏供电的真空辅助太阳能海水淡化装置，作为未来ZLD过程的主要水回收阶段，以探索可再生能源驱动的高效水回收途径。

研究人员在伊朗设拉子（29.59° N，52.58° E）搭建了一套有效蒸发面积1 m2的真空辅助太阳能蒸馏器，于2024年1月至12月全年连续运行。实验装置采用4 mm厚玻璃盖板和不锈钢316材质基底，蒸馏器底部涂黑并朝南倾斜，倾角等于设拉子纬度。真空泵由集成光伏（PV）板通过电容辅助直流电路供电，使系统内部压力维持在约-73至-74 cm Hg的低压状态。每次实验向蒸发池注入100 kg含盐废水，初始盐度约50 g/L（NaCl当量），pH 7.2–7.6，电导率78–82 mS/cm。连续监测太阳辐照度、环境温度、水体温度、玻璃温度、真空压力、电能消耗、光伏发电量及淡水产量等参数，并采用10分钟间隔自动记录。

主要关键技术方法包括：（1）真空辅助蒸发技术：通过真空泵将蒸馏器内压力降至约-73至-74 cm Hg，降低水的沸点，使蒸发在较低温度下快速进行。（2）光伏供电与电容储能技术：光伏板直接为真空泵提供直流电，配以电容储存能量以应对间歇性太阳辐射。（3）基于能量和质量平衡的数学模型：建立废水、玻璃盖板和底板之间的瞬态能量平衡方程组，采用显式有限差分法数值求解，预测温度变化和产水量。（4）全年野外实验与统计验证：在自然条件下收集12个月数据，用决定系数（R²）、均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）和平均绝对百分比误差（MAPE）等评估模型准确性。（5）水质分析与比较实验：对产水进行电导率、TDS、pH及主要离子浓度测定，并与常规太阳能蒸馏器在相同条件下对比。

研究结果：

全年产水与太阳辐射关系：实验数据表明，淡水产量与太阳辐照度强相关。最大日产量为20.4 kg m^-2 day^-1，出现在太阳辐射最强的7月；12月太阳辐射最低时产水接近零。模型预测与实验值吻合，平均偏差约0.1%。

4.1 风速对系统性能的影响：风速通过两方面影响产水。适度风速增加玻璃盖板对外对流散热，降低玻璃温度，增大玻璃与盐水温差，从而增强冷凝和产水；但过高风速又会增加系统热损失，降低水温，减少蒸发。在设拉子，平均风速1.45 m/s，1月风速（1.16 m/s）高于12月（0.75 m/s），因此1月产水高于12月；7月风速（2.17 m/s）略高于6月（2.06 m/s），产水也更高。

4.2 应用太阳能蒸馏器与传统太阳能蒸馏器的性能比较：在相同环境条件下，真空辅助蒸馏器的日产水量约为常规蒸馏器的4倍，证明真空强化蒸发及PVC等材料应用对性能提升的显著作用。

4.3 风速对系统性能的影响：风速的作用是非单调的，取决于太阳辐照度与环境条件的交互。多变量敏感性分析显示，太阳辐照度对性能的相对影响为51%，环境温度20%，日光照时长17%，风速12%。

4.4 太阳能蒸馏器的特性：真空辅助蒸馏器的平均淡水产量为20.4 L day^-1，标准差0.62 L day^-1，变异系数3.04%；常规蒸馏器对应为5.3 L day^-1、0.41 L day^-1和7.74%。全年光伏日均发电量约7.80 kWh，真空泵日耗电约0.08 kWh，太阳能分数达0.97，热效率为43.5%。产水水质方面，蒸馏水电导率仅为28 μS/cm，TDS为18 mg/L，pH为6.8，主要离子浓度远低于WHO饮用水标准。单次试验中，100 kg进水产生20.4 kg蒸馏水，剩余79.6 kg浓盐水，水回收率20.4%。

讨论部分指出，模型与实验的偏差源于未考虑盐度依赖的热物性变化、不可避免的真空泄漏、冷凝液膜动态积累以及蒸发过程中液位变化等因素。未来需将这些效应纳入模型，以提高对高浓度盐水长期运行的预测能力。同时，环境因素如夏季强风、冬季大气粉尘也会引起系统性能波动。

研究结论：实验证明，光伏供电的真空辅助太阳能蒸馏器作为ZLD废水处理策略的有效组成部分，成功结合了可再生能源利用、减压强化蒸发和淡水回收。最高淡水产量约20.4 kg m^-2 day^-1，显著高于常规蒸馏器，同时光伏集成大幅降低外部电能需求。经验预测模型与实测数据高度一致，为系统设计、优化和放大提供了实用工具。该技术对于高太阳辐射且缺水地区的分散式水处理和废水回收具有良好应用前景。未来工作将重点进行下游结晶、固液分离和盐回收单元的实验集成，并进行完整的水盐质量平衡、结晶性能、盐纯度表征及技术经济评估。