第1章绪论
水是人类与地球其他生命赖以生存的自然资源，也是国民经济的命脉。水资源是评价一个国家或地区经济是否可持续发展的重要指标。陆地上的淡水资源总量只占地球上水体总量的2.53%，且大部分分布在南北两极地区的固体冰川。目前，人类比较容易利用的淡水资源主要是河水、淡水湖泊水及浅层地下水，而这些淡水储量只占全部淡水总量的约0.3%，占全球总水量的十万分之七，即全球真正有效利用的淡水资源每年约有9000立方千米。联合国环境规划署（United Nations Environment Programme，UNEP）报告显示，1970～2018年，取水量增速尽管有所下降，其总量仍然由每年250万m3增加到了每年420万m3。在过去100年里，全球淡水用量增加了6倍，20世纪80年代以来继续以每年约1%的速度增长。淡水用量的增长主要归因于人口增长、经济发展和消费模式的转变。联合国水发展报告中估计，全球用水量将继续以每年约1%的速度增长，到2050年，用水量将比目前增长20%～30%。
海水淡化是人类已知*早的水处理方式，也是解决淡水资源匮乏*可行且可持续的方案。但由于海水含盐度高，海水淡化工艺耗能较高。历史上，海水淡化工艺因其投资和能耗很高，是商业应用中*贵的产生淡水的方式。
推广和应用太阳能技术符合节能减排的要求和可持续发展战略。我国广大农村、孤岛等偏远地区普遍存在电力缺乏问题，因此在能源较为紧张的条件下，利用太阳能从海水及苦咸水中制取淡水，是解决淡水缺乏现状及实现节能减排的重要途径。
1.1海水的组成与性质
海水中溶解了多种盐分，从海洋的形成来看，海水中应该含有地球上的所有元素，但限于目前的技术水平，仅仅测定出了八十多种元素。除了氢元素和氧元素以外，每千克海水中含量在1mg以上的元素只有12种，它们分别是氯、钠、镁、硫、钙、钾、溴、碳、锶、硼、硅和氟，合计约占海水全部元素质量的99.9%。除了这12种含量较大的元素之外，其余几十种元素被称为微量元素。
盐度（‰）是海水的重要指标之一，它是指1kg海水中将溴元素和碘元素以氯元素置换，碳酸盐变为氧化物，有机物全部氧化后，其所含固体的总质量。
表1-1是盐度为35‰时，海水中的主要离子浓度和氯度比值。
1.海水氯度与盐度
氯度和盐度是海水的重要指标，其定义是1899年在瑞典斯德哥尔摩举行的第一次国际海洋会议上提出的。
1901年，Knudsen教授等将氯度定义为“1kg海水中，将溴、碘以氯置换后其所含氯的总质量，单位为g/kg，通常用Cl‰表示”。Knudsen还分别规定了测定海水氯度和盐度的标准方法，一般称为Knudsen方法。利用该方法测定的海水盐度并不是海水中真正的含盐量，而是一种以实践为基础的、定义性的相对含盐量，海水真正的含盐量直至今日也无法准确测定。
1979年，国际海洋物理科学协会（International Association for the Physical Sciences of theOceans，IAPSO）所属的物理海洋学符号、单位及术语工作组建议将氯度定义改为“沉淀海水样品中含有的卤化物所需纯标准银（原子量银）的质量与海水质量比值的0.328倍”，该建议被IAPSO采纳。
2.海水中溶解的气体
海水中溶解有多种气体，其含量如表1-2所示。
二氧化碳溶解在海水中与淡水中的情况不同。溶解在淡水中的二氧化碳主要以游离状态存在，可用煮沸或减压的方法驱除，而溶解在海水中的二氧化碳主要以碳酸根及碳酸氢根形式存在，需加入强酸才能逐出。
海水中的二氧化碳影响着海水的pH，海水的pH一般为7.5～8.4。
3.海水的化学和物理性质
海水的物理、化学性质是海水淡化装置设计、计算和操作过程中必须考虑的因素。海水的化学、物理性质分别如表1-3和表1-4所示。
1.2太阳能与海水淡化
近年来，淡水稀缺的巨大压力促使人们开始研究可持续水资源技术，可选方案包括海水淡化技术、废水再利用技术和雨水收集技术（日本的主要淡水来源方式）。截至2020年2月中旬，全球海水淡化装机容量为9720万m3/d，分别由20971个项目提供，其中以海水为给水水源的装机容量为5540万m3/d，占比约为57%[9]。据统计，2010～2020年，全球已安装的海水淡化容量以每年约7%的速度稳步增长。根据2021年发布的《海水淡化利用发展行动计划（2021—2025年）》，到2025年，全国海水淡化总规模达到290万m3/d以上，新增海水淡化规模达125万m3/d以上。
海水淡化过程是一个高能耗的生产过程。传统海水淡化过程中直接或间接消耗的是化石能源，而化石能源利用过程中会排放有害物质并产生温室效应。随着人类环保意识的增强以及对环保要求的提高，利用可再生能源淡化海水已成为海水淡化技术的发展趋势。目前，海水淡化技术已与多种可再生能源相结合，其中包括风能、地热能、海洋能、生物质能和太阳能等。在所有的可再生能源中，太阳能的应用*广，因为凡是有人类生存的地方都有太阳能存在，而其他可再生能源受地域的影响比较大，只在某一特定地域存在，如地热能和潮汐能。风能存在地域也比较广，但与太阳能相比，风力大小及方向多变，不够稳定。截至2016年，太阳能海水淡化就已经占领了海水淡化市场的四分之一，太阳能利用率也从*初的不到10%发展到接近50%，产水量也得到了大幅度提升。因此，发展太阳能与海水淡化技术结合是可再生能源与海水淡化技术结合的主要方向之一。经过长期发展，太阳能海水淡化已衍生出了多种技术方法，不同学者对其分类略有不同。图1-1为一种太阳能海水淡化技术方法分类示意图。
1.3太阳能海水淡化技术的研究进展
除了图1-1所示的太阳能海水淡化分类方法之外，如果从太阳能的转化方式分类，又可简单地分为光热利用法和光电利用法两类。光热利用法是将太阳能转化成热能，利用热能使海水蒸馏或使空气加湿生产淡水，光热利用法可简称为热法。光电利用法是将太阳能通过光伏电池转化为电能，再用电能驱动反渗透装置或其他联合装置生产淡水，该方法可简称为膜法。
在热法中，太阳能蒸馏法及太阳能加湿除湿（humidification-dehumidification，HDH）法是太阳能海水淡化中*常采用的方法，此外还有近些年发展较快的太阳能膜蒸馏法和太阳能局域热法；在膜法中，采用的主要方法是太阳能反渗透（reverseosmosis，RO）法，它是太阳能海水淡化的主要发展方向之一。此外，太阳能电渗析（electrodialysis，ED）法也有少量的应用。
太阳能海水淡化装置规模一般较小，如墨西哥的海水淡化系统，集热面积为680m2，海水淡化能力为12m3/d，集热器运行温度为35～110℃；法国的海水淡化系统集热面积670m2，淡水产量为40m3/d[13]。1982年，我国嵊泗岛建造厂搭建了一个具有数百平方米太阳能采光面积的大规模海水淡化装置，成为我国第一个实用的太阳能蒸馏法海水淡化装置。
1.3.1热法太阳能海水淡化技术
1.太阳能蒸馏法
人类早期利用太阳能进行海水淡化主要是采用太阳能蒸馏的方式，因此早期的太阳能海水淡化装置一般都被称为太阳能蒸馏器。
太阳能蒸馏法可分为直接法和间接法。直接法是将集热和脱盐过程集于一体，将太阳辐射的热能直接用于蒸馏制得淡水，该方法也称为被动式太阳能蒸馏法。间接法是将集热与脱盐过程分开，先使用集热器将光能变成热能，再利用这些热能制取淡水。
1）直接法
直接法的典型装置是盆式太阳能蒸馏器，图1-2是不同盆式太阳能蒸馏器的基本形式。人类对于盆式太阳能蒸馏器的应用已有一百余年的历史，由于它结构简单、取材方便，至今仍被广泛应用。世界上第一个大型太阳能海水淡化装置于1874年在智利北部城市拉斯萨利纳斯（LasSalinas）建造，它由许多宽1.14m、长61m的盆式蒸馏器组合而成，总面积47000m2，晴天时，每天生产淡水23m3，这个系统运行了近40年。
早期的太阳能蒸馏器由于产水量低，初期成本高，在很长一段时间里并没有受到人们的重视。第一次世界大战后，太阳能蒸馏器再次引起人们的关注，为海上救护及生活用水提供了帮助。
直接法的缺点是占地面积大、工作温度低、产水量不高，也不利于应用其他余热。人们通过对盆式太阳能蒸馏器的不断改进，又陆续研制出多级盆式、外凝结器式、多级新型盆式、聚光式、倾斜式和扩散式等形式的太阳能蒸馏器。El-Sebaii等提出了一种结合浅水太阳池的盆式蒸馏器；Aboabboud等提出一种能主动回收潜热的外凝结式太阳能蒸馏器；Chaibi在温室顶部安装太阳能蒸馏器，可提供灌溉温室作物的淡水；Davies等在阿拉伯联合酋长国也进行了类似的设计，并肯定了这种做法的可行性。
目前，直接法的研究主要集中于材料的选取，各种热性能的改善，以及与各类太阳能集热器的配合使用。直接法适用于小型产水系统，如淡水需求量小于200t/d的地区[20]。利用单级太阳能蒸馏法，蒸发1kg温度为30℃的水大约需要
2.4×103kJ的能量。近年来，纳米流体因其光频分谱的性质，被引入太阳能海水淡化的研究中，以提高太阳辐射光伏和光热转化的效率。Ashidi等[21]提出了一种利用纳米流体进行光谱分频的太阳能聚光接收器，并与有机朗肯循环相结合进行热回收，以*大限度地利用太阳能。
2）间接法
目前开发的太阳能海水淡化法主要以间接法为主，间接法以太阳能多级闪蒸（multistage flash，MSF）法和太阳能多效蒸馏（multi-effect desalination，MED）法为代表。这些方法中，除单独使用太阳能外，还可将太阳能与热能、电能或其他能量相结合，是大型太阳能海水淡化装置的发展方向。太阳能蒸馏系统需要有蒸馏装置和太阳能集热器，如果采用低温蒸馏，则可使用低品位热源，海水结垢速度也比较慢，但需要使用抽真空设备，电能消耗较大，对于缺电或无电的海岛及偏远地区难以使用。用于海水淡化蒸馏法的集热器主要有盐度梯度太阳池、平板集热器、真空管集热器和抛物面型集热器等。
Shatat等研究了一种耦合真空管太阳能集热器的四级盆式太阳能蒸馏器，如图1-3所示，该蒸馏器能从四级的蒸发和冷凝过程中回收潜热。该系统的淡水生产能力约为每天5kg/m2，高于传统的盆式蒸馏器或多级蒸馏器。
（1）太阳能多效蒸馏法。如图1-4所示，太阳能多效蒸馏法将一系列蒸馏器串联起来。海水首先经过太阳能加热系统加热，所产生的热蒸气进入第一效蒸馏器。在第一效蒸馏器中，蒸气与海水换热，被冷凝成淡水，而海水吸收蒸气释放的冷凝潜热后产生蒸气。第一效蒸馏器产生的蒸气进入第二效蒸馏器，蒸气与海水换热后，被冷凝成淡水，同时第二效蒸馏器中的海水以比第一效中更低的温度蒸发。这样，海水通过多次的蒸发和冷凝，连续产出淡水。
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