太阳能海水淡化装置【字数：9858】
随着世界人口不断增长和水污染日益加剧，淡水资源匮乏，海水淡化是目前最有效地解决方案之一。太阳能蒸馏法是一种传统海水淡化方法，其使用太阳辐射热能，把海水升温使之汽化，再将蒸汽冷凝得到淡水从而达到淡化的效果。本文设计并制造了一个简易的单斜面单极盘式太阳能海水蒸馏器，其由玻璃盖板、木箱体、淡水收集槽、海水蒸发盘以及保温层构成。本论文分别探究不同蒸发面积、不同气体流动速率、不同玻璃盖板倾斜角度下装置得到淡水质量。结果显示，当装置使用面积更大的蒸发盘、气体流动速率更大时得到淡水质量更好，当玻璃盖板倾斜角为45°时得到淡水质量更好。本装置结构简易，操作方便，得到的淡水纯度高，具有一定的实用性。
目录
第一章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2海水淡化研究现状 2
1.2.1蒸馏法 2
1.2.2冷冻法 3
1.2.3反渗透法 4
1.2.4水合物法 5
1.3本文研究内容 6
第二章 海水淡化蒸馏法原理 8
2.1竖管蒸馏 8
2.2蒸汽压缩蒸馏 8
2.3多级闪蒸 9
2.4太阳能蒸馏 10
第三章 海水淡化装置的设计 11
3.1设计依据 11
3.2装置结构 11
3.3操作方法与结果 12
第四章 实验研究与数据分析 13
4.1实验器材 13
4.2实验内容及数据测量 13
4.2.1选用大小不同的海水蒸发盘 13
4.2.2是否外接风扇 14
4.2.3改变玻璃外盖板的角度 15
4.3问题分析 16
4.4小结 17
结论 18
参考文献 19
致谢 20
第一章 绪论
1.1研究背景及意义
水是地球上生命组成的基本元素。地球上的水有固体、液体和气体三种形式，其一般存在地表和大气、岩石和生物圈，总体积为13.86立方米。尽管地球近70%的部分被水覆盖，可是其中大约97%的水是海水，2.6%是冰山，人类可以直接获得的淡水 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
非常匮乏[1]。中国不仅仅从人均上来看严重缺水，其人均水量仅为世界平均水平的1/4，而且从分布上来看也很不平均，大部分水资源集中在南部地区。新中国成立以来，水资源消耗快速增加。1949年的总水量为1240亿立方米，2006年增加到5970亿立方米。2006年，水资源消耗总量中13.8%的水为生活用水，24.5%是生产用水，1.4%是环境用水，60.3%是灌溉用水。目前，国内只使用了45%的农业灌溉用水，这与发达国家70%到80%的灌溉用水截然不同[2]。如果中国人口截至2030年与现在相比依旧按照北方占53.5%，南方占46.5%的百分比分布，人均北方地区用水总量将达到一年3720个亿立方米，这将超过北方当前水资源总量的90%，这意味着几乎没有水给北方使用，北方地区的经济、社会、环境可持续发展将不能保证[3]。
如今随着医疗事业的进步，社会福利的增多，科技的发展等，世界人口呈不断增长趋势。也因此，人类需要的淡水量愈发增加。水可用于农业、灌溉等多种用途，也可用于烹饪等家庭用途。人们需要干净的水，它是日常生活中不能代替的一部分。淡水污染是当今世界最重要的健康危害问题。水对工业、农业和健康的影响不容忽视，然而工业、农业、建筑业排出的废水都会造成水污染，固定在地表上的淡水资源正在以更快的速度枯竭[4]。80%以上的水由于被杂质和化学物质污染，不能直接使用。同样在世界上的沙漠、岩石和干旱地区，雨量匮乏，使得严重的地下水枯竭。
顾及到未来的事态发展，海水淡化被认为是最具挑战性的任务，也是从全球可用的盐水和盐水资源中获取淡水或饮用水的唯一可行解决方案。海水淡化方法现在需要很多燃料或电量，随着化石能源日益耗尽，太阳能是一个有效的解决方案[5]。所有人工海水淡化系统都采用了与通过自然水文循环产生降雨相同的基本原理，以从盐分资源中生产淡水。从水中去除或分离盐不能自动实现，但它是在脱盐系统中借助某种能源完成的[6]。
1.2海水淡化研究现状
1.2.1蒸馏法
加热海水，使它蒸发，留下盐来凝结蒸汽，产生淡水。这个过程就像海水的逐渐盐化，与之不同的是，蒸馏法的需求是淡水。
与膜法或低温法不同的是，蒸发产生的水是蒸馏水，它通常质量更高，盐（一般固体）含量可降至1020毫克/升以下。另一方面，蒸馏法可以处理的生水更多，生水中的盐含量可能从每升几百毫克到数万毫克。在生水低盐度的情况下，蒸馏法通常比膜法消耗更多的能量。但是蒸馏法却可以使用低热量和加工能源热，这反过来又会产生明显的节约效益；再加上设备的操作简便和真实可靠，所以一直被重视并持续得到开发，当前依旧是最常用的一种方法。其设备的数量和产生的效益最高，以及机器的单机容量最高[7]。
大自然中海水在阳光照射下蒸发形成雨水，以及人们的烧水煮饭都为人类提供了最直观的原理和实例，蒸馏淡化法的发展历史也正是由此开始的。早在一百多年前智利就建立了世界上第一座人工太阳能海水淡化装置，从而发展起来太阳能海水淡化技术。太阳能法最省能，但由于过程和设备的效率低，因而占地与投资都相当大；反过来按日常生活中一次蒸发做成的各类蒸馏器，投资虽较省，但能耗甚高。此外，不管上述最省能的还是最省投资的方法，也都不能解决当代大规模淡化海水和处理工业水的问题，因而近代又出现了各种新的蒸馏方法和大型蒸馏设备[7]。
田兴旺[8]等针对当前太阳能海水淡化方法及装置比较复杂的特点，改进设计了一个简易的太阳能蒸馏海水淡化装置。其装置示意图如图11所示。
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图11 装置示意图
1.2.2冷冻法
冷冻脱盐是一个从受污染的液体中获取淡水而不添加化学物质的热过程。其基本原理是冰晶的结构不能容纳盐。在冷冻过程中，盐被生长的冰晶所排斥。在固液相变过程中，溶质杂质很容易从晶体结构中去除。冷冻盐水时，冰晶会排斥溶质，并持续冷冻水。因此，水中的溶质浓度将稳定增加。通过盐水提取热量，直至其结晶为纯水冰晶，然后通过残留盐水分离并融化为新鲜的淡水。在冷冻循环中提取的一些热量，可在熔化阶段回收利用。当与液态冰接触时，盐水会附着在晶体上并被捕获[9]。
冷冻脱盐工艺根据所采用的技术进行分类，一般分为热脱盐和膜脱盐。热脱盐的原理取决于盐和水的沸腾或冻结温度之间的差异。它通常用于高盐度的海水，需要高回收率，给水温度高，能源成本低，主要缺点是能耗大。膜脱盐利用一个相对渗透膜来移动水或盐，以诱导两个不同浓度的区域产生淡水。它包括几个过程，但它们之间的主要区别在于被保留或允许通过膜的实体、离子、分子和悬浮粒子的大小[10]。有必要开发更环保、节能和操作可行的盐水处理技术。冷冻海水淡化已被证明是处理高盐度盐水的可行技术。该工艺基于这样一个原理：由于冰晶晶格的尺寸很小，除了氨以外，不可能在晶格中包含化合物。基本冷冻脱盐包括三个分离步骤，从盐水中获得淡水。首先除去盐水而形成的冰，然后从盐水中分离冰，最后融化冰。与其他工艺相比，它的几个优点包括：
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第一章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2海水淡化研究现状 2
1.2.1蒸馏法 2
1.2.2冷冻法 3
1.2.3反渗透法 4
1.2.4水合物法 5
1.3本文研究内容 6
第二章 海水淡化蒸馏法原理 8
2.1竖管蒸馏 8
2.2蒸汽压缩蒸馏 8
2.3多级闪蒸 9
2.4太阳能蒸馏 10
第三章 海水淡化装置的设计 11
3.1设计依据 11
3.2装置结构 11
3.3操作方法与结果 12
第四章 实验研究与数据分析 13
4.1实验器材 13
4.2实验内容及数据测量 13
4.2.1选用大小不同的海水蒸发盘 13
4.2.2是否外接风扇 14
4.2.3改变玻璃外盖板的角度 15
4.3问题分析 16
4.4小结 17
结论 18
参考文献 19
致谢 20
第一章 绪论
1.1研究背景及意义
水是地球上生命组成的基本元素。地球上的水有固体、液体和气体三种形式，其一般存在地表和大气、岩石和生物圈，总体积为13.86立方米。尽管地球近70%的部分被水覆盖，可是其中大约97%的水是海水，2.6%是冰山，人类可以直接获得的淡水 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
非常匮乏[1]。中国不仅仅从人均上来看严重缺水，其人均水量仅为世界平均水平的1/4，而且从分布上来看也很不平均，大部分水资源集中在南部地区。新中国成立以来，水资源消耗快速增加。1949年的总水量为1240亿立方米，2006年增加到5970亿立方米。2006年，水资源消耗总量中13.8%的水为生活用水，24.5%是生产用水，1.4%是环境用水，60.3%是灌溉用水。目前，国内只使用了45%的农业灌溉用水，这与发达国家70%到80%的灌溉用水截然不同[2]。如果中国人口截至2030年与现在相比依旧按照北方占53.5%，南方占46.5%的百分比分布，人均北方地区用水总量将达到一年3720个亿立方米，这将超过北方当前水资源总量的90%，这意味着几乎没有水给北方使用，北方地区的经济、社会、环境可持续发展将不能保证[3]。
如今随着医疗事业的进步，社会福利的增多，科技的发展等，世界人口呈不断增长趋势。也因此，人类需要的淡水量愈发增加。水可用于农业、灌溉等多种用途，也可用于烹饪等家庭用途。人们需要干净的水，它是日常生活中不能代替的一部分。淡水污染是当今世界最重要的健康危害问题。水对工业、农业和健康的影响不容忽视，然而工业、农业、建筑业排出的废水都会造成水污染，固定在地表上的淡水资源正在以更快的速度枯竭[4]。80%以上的水由于被杂质和化学物质污染，不能直接使用。同样在世界上的沙漠、岩石和干旱地区，雨量匮乏，使得严重的地下水枯竭。
顾及到未来的事态发展，海水淡化被认为是最具挑战性的任务，也是从全球可用的盐水和盐水资源中获取淡水或饮用水的唯一可行解决方案。海水淡化方法现在需要很多燃料或电量，随着化石能源日益耗尽，太阳能是一个有效的解决方案[5]。所有人工海水淡化系统都采用了与通过自然水文循环产生降雨相同的基本原理，以从盐分资源中生产淡水。从水中去除或分离盐不能自动实现，但它是在脱盐系统中借助某种能源完成的[6]。
1.2海水淡化研究现状
1.2.1蒸馏法
加热海水，使它蒸发，留下盐来凝结蒸汽，产生淡水。这个过程就像海水的逐渐盐化，与之不同的是，蒸馏法的需求是淡水。
与膜法或低温法不同的是，蒸发产生的水是蒸馏水，它通常质量更高，盐（一般固体）含量可降至1020毫克/升以下。另一方面，蒸馏法可以处理的生水更多，生水中的盐含量可能从每升几百毫克到数万毫克。在生水低盐度的情况下，蒸馏法通常比膜法消耗更多的能量。但是蒸馏法却可以使用低热量和加工能源热，这反过来又会产生明显的节约效益；再加上设备的操作简便和真实可靠，所以一直被重视并持续得到开发，当前依旧是最常用的一种方法。其设备的数量和产生的效益最高，以及机器的单机容量最高[7]。
大自然中海水在阳光照射下蒸发形成雨水，以及人们的烧水煮饭都为人类提供了最直观的原理和实例，蒸馏淡化法的发展历史也正是由此开始的。早在一百多年前智利就建立了世界上第一座人工太阳能海水淡化装置，从而发展起来太阳能海水淡化技术。太阳能法最省能，但由于过程和设备的效率低，因而占地与投资都相当大；反过来按日常生活中一次蒸发做成的各类蒸馏器，投资虽较省，但能耗甚高。此外，不管上述最省能的还是最省投资的方法，也都不能解决当代大规模淡化海水和处理工业水的问题，因而近代又出现了各种新的蒸馏方法和大型蒸馏设备[7]。
田兴旺[8]等针对当前太阳能海水淡化方法及装置比较复杂的特点，改进设计了一个简易的太阳能蒸馏海水淡化装置。其装置示意图如图11所示。
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图11 装置示意图
1.2.2冷冻法
冷冻脱盐是一个从受污染的液体中获取淡水而不添加化学物质的热过程。其基本原理是冰晶的结构不能容纳盐。在冷冻过程中，盐被生长的冰晶所排斥。在固液相变过程中，溶质杂质很容易从晶体结构中去除。冷冻盐水时，冰晶会排斥溶质，并持续冷冻水。因此，水中的溶质浓度将稳定增加。通过盐水提取热量，直至其结晶为纯水冰晶，然后通过残留盐水分离并融化为新鲜的淡水。在冷冻循环中提取的一些热量，可在熔化阶段回收利用。当与液态冰接触时，盐水会附着在晶体上并被捕获[9]。
冷冻脱盐工艺根据所采用的技术进行分类，一般分为热脱盐和膜脱盐。热脱盐的原理取决于盐和水的沸腾或冻结温度之间的差异。它通常用于高盐度的海水，需要高回收率，给水温度高，能源成本低，主要缺点是能耗大。膜脱盐利用一个相对渗透膜来移动水或盐，以诱导两个不同浓度的区域产生淡水。它包括几个过程，但它们之间的主要区别在于被保留或允许通过膜的实体、离子、分子和悬浮粒子的大小[10]。有必要开发更环保、节能和操作可行的盐水处理技术。冷冻海水淡化已被证明是处理高盐度盐水的可行技术。该工艺基于这样一个原理：由于冰晶晶格的尺寸很小，除了氨以外，不可能在晶格中包含化合物。基本冷冻脱盐包括三个分离步骤，从盐水中获得淡水。首先除去盐水而形成的冰，然后从盐水中分离冰，最后融化冰。与其他工艺相比，它的几个优点包括：
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