基于盐溶液温差效应的多孔介质蒸馏热质传递机理研究

国家自然科学基金（No. 51876023）

气隙扩散蒸馏AGDD（Air-gap diffusion distillation）是在气隙膜蒸馏AGMD（Air-gap membrane distillation）技术基础上提出的一种新的脱盐技术。AGDD使用低成本易获取的超亲水性多孔介质材料作为热流道，通过加热进料溶液产生相变，以分离不同沸点的组分，达到去除溶液中盐分目的。如图1所示，溶液以多孔介质为载体从多孔介质内汽液接触面蒸发，多孔介质的亲水性可以保证在很小的气隙内，溶液不会污染被分离组分，脱盐率稳定保持在98%以上。AGDD可以绕过AGMD微孔膜的开发和维护成本问题，兼备了AGMD方法的优势，在常压和稍高于常温的条件下运行，利用工业低品位余热或可再生能源如太阳能等作为驱动热源进行脱盐，设备简单、资金投入少，几乎没有场地限制，有望发展成为一种廉价、清洁的脱盐方法，具有较高的研究价值和发展潜力。

如图2所示为AGMD单元（图2（a））与 AGDD单元（见图2（b））扩散方式对比；与AGMD不同的是，AGDD 使用多孔介质代替了 AGMD 的热流道和疏水微孔膜进行溶液的渗流和蒸发。AGDD 由热流道（超亲水性多孔介质）、气隙、冷凝板、冷流道以及外部加热装置组成。进料冷流体从系统底部通过冷流道流向顶部，由外部热源加热后送入超亲水性多孔介质热流道。热流体从多孔介质顶部向下渗流，低沸点组分从多孔介质气液接触面蒸发进入气隙；气隙是一个与大气压连通的极窄的空间，在蒸汽分压差的驱动下，蒸汽穿过气隙在冷凝板表面凝结，形成淡水流出，以达到脱盐目的。

与 AGMD 方法相比，AGDD多孔介质的超亲水性具有稳定表面流场的作用，使蒸发侧与冷凝侧之间的换热更加充分；较低的工作温度也可以有效避免结垢，并且这种结构具有自清洁功能，使进料溶液流过多孔介质内部并冲洗孔隙以避免盐分堵塞孔隙；同时超亲水性多孔介质的毛细作用可以连续抽吸水溶解盐分，阻碍盐分的积累结晶，减少浓差极化的影响。

从图3渗流（左侧）和温度（右侧）可视化云图中（流动方向为Y=0-0.5m）可以观察到优先流的存在；最先通过界面的指流（优先流）尖端增长最快，引领了大部分流量，在饱和毛细上升区形成指流（图3（a））。根据变异系数CV（Coefficient of variation）评价优先流的发展程度，可以将优先流分为三个阶段（图3（b）-（d））即稳定发展、指数发展和高速增长阶段。实验结果表明，优先流在一定程度上影响了多孔介质温度场分布的不均匀性，减小了多孔介质的有效蒸发面积。

建立了多孔介质内优先流发展程度、蒸发热质传递速率与多孔介质主要参数表征的多元回归方程；如图4所示为蒸发通量（图4（a）和（c））和平均传质系数（图4（b）和（d））随热流体的平均雷诺数Re和T_cⁱⁿ，T_hⁱⁿ的变化；研究发现，多孔介质的热质传递阻力会导致增加的有利条件（增加T_hⁱⁿ，降低T_cⁱⁿ）利用率降低。根据饱和度不同，多孔介质内的优先流可分为流道不均匀和渗流不稳定两种模式，两种模式下优先流发展程度分别由孔隙结构不均匀性和流场不稳定性控制。构建了考虑优先流和热湿耦合传递的高饱和度超亲水性多孔介质AGDD过程数学模型，分析了AGDD单元几何参数、运行参数和多孔介质结构参数对蒸发传热过程影响规律。

本项目在构建多孔介质降膜流动蒸发现象、温度和流速波动特征、热质传递规律的内在关联方面形成研究特色和创新，为探究与基于盐溶液温差效应强化热质传递过程相适应的多孔介质结构特性及关键因素提供了一定的理论依据和技术支持。

图1  气隙扩散蒸馏（AGDD）模型

（a） AGMD 单元                         （b）AGDD 单元

图2  气隙膜蒸馏和气隙扩散蒸馏扩散方式对比

图3  优先流可视化及优先流参数（a）优先流可视化；（b）渗流前沿和温度前沿CV

 随时间的变化；（c）渗流前沿和温度前沿CV 随深度的变化；

（d）972s 时候的温度分布CV随深度的变化

图4  蒸发通量和平均传质系数随热流体的平均雷诺数和T_cⁱⁿ，T_hⁱⁿ的变化

（a）J_m随T_cⁱⁿ和Re变化； （b）h_m随T_cⁱⁿ和Re变化；

 （c）J_m随T_hⁱⁿ和Re变化；（d）h_m随T_hⁱⁿ和Re变化