质疑高中化学教材太阳能海水淡化原理

质疑高中化学教材太阳能海水淡化原理云南大理巍山一中谢忠立内容摘要：人民教育出版社出版，云南新华书店集团有限公司发行，云南出版集团有限责任公司重印，2007年3月第3版，2010年7月第2次印刷的高中化学教材必修2中，第90页第四章第一节《开发利用金属矿物和海水资源》中，太阳能蒸发淡化海水的的原理图是错误的，应在原有的基础上加一个压缩液化装置或集热换热装置。关键字：太阳能、蒸馏、平衡蒸汽压、海水淡化正文：人民教育出版社出版，云南新华书店集团有限公司发行，云南出版集团有限责任公司重印，2007年3月第3版，2010年7月第2次印刷的高中化学教材必修2中，第90页第四章第一节《开发利用金属矿物和海水资源》中，介绍海水淡化的过程中，利用太阳能淡化海水是一种低能耗低成本的海水淡化方法，其原理如图所示。工作原理为，在图所示的装置中，加入海水，利用太阳能在温室中加热海水，使其中的水气化，气化后的水蒸气在集热温室的玻璃板上液化，延玻璃表面向下流动后收集，引出集热温室，达到海水淡化的最终目标。这一淡化原理是有误的。首先，从生活常识来分析，我们应想到的是，水蒸气液化过程中，初始阶段，产生的液态水不多，常以水珠的形态附着在玻璃板上，例如：在冬天，我们起床时，会发现我们的家中玻璃窗也会产生大量的水珠而变得模糊起来。再如，我们向冷的玻璃窗上吹一口气，其中的水蒸气就会凝结为小液滴附着在玻璃板上，玻璃板就会变得模糊起来。原因是水珠凝结在玻璃板上时，挡住了外边射来的光线，同时也将射入进来的光线进行了散射和反射的原因。玻璃对于水来说是一种浸润质地的材料，窗户是直立的玻璃，重力完全作用于水珠，转化为水珠向下落的动力，尚且无法使产生的水立即流下，保持玻璃板的透明。对于倾斜放置的温室玻璃来说，产生的水滴更不可能马上流下，从而阻挡阳光射向海水，海水蒸发时所需的能量将无从获取（这一事实我们可以从多云天气，气温会下降的事实得到证实），整个过程将就此中断，淡化将无法进行。对于非浸润质材料的其它温室材料来说，在倾斜的情况下，更易在水蒸气液化的初始阶段，形成水珠，附着在其上，水珠成长过程中，由于不是浸润质的材料，透光材料与水滴之间粘附能力很弱，在重力作用下，将作自由落体运动，落入海水中，而不会延透明材料向下流动到汇集装置中。造成一种反复相变的过程，只不过反复循环而已，无法得到淡水。从能量角度来看，太阳能进入温室，海水可吸收太阳能中的热量，玻璃板上的淡水也将能吸收太阳能中的热量，水蒸气液化也将放出能量（热量），对于玻璃板上的水来说，将出现太阳能和自身液化放热的双重获取能量的过程，按照教材上的原理，水蒸气自下而上流动，这些能量并不会因为对流而向下传向海水，如此多的能量将向何处去。这些能量将只有一个主要去向，加热玻璃板及其附着其上的水珠，因此，玻璃板上不但无法将水蒸气液化为液态水，只会将附着其上的液态水气化为水蒸气，因此从能量的角度来分析，教材上的原理图是不具有可行性的。从相平衡的原理来分析，拉乌尔定律指出，溶质为难挥发性物质时，在稀溶液中的溶剂蒸气压与溶剂的物质的量分数关系式为：PA=PA*XA,PA表示形成溶液后溶剂的蒸气压，PA*表示溶剂为纯物质时的蒸气压，XA表示溶液中溶剂的物质的量分数。从拉乌尔定律可知，溶液浓度越高，溶剂的蒸气压就越小，气态溶剂就更加容易回到溶液中，直观表现就是海水的沸点升高。至少，海水的沸点一定高于淡水，海水的相平衡蒸气压，一定小于淡水的相平衡蒸气压。即，在温室集热箱中的水蒸气，在同一个温度和同一个蒸气压下，它们更易回到海水中，很难进入液化冷凝过程，转化为淡水。因此，在教材的原理图中，在温室集热箱中会发生的是玻璃板上的淡水不断减少，海水增多的过程，而不会是海水减少，淡水增多的预期过程。从生产量产来分析，太阳能的功率太小，水的汽化热太大，水在1标准大气压下的汽化热约为40KJ/mol,，以我们低纬度地区的广州市的太阳能量来计算，其每年太阳辐射（年平均太阳辐射值）为4367.2-4597.3兆焦耳/平方米，[约11.965MJ/(M2D)—12.595MJ/(M2D)]而水的汽化热为40KJ/mol。我们高获能的广州的日平均太阳能量来看，即使将太阳能中的能量100％地利用于进行海水淡化蒸发，不考虑其中的反复相变，每平方米的温室，每天可得水约300mol,约为6L.想要建成一个日产10万吨的海水淡化工厂，将使用16666667平方米的温室，约为16KM2），在陆地上，这么大的占地面积，其成本之高可想而知，如果建在近海，对相应城市的海上交通将是一个重大的障碍，同时，如此大面积的一个设施，如何应对延海台风的攻击，也是一大难题。这么大的一套装置，管理、维护、维修难度之高也可想而知，从量产的角度来分析，教材上的淡化原理也是不可行的。从生产的稳定性来看，我国地处北半球，其太阳能辐射在地理分布是南高北低。时间分布上，年内太阳辐射以2月最低，7月最高。季节上以夏季最多，秋季次之，冬季再次，春季最少。如教材所述原理，海水淡化生产过程中，将受到时间、地点、季节、昼夜更替、天气阴晴等一系列自然因素影响，无法稳定生产和供水，同时，会发现，能大量生产淡水的夏秋季节，降水较多，而供水紧张的冬春季节，生产的淡水又很少，这对于城市用水来说，无助于社会的生产和发展，是一种高成本低收益的行为。从以上的计算结果来分析，以及从生产过程中的稳定性要求来分析，太阳能辐射的能量太少，是无法满足海水淡化过程中的能量需求的。加之太阳能受到季节、昼夜更替、天气的影响，生产的稳定性是不存在的，其产量、生产时间是无法保证的。如果要能大规模海水淡化生产淡水，同时，避开自然气候、季节、天气状况的影响，就必须摆脱海水淡化过程中对太阳能的严重依赖。要摆脱对太阳能的依赖，又要满足海水淡化蒸馏过程中大量的能耗，降低成本，最优的选择是，将水蒸气的冷凝过程与海水的升温、蒸发过程统一在一起，实现蒸发所需能量与液化放出能量之间的循环，太阳能作为物料交换过程中的能量损失的一种补充能量，仅用于维持能量平衡过程中的少量能量补充，这既符合太阳能辐射功率小的实情，也可摆脱气候、季节、天气等因素造成的太阳能不稳定的影响，达到高速、高效、高产的量产目标。经过网上查阅，主要得到以下几种蒸馏淡化海水的生产方法：新型高效太阳能—空调—海水淡化法、现代多级闪急蒸馏淡化法、露点蒸发法、其原理如下：新型高效太阳能—空调—海水淡化法的系统组成如图所示：该太阳能海水淡化与组合式空调系统由三大部件组成:CPC太阳能集热器,空调与海水淡化装置。其中系统以CPC太阳能集热器作为海水淡化装置的主要热源。原理分析：首先,被抽入CPC太阳能集热器的冷海水经CPC吸收太阳辐射加热后,流出的已是高温海水。高温海水与回流热海水在高温混合室(5)混合后进入海水淡化装置,然后通过喷淋盘,均匀地喷淋到两级高效蒸发器(7)上。由于高效蒸发器特殊的蜂窝结构,其表面积较大,因而热海水的蒸发面积很大。风机(6)送入的高速气流经过高效蒸发器,将高温海水不断蒸发的水蒸气送入冷凝装置(8)。水蒸气经蛇形管管壁与冷海水换热,在冷凝作用下,水蒸气液化为水滴。水滴不断会聚,成股流下,收集可得到淡水。因为高温水蒸气不能在一级冷凝装置中完全冷凝,我们将海水淡化装置设计成两级立式结构。在风扇的作用下,未冷凝的水蒸气强制对流,进入下一级的高效蒸发器-冷凝器。如此循环,充分利用了余热,大大提高了热效率。喷淋到两级高效蒸发器未蒸发的热海水流出后被收集,然后导出海水淡化室。为充分利用这部分海水的热量,我们将之导入空调的蒸发器中降温,然后流入海水淡化器的冷凝装置,在蛇形管中流过,与管外高温的水蒸气换热以使水蒸气冷凝,然后进入空调的冷凝器。这部分海水的温度虽然低于流出太阳能集热器的海水温度,但由于水蒸气的换热和空调冷凝器的放热,温度还是比较高的。使之流入混合室,与流出太阳能集热器的热海水混合,充分利用了余热。整个系统主要以CPC太阳能集热器作为热源,可以极大的节约常规能源。现代多级闪急蒸馏淡化法。水在常规气压下，加热到100℃才沸腾成为蒸汽。如果使适当加温的海水，进入真空或接近真空的蒸馏室，便会在瞬间急速蒸发为蒸汽。利用这一原理，做成多级闪急蒸馏海水淡化装置。此种淡化装置可以造得比较大，真空蒸发室可以造得比较多，连接起来，成为大型海水淡化工厂。这种淡化工厂，可以与热电厂建在一起，利用热电厂的余热加热海水。水电联产，可以大大降低生产成本。现行大型海水淡化厂，大多采用此法。如果太阳能蒸发淡化法能够投入实用，古老的蒸馏淡化技术又上一个节能的新台阶。压汽蒸馏：压汽蒸馏海水淡化技术，是海水预热后，进入蒸发器并在蒸发器内部分蒸发。所产生的二次蒸汽经压缩机压缩提高压力后引入到蒸发器的加热侧。蒸汽冷凝后作为产品水引出，如此实现热能的循环利用。露点蒸发法：露点蒸发淡化技术是一种新的苦咸水和海水淡化方法。它基于载气增湿和去湿的原理，同时回收冷凝去湿的热量，传热效率受混合气侧的传热面积控制。露点蒸发淡化技术是以空气为载体,通过用海水或苦咸水对其增湿和去湿来制得淡水,并通过热传递将去湿过程与增湿过程耦合,使冷凝潜热直接传递到蒸发室,为蒸发盐水提供汽化潜热,以提高过程的热效率。现已建立了有效传热面积分别为9.6m2和2.75m2的两台增湿/去湿耦合的露点蒸发淡化设备。建立了相应的实验装置和计算机数据采集系统。分别成功地完成了露点蒸发淡化基本流程与参数相关性实验以及强化传热/传质淡化实验。以上几种方法淡化海水的过程中，都没有将太阳能能作为主要的能量来源，而作为能量补充的一种手段，同时都在强调整个淡化过程中的能量循环，将液化冷凝过程中产生的能量，用于气化蒸发过程，从而降低能耗，降低成本，同时避开自然因素对生产过程的干扰。结合以上事实，我们教材中太阳能海水淡化原理示意图是有重大的缺陷的示意图，它仅是海水蒸馏淡化过程中的一个蒸发气化设备。如果要能完整体现整个利用太阳能淡化海水的装置示意图，我们至少还应补充一个能量藕合装置，简单一点说应加一个压缩液化装置，让水蒸气液化的温度，高于海水的温度，以便能量能循环利用。或者加一个集热装置，将液化产生的能量，用于加热海水。参考文献：海水淡化：网址：中国新能源网：新型太阳能海水淡化装置CPC匹配研究网址：蒸馏法海水淡化技术原理网址：=2176新人教版高中化学教材必修2第四章第一节《开发利用金属矿物海水资源》上海师范大学、河北师范大学、华中师范大学、化南师范大学、河南师范大学合编《物理化学》第110页1991年3月第3版，1995年4月第5次印刷