質(zhì)疑高中化學(xué)教材太陽(yáng)能海水淡化原理.docx

質(zhì)疑高中化學(xué)教材太陽(yáng)能海水淡化原理云南大理巍山一中 謝忠立內(nèi)容摘要：人民教育出版社出版，云南新華書(shū)店集團(tuán)有限公司發(fā)行，云南出版集團(tuán)有限責(zé)任公司重印，2007年3月第3版，2010年7月第2次印刷的高中化學(xué)教材必修2中，第90頁(yè)第四章第一節(jié)開(kāi)發(fā)利用金屬礦物和海水資源中，太陽(yáng)能蒸發(fā)淡化海水的的原理圖是錯(cuò)誤的，應(yīng)在原有的基礎(chǔ)上加一個(gè)壓縮液化裝置或集熱換熱裝置。關(guān)鍵字：太陽(yáng)能、蒸餾、平衡蒸汽壓、海水淡化正文：人民教育出版社出版，云南新華書(shū)店集團(tuán)有限公司發(fā)行，云南出版集團(tuán)有限責(zé)任公司重印，2007年3月第3版，2010年7月第2次印刷的高中化學(xué)教材必修2中，第90頁(yè)第四章第一節(jié)開(kāi)發(fā)利用金屬礦物和海水資源中，介紹海水淡化的過(guò)程中，利用太陽(yáng)能淡化海水是一種低能耗低成本的海水淡化方法，其原理如圖所示。工作原理為，在圖所示的裝置中，加入海水，利用太陽(yáng)能在溫室中加熱海水，使其中的水氣化，氣化后的水蒸氣在集熱溫室的玻璃板上液化，延玻璃表面向下流動(dòng)后收集，引出集熱溫室，達(dá)到海水淡化的最終目標(biāo)。這一淡化原理是有誤的。首先，從生活常識(shí)來(lái)分析，我們應(yīng)想到的是，水蒸氣液化過(guò)程中，初始階段，產(chǎn)生的液態(tài)水不多，常以水珠的形態(tài)附著在玻璃板上，例如：在冬天，我們起床時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)我們的家中玻璃窗也會(huì)產(chǎn)生大量的水珠而變得模糊起來(lái)。再如，我們向冷的玻璃窗上吹一口氣，其中的水蒸氣就會(huì)凝結(jié)為小液滴附著在玻璃板上，玻璃板就會(huì)變得模糊起來(lái)。原因是水珠凝結(jié)在玻璃板上時(shí)，擋住了外邊射來(lái)的光線，同時(shí)也將射入進(jìn)來(lái)的光線進(jìn)行了散射和反射的原因。玻璃對(duì)于水來(lái)說(shuō)是一種浸潤(rùn)質(zhì)地的材料，窗戶是直立的玻璃，重力完全作用于水珠，轉(zhuǎn)化為水珠向下落的動(dòng)力，尚且無(wú)法使產(chǎn)生的水立即流下，保持玻璃板的透明。對(duì)于傾斜放置的溫室玻璃來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生的水滴更不可能馬上流下，從而阻擋陽(yáng)光射向海水，海水蒸發(fā)時(shí)所需的能量將無(wú)從獲?。ㄟ@一事實(shí)我們可以從多云天氣，氣溫會(huì)下降的事實(shí)得到證實(shí)），整個(gè)過(guò)程將就此中斷，淡化將無(wú)法進(jìn)行。對(duì)于非浸潤(rùn)質(zhì)材料的其它溫室材料來(lái)說(shuō)，在傾斜的情況下，更易在水蒸氣液化的初始階段，形成水珠，附著在其上，水珠成長(zhǎng)過(guò)程中，由于不是浸潤(rùn)質(zhì)的材料，透光材料與水滴之間粘附能力很弱，在重力作用下，將作自由落體運(yùn)動(dòng)，落入海水中，而不會(huì)延透明材料向下流動(dòng)到匯集裝置中。造成一種反復(fù)相變的過(guò)程，只不過(guò)反復(fù)循環(huán)而已，無(wú)法得到淡水。從能量角度來(lái)看，太陽(yáng)能進(jìn)入溫室，海水可吸收太陽(yáng)能中的熱量，玻璃板上的淡水也將能吸收太陽(yáng)能中的熱量，水蒸氣液化也將放出能量（熱量），對(duì)于玻璃板上的水來(lái)說(shuō)，將出現(xiàn)太陽(yáng)能和自身液化放熱的雙重獲取能量的過(guò)程，按照教材上的原理，水蒸氣自下而上流動(dòng)，這些能量并不會(huì)因?yàn)閷?duì)流而向下傳向海水，如此多的能量將向何處去。這些能量將只有一個(gè)主要去向，加熱玻璃板及其附著其上的水珠，因此，玻璃板上不但無(wú)法將水蒸氣液化為液態(tài)水，只會(huì)將附著其上的液態(tài)水氣化為水蒸氣，因此從能量的角度來(lái)分析，教材上的原理圖是不具有可行性的。從相平衡的原理來(lái)分析，拉烏爾定律指出，溶質(zhì)為難揮發(fā)性物質(zhì)時(shí)，在稀溶液中的溶劑蒸氣壓與溶劑的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)關(guān)系式為：PA=PA*XA , PA表示形成溶液后溶劑的蒸氣壓，PA*表示溶劑為純物質(zhì)時(shí)的蒸氣壓，XA表示溶液中溶劑的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)。從拉烏爾定律可知，溶液濃度越高，溶劑的蒸氣壓就越小，氣態(tài)溶劑就更加容易回到溶液中，直觀表現(xiàn)就是海水的沸點(diǎn)升高。至少，海水的沸點(diǎn)一定高于淡水，海水的相平衡蒸氣壓，一定小于淡水的相平衡蒸氣壓。即，在溫室集熱箱中的水蒸氣，在同一個(gè)溫度和同一個(gè)蒸氣壓下，它們更易回到海水中，很難進(jìn)入液化冷凝過(guò)程，轉(zhuǎn)化為淡水。因此，在教材的原理圖中，在溫室集熱箱中會(huì)發(fā)生的是玻璃板上的淡水不斷減少，海水增多的過(guò)程，而不會(huì)是海水減少，淡水增多的預(yù)期過(guò)程。從生產(chǎn)量產(chǎn)來(lái)分析，太陽(yáng)能的功率太小，水的汽化熱太大，水在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的汽化熱約為40KJ/mol,，以我們低緯度地區(qū)的廣州市的太陽(yáng)能量來(lái)計(jì)算，其每年太陽(yáng)輻射（年平均太陽(yáng)輻射值）為4 367.2-4 597.3兆焦耳/平方米，約11.965MJ/(M2D)12.595MJ/(M2D)而水的汽化熱為40KJ/mol。我們高獲能的廣州的日平均太陽(yáng)能量來(lái)看，即使將太陽(yáng)能中的能量100地利用于進(jìn)行海水淡化蒸發(fā)，不考慮其中的反復(fù)相變，每平方米的溫室，每天可得水約300mol,約為6L.想要建成一個(gè)日產(chǎn)10萬(wàn)噸的海水淡化工廠，將使用16666667平方米的溫室，約為16KM2），在陸地上，這么大的占地面積，其成本之高可想而知，如果建在近海，對(duì)相應(yīng)城市的海上交通將是一個(gè)重大的障礙，同時(shí)，如此大面積的一個(gè)設(shè)施，如何應(yīng)對(duì)延海臺(tái)風(fēng)的攻擊，也是一大難題。這么大的一套裝置，管理、維護(hù)、維修難度之高也可想而知，從量產(chǎn)的角度來(lái)分析，教材上的淡化原理也是不可行的。從生產(chǎn)的穩(wěn)定性來(lái)看，我國(guó)地處北半球，其太陽(yáng)能輻射在地理分布是南高北低。時(shí)間分布上，年內(nèi)太陽(yáng)輻射以2月最低，7月最高。季節(jié)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，海水淡化生產(chǎn)過(guò)程中，將受到時(shí)間、地點(diǎn)、季節(jié)、晝夜更替、天氣陰晴等一系列自然因素影響，無(wú)法穩(wěn)定生產(chǎn)和供水，同時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)，能大量生產(chǎn)淡水的夏秋季節(jié)，降水較多，而供水緊張的冬春季節(jié)，生產(chǎn)的淡水又很少，這對(duì)于城市用水來(lái)說(shuō)，無(wú)助于社會(huì)的生產(chǎn)和發(fā)展，是一種高成本低收益的行為。從以上的計(jì)算結(jié)果來(lái)分析，以及從生產(chǎn)過(guò)程中的穩(wěn)定性要求來(lái)分析，太陽(yáng)能輻射的能量太少，是無(wú)法滿足海水淡化過(guò)程中的能量需求的。加之太陽(yáng)能受到季節(jié)、晝夜更替、天氣的影響，生產(chǎn)的穩(wěn)定性是不存在的，其產(chǎn)量、生產(chǎn)時(shí)間是無(wú)法保證的。如果要能大規(guī)模海水淡化生產(chǎn)淡水，同時(shí)，避開(kāi)自然氣候、季節(jié)、天氣狀況的影響，就必須擺脫海水淡化過(guò)程中對(duì)太陽(yáng)能的嚴(yán)重依賴。要擺脫對(duì)太陽(yáng)能的依賴，又要滿足海水淡化蒸餾過(guò)程中大量的能耗，降低成本，最優(yōu)的選擇是，將水蒸氣的冷凝過(guò)程與海水的升溫、蒸發(fā)過(guò)程統(tǒng)一在一起，實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)所需能量與液化放出能量之間的循環(huán)，太陽(yáng)能作為物料交換過(guò)程中的能量損失的一種補(bǔ)充能量，僅用于維持能量平衡過(guò)程中的少量能量補(bǔ)充，這既符合太陽(yáng)能輻射功率小的實(shí)情，也可擺脫氣候、季節(jié)、天氣等因素造成的太陽(yáng)能不穩(wěn)定的影響，達(dá)到高速、高效、高產(chǎn)的量產(chǎn)目標(biāo)。經(jīng)過(guò)網(wǎng)上查閱，主要得到以下幾種蒸餾淡化海水的生產(chǎn)方法：新型高效太陽(yáng)能空調(diào)海水淡化法、現(xiàn)代多級(jí)閃急蒸餾淡化法、露點(diǎn)蒸發(fā)法、其原理如下：新型高效太陽(yáng)能空調(diào)海水淡化法的系統(tǒng)組成如圖所示：該太陽(yáng)能海水淡化與組合式空調(diào)系統(tǒng)由三大部件組成: CPC太陽(yáng)能集熱器,空調(diào)與海水淡化裝置。其中系統(tǒng)以CPC太陽(yáng)能集熱器作為海水淡化裝置的主要熱源。原理分析：首先,被抽入CPC太陽(yáng)能集熱器的冷海水經(jīng)CPC吸收太陽(yáng)輻射加熱后,流出的已是高溫海水。高溫海水與回流熱海水在高溫混合室( 5)混合后進(jìn)入海水淡化裝置,然后通過(guò)噴淋盤,均勻地噴淋到兩級(jí)高效蒸發(fā)器(7)上。由于高效蒸發(fā)器特殊的蜂窩結(jié)構(gòu),其表面積較大,因而熱海水的蒸發(fā)面積很大。風(fēng)機(jī)(6)送入的高速氣流經(jīng)過(guò)高效蒸發(fā)器,將高溫海水不斷蒸發(fā)的水蒸氣送入冷凝裝置(8)。水蒸氣經(jīng)蛇形管管壁與冷海水換熱,在冷凝作用下,水蒸氣液化為水滴。水滴不斷會(huì)聚,成股流下,收集可得到淡水。因?yàn)楦邷厮魵獠荒茉谝患?jí)冷凝裝置中完全冷凝,我們將海水淡化裝置設(shè)計(jì)成兩級(jí)立式結(jié)構(gòu)。在風(fēng)扇的作用下,未冷凝的水蒸氣強(qiáng)制對(duì)流,進(jìn)入下一級(jí)的高效蒸發(fā)器- 冷凝器。如此循環(huán),充分利用了余熱,大大提高了熱效率。噴淋到兩級(jí)高效蒸發(fā)器未蒸發(fā)的熱海水流出后被收集,然后導(dǎo)出海水淡化室。為充分利用這部分海水的熱量,我們將之導(dǎo)入空調(diào)的蒸發(fā)器中降溫,然后流入海水淡化器的冷凝裝置,在蛇形管中流過(guò),與管外高溫的水蒸氣換熱以使水蒸氣冷凝,然后進(jìn)入空調(diào)的冷凝器。這部分海水的溫度雖然低于流出太陽(yáng)能集熱器的海水溫度,但由于水蒸氣的換熱和空調(diào)冷凝器的放熱,溫度還是比較高的。使之流入混合室,與流出太陽(yáng)能集熱器的熱海水混合, 充分利用了余熱。整個(gè)系統(tǒng)主要以CPC太陽(yáng)能集熱器作為熱源,可以極大的節(jié)約常規(guī)能源。現(xiàn)代多級(jí)閃急蒸餾淡化法。 水在常規(guī)氣壓下，加熱到100才沸騰成為蒸汽。如果使適當(dāng)加溫的海水，進(jìn)入真空或接近真空的蒸餾室，便會(huì)在瞬間急速蒸發(fā)為蒸汽。利用這一原理，做成多級(jí)閃急蒸餾海水淡化裝置。此種淡化裝置可以造得比較大，真空蒸發(fā)室可以造得比較多，連接起來(lái)，成為大型海水淡化工廠。這種淡化工廠，可以與熱電廠建在一起，利用熱電廠的余熱加熱海水。水電聯(lián)產(chǎn)，可以大大降低生產(chǎn)成本?，F(xiàn)行大型海水淡化廠，大多采用此法。如果太陽(yáng)能蒸發(fā)淡化法能夠投入實(shí)用，古老的蒸餾淡化技術(shù)又上一個(gè)節(jié)能的新臺(tái)階。壓汽蒸餾：壓汽蒸餾海水淡化技術(shù)，是海水預(yù)熱后，進(jìn)入蒸發(fā)器并在蒸發(fā)器內(nèi)部分蒸發(fā)。所產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)壓縮提高壓力后引入到蒸發(fā)器的加熱側(cè)。蒸汽冷凝后作為產(chǎn)品水引出，如此實(shí)現(xiàn)熱能的循環(huán)利用。露點(diǎn)蒸發(fā)法：露點(diǎn)蒸發(fā)淡化技術(shù)是一種新的苦咸水和海水淡化方法。它基于載氣增濕和去濕的原理，同時(shí)回收冷凝去濕的熱量，傳熱效率受混合氣側(cè)的傳熱面積控制。露點(diǎn)蒸發(fā)淡化技術(shù)是以空氣為載體,通過(guò)用海水或苦咸水對(duì)其增濕和去濕來(lái)制得淡水,并通過(guò)熱傳遞將去濕過(guò)程與增濕過(guò)程耦合,使冷凝潛熱直接傳遞到蒸發(fā)室,為蒸發(fā)鹽水提供汽化潛熱,以提高過(guò)程的熱效率?，F(xiàn)已建立了有效傳熱面積分別為9.6 m2和2.75 m2的兩臺(tái)增濕/去濕耦合的露點(diǎn)蒸發(fā)淡化設(shè)備。建立了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。分別成功地完成了露點(diǎn)蒸發(fā)淡化基本流程與參數(shù)相關(guān)性實(shí)驗(yàn)以及強(qiáng)化傳熱/傳質(zhì)淡化實(shí)驗(yàn)。以上幾種方法淡化海水的過(guò)程中，都沒(méi)有將太陽(yáng)能能作為主要的能量來(lái)源，而作為能量補(bǔ)充的一種手段，同時(shí)都在強(qiáng)調(diào)整個(gè)淡化過(guò)程中的能量循環(huán)，將液化冷凝過(guò)程中產(chǎn)生的能量，用于氣化蒸發(fā)過(guò)程，從而降低能耗，降低成本，同時(shí)避開(kāi)自然因素對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的干擾。結(jié)合以上事實(shí)，我們教材中太陽(yáng)能海水淡化原理示意圖是有重大的缺陷的示意圖，它僅是海水蒸餾淡化過(guò)程中的一個(gè)蒸發(fā)氣化設(shè)備。如果要能完整體現(xiàn)整個(gè)利用太陽(yáng)能淡化海水的裝置示意圖，我們至少還應(yīng)補(bǔ)充一個(gè)能量藕合裝置，簡(jiǎn)單一點(diǎn)說(shuō)應(yīng)加一個(gè)壓縮液化裝置，讓水蒸氣液化的溫度，高于海水的溫度，以便能量能循環(huán)利用?；蛘呒右粋€(gè)集熱裝置，將液化產(chǎn)生的能量，用于加熱海水。參考文獻(xiàn)：海水淡化：網(wǎng)址：/view/22173.htm中國(guó)新能源網(wǎng)：新型太陽(yáng)能海水淡化裝置CPC匹配研究 網(wǎng)址：htt