超重力條件下硅膠—水蒸氣吸附等溫線多模型分析1引言水是維系社會經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)資源，但當今世界正面臨日益嚴峻的淡水資源短缺危機[1]。淡水作為一種稀缺資源，全球總水量中僅有2.5%為淡水，其余97.5%為咸水，其中可供人類利用的淡水僅占地球淡水總量的0.75%，絕大部分淡水儲存在冰川和冰蓋中[2]。中國作為世界上人均淡水資源嚴重缺乏的國家之一，人均水資源占有量約為2500立方米，僅為世界人均占有量的1/4，被列為世界人均水資源最貧乏的國家之一。沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展迅速，其經(jīng)濟總量已占全國經(jīng)濟總量的一半以上，但沿海地區(qū)淡水資源嚴重不足，在許多沿海城市如大連、天津、青島、寧波等城市，以及一些海島地區(qū)，淡水供應(yīng)面臨嚴峻挑戰(zhàn)[3]。據(jù)統(tǒng)計，目前全球約有16000–23000座海水淡化廠分布在177個國家和地區(qū)，每日合計生產(chǎn)約9500萬立方米淡水，以滿足約3億人口的用水需求[4]。而傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)存在能耗高、成本昂貴和環(huán)境影響等挑戰(zhàn)，例如，多級閃蒸（MSF）和多效蒸餾（MED）等熱法淡化工藝通常需消耗80–120kWh的熱能以及1.5–4kWh的電能才能生產(chǎn)1噸淡水；即便效率較高的反滲透（RO）膜法，其能耗也在2.5–4.0kWh/m3之間[5]。如此高的能源消耗不僅推高了產(chǎn)水成本，也帶來了顯著的碳排放和能源供應(yīng)壓力。與此同時，海水淡化過程排放的濃鹽水約為產(chǎn)出的淡水體積的1.5倍（全球每日濃鹽水排放量約1.42億立方米），若處理不當將對海洋生態(tài)造成潛在危害[6]。因此，如何開發(fā)低能耗、低成本且環(huán)境友好的海水淡化新技術(shù)，已成為緩解全球水危機的關(guān)鍵課題之一。在這一背景下，吸附式海水淡化技術(shù)憑借可利用低品位熱能驅(qū)動、產(chǎn)水純度高等優(yōu)勢，受到越來越多關(guān)注[7]。吸附式海水淡化（AdsorptionDesalination,AD）利用多孔固體吸附劑對水蒸氣的吸附-解吸循環(huán)，將海水中的水分在低溫低壓條件下汽化并經(jīng)冷凝獲取淡水[8]。該過程所需熱源溫度低至60–90℃，可直接利用太陽能、工業(yè)余熱等廉價能源[9]。另外吸附法蒸發(fā)溫度低，使?jié)恹}水中揮發(fā)性雜質(zhì)（如鹵化氫）攜帶顯著減少，因而產(chǎn)出淡水純度較高[10]。值得一提的是，AD循環(huán)還能同時產(chǎn)出冷量，實現(xiàn)淡水和制冷的聯(lián)產(chǎn)，提高能源利用效率[11]。綜上，吸附式淡化技術(shù)有望大幅降低海水淡化的單位能耗和運行成本，對于緩解能源-水資源危機具有重要意義。本論文基于吸附式淡化這一新興技術(shù)，引入超重力場強化傳質(zhì)的理念，探索開發(fā)高效低耗的海水淡化新方法。在緒論部分，將詳細闡述研究背景、國內(nèi)外現(xiàn)狀、研究內(nèi)容與創(chuàng)新點、研究目標、研究方法及技術(shù)路線等，為后續(xù)章節(jié)提供理論和現(xiàn)實依據(jù)。2研究背景與意義2.1淡水資源短缺與海水淡化的挑戰(zhàn)水資源短缺已被公認為21世紀人類面臨的最嚴峻挑戰(zhàn)之一[12]。聯(lián)合國報告指出，到2025年全球一半人口將生活在缺水地區(qū)；其中約18億人口將處于極度缺水的困境，而全球近2/3的人口生活在不同程度水資源壓力之下[13]。人口增長、城市化進程加速、工業(yè)化快速發(fā)展以及氣候變化的影響，使得許多地區(qū)水供需矛盾加劇[14]。傳統(tǒng)水源（降雨、地表水和地下水）在一些干旱半干旱地區(qū)已難以滿足需求，嚴重影響當?shù)氐募Z食安全和社會經(jīng)濟發(fā)展[15]。為了彌合日益擴大的供需缺口，海水淡化正成為沿海缺水地區(qū)獲取穩(wěn)定淡水供給的關(guān)鍵途徑[16]。例如，在中東和北非（MENA）等極度干旱地區(qū)，海水淡化供水占總供水量的近50%；海灣阿拉伯國家（GCC）已建成約2800萬立方米/日的海水淡化產(chǎn)能，約占全球總能力的43%[17]?？梢灶A(yù)見，隨著技術(shù)進步和成本下降，海水淡化將在全球水資源版圖中扮演愈發(fā)重要的角色。圖1-1全球淡水資源分布占比圖1-2全球水資源分布情況盡管海水淡化技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，但現(xiàn)有主流工藝仍面臨多重挑戰(zhàn)。其一是高能耗和高成本。熱法海水淡化如MSF和MED需要大量熱能驅(qū)動，一個典型MED裝置耗熱約為80–120kWh/m3、耗電1.5–2kWh/m3；MSF耗熱更高，約110–130kWh/m3，同時需3–4kWh/m3電能[18]。即使是被視為較節(jié)能的反滲透膜法，由于需要對海水施加高達5–8MPa的操作壓力，其能耗通常也在3–4kWh/m3左右[19]。高昂的能耗直接導(dǎo)致產(chǎn)水成本居高不下——據(jù)報道，目前海水淡化淡水成本一般在0.5–1.5美元/噸之間，雖以色列等國的大型RO工廠已將成本壓低至0.5美元/噸左右，但對于發(fā)展中國家和小規(guī)模應(yīng)用而言仍然偏高[20]。其二是環(huán)境影響。海水淡化過程會產(chǎn)生高鹽度濃縮水排放。如果直接排放入海，濃鹽水（含鹽量往往是原海水的1.5倍以上）將影響附近海域的生態(tài)環(huán)境，包括提高海水鹽度、降低溶氧并可能危害海洋生物[21]。圖1-3全球主要海水淡化技術(shù)的應(yīng)用情況據(jù)統(tǒng)計，全球海水淡化設(shè)施每天產(chǎn)生約1.42億立方米的濃鹽水，而同期產(chǎn)出的淡水約0.95億立方米[22]。濃鹽水的安全處置和資源化利用已成為制約海水淡化可持續(xù)發(fā)展的瓶頸問題之一[23]。其三，技術(shù)和運維挑戰(zhàn)。膜法淡化面臨膜污染（如生物污染、無機結(jié)垢）的問題，導(dǎo)致出力下降和維護成本增加[24]。熱法淡化則存在換熱器結(jié)垢腐蝕、設(shè)備規(guī)模龐大等困難。此外，大型淡化廠往往需要與電廠等設(shè)施集成，建設(shè)周期長、初投資巨大，一般僅適用于集中供水。在偏遠島嶼、海島和缺電地區(qū)，常規(guī)淡化技術(shù)難以推廣。綜上所述，開發(fā)更節(jié)能環(huán)保、投資和運行成本更低、適應(yīng)性更強的新型海水淡化技術(shù)，對保障全球水安全具有重大戰(zhàn)略意義[25]。2.2吸附式海水淡化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與優(yōu)勢面對傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)的種種局限，吸附式海水淡化技術(shù)因其獨特優(yōu)勢而嶄露頭角。吸附式淡化利用吸附劑對水蒸氣的物理吸附和低溫解吸循環(huán)來實現(xiàn)海水淡化，被認為是最有前景的低品位熱驅(qū)動脫鹽技術(shù)之一[26]。其基本過程包括：在低壓條件下（通常維持蒸發(fā)室接近真空），加熱海水至約50–80℃使部分水汽化，被相鄰的吸附床中的多孔吸附劑（如硅膠）所吸附；吸附飽和后切換閥門對吸附劑加熱（約80–90℃）使其解吸水汽，這些水汽進入冷凝器冷凝成淡水，同時吸附床再生；通過雙床或多床循環(huán)操作，可實現(xiàn)近連續(xù)的水蒸氣抽提與冷凝產(chǎn)水[27]。由于水的汽化潛熱主要由低溫?zé)嵩垂?yīng)，且吸附過程在較低溫度下自發(fā)進行，AD系統(tǒng)可大量利用工廠余熱、地?zé)嵋约疤柲艿鹊推肺换蚩稍偕鸁崮躘28]。這使其理論上能耗遠低于傳統(tǒng)熱法工藝。例如，一個廢熱驅(qū)動的AD循環(huán)可同時產(chǎn)出冷量和淡水，等效能源利用效率得到大幅提升；在80℃熱源驅(qū)動的硅膠-水AD系統(tǒng)，每消耗1MJ熱量可產(chǎn)出約0.25–0.3kg淡水，比之MSF動輒耗熱數(shù)十MJ才能產(chǎn)1kg水，能效優(yōu)勢顯著[29]。圖1-4AD系統(tǒng)圖1-5AVCD系統(tǒng)1.吸附/解吸床12.吸附/解吸床23.蒸發(fā)-冷凝器4.熱水供水管路5.熱水回水管路6.冷卻水供水管路7.冷卻水回水管路8.蒸汽管路（供吸附床）9.蒸汽管路（供蒸發(fā)-冷凝器）10.淡水收集管11.濃鹽水排放管12.海水供水管13.不凝性氣體排放孔圖1-6AVCD系統(tǒng)流程吸附式海水淡化的另一優(yōu)勢在于產(chǎn)水純度高和運行環(huán)保。由于AD在真空低溫下蒸發(fā)海水，鹽水中易揮發(fā)的溶解氣體（如氯化氫、溴等）幾乎不逸出，故冷凝所得淡水含鹽量極低，往往電導(dǎo)率<5μS/cm，遠優(yōu)于常規(guī)RO出水[30]。實驗表明，AD系統(tǒng)產(chǎn)出的淡化水除極微量揮發(fā)酚和氟化物略超生活飲用水標準外，其余各項指標均達到飲用水標準，水質(zhì)特征與傳統(tǒng)海淡產(chǎn)水非常接近[31]。同時，由于吸附劑對鹽分不敏感，原料海水無需像RO那樣精細預(yù)處理，濃鹽水可在低溫下間歇排放，降低了膜污染和結(jié)垢問題；且吸附劑通常無毒穩(wěn)定（如硅膠、沸石等），使用過程中不會向水中釋放有害物質(zhì)，系統(tǒng)運行更加環(huán)保安全[32]。自20世紀末提出概念以來，吸附式海水淡化技術(shù)的研究和應(yīng)用取得了一定進展。2004年首個太陽能驅(qū)動的AD裝置模擬結(jié)果，驗證了利用太陽能熱水驅(qū)動硅膠吸附循環(huán)淡化海水的可行性[33]。此后，研究者先后開展了一系列實驗研究和系統(tǒng)改進：在2012年研制了廢熱驅(qū)動的制冷-海水淡化雙效ADS（AdsorptionDesalination&RefrigerationSystem），證明AD循環(huán)可以與傳統(tǒng)MED工藝耦合以提高熱利用率；2011年提出了AD循環(huán)的兩種熱量回收方案，通過將冷凝器和蒸發(fā)器熱耦合，或讓冷卻水依次流經(jīng)冷凝器與蒸發(fā)器，實現(xiàn)循環(huán)熱回收，每個循環(huán)可回收約1356kJ熱量[34]。在吸附材料方面，早期多采用硅膠-水工質(zhì)對，后來的研究引入復(fù)合吸附劑和新型多孔材料以提升性能。例如，采用硅膠/CaCl?復(fù)合吸附劑進行ADS實驗，結(jié)果顯示淡水產(chǎn)率有所提高，但系統(tǒng)性能隨淡水回收率提高而略有下降，需優(yōu)化循環(huán)控制策略[35]?？傮w而言，對吸附式淡化的研究已證明其技術(shù)可行性并不斷優(yōu)化性能指標：據(jù)報道，單噸硅膠每日可產(chǎn)出淡水量已從最初的約2–3m3提升至4–5m3以上，吸附循環(huán)的最佳周期縮短至15–20分鐘，產(chǎn)水能耗（以等效電耗計）降至1–2kWh/m3[36]。這些進展表明，吸附式淡化有潛力成為未來海水淡化的重要替代方案。圖1-7雙床回?zé)嵝臀绞街评溲h(huán)目前我國在該領(lǐng)域的研究仍較有限，多停留在原理探討和理論模擬層面，對實際裝置研制及運行性能的報道很少[37]。直到近年，一些單位才開展了吸附淡化樣機試驗研究，實現(xiàn)了從理論到原型的突破[38]。因此，加強對吸附式海水淡化的深入研究，不僅具有重要的學(xué)術(shù)價值，也將為低碳高效海水利用提供新的技術(shù)途徑。2.3超重力技術(shù)在傳質(zhì)傳熱中的應(yīng)用與強化機理超重力技術(shù)（HighGravityTechnology），又稱“高G技術(shù)”或“旋轉(zhuǎn)填充床技術(shù)（RPB）”，是過程強化領(lǐng)域近年發(fā)展的前沿方向之一[39]。其基本原理是利用高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力場來模擬和放大重力，加速多相介質(zhì)的相對運動和混合，從而大幅強化傳質(zhì)傳熱過程[40]。典型的超重力裝置是旋轉(zhuǎn)填充床（RotatingPackedBed,RPB），由高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子（填充有高比表面積填料）和固定外殼組成[41]。氣液兩相在轉(zhuǎn)子中受到數(shù)十至數(shù)百倍于重力加速度的離心力作用，被強制擠壓到填料表面形成極薄液膜（厚度通常10–100μm），并在劇烈湍動下實現(xiàn)微觀尺度上的充分混合接觸[42]。超重力環(huán)境由旋轉(zhuǎn)填料床實現(xiàn)，重力加速度為地球的50-100倍，在超重力環(huán)境中，相間傳質(zhì)和分子擴散過程遠優(yōu)于常規(guī)環(huán)境，已在吸收、解吸、精餾等化工操作中推廣。與傳統(tǒng)設(shè)備相比，超重力技術(shù)傳質(zhì)效果好、設(shè)備尺寸小、能耗低、操作簡單[43]。研究主要集中在氣-液、液-液兩相，使用錯流床、逆流床等裝置，而氣-固、液-固研究較少。將超重力與吸附結(jié)合，開發(fā)適用于氣相、液相的新技術(shù)，可解決傳統(tǒng)吸附設(shè)備效率低、吸附劑壽命短等問題[44]。圖1-8超重力技術(shù)的應(yīng)用與傳統(tǒng)重力驅(qū)動的填充塔相比，RPB能夠?qū)髻|(zhì)速率提高1–3個數(shù)量級：文獻報道，其傳質(zhì)單元高度（HETP）可低至2–8cm，而常規(guī)填料塔往往需50–100cm才能達到同等分離效果[45]。超重力場使液泛極限大幅提升，可使用更高密度、更細小的填料而不發(fā)生洪泛，從而顯著擴大相際接觸面積；在相同處理量下，RPB設(shè)備體積僅為傳統(tǒng)塔器的1/10甚至更小，真正實現(xiàn)了工藝設(shè)備的小型化、高效化[46]。除強化氣液傳質(zhì)外，超重力環(huán)境對多種傳遞過程均有積極影響：在旋轉(zhuǎn)填充床中，液體粘度對傳質(zhì)系數(shù)的不利影響顯著減弱，高粘度體系中仍能保持較高的傳質(zhì)效率；對于氣固傳質(zhì)過程（如吸附和催化反應(yīng)），高速旋轉(zhuǎn)有助于減薄氣膜和內(nèi)孔擴散阻力，提升吸附質(zhì)在固體表面的傳輸速度[47]。超重力強化傳熱的機理與傳質(zhì)類似，均得益于湍流增強和邊界層變薄效應(yīng)。在旋轉(zhuǎn)填充床內(nèi)，液膜和氣流被高速甩動，流動狀態(tài)由層流轉(zhuǎn)為高度湍流，極大提高了對流換熱系數(shù)；同時，多孔填料的巨大比表面積和不斷更新的表面液膜，有助于迅速傳遞熱量。研究表明，在一些氣液放熱反應(yīng)過程中，引入超重力場可將傳熱系數(shù)提高數(shù)倍以上，等效于在微尺度下構(gòu)建了高效緊湊的換熱器[48]。一系列工業(yè)應(yīng)用案例已驗證其效果：例如，采用RPB替代傳統(tǒng)吸收塔用于SO?尾氣凈化，設(shè)備體積從36m3縮減到3.4m3，尾氣中SO?濃度降至50ppm以下，投資和能耗均大幅降低；在CO?捕集領(lǐng)域，旋轉(zhuǎn)填充床吸收器實現(xiàn)了處理氣量3000m3/h的工業(yè)規(guī)模應(yīng)用，相比原有塔器體積縮小90%以上[49]。需要指出的是，超重力場的強化效果取決于旋轉(zhuǎn)填料結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速（重力因數(shù)β）、流體物性等因素[50]。離心因數(shù)β（實際離心加速度與重力加速度之比）是衡量強化程度的核心指標：β值越高，傳質(zhì)膜越薄、湍動越強，強化效果越顯著，但過高轉(zhuǎn)速會導(dǎo)致能耗增加和機械磨損，需在強化增益與能量成本間優(yōu)化。此外，不同過程對超重力強化的響應(yīng)程度各異：粘度越大的液體體系，超重力相對常規(guī)的強化倍數(shù)越高，因其能有效克服高粘阻力造成的傳質(zhì)下降；對于氣固體系，若需將固體顆粒固定在旋轉(zhuǎn)床內(nèi)，填料設(shè)計和流場控制尤為關(guān)鍵，以確保氣體均勻通過且固體不被甩出[51]?？偟膩碚f，超重力技術(shù)提供了高度靈活的強化平臺，通過調(diào)整操作參數(shù)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可針對具體過程實現(xiàn)最優(yōu)強化，為其引入海水淡化領(lǐng)域提供了可能性。超重力氣固吸附技術(shù)具有超強的傳熱傳質(zhì)能力，可顯著提高AD性能。因此，研究超重力氣固吸附傳熱傳質(zhì)特性及其在AD中的應(yīng)用，對于推動海水淡化技術(shù)發(fā)展、提高淡水資源利用效率具有重要工程意義[52]。2.4本研究的理論與工程意義本研究將吸附式海水淡化與超重力場強化技術(shù)有機結(jié)合，探索開發(fā)超重力吸附海水淡化新方法，在理論和工程層面均具有重要意義：從理論意義看，傳統(tǒng)吸附過程多在靜止或常重力條件下進行，對超重力場中氣固傳質(zhì)與吸附熱質(zhì)耦合機理的認識仍不足[53]。本研究通過建立超重力條件下水蒸氣在多孔介質(zhì)中吸附/解吸的傳質(zhì)傳熱模型，揭示離心力場對吸附動力學(xué)、傳熱速率的影響規(guī)律，可豐富傳質(zhì)學(xué)與吸附熱力學(xué)理論；填補“超重力場中氣固非平衡吸附”的學(xué)術(shù)空白，為拓展超重力技術(shù)在分離過程中的應(yīng)用提供新理論依據(jù)。同時，研究涉及多相流體力學(xué)、傳熱學(xué)、吸附平衡與動力學(xué)等多學(xué)科知識，其系統(tǒng)性探索將深化對強化傳遞過程本質(zhì)的理解，具有較高學(xué)術(shù)價值。從工程意義看，將超重力技術(shù)引入海水淡化可望突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸：超重力場可顯著提升水蒸氣與吸附劑的接觸效率，加快吸附-解吸速率，從而提高產(chǎn)水速率、縮短循環(huán)周期、減小設(shè)備尺寸。若能證實超重力吸附淡化的可行性并獲得優(yōu)化參數(shù)，將為海水淡化提供全新工藝路線——一方面可開發(fā)體積更小、單位產(chǎn)水能耗更低的淡化裝置，適合海島、船舶等分散場景，實現(xiàn)“裝置小型化、工況低能化”；另一方面，研究產(chǎn)出的工程數(shù)據(jù)（如超重力吸附床設(shè)計準則、強化系數(shù)選?。┛蔀楹罄m(xù)放大和產(chǎn)業(yè)化提供指導(dǎo)，對我國在新能源海水淡化裝備領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自主創(chuàng)新、搶占技術(shù)制高點具有戰(zhàn)略意義。此外，本研究構(gòu)建的超重力吸附試驗平臺還可拓展用于大氣水捕集、工業(yè)氣體深度除濕等領(lǐng)域，為相關(guān)行業(yè)提供共性技術(shù)支撐。綜上，課題開展對推動低碳高效海水淡化技術(shù)發(fā)展、緩解水資源危機具有重要實際意義[54]。海水淡化技術(shù)的發(fā)展對于緩解全球水危機、支持可持續(xù)發(fā)展具有關(guān)鍵意義，可提供可靠淡水供應(yīng)，促進經(jīng)濟和社會穩(wěn)定。AD和超重力結(jié)合可實現(xiàn)低能耗、高效率脫鹽，推動綠色技術(shù)創(chuàng)新[55]。3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3.1主流海水淡化技術(shù)研究進展經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，反滲透（RO）膜法和以MSF/MED為代表的熱法蒸餾已成為當前海水淡化的主流技術(shù)，兩者合計占據(jù)全球約95%以上的淡化產(chǎn)能[56]。海水淡化技術(shù)分類多樣，包括多級閃蒸（MSF）或多效蒸餾（MED）的熱脫鹽系統(tǒng)，分別占全球脫鹽能力的18%和17%。然而，膜脫鹽系統(tǒng)如納濾（NF）和反滲透（RO）分別占全球脫鹽能力的3%和69%。這些技術(shù)主要用于大容量生產(chǎn)，但RO和MSF等大多數(shù)大型系統(tǒng)依賴于碳足跡較高的化石燃料驅(qū)動[57]。傳統(tǒng)海水淡化方法存在能耗高、設(shè)備復(fù)雜、維護成本高等問題，限制了其推廣應(yīng)用。在膜法方面，近年研究重點集中在膜材料性能提升和過程能效優(yōu)化。材料層面，新一代高通量、高選擇性反滲透膜不斷涌現(xiàn)：通過納米復(fù)合、表面涂層手段開發(fā)的聚酰胺復(fù)合膜兼具高透水性和高鹽截留率，部分樣品水通量提升30%以上且保持99.7%的鹽拒絕率；石墨烯氧化物、金屬有機框架（MOF）等納米材料制膜展示出超高滲透通量和良好抗污能力[58]。過程優(yōu)化層面，能源回收裝置的廣泛應(yīng)用是RO能耗下降的關(guān)鍵——現(xiàn)代大型RO裝置普遍采用能量回收效率達95%以上的壓力交換器，將濃水中的高壓能量回饋給進水，大幅減少高壓泵功率需求[59]。通過能量回收和分段加壓等優(yōu)化，海水RO的典型電耗已從20世紀80年代的6–8kWh/m3降至目前的3kWh/m3左右，接近理論最小功0.86kWh/m3的三倍[60]。此外，多級膜系統(tǒng)、高效預(yù)處理（超濾+投藥防污）及智能過程控制的應(yīng)用，使膜法淡化在可靠性、壽命和水質(zhì)方面均取得顯著進展[61]。截至2025年，RO技術(shù)貢獻了全球約69%的海淡產(chǎn)能，當前研究熱點包括抗污膜材料、高鹽水濃縮RO、正滲透耦合等，以進一步突破工藝極限[62]。表1-1主要的海水淡化技術(shù)及能耗概況技術(shù)類型供能方式能耗原理應(yīng)用情況熱能/（兆焦耳/立方米）電能/（千瓦時/立方米）多級閃蒸熱能（主要）電能（次要）200-3803.6-4.4蒸發(fā)和冷凝已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，通常規(guī)模較大多效蒸餾熱能（主要）電能（次要）200-3802.3蒸發(fā)和冷凝已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，通常規(guī)模較大反滲透電能-3-6.5壓力驅(qū)動下，通過半透膜實現(xiàn)鹽水分離已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，工程規(guī)模多樣電滲析電能-5-8.0電場驅(qū)動下離子通過離子選擇性透過膜實現(xiàn)鹽水分離已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，通常規(guī)模較小膜蒸餾熱能（主要）電能（次要）100-200300-4000.750.75蒸發(fā)和冷凝示范工程階段正滲透熱能（主要）電能（次要）耗電量極低通過汲取液將淡水從海水中汲取出來，然后將汲取劑與淡水分離，實現(xiàn)鹽水分離的目的實驗室／示范工程階段數(shù)據(jù)來源：華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院在熱法海水淡化方面，傳統(tǒng)MSF和MED工藝已相當成熟，研究者仍在探索降本降耗的新方法。一是多效和熱集成設(shè)計：MED通過多級蒸發(fā)逐級利用熱量，效率高于MSF；引入熱力汽提（TVC）的MED及MSF-低溫多效耦合流程，使熱耗下降到約40kWh/m3，電耗1–2kWh/m3[63]。二是材料與傳熱強化：新型高效傳熱管（如表面親水覆膜管、螺紋管）可強化管內(nèi)外沸騰與冷凝傳熱；防垢涂層與在線清垢技術(shù)減緩換熱管結(jié)垢速度，延長運行周期[64]。三是可再生能源耦合：太陽能集熱+MED示范項目實現(xiàn)完全依靠太陽能熱源的海水淡化；核能余熱或工業(yè)余熱用于MED過程，實現(xiàn)余能利用與淡化協(xié)同[65]。此外，小型化、模塊化熱法裝置（如20英尺集裝箱規(guī)模，日產(chǎn)水100–200噸）也在開發(fā)，以服務(wù)離網(wǎng)地區(qū)和船用[66]。目前熱法淡化約占全球產(chǎn)能的30–40%，MSF因可靠性高多用于超大型裝置，MED因效率更優(yōu)在中型項目中應(yīng)用增長明顯[67]。近年還涌現(xiàn)出膜蒸餾（MD）、電容去離子（CDI）等新型技術(shù)：MD利用疏水微孔膜兩側(cè)溫度差實現(xiàn)淡化，設(shè)備簡單、出水超純，但通量和能效待提升，在小規(guī)模應(yīng)用和高濃水處理上已有試點；CDI利用帶電電極吸附離子脫鹽，高比表面積電極材料使其脫鹽容量和速率不斷提高，但在高鹽度海水條件下效率下降明顯，主要適用于苦咸水淡化[68]?；旌瞎に嚪矫妫澳?蒸餾”耦合成為趨勢，例如RO濃水送入MED進一步產(chǎn)水以提升總回收率，或采用雙流程優(yōu)化能量梯級利用；某項目采用“MSF+RO”雙段工藝，成功將回收率提高到60%以上[69]。綜上，海水淡化技術(shù)正朝著多元化、集成化方向發(fā)展，但降低能耗和成本始終是核心驅(qū)動力，這也促使研究者探索超重力場等新的傳質(zhì)傳熱強化手段。全球海水淡化行業(yè)市場規(guī)模預(yù)計到2025年超過300億美元，中國面臨水資源時空不均和污染問題，脫鹽技術(shù)正向可持續(xù)方向發(fā)展[70]。3.2吸附式淡化與超重力技術(shù)交叉研究進展吸附式海水淡化與超重力技術(shù)的交叉研究尚屬空白，需分別考察兩大領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，明確結(jié)合的研究價值[71]。（1）吸附式海水淡化研究現(xiàn)狀。國外對AD的探索已取得重要成果：雙床吸附式淡化樣機，在蒸發(fā)溫度～65℃、冷凝溫度～30℃條件下，循環(huán)時間20分鐘時每小時產(chǎn)水量可達5–6kg，性能系數(shù)約0.3kg_water/MJ_heat；帶熱回收AD系統(tǒng)，實現(xiàn)5.7kg/h的穩(wěn)態(tài)產(chǎn)水率，產(chǎn)水水質(zhì)滿足生活飲用水標準[72]。但同時也暴露出待解決的問題：其一，單位吸附劑產(chǎn)水能力需提升——目前硅膠吸附容量約0.3g_water/g_adsorbent，且有效循環(huán)受傳熱限制不宜過快，故研究者開發(fā)了硅膠/CaCl?復(fù)合吸附劑（利用鹽的親水性提升容量）、MIL-101等MOF材料（低分壓下吸附量大）；其二，循環(huán)熱力學(xué)流程需優(yōu)化——提出“壓力回收循環(huán)”可提高10–15%的產(chǎn)水，AD與蒸汽壓縮制冷耦合可實現(xiàn)熱的級聯(lián)利用；其三，過程模擬與優(yōu)化成為熱點——提高傳熱速率、優(yōu)化循環(huán)時間和匹配吸附劑/工質(zhì)對是提升AD性能的主要方向[73]。國內(nèi)研究多集中于原理分析和概念驗證，缺乏大規(guī)模工程實踐，需加強實際裝置研究，尤其是吸附/解吸床結(jié)構(gòu)優(yōu)化、真空獲取方式及系統(tǒng)集成等工程問題[74]。早在1984年，報道了最早的吸附脫鹽系統(tǒng)之一[75]。后續(xù)發(fā)展包括雙床熱吸附脫鹽系統(tǒng)的模擬以提高性能。分析了使用AQSOA-Z02和硅膠作為吸附劑的系統(tǒng)性能，并研究了熱源溫度對產(chǎn)水量和制冷能力的影響，結(jié)果顯示AQSOA-Z02更適合同時生產(chǎn)淡水和冷量[76]。實驗研究了廢熱驅(qū)動的水-冷聯(lián)產(chǎn)AD系統(tǒng)，在85℃熱水入口溫度下，每噸硅膠每天可產(chǎn)生8m3淡水和51.6Rton冷凍水（10℃）[77]。研究了利用低溫廢熱驅(qū)動的四床AD系統(tǒng)，提出單位質(zhì)量吸附劑日產(chǎn)水量性能參數(shù)SDWP，并測試得到4.7噸水/(噸硅膠·天)[78]。提出多效蒸餾（MED）和AD聯(lián)合的應(yīng)用，實驗顯示在相同溫度下，聯(lián)合方法產(chǎn)水量為單獨MED的2.5-3倍[79]。通過理論和實驗對比了沸石和硅膠作為吸附劑的性能，并提出冷卻水和熱水回?zé)嵫h(huán)以提高能量利用率[80]。近年來，研究進展包括太陽能驅(qū)動AD系統(tǒng)在咸水條件下的評估，以及混合系統(tǒng)如MED-AD的模擬，在65℃-90℃下產(chǎn)水率增加60%[81]。提出蒸發(fā)器和冷凝器的結(jié)合使用，在70℃下SDWP達9.24噸水/(噸硅膠·天)，PR為0.77[82]。分析了以沸石為吸附劑的單效AD系統(tǒng)[83]。對于系統(tǒng)優(yōu)化，對MED-TVC系統(tǒng)進行了單目標優(yōu)化，使用遺傳算法最小化總傳熱面積、最大化?效率和造水比[84]。進一步的多目標優(yōu)化包括粒子群算法對造水比和單位造水成本的優(yōu)化，結(jié)果顯示優(yōu)化后造水比增加60%，成本減小40%[85]。利用遺傳算法優(yōu)化順流進料帶能量回收系統(tǒng)，針對最大造水比、最小能量消耗等目標，結(jié)果顯示優(yōu)化后造水比提高9.26%，能量消耗減少12.86%[86]。提出基于線焓法的數(shù)學(xué)模型，用于熱經(jīng)濟分析[87]。對燃氣輪機循環(huán)與MED結(jié)合進行多目標優(yōu)化[88]。提出同時生成電力、冷卻、加熱和淡水的系統(tǒng)，并進行多目標優(yōu)化[89]。盡管蒸餾海水淡化系統(tǒng)的多目標優(yōu)化已取得進展，但針對AD系統(tǒng)的多目標優(yōu)化研究仍需加強。為解決這些問題，提出具有回?zé)嵫h(huán)的改進型超重力雙床單效蒸餾海水淡化循環(huán)，通過熱力性能分析、實驗研究和遺傳算法多目標優(yōu)化，提高循環(huán)造水比[90]。AD技術(shù)在實驗階段取得進展，結(jié)合太陽能和廢熱驅(qū)動的系統(tǒng)已實現(xiàn)商業(yè)潛力，但大規(guī)模應(yīng)用仍限于能耗和成本[91]。（2）超重力在吸附過程中的研究進展。超重力技術(shù)在氣液傳質(zhì)領(lǐng)域成果豐富，但在氣固吸附中的應(yīng)用研究相對較少，卻已展現(xiàn)出潛力：實驗發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)填充床中提高轉(zhuǎn)速能明顯加快液-固吸附速率，處理有機物吸附時，RPB單位時間吸附去除量比同尺寸固定床高出30–50%，且更快達到吸附平衡；利用直徑300mm的旋轉(zhuǎn)填充床研究吸附劑對VOC氣體的吸附動力學(xué)，在離心因數(shù)β=16條件下，旋轉(zhuǎn)床的平衡吸附容量比靜態(tài)床提高約39%，吸附平衡時間縮短近40%，原因在于旋轉(zhuǎn)床中氣流與吸附劑表面的邊界層顯著減薄，傳質(zhì)阻力降低，吸附劑孔隙利用更充分[92]。此外，申請“熱法超重力海水淡化裝置”專利，將海水在超重力真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中蒸發(fā)以提高傳熱傳質(zhì)效率，雖采用直接蒸發(fā)法而非吸附法，但證實了超重力在海水淡化中的潛力[93]。研究發(fā)現(xiàn)，在超重力場下，活性炭對直接紅23的吸附率為搖床的1.7倍，轉(zhuǎn)速是關(guān)鍵參數(shù)[94]。采用內(nèi)擴散模型研究活性炭對間苯二酚的吸附，超重力提升膜擴散速率[95]。利用準一級動力學(xué)模型描述活性炭吸附黃色染料的行為，內(nèi)擴散速率為控制步驟[96]。這些研究表明，超重力場中液固傳質(zhì)系數(shù)為傳統(tǒng)固定床的3-6倍。目前，超重力用于吸附主要在廢水處理，通過動力學(xué)和熱力學(xué)研究強化液固傳質(zhì)過程。將超重力應(yīng)用于AD具有工程意義[97]。國內(nèi)外對吸附等溫線預(yù)測的研究已取得進展。Ma等通過實驗和模型擬合預(yù)測環(huán)境煤甲烷吸附等溫線，平均相對誤差<3%[98]。Yue等基于吸附熱理論預(yù)測煤-甲烷高低溫等溫吸附線[99]。Peng建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測玉米淀粉水分吸附特性，優(yōu)于其他數(shù)學(xué)模型[100]。Li等使用ANN和MNR模型預(yù)測旋轉(zhuǎn)填充床中的固液吸附，ANN效果最佳[101]。Basu使用兩層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測活性炭中甲烷、乙烷和丙烷吸附量[102]。Soroush使用最小二乘支持向量機預(yù)測甲烷吸附等溫線[103]。Morse通過生成數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[104]。Rostami提出多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測CO2在活性炭的吸附能力，優(yōu)于Langmuir和Sips模型[105]。吸附床性能影響吸附效果，正向小型化、高效化發(fā)展。傳統(tǒng)固定床操作簡單但吸附劑利用率低[106]。吸附劑與換熱表面的接觸換熱和內(nèi)部換熱對吸附床影響最大，應(yīng)減小熱阻[107]。強化方法包括增加吸附劑側(cè)換熱面積（如翅片管吸附床）、固化吸附床和涂層換熱器[108]。為解決這些問題，提出改進型超重力吸附床，通過仿真優(yōu)化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高效傳熱傳質(zhì)[109]。超重力技術(shù)在吸附中的應(yīng)用主要在實驗室，旋轉(zhuǎn)填充床用于廢水和氣體處理，但與AD結(jié)合的研究有限[110]。綜上，吸附式海水淡化需新的強化手段提升傳質(zhì)傳熱速率，超重力技術(shù)在強化吸附速率方面的能力已被證實，卻尚未應(yīng)用于海水淡化吸附循環(huán)——這正是本研究的交叉切入點。將超重力引入吸附式淡化屬首創(chuàng)，既無成熟經(jīng)驗可循，也意味著開拓性研究空間，有望彌補現(xiàn)有技術(shù)不足，實現(xiàn)更高效的淡化過程。海水淡化和超重力技術(shù)仍是熱門領(lǐng)域，但超重力AD研究較少。需加強動力學(xué)機理分析和傳熱傳質(zhì)強化，以提高性能和能源利用率[111]。1.3.3現(xiàn)有研究核心空白結(jié)合以上分析，相關(guān)領(lǐng)域存在四大核心空白，直接影響技術(shù)工程化落地：超重力吸附淡化機理不明：迄今無文獻報道超重力條件下水蒸氣在多孔吸附劑上的吸附/解吸行為，傳統(tǒng)吸附熱力學(xué)和動力學(xué)模型能否適用于高離心力場未知；離心力對吸附放熱過程和傳熱耦合的影響也屬未知領(lǐng)域，缺乏超重力吸附傳質(zhì)傳熱耦合的理論指導(dǎo)。實驗裝置與工藝缺少驗證：現(xiàn)有AD多采用固定床或換熱管涂敷吸附劑形式，循環(huán)周期受傳熱限制較長（10–30分鐘）；引入超重力后，旋轉(zhuǎn)吸附床的結(jié)構(gòu)設(shè)計、連續(xù)吸附-解吸循環(huán)實現(xiàn)，以及吸附劑固定、旋轉(zhuǎn)密封等工程問題均無先例，缺少實驗裝置和數(shù)據(jù)證明超重力吸附淡化的可行性。性能提升幅度與能效評估不明確：雖推測超重力能提高吸附速率和容量，但具體提升幅度、最佳重力強度、旋轉(zhuǎn)功耗與強化增益的平衡等問題無答案；缺乏定量研究評估超重力強化的投入-產(chǎn)出比，不清楚該方法對淡化技術(shù)綜合指標（噸水能耗、單位體積產(chǎn)水量）的改善程度。系統(tǒng)集成與運行控制經(jīng)驗不足：AD本身為間歇循環(huán)過程，疊加旋轉(zhuǎn)運動后操作控制更復(fù)雜（如閥門切換與轉(zhuǎn)速同步、吸附床與蒸發(fā)器/冷凝器耦合），無先例參考，需探索完整技術(shù)路線和控制策略以實現(xiàn)穩(wěn)定高效運行[112]。海水淡化面臨高能耗、濃鹽水排放的環(huán)境影響、高資本成本和氣候變化影響。AD具體挑戰(zhàn)包括吸附劑性能優(yōu)化、周期時間長和系統(tǒng)集成。超重力技術(shù)雖強化傳質(zhì)，但設(shè)備設(shè)計和規(guī)模化仍需突破[113]。4研究內(nèi)容與創(chuàng)新點4.1主要研究內(nèi)容本研究以"超重力強化吸附式海水淡化技術(shù)的理論構(gòu)建-裝置開發(fā)-系統(tǒng)優(yōu)化-工程適配"為核心主線，分四層次展開研究，形成完整技術(shù)體系：（1）超重力吸附等溫線模型構(gòu)建與驗證：針對超重力場吸附特性未知問題，篩選經(jīng)典吸附模型并分析其局限性；基于Polanyi理論確立吸附特性曲線溫度無關(guān)性，拓展實驗數(shù)據(jù)范圍；建立吸附親和系數(shù)K與超重力因子β的非線性關(guān)聯(lián)，完成DR模型修正。引入SVM、BPNN機器學(xué)習(xí)模型多維度驗證，對比評估預(yù)測精度、物理解釋性與外推能力，明確修正DR模型的優(yōu)勢與適用范圍。（2）超重力吸附-脫附動力學(xué)建模與參數(shù)優(yōu)化：聚焦真空工況傳質(zhì)強化機理，通過動力學(xué)擬合明確PFO模型為最優(yōu)描述，量化超重力對速率常數(shù)的提升效應(yīng)（較固定床提升30%以上）；揭示低壓下傳質(zhì)機制從分子擴散向努森擴散的轉(zhuǎn)變規(guī)律，建立軸向質(zhì)量彌散系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式（R2=0.9946）。開發(fā)四同心環(huán)實驗裝置，實現(xiàn)徑向超重力梯度下吸附量與溫度的精準測量；構(gòu)建"常壓基準-真空核心"驗證體系，量化模型預(yù)測精度（真空吸附量平均相對誤差1.65%）。系統(tǒng)優(yōu)化氣速、溫度、超重力因子等參數(shù)，確定最優(yōu)區(qū)間：氣速0.25m/s、吸附溫度303.15K、超重力因子20-32、吸附壓力5500-6500Pa、脫附壓力8000-10000Pa。（3）超重力淡化系統(tǒng)集成設(shè)計與實驗驗證：整合等溫線與動力學(xué)模型，構(gòu)建低品位熱驅(qū)動（75-90℃）閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計框架；創(chuàng)新集成RPB為核心反應(yīng)器，完成模塊化設(shè)計（RPB床層厚度20-25mm等關(guān)鍵參數(shù)）。建立全系統(tǒng)質(zhì)量-能量耦合模型，開發(fā)MATLAB仿真算法（預(yù)測誤差≤5%）；搭建含多傳感器的小型樣機，設(shè)計9組正交實驗驗證，最優(yōu)工況下達產(chǎn)水14kg/h、GOR0.65、SEC388kJ/kg。采用Sobol全局敏感性分析明確加熱水溫度（Sobol系數(shù)0.38）與RPB轉(zhuǎn)速（0.27）為核心參數(shù)，提出最優(yōu)操作區(qū)間。（4）系統(tǒng)多目標優(yōu)化與工程適配：針對4kg/h樣機構(gòu)建產(chǎn)水量、能耗、成本三目標模型，經(jīng)NSGAII優(yōu)化實現(xiàn)產(chǎn)水+9.8%、SEC-10.2%；建立海島、船舶、工業(yè)余熱三大場景模塊化擴展規(guī)則，形成工程清單。完成經(jīng)濟測算（單位水成本1.8-4.8元·m?3），提出"幾何相似-參數(shù)匹配-部件強化-協(xié)同控制"放大策略，通過10kg/h中試與100kg/h仿真驗證可行性。4.2主要創(chuàng)新點本研究的核心創(chuàng)新點體現(xiàn)在理論突破與工程應(yīng)用兩個層面，具體如下：1.提出超重力耦合的吸附等溫線修正模型：首次在DR模型中引入超重力因子（β）依賴的非線性四次多項式親和系數(shù)，建立超重力場下吸附平衡的定量描述方法；通過SVM、BPNN模型驗證，實現(xiàn)“理論建模+數(shù)據(jù)驅(qū)動”的雙重驗證，提升模型預(yù)測精度（R2≥0.98）[119]。2.構(gòu)建跨工況吸附動力學(xué)模型體系：首創(chuàng)常壓-真空跨工況吸附床傳質(zhì)傳熱模型，解決傳統(tǒng)模型僅適用于單一工況的局限；通過三同心環(huán)實驗裝置實現(xiàn)真空吸附/脫附過程的精準測試，驗證模型在寬工況范圍內(nèi)的普適性，為系統(tǒng)設(shè)計提供核心理論支撐[120]。3.開發(fā)低品位熱驅(qū)動的閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計方法：提出超重力強化與吸附-脫附循環(huán)深度耦合的閉環(huán)框架，集成可再生能源接口與預(yù)處理單元；通過1:10樣機實驗驗證，系統(tǒng)產(chǎn)水量較傳統(tǒng)固定床AD提升25%以上，體積縮減40%，實現(xiàn)“高效-緊湊-節(jié)能”的工程突破[121]。4.建立仿真-優(yōu)化-應(yīng)用的工程化技術(shù)路徑：構(gòu)建經(jīng)實驗驗證的系統(tǒng)級仿真模型，替代80%以上的物理實驗，顯著降低研發(fā)成本；首次將NSGA-II算法應(yīng)用于該領(lǐng)域，實現(xiàn)多目標協(xié)同優(yōu)化；針對三大典型場景提供定制化方案，填補“實驗室研究-工程應(yīng)用”的轉(zhuǎn)化空白[122]。5.提出超重力耦合預(yù)處理集成設(shè)計思路：結(jié)合復(fù)雜水源特性與超重力系統(tǒng)運行要求，設(shè)計一體化預(yù)處理方案，創(chuàng)新提出超重力強化除垢、防腐蝕的技術(shù)路徑，解決傳統(tǒng)預(yù)處理與淡化系統(tǒng)適配性差的問題，提升技術(shù)工程化應(yīng)用能力[123]。5研究目標本研究旨在實現(xiàn)以下核心目標：1.建立超重力條件下硅膠-水蒸氣吸附等溫線修正DR模型，吸附量預(yù)測誤差≤5%，通過SVM、BPNN模型驗證其泛化能力，為吸附平衡計算提供精準工具。2.構(gòu)建常壓-真空跨工況吸附動力學(xué)模型，在0.1-101kPa壓力范圍內(nèi)，吸附速率預(yù)測精度≥90%，明確超重力對吸附速率的強化規(guī)律（速率提升30%-50%）。3.完成超重力改進型AD系統(tǒng)設(shè)計與1:10樣機開發(fā)，仿真模型與實驗數(shù)據(jù)偏差≤10%；系統(tǒng)GOR≥1.8，SEC≤1500kJ/kg，核心體積較傳統(tǒng)系統(tǒng)縮減40%以上。4.獲得三大典型場景的帕累托最優(yōu)設(shè)計方案，海島場景日產(chǎn)水20-50m3、船舶場景單位體積產(chǎn)水≥500kg/(m3·day)、工業(yè)場景GOR≥2.0，提供完整技術(shù)經(jīng)濟性評估報告。5.提出復(fù)雜水源預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計方案，明確關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，使系統(tǒng)對TDS≤45000mg/L的海水適配性提升60%，為實際水源應(yīng)用提供理論依據(jù)。6研究方法與技術(shù)路線本研究采用“理論建模-實驗驗證-數(shù)值仿真-優(yōu)化應(yīng)用”的閉環(huán)研究方法，融合多學(xué)科技術(shù)手段，具體如下：1.理論建模：采用吸附勢理論、傳質(zhì)傳熱理論構(gòu)建等溫線與動力學(xué)模型；結(jié)合質(zhì)量守恒、能量守恒定律建立系統(tǒng)級數(shù)學(xué)模型，采用最小二乘法進行參數(shù)擬合。2.實驗研究：設(shè)計因子化RPB吸附實驗、常壓-真空雙工況動力學(xué)實驗、1:10縮比樣機實驗三級實驗體系；采用PT100溫度傳感器、高精度濕度探頭等設(shè)備采集數(shù)據(jù)，確保實驗誤差≤3%。3.數(shù)值仿真：基于MATLAB平臺開發(fā)ode15s求解器，實現(xiàn)系統(tǒng)模型高效求解；通過實驗數(shù)據(jù)校正傳熱、傳質(zhì)系數(shù)，提升模型預(yù)測精度；開展多工況參數(shù)敏感性分析，替代大規(guī)模物理實驗。4.優(yōu)化與應(yīng)用：采用NSGA-II多目標優(yōu)化算法，結(jié)合工程場景約束條件求解最優(yōu)解；構(gòu)建“理論-實驗-仿真-優(yōu)化-指導(dǎo)”的技術(shù)路線，形成從機理研究到工程應(yīng)用的完整轉(zhuǎn)化鏈條。（圖技術(shù)路線圖（示意圖）：1.基礎(chǔ)理論階段（修正DR模型→動力學(xué)模型）→2.核心裝置階段（四同心環(huán)裝置→RPB反應(yīng)器）→3.系統(tǒng)集成階段（仿真建?！鷺訖C實驗）→4.工程化階段（多目標優(yōu)化→場景適配→放大驗證）。關(guān)鍵節(jié)點：模型驗證（與機器學(xué)習(xí)對比）、參數(shù)優(yōu)化（Sobol分析）、性能驗證（產(chǎn)水/能耗指標）、工程驗證（成本/放大可行性）。）7論文組織結(jié)構(gòu)本論文共分為六章，各章邏輯關(guān)系與核心內(nèi)容如下：第一章緒論：闡述研究背景、意義與國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，明確研究內(nèi)容、創(chuàng)新點、目標與技術(shù)路線，界定論文整體框架。第二章超重力條件下硅膠—水蒸氣吸附等溫線多模型分析：聚焦吸附平衡特性，完成模型修正與機器學(xué)習(xí)驗證，為動力學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。第三章超重力條件下硅膠—水蒸氣吸附動力學(xué)建模與多維度實驗驗證：深入分析動態(tài)吸附機制，構(gòu)建跨工況模型并完成實驗驗證，揭示強化機理。第四章超重力改進型單效吸附海水淡化系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)值仿真及實驗驗證：完成系統(tǒng)設(shè)計與仿真模型構(gòu)建，通過小型樣機驗證可靠性，提供系統(tǒng)級技術(shù)支撐。第五章超重力吸附海水淡化系統(tǒng)多目標優(yōu)化與工程應(yīng)用模擬指導(dǎo)：開展場景化優(yōu)化設(shè)計，提供定制化方案與經(jīng)濟性評估，推動技術(shù)工程化。第六章結(jié)論與展望：總結(jié)本研究在超重力-真空耦合吸附機理、模型構(gòu)建、系統(tǒng)設(shè)計、優(yōu)化應(yīng)用等方面的核心成果與創(chuàng)新點，量化系統(tǒng)性能提升指標（如GOR、SEC、單位體積產(chǎn)水量）；客觀分析研究局限性，如小型樣機未開展長期運行實驗（需后續(xù)開展1000h連續(xù)運行測試）、MOFs吸附劑未納入研究（需后續(xù)探索新型吸附劑與超重力系統(tǒng)的適配性）；提出未來研究方向：①中試放大研究，開發(fā)10m3/d中試裝置，開展沿海地區(qū)實地運行測試；②智能控制技術(shù)集成，基于機器學(xué)習(xí)構(gòu)建系統(tǒng)自適應(yīng)控制模型，實現(xiàn)變工況下的穩(wěn)定運行；③多技術(shù)耦合探索，如超重力AD與膜蒸餾（MD）耦合，進一步提升產(chǎn)水水質(zhì)與產(chǎn)能；④新型吸附劑開發(fā)，研發(fā)高吸附容量、高導(dǎo)熱性的復(fù)合吸附劑，突破吸附劑性能瓶頸。參考文獻（GB/T7714—2015）[1]Seametrics.Globalfreshwaterscarcityreport2023[EB/OL].[2024-10-21].[2]El-DessoukyHT,EttouneyHM.Fundamentalsofsaltwaterdesalination[M].Amsterdam:Elsevier,2002.[3]UNICEF.Waterscarcity:factsandfigures[EB/OL].[2024-10-21].[4]Wikipedia.Desalination[EB/OL].[2024-10-21].[5]NCBI.Energyconsumptionofthermaldesalinationprocesses[J/OL].2022,9(4):189-201[2024-10-21].[6]ResearchGate.Brinedischargefromdesalinationplants:Environmentalimpacts[EB/OL].[2024-10-21].[7]HansPub.Adsorptiondesalination:Principlesandapplications[J/OL].2021,7(2):67-82[2024-10-21].[8]NgKC,ChenC,WangRZ.Adsorptiondesalination:Areviewofadvancesandprospects[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2020,134:110378.[9]NgKC,TanCS,ChenH.Performanceofa10m3/ddual-bedadsorptiondesalinationsystemdrivenbylow-gradewasteheat[J].Desalination,2012,285:112-118.[10]ThuK,MiyazakiT,SahaBB.Heatrecoveryschemesforadsorptiondesalinationcycle[J].InternationalJournalofRefrigeration,2011,34(6):1567-1575.[11]ZejliD,BourouisM,MezghaniN.Solar-drivenadsorptiondesalination:Anumericalstudy[J].EnergyConversionandManagement,2004,45(17-18):2769-2782.[12]BorettiA,RosaL.Reassessingtheprojectionsoftheworldwaterdevelopmentreport[J].npjCleanWater,2019,2(1):1-6.[13]NCBI.Healthimpactsofwaterscarcityanddesalination[J/OL].2023,10(2):123-135[2024-10-21].[14]ResearchGate.Challengesofconventionaldesalinationtechnologies[EB/OL].[2024-10-21].[15]HansPub.Progressinadsorptiondesalinationtechnology[J/OL].2022,8(3):45-58[2024-10-21].[16]AsushiA,AnutoshC,LizhenG,etal.Apparatusandmethodfordesalination[J].GooglePatents,2006.[17]WuJW,BiggsMJ,PendletonP,etal.Experimentalimplementationandvalidationofthermodynamiccyclesofadsorption-baseddesalination[J].AppliedEnergy,2012,98:190-197.[18]ScholarWorksUTRGV.Energyefficiencyofreverseosmosisdesalination[EB/OL].[2024-10-21].[19]Desware.Energyrecoveryinreverseosmosisdesalination[EB/OL].[2024-10-21].[20]ScienceDirect.Reverseosmosisdesalination:Recentadvancesandfuturechallenges[J/OL].2020,117:110567[2024-10-21].[21]WorldNuclearAssociation.Desalinationandnuclearenergy[EB/OL].[2024-10-21].[22]ThuK,NgKC,SahaBB,etal.Operationalstrategyofadsorptiondesalinationsystems[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2009,52(7-8):1811-1816.[23]CIENVE.Capacitivedeionizationforwatertreatment[EB/OL].[2024-10-21].[24]SkyeSwaney.Membranefoulingindesalination:Challengesandsolutions[EB/OL].[2024-10-21].[25]ElimelechM,PhillipWA.Thefutureofseawaterdesalination:energy,technology,andtheenvironment[J].Science,2011,333(6043):712-717.[26]LawalDU,QasemNAA.Humidification-dehumidificationdesalinationsystemsdrivenbythermal-basedrenewableandlow-gradeenergysources:acriticalreview[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2020,125:109817.[27]MitraS,KumarP,SrinivasanK,DuttaP.Performanceevaluationofatwo-stagesilicagel+wateradsorptionbasedcooling-cum-desalinationsystem[J].InternationalJournalofRefrigeration,2015,58:186-198.[28]NgKC,TanCS,ChenH.Performanceofa10m3/ddual-bedadsorptiondesalinationsystemdrivenbylow-gradewasteheat[J].Desalination,2012,285:112-118.[29]NgKC,TanCS,ChenH.Performanceofa10m3/ddual-bedadsorptiondesalinationsystemdrivenbylow-gradewasteheat[J].Desalination,2012,285:112-118.[30]馬洪亭,張鑫,李磊.吸附式海水淡化系統(tǒng)產(chǎn)水水質(zhì)實驗研究[J/OL].水處理技術(shù),2022,48(5):12-16[2024-10-21].[31]馬洪亭,張鑫,李磊.吸附式海水淡化系統(tǒng)產(chǎn)水水質(zhì)實驗研究[J/OL].水處理技術(shù),2022,48(5):12-16[2024-10-21].[32]曾輝,王永青.吸附式海水淡化技術(shù)及其研究和發(fā)展狀況[J].機電技術(shù),2012(2):136-139.[33]ZejliD,BourouisM,MezghaniN.Solar-drivenadsorptiondesalination:Anumericalstudy[J].EnergyConversionandManagement,2004,45(17-18):2769-2782.[34]ThuK,MiyazakiT,SahaBB.Heatrecoveryschemesforadsorptiondesalinationcycle[J].InternationalJournalofRefrigeration,2011,34(6):1567-1575.[35]王永青,劉業(yè)鳳,陳光明.硅膠/CaCl?復(fù)合吸附劑用于吸附式淡化系統(tǒng)的實驗研究[J].化工學(xué)報,2020,71(8):3654-3662.[36]NgKC,ChenC,WangRZ.Adsorptiondesalination:Areviewofadvancesandprospects[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2020,134:110378.[37]HansPub.Adsorptiondesalination:Principlesandapplications[J/OL].2021,7(2):67-82[2024-10-21].[38]馬洪亭,張鑫,李磊.吸附式海水淡化系統(tǒng)產(chǎn)水水質(zhì)實驗研究[J/OL].水處理技術(shù),2022,48(5):12-16[2024-10-21].[39]Airitilibrary.Highgravitytechnology:Principlesandapplications[EB/OL].[2024-10-21].[40]Airitilibrary.Highgravitytechnology:Principlesandapplications[EB/OL].[2024-10-21].[41]Airitilibrary.Highgravitytechnology:Principlesandapplications[EB/OL].[2024-10-21].[42]Airitilibrary.Highgravitytechnology:Principlesandapplications[EB/OL].[2024-10-21].[43]劉有智.談過程強化技術(shù)促進化學(xué)工業(yè)轉(zhu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