宇宙空间站水循环

宇宙空间站水循环使用王丹丹宇宙飞船中水的来源1.带去：飞行时间短可采用，使用方便。但带去麻烦，不容易，而且用不了多久2.自产:航天器上有一种燃料电池，它使用氢和氧作为燃料来发电。氢和氧原来分别储存在氢气罐和氧气罐中。使用时，打开气罐的阀门，让两种气体接触燃烧，产生热和电，同时也产生出副产品———水。不过这样水还不能直接饮用，还必须经过过滤。“阿波罗”飞船采用的此法。3.水循环使用：即太空水。从地球发射的水和其他消耗品的数量由于费用原因受到很大的限制，所以空间站里水的再生是极为重要的。太空废水冷凝废水：是排入座舱空气中各种水蒸汽在温湿度控制系统中冷凝的水，它的水质接近蒸馏水，其污染主要是由于环境中溶解性污染物引起的，其分子量较小。卫生废水：主要来自洗手水，洗浴水，经卫生废水处理装置净化后仍应用于航天员的个人卫生活动。尿液：尿液废水是空间站废水中最复杂的废水，其污染物主要有尿素、氯化钠及各种酸，占总重的3％一4％，因而处理的难度最大。冷凝废水的处理系统的核心部分由灭菌组件、多层过滤组件和挥发物除去组件三部分组成。为保护组合床以及防止污垢在热交换器中沉积,冷凝水废首先通过一个5微米的过滤器,再进入灭菌组件,在121℃的高温下处理20min.冷却到46℃后,由包含各种吸附介质的2个相同的组合床处理后去除离子及溶解性有机物。为抑制管路中的细菌,组合床中的碘阀保证水中余碘浓度在1一4mg/L组合床的运行状态及是否饱和,由其入口与出口处的电导传感器负责。处理后的水通过挥发物除去组件,除掉低分子有机物及组合床不能处理的极性有机物。在这一过程中,水先饱和氧,再加热至125℃,最后通过催化氧化反应器,氧化成二氧化碳或变成通过相分离及离子交换树脂可除去的组分.水质监测系统监测处理水中的总有机碳、电导、pH、水中余碘,合格者进入饮水箱内,不合者返回处理系统。冷凝水处理流程卫生废水的处理卫生废水比冷凝废水的污染严重。对它的处理方案主要有反渗透法与吸附催化法。比较这两种方案,吸附催化法系统简单、运动部件少、可靠性高、能耗低以及水回收率高,更适合空间卫生废水的处理。它的流程及主要部件与冷凝废水处理系统完全相同,由于废水水质的关系,它的水回收率只有95%左右。尿液的处理两种途径：1.用尿处理器单独处理，再生水被用来冲洗小便池、电解制氧，或与其他废水一同进入水处理器进行二级处理方法：蒸馏法、高级氧化法和冻干法2.将尿液与其他废水混在一起处理，为宇航员提供饮用和卫生用水方法：生物法尿液处理——蒸馏法蒸汽压缩蒸馏法（VCD）:系统的核心部件是两个同轴转鼓，转鼓旋转时产生的离心力维持气液界面。温度介于21～35℃的尿液在压力4.8kPa的内转鼓蒸发，蒸汽经压缩机压缩，进入内、外转鼓的夹层冷凝，凝结潜热在饱和温差的驱动下，经0．089cm厚的鼓壁传至内转鼓，为等量水的蒸发提供热量蒸汽压缩蒸馏系统原理图蒸汽压缩蒸馏过程是一个热自发过程，易于控制；尿液在略高于环境的温度下蒸发，出水水质好；循环尿液的质量分数可达50％，水回收率较高；系统充分利用凝结潜热，仅需能量压缩蒸汽、弥补机械损失和热损失，能耗少。但是，系统的运动部件多，可靠性受到一定影响。热电集成膜蒸发法(TIMES)：系统的核心部件是膜蒸发器和热电热泵，中空纤维膜管束维持气液界面，热泵的热端与尿加热器相连，冷端与多孔冷凝板相连。尿液被预热到65.6℃后进入蒸发器，在膜两侧组分的蒸汽分压差作用下，水在膜的外表面蒸发，蒸汽在冷凝板冷凝，凝结潜热由热泵冷端传至热端，可回收约2/3的凝结潜热。热电集成膜蒸发系统流程示意图热电集成膜蒸发器主要有TIMESI和TIMESⅡ两代产品，与TIMESI相比，TIMESⅡ所作的改进主要体现在：1)摈弃TIMESI采用的孔隙大、机械稳定性差的聚砜膜，改用热稳定性好、耐腐蚀性强的全氟磺酸膜；2)增加膜长度，改变膜组件连接方式，减少管件接口个数，避免尿液泄漏；3)减少热泵基元个数，将性能系数由3.5提高到，系统比热力学能减小30％；4)在冷凝器后设置管式气液分离器，并通过控制其基准压力控制加热器温度；5)采用模块化设计，使设备的体积和质量分别减小49％和31％。热电集成膜蒸发器水处理效果较好，出水澄清、无异味；运动部件少，与有压缩机的系统相比，设备简单、噪声小、可靠性高。但热泵效率较低，系统能耗较高；易挥发组分、易与水一起透过膜，影响出水水质；产水率随砌的增加而迅速降低，通常不能超过38％；膜孔径很小，易被不可冷凝的杂质堵塞，需定期抽真空和更换。空气蒸发法(AES)：系统通过蒸发器内管芯的表面张力维持气液界面，尿液在蒸发器吸收来自加热器的干热空气所蕴含的热量后蒸发，生成的蒸汽被空气捕获、输送，顺次流经水冷换热器和气液分离器，蒸汽冷凝，空气返回加热器。空气蒸发系统流程示意图空气蒸发法构造简单、可靠性高；气液分离效果好，水回收率几乎可达100％；在环境压力下运行，没有真空泄漏的问题。但是，尿液在高温下蒸发，出水水质较差，且大部分潜热都损失掉了，能耗高。所以，对系统的改进主要集中在减少能耗上。若设置换热器可使能耗减少24％，设置换热器和热泵可使能耗减少71％，设置太阳能采集板可使能耗减少90％。三种蒸馏法比较从表可知，蒸汽压缩蒸馏系统的能耗最低，出水水质最好；热电集成膜蒸发系统的出水水质较好，但水回收率最低；空气蒸发系统的水回收率最高，但水质最差。所以，蒸汽压缩蒸馏系统是最高效、最成熟的相变工艺，可以替代热电集成膜蒸发系统。尿液处理——高级氧化法蒸馏法虽大都通过抽真空实现尿液在较低温度下的蒸发，但不能完全控制尿素的分解，出水的氨氮和总有机碳(TOC)指标仍偏高，继蒸馏法之后出现的高级氧化法则能将杂质彻底氧化成无害的小分子，从根本上改善出水水质。高级氧化法主要有气相催化除氨法和超临界水氧化法。气相催化除氨法（VPCAR）高温下，将尿液中随着水蒸气蒸发出来的氨和挥发性碳氢化合物等杂质催化氧化成无害的气体产物，水和氨等易挥发组分在蒸发腔蒸发，蒸汽经压缩机压缩后与氧气混合，进入铂一氧化铝催化床，在温度为250℃、压力为13.77kPa和蒸汽与氧气的体积比为1：8的条件下，发生氧化反应NH3+O2一N2O+N2+H2O和CxHy+O2一CO2+H2O，反应产物在冷凝腔冷却，CO2，N2，N2O等不可冷凝气体继续进入铂一氧化铝催化床，在温度450℃、压力6.88kPa的条件下，发生还原反应N2O—N2+O2，最终产物只有CO2，N2和H2O。气相催化除氨系统的出水水质明显优于蒸馏工艺，设备虽是用市场上的普通材料制作的，却已在质量和体积上显示出一定优势。目前，气相催化除氨法已被视为空间站最有潜力的水处理工艺，有可能取代现在所有的水处理设备，简化整个水回用与管理系统，但它在微重力下运行的可靠性仍需进一步验证，技术仍处于发展阶段。VPCARS，VCDS，TIMES的出水水质比较超临界水氧化法（SCWO）它利用了水在超临界状态下(tc：374℃，pc：22MPa)可溶解有机物和部分气体的特性，在高温、高压和有催化剂的条件下，将水中有机物均相氧化成CO2，H2O和N2等无害的小分子。超临界水氧化系统流程示意图超临界水氧化法具有设备简单、处理效率高、反应时间短等优点，但存在安全性差、设备易腐蚀、反应器易堵塞、能耗较高、耗氧量大、需收集气体产物和技术不成熟等问题，它在空间站的应用前景体现在粪便处理上。尿液处理——冻干法在温度为19℃、压力为0～2Pa的条件下冷冻尿样14～24h，再用温度一55℃的冷板富集从冰中升华出来的湿气。融化冷板上的冰晶，可回收近98％的水，出水在外观上难以与自来水区分，TS，TSS，TDS和氨氮的去除率均大于99％。该方法几乎是一个无任何消耗的自给自足的过程，有明显的可操作性、可维护性和经济性，但处理效率较低。尿液处理——生物法尿液在压力172kPa、温度27℃、pH值6.5～7.5填充床生物反应器内经生物降解生成氨盐和CO2，N2等产物，液相产物进入硝化反应器，在有氧条件下，氨盐被硝化氧化成硝酸盐和亚硝酸盐，出水经反渗透过滤、离子交换吸附、微滤和加碘消毒后回用。该系统能耗低，可去除98％的TOC，水回收率可达100％。生物法缺点：1)生物在太空中的培养及生存受偶然因素影响，水处理效果无法保证；2)废水停留时间长，设备占地面积大；3)过程消耗大量的氧，且需要收集气体产物，操作管理较为复杂。各尿液处理方法的比较蒸馏法能耗较低、工艺较成熟，但出水氨氮和TOC偏高；高级氧化法水处理效果好，但能耗高、安全性差；冻干法水处理效果好、能耗低，但工作效率低；生物法能耗低，但在太空中的应用还存在很多问题。各工艺在某种程度上都存在一定的缺陷，有待于进一步改进。俄罗斯“和平”号水循环系统“和平”号空间站水回收系统最大的特点是采用了3条独立的净化回路，分别处理舱内冷凝水，卫生用水和航天员尿液，3条净化回路之间是物理隔绝的。独立的净化回路可以根据水质的特点和目标水质的要求，合理选用技术途径，实现资源消耗和水质标准的良好平衡,同时可以避免尿液净化后用于饮用对航天员心理产生的影响。尿液在尿处理装置中首先使用渗透蒸发膜组件进行蒸馏，获得的尿蒸馏水经过后处理组件深度净化后用于电解制氧。根据设计，尿液净化处理后可以达到饮用水标准，可用于补充航天员饮用水，但是在实际运行中尿液净化水并没有被饮用。卫生废水主要来自洗手水、洗浴水，经卫生废水处理装置净化后仍应用于航天员的个人卫生活动。舱内收集到的冷凝水主要来源于航天员的代谢湿气和舱内其他液体的蒸发，水质较好，经过冷凝水处理装置净化后，作为航天员饮用水，据俄罗斯提供的数据，冷凝水净化水将提供航天员80%的饮用水(其余为运输补给水)。“和平”号空间站水回收系统构架示意图国际空间站美国舱段水循环系统包括水处理装置（WPA）和尿处理装置(UPA)。尿液在尿处理装置中完成低压气相压缩蒸馏（VCD）过程获得尿液蒸馏水。WPA采用单个净化处理回路，统一处理尿液蒸馏水、冷凝水和卫生废水构成的混合污水，使水质达到电解制氧用水标准，同时可为航天员提供饮用水和卫生用水。由于美国空间站电解制氧系统对水质要求较高，且卫生水设计用量很大，单一净化回路的设计可以较好满足处理效率高以及净化水的比能耗小的需求。国际空间站美国舱段水回收系统构架示意图我国空间站水回收系统特点：1.总处理量小，对于3人乘组，一天不超过11kg(其中冷凝水约6kg，尿液约5kg);2.对于电解制氧水质的要求很高，接近超纯水标准;3.受到空间站整体资源限制，水回收系统的总功率紧张;4.空间站货运飞船补给频率远低于美国和俄罗斯，物质补给能力差。我国水回收系统由水处理系统和尿处理系统构成。尿处理系统可以完成对尿液的蒸馏，获取尿蒸馏水;而水处理系统中包含有独立的冷凝水净化装置和尿蒸馏水净化装置，分别用于处理冷凝水和尿蒸馏水，冷凝水净化后达到饮用水标准，供航天员饮用;尿蒸馏水净化后主要用于电解制氧。冷凝水净化装置和尿蒸馏水净化装置采用了基本相同的技术流程，可满足高标准的净化要求，并可大量减少消耗性材料的使用量。我国空间站水回收系统基本构架示意图我国水处理系统主要技术特点我国水回收系统的核心技术主要包括冷凝水处理技术和尿蒸馏技术。尿蒸馏技术可以将污染物含量很高的尿液转化为微污染程度的尿蒸馏水，而冷凝水处理技术可以完成对冷凝水和尿液蒸馏水这两种微污染水的深度净化。冷凝水处理技术我国空间站冷凝水净化装置以气相催化氧化技术为核心构建了整个处理流程。系统最突出的特点是将催化氧化过程前置，并且采用了一种条件很强的气相催化氧化技术，可以将大部分有机污染物彻底氧化为二氧化碳和水，而且离子型污染物将在汽化过程中结晶。在保证高水质标准的前提下，大大减少了对活性碳和离子交换树脂材料的消耗。催化氧化技术紫外臭氧催化氧化电催化氧化技术中温气相催化氧化技术紫外臭氧联合催化氧化技术紫外臭氧催化氧化技术整合了臭氧氧化技术和紫外光催化氧化技术，起到了耦合增强的作用，能够有效的处理冷凝水中的有机污染物。在前期研究工作的基础上，