寒冷地区高矿化度矿井水冷冻再生利用的研究

It is a fundamental problem how to control mine water pollution and protect environment, solve the shortage of fresh water in north cold mining area. In order to dispose high salinity mine water efficiently by freezing with natural cooling capacity, the multi fields coupling mechanism, heat and mass transfer at gradient interface, identification of the state of phase change freezing and salt migration in ice will be studied systematically in this research. The studies are favor to set up theory of solution freezing from microcosmic to microscopically in effect of multi-field which could reveal the mechanism of multi-field action on solution freezing and influence, realize the division and definition of solution freezing process which could provide the basis for regulation of freezing state, obtain the salt migration law based on the interaction of thermal diffusion and salt diffusion which could provide theoretical basis of desalination by freezing method. The program would contribute to phase change freezing theory to promote the development of freezing desalination method and production of ice slurry in the field of refrigeration. It has important theoretical significance and practical application value.

如何采用高效绿色节能的方法来破解北方寒冷矿区矿井水污染环境与当地淡水短缺的问题成为当前亟待解决的重要问题。本项目以利用自然冷量实现对高矿化度矿井水冷冻再生利用为目标，将主要围绕溶液冷冻过程中的多场耦合作用机制、渐变界面处的能质传递机理、相变冻结状态的辨识及冰体在脱盐过程中盐分的运移问题开展系统的基础研究。课题的研究工作将构建多场作用下完整的跨尺度溶液相变冻结理论，揭示多场对溶液冻结的作用机制、权重及影响机理；实现对溶液冻结状态的科学划分与界定，为冷冻过程冻结状态的调控提供科学的依据和指导；并获得热扩散和盐分扩散相互作用基础上的冰体盐分运移规律，为冷冻法脱盐提供科学的理论基础。项目的开展将有助于完善和丰富现有相变冻结理论，为冷冻法脱盐的规模化工程应用奠定基础，同时为制冷领域中冰浆的生产调控提供新的途径和方法，具有重要的理论意义和实际应用价值。

面对淡水资源短缺及生态环境保护等问题，特别是矿井水的再生利用，寻求高效、绿色及节能的矿井水处理及利用方法已成为破解矿井水污染环境与解决煤矿地区用水严重短缺难题的重要途径。结合寒冷地区高矿化度矿井水的特征，以利用自然冷量实现对高矿化度矿井水冷冻再生利用为目标，提出基于多场（热场、流场、声场）作用下直接冷冻脱盐的新方法，围绕该目标本课题对其中涉及的多场耦合作用机制、渐变界面处的能质传递机理、相变冻结状态的辨识及冰体在脱盐过程中盐分的运移问题开展了系统的基础研究。项目在实施过程中，搭建了冷冻微观实验观测系统和悬浮冷冻脱盐试验装置，完成了对超声波作用下液滴冷却冻结过程中热质传递特性及冻结状态的变化进行了分析研究，获得了声场作用下冻结过程中的热质传递规律，揭示了超声波空化效应导致传质引起的热传递量与超声波热效应产热量的变化关系，分析了液滴冻结过程中液滴温度、液固界面、直径大小的变化规律，利用尖点突变理论建立了冻结状态辨识模型，为冻结状态的调控提供了基础；在冻结状态微观结构变化观测与分析的基础上，获得了超声波作用下液滴冻结过程中液相比的变化规律，分析了超声波对冻结状态的影响，给出了超声波作用下盐水液滴冻结过程中的盐分迁移特性；在冻结过程能质守恒的基础上建立了多场作用下液滴相变冻结及盐分迁移数学模型，获得了不同盐水浓度下液滴冻结过程中固液界面、溶液比例、盐度及盐水残余率的变化规律。综上所述，项目的研究工作对于多场耦合下溶液冻结的作用机制、能质传递机理及盐分运移规律的研究，将为高矿化度矿井水冷冻脱盐的理论分析、工程设计提供基础，研究所获得的溶液冷冻过程中的多场作用机理、界面处的热质传递以及盐分运移规律等相应理论，将有助于促进冷冻理论的深入研究，推动高效冻结法在淡化脱盐工程中的应用，促进冷冻法脱盐方法的向前发展。