一種正滲透耦合蒸餾的小型太陽能海水淡化裝置的製作方法
2023-09-12 04:20:50
本發明涉及海水淡化技術領域，特別涉及一種正滲透耦合蒸餾的小型太陽能海水淡化裝置。
背景技術：
開發海水淡化技術，是解決沿海地區水資源短缺的有效途徑之一。目前常見的海水淡化技術可分為三類：蒸餾法，冷凍法，反滲透法。反滲透法和蒸餾法是目前應用最廣的兩種海水淡化技術。反滲透法適用於工業大規模的海水淡化，但需要對原料水進行處理以防止膜汙染，反滲透法濃海水的排放會造成環境汙染且難以回收利用，給各企業帶來極大的困擾。蒸餾法海水淡化技術應用較早，適應環境較廣，小型化容易實現。
小型蒸餾法海水淡化技術雖然已有廣泛應用，但被蒸餾的海水在蒸發至一定濃度就要進行排放，否則會造成非常嚴重的腐蝕和結垢問題，蒸餾後濃鹽水的排放也會帶來環境問題。
正滲透(FO)過程是指水通過選擇性半透膜從較高水化學勢區域(低滲透壓側)自發地擴散到較低水化學勢區域(高滲透壓側)的過程，這個過程的驅動力來源於膜兩側溶液之間的滲透壓。相對於反滲透等分離技術，正滲透分離技術的顯著特點是不需要在外加壓力的情況下運行，操作簡單，能耗低，而且膜汙染情況相對較輕，易清洗，汲取液的回收率可以達到95％以上，濃水排放量少，汙染小，是一種環境友好的新技術。
將正滲透技術用於海水淡化領域也已有相關研究，其中公開號為CN102745776A的專利文獻提供了一種將正滲透與反滲透結合的海水淡化技術，利用反滲透濃排水的高滲透壓對正滲透進料液進行濃縮，通過耦合反滲透和正滲透過程，同時實現反滲透濃排水的回收利用和正滲透進料液的濃縮和純化處理。
此外，公開號為CN 104591457 A的專利文獻提供了一種正滲透耦合膜蒸餾處理廢水的裝置及方法，該方法先用膜蒸餾單元濃縮處理高鹽廢水作為正滲透的驅動液，通過正滲透進料液側原水的不斷濃縮來稀釋膜蒸餾濃水，當稀釋後膜蒸餾濃水返回到膜蒸餾單元繼續濃縮處理，以此循環。
上述的兩種方法雖然都解決了正滲透過程中的汲取液再生問題，但是都需要使用高壓泵或者多個溶液泵進行系統的循環，難以做到小型化。目前正滲透汲水過程中稀釋後汲取液的再生是一個亟需解決的問題。在蒸餾法海水淡化技術中，海水的腐蝕和結垢問題限制了濃海水的排放濃度，同時濃海水的排放會造成環境汙染問題且難以回收利用。同時如何將耦合正滲透技術的海水淡化裝置做到小型化提供民用同樣是一個需要解決的問題。
技術實現要素：
本發明提供了一種正滲透耦合蒸餾的小型太陽能海水淡化裝置，具有體積小、使用方便、汙染小等優點。
一種正滲透耦合蒸餾的小型太陽能海水淡化裝置，包括：
太陽能集熱管，中空結構，頂部封閉；
排氣管，安裝在所述太陽能集熱管的中空腔內，兩者夾持形成汲取液加熱蒸發空間，頂部設有與太陽能真空管連通的通氣孔；
正滲透汲腔體，位於所述太陽能集熱管下方且與所述汲取液加熱蒸發空間連通，表面設有至少一個膜安裝孔，該膜安裝孔裝有正滲透膜；
冷凝儲水箱，與所述排氣管連通用於收集和冷凝水蒸氣。
為了提高集熱效果，優選的，所述太陽能集熱管採用太陽能真空管。
本發明的工作原理為：
太陽能真空管加熱汲取液加熱蒸發空間內的汲取液，在太陽能真空管中嵌有排氣管，汲取液的液面高度不超過排氣管的通氣孔，汲取液受熱，水蒸氣在排氣管中通過管壁與汲取液換熱並通過冷凝儲水箱實現冷凝並收集，正滲透汲腔體通過吸收海水補充汲取液。
正滲透汲取腔體的核心部件為一膜組件，其中膜為水通透性好而截留率高的正滲透膜(FO)，通過具有高密閉性的組件進行固定並實施其功能。
目前已商品化的FO膜為美國HTI公司推廣的三醋酸纖維素正滲透膜(HTI-CTA)。FO膜一端(下端)與待淡化的模擬海水(0.6mol/L的NaCl溶液)相接觸，另一端(上端)接觸濃度為1mol/L的NaCl汲取液。兩者的濃度差所產生的滲透壓使海水中的水份不斷的被汲取到膜上方，利用化學勢差實現海水汲取的功能。
汲取液再生過程是恢復裝置源動力的重要環節。本裝置可採用高濃度的純淨氯化鈉溶液為汲取液，在汲取海水中的水分後，汲取液濃度逐漸降低，與海水濃度趨於相近，當兩者濃度平衡後便無法進行滲透，汲水停止。此時利用太陽能蒸餾來蒸發汲取液，讓汲取液保持較高的濃度，能繼續汲取海水中的水分，維持汲取液滲透壓。當水的蒸發量與滲透量相同時，汲取液濃度保持動態平衡，同時產生淡水。
為了提高淡化效率，優選的，所述冷凝儲水箱位於所述正滲透汲腔體的正下方，所述排氣管的底端穿過所述正滲透汲腔體與所述冷凝儲水箱連通。水蒸汽經過正滲透汲腔體，水蒸汽中的能量進行汲取液預熱，實現節能作用。
為了方便安裝、製造以及使用，優選的，所述正滲透汲腔體採用立方體空腔，上端面與所述太陽能集熱管連接，周向四個端面分別開設有膜安裝孔，每個膜安裝孔裝有正滲透膜；
所述排氣管穿過所述正滲透汲腔體的下端面與所述冷凝儲水箱連通。
為了提高淡化效率，優選的，所述排氣管的外壁為疏鬆多孔的材質。上述結構為沸騰提供汽化核心，加速水蒸氣的形成。
為了提高膜的強度，優選的，所述正滲透膜覆蓋有金屬絲網。金屬絲網起到支撐作用。
為了減小體積以及便於安裝，優選的，所述太陽能集熱管和排氣管採用圓管，同軸布置。
為了加速產水，提高產水量，優選的，所述太陽能集熱管的內徑和所述排氣管的外徑差值為3～4mm。本裝置採用太陽能真空管內置排氣管的結構，使汲取液集中在真空管和排氣管之間比較薄的一層液膜中，從而減小了汲取液的熱容量，即在分配能量時使儘量少的熱量儲藏在汲取液的顯熱裡，使儘可能多的熱量轉為蒸汽潛熱。
為了兼顧預熱效果和集水效率，優選的，所述排氣管的內徑為20～30mm。
本發明的有益效果：
1)本裝置直接蒸餾乾淨的汲取液，不存在結垢問題，使用裝置壽命得到延長；
2)本裝置直接從大海中汲取水分，且汲取液一直維持在一定濃度，可連續使用，不存在濃鹽水直接排放造成的汙染問題，對環境友好；
3)本裝置將正滲透技術和蒸餾技術進行耦合，一方面利用太陽能使汲取液中水分及時蒸發，從而維持正滲透膜兩側的濃度差，使汲取液的汲水能力始終維持在較高的水平，而且自動汲水功能省略了水泵結構，節約了泵功，使裝置更加小型化。
附圖說明
圖1為本發明的正滲透耦合蒸餾的小型太陽能海水淡化裝置的結構示意圖。
圖2為本發明的太陽能真空管和正滲透汲水部件的連接結構示意圖。
圖3為本發明的排氣管和正滲透汲水部件的連接結構示意圖。
圖4為本發明的太陽能集熱管和排氣管的結構示意圖。
圖5為本發明的正滲透汲水腔體的拆分結構示意圖。
圖6為本發明的冷凝器儲水箱的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明做進一步闡述和說明。
如圖1～6所示，本實施例的正滲透耦合蒸餾的小型太陽能海水淡化裝置由太陽能集熱和排氣部件101、正滲透汲水部件102和冷凝儲水箱103組成。
太陽能集熱和排氣部件101由太陽能真空管201和排氣管202組成；排氣管202置於太陽能真空管201中，兩者夾持形成的空間用於填充汲取液，排氣管202頂部與太陽能真空管201頂部空間相通。工作時對太陽能真空管201與排氣管202間填充的汲取液進行蒸發。
正滲透汲水部件102為正滲透汲水腔體，由箱體301、金屬絲網302、O型橡膠圈303、FO膜304和端蓋305組成。其箱體301呈中空的立方體結構，上端面與太陽能真空管201連接，且與太陽能集熱和排氣部件101中夾層相通；下端面與排氣管202連接；其餘四個端面上各開有一個通孔，通孔上安裝FO膜304。裝配時先將O型橡膠圈303與箱體301密封接觸，再依次墊入金屬絲網302和FO膜304，其中金屬絲網302起支撐作用，最後用螺栓固定端蓋305，確保O型橡膠圈303被壓緊，使得裝置密封。工作時正滲透汲水部件102位於海面下與海水直接接觸進行汲水。
冷凝儲水箱103為圓柱形容器。工作時冷凝儲水箱103置於海水中，與海水直接接觸換熱，使得導入其中的水蒸氣冷凝並儲存。
排氣管202的內徑為26mm，太陽能集熱管201的內徑和排氣管202的外徑差值為3.5mm。
本實施例的具體工作原理為：
1)正滲透汲取部分核心部件為一膜組件，其中膜為水通透性好而截留率高的正滲透膜(FO)，通過具有高密閉性的組件進行固定並實施其功能。
目前已商品化的FO膜為美國HTI公司推廣的三醋酸纖維素正滲透膜(HTI-CTA)。FO膜一端(下端)與待淡化的模擬海水(0.6mol/L的NaCl溶液)相接觸，另一端(上端)接觸濃度為1mol/L的NaCl汲取液。兩者的濃度差所產生的滲透壓使海水中的水份不斷的被汲取到膜上方，利用化學勢差實現海水汲取的功能。
2)汲取液再生過程是恢復裝置源動力的重要環節。
以採用高濃度的純淨氯化鈉溶液為例，汲取液在汲取海水中的水分後，濃度逐漸降低，與海水濃度趨於相近，當兩者濃度平衡後便無法進行滲透，汲水停止。此時利用太陽能蒸餾來蒸發汲取液，讓汲取液保持較高的濃度，能繼續汲取海水中的水分，維持汲取液滲透壓。當水的蒸發量與滲透量相同時，汲取液濃度保持動態平衡，同時產生淡水。
3)冷凝儲水過程同時起到冷凝淡水、預熱汲取液的作用。
在太陽能真空管201中嵌有排氣管202，汲取液的液面高度不超過排氣管202的頂端，水蒸氣在排氣管202中通過管壁與汲取液換熱並通過冷凝儲水箱103實現冷凝並收集。整個過程實現冷凝並利用了蒸汽中的能量進行汲取液預熱，實現節能作用。
以上實施例只是本發明的一種較佳的方案，然其並非用以限制本發明，凡採取等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在本發明的保護範圍內。