海水淡化工程的工藝技術的製作方法
2023-07-02 21:23:11
專利名稱：海水淡化工程的工藝技術的製作方法
技術領域：
本發明屬於海水淡化工藝技術領域。
背景技術：
海水淡化技術是人類最終解決乾旱、荒漠化和水資源在各個生產、消費領域的短缺現象，從而徹底解決人類發展問題的重要的戰略技術，有人預言21世紀是水的世紀，是新的、爭奪水資源的戰爭導火索。
海水淡化領域已經具備生產規模的辦法有膜滲透法，包括反滲透膜、納濾膜和功能性陶瓷材料製成的脫鹽膜；蒸發法，包括低溫多效蒸發和真空閃蒸技術；另外還有研究中的冷凍法、水合法、電滲析和來自電滲析、電磁效應所進行的辦法。沒有一個固定的生產工藝和技術路線，更沒有一個系統的綜合利用這個過程的能量消耗、回收和海水中所有同時產生的資源進行整合利用的工藝路線。而完善這一路線是實現產業化所必須的。
從人類已經獲得的淡水資源的生產成本和能耗指標來說，目前海水淡化領域的所有技術獲得的淡水，綜合成本都高於採集地下水。僅利用降水和地表水的現有資源，這就為人類利用水資源發展經濟帶來了不少困難。實際上海水淡化所獲得的淡水價格和能源消耗，應該不高於原有淡水的供應價格。而要做到這一步，必須對海水淡化技術路線進行重新設計，對工藝過程進行優化。
海水淡化過程有其固定的能量循環和資源利用的規律，只有合理的運用自然能源，如太陽能和風能資源、在海水預處理過程中引進可以有效降低海水中溶質含量的生物代謝和地質過濾(無機離子交換)技術，使海水中的電導率大幅度降低，總固含量大幅度降低，才能使海水淡化真正產業化，才能保證淡水資源的實際代價同採集地下水的價格相同，才能真正克服人類面臨的荒漠化和乾旱的威脅。本工藝路線正是這樣一種海水淡化過程的整體設計思想的體現。
發明內容
為解決現有海水淡化領域技術的不足，本發明採用海水中溶質和水結合時氫鍵締合過程的力學分析，引導溶質離子脫離氫鍵作用力的控制，使溶質離子和溶質分子(如硼的化合物)在一個力學場內脫離水分子氫鍵的締合力的束縛，在離心力的作用下，同淡水分離，然後通過分流解決淡水和溶質的異路收集路線，並分別進行淡水的功能改造，如按照要求生產工農業用水、純淨水、礦化礦泉水、陽離子水等。同時把海水中佔99％左右的12種含量可以達到利用水平的溶質進行綜合利用，獲得聯動的經濟效益。提取原鹽、金屬鎂和鎂的化合物，鈣的化合物，溴素和溴製劑等。這種生產技術路線，保證了海水淡化的經濟效益，保證了淡水的低成本，甚至負成本的運行模式，是海水淡化領域必須綜合評價的一個技術問題。
以往的海水淡化技術只考慮技術本身的運行條件，忽略了這一行業的系統化處理的特點，如反滲透法生產淡水，姑且不說這種方法生產的淡水是一種基本上無營養可言的非飲用水，也不去說這種淡水在工業上利用的成本會有多高，只從生產過程產生的汙染來看，就應該引起行業內的重視。這種技術投加的化學藥劑使得綜合利用很難實現，使得濃水形成的濃縮液無法按照原有的組成獲得原鹽。必然造成生產綜合成本的升高。影響了對海水淡化行業的重視。
本發明從海水淡化技術應用的實際效果出發，強調了最佳方案和溶質脫除的最小能耗、最低投資和溶質綜合利用的可能性，減少了環境汙染，杜絕了整個海水淡化過程中任何一種不合理的設置。
本發明海水淡化工程的工藝技術由四個階段組成，具體如下一、水預處理工藝本工藝設置的目標是利用海水在採用多介質過濾、分子篩吸附、耐鹽植物的代謝過程，以及利用溶質離子本身的絮凝、滅菌等方法對海水進行預處理的過程，最大限度地降低海水中溶質含量，降低電導率，為溶質和溶劑的分離作好準備工作。如海水電導率測定為25600微西門子，如果立即進入電滲析就會導致無法正常工作，電滲析一般要求固含量在5000毫克/升以下的海水進入，而固含量超過10000毫克的海水進入納濾、電滲析或反滲透都將使得脫鹽過程複雜化。因此本發明對預處理過程提出的要求是海水通過預處理後，脫除40％左右的鈉、氯、鎂、鈣、溴、硫酸根(包括亞硫酸根)、碳酸根(包括碳酸氫根)、鉀、鍶、氟離子以及硼酸或氫氧化硼，獲得電導率10000微西門子/釐米左右的水質的初級產品的水平，以進入下一個處理環節，為一次性達到淡水的世界通用標準做好準備工作。
本發明具體的工藝要求是(1)利用物理吸附的工藝除掉海水中的生物物質、色素、塵埃、懸浮物、膠質等影響淡水物理性質的有害成分，採用多介質過濾和過濾層進行第一道過濾；(2)利用分子篩—沸石無機離子交換系統對已經初濾的海水進行離子交換，骨架結構有利於進行鹼金屬和鹼土金屬離子的交換，主要是鹼金屬的鉀、鈉離子和鹼土金屬的鈣、鎂離子，這四種離子佔海水中溶質的比例較高，如鈉佔1.07％，鎂佔0.129％。海水中總固含量為3.45％，如果可以通過無機離子交換脫除這部分溶質，只這兩種離子就脫除了總溶質的34.75％；(3)利用對前兩步處理已經脫去部分溶質的半成品進行動態去離子化的工藝處理，使用磁控技術，利用梯級磁場的磁塞的斥力和吸引力分別在海水預處理的特定的容器內進行海水中離子的排斥和吸引兩種過程，然後將產生的濃水進入原鹽生產系統，將淡水或去離子水進入海水溶質分離系統。
二、海水溶質和溶劑分離系統本系統主要工藝技術目標是在海水進行預處理的基礎上，將海水中的溶質同淡水溶劑徹底分離，成為符合各種標準的淡水資源。
本發明中海水中溶質的分離是通過以下工藝依次實現的。
在進入分離系統時按照預處理過程產生的水樣化驗的結果，確定採取溶質分離的工藝。
測定電導率在15000微西門子/釐米以上時，將半成品淡水進入磁力離心分離機或者離心膜分離機進行溶質分離。
磁力離心分離機是利用磁力和離心力兩種動力，對海水中的溶質進行精確和徹底的分離。在預處理已經將部分溶質，特別是鹼金屬和鹼土金屬離子處理到總量底50％左右，其他溶質的存在可以在重複預處理階段的工藝中除去，但是使用離心磁力強制分離海水中剩餘的溶質，有助於降低成本，提高淡水產率。
磁力離心分離機是利用靜磁場或者電磁場形成的旋轉能量，通過離心機的高速加速運轉，使溶質中帶電離子以相當快的速度向電性相反的一個電極、或者一個磁極運動，完成海水中所有溶質的分向流動。並通過不同的路徑排出。因為要求水的純度不同，還可以使用離心—膜處理機分離海水中的溶質，同反滲透相比，後者的能耗因為只發生在液體的一側，而大大降低。
磁力離心分離設施，可以採用磁場磁極的吸引和排斥作用，在離心過程中增加溶質脫離海水的動力，也可以採用陰陽電極板輔助吸引和排斥離子的辦法來提高分離速度和質量。
通常採取的具體工藝是高速磁力離心設備中設置一個安裝在轉鼓上的納濾膜，轉鼓外面接受處理過的純水，在高速離心力的作用下，海水通過納濾膜或低壓反滲透膜進入轉鼓外的空腔內，收集成為淡水產品；或者離心機四壁裝有陰陽磁極，在離心力的推動下，沿著切線位置實現一個旋轉磁場，陽離子如鈉、鉀、鈣、鎂離子，在旋轉中被陰磁極所吸附，陰離子被陽極所吸附，而未被吸附的淡水則從溢流口排出。這樣一個過程可以陸續進行，因為離心機轉速可以達到很高，因此離心分離過程很快。淡水產出速度也很快，通常流量可以達到每小時40噸左右，而且不象反滲透那樣，產生大量的濃水。
三、溶質濃縮系統本系統設立的目標是對溶質進行處理，獲得綜合經濟效益，實現無汙染排放。實現全過程的低成本甚至負成本的目的。
海水被分離的溶質中含有約80種元素，其中12種佔據總量的99％，處於主導地位，它們是鈉、鉀、鈣、鎂、鍶、硼、氯、溴、硫酸根、碳酸根、氟、矽。另有營養性物質也應該引起足夠的重視，如磷、氮等。這些溶質是資源的一部分，也是海水淡化過程中必須收集處理的一部分。按照本發明所採用的技術和工藝過程處理這些佔海水中3.45％左右的溶質不但實現了資源回歸，而且可以獲得可觀的副產品收入，特別是原鹽和鎂、鈣、溴、鉀等基本化工原料的生產回收，使得整個工程可以實現淡水成本的零價位甚至負價位。
本發明利用太陽能相變貯能技術將海水淡化形成的濃縮過程變成全天候操作的原鹽生產和鹽化工生產的固定系列生產方式。
在預處理和溶質分離過程形成的濃水，被全部保留在原鹽生產和鹽化工生產的基地上，其溶質總含量約8％-13％，其中主要成分是海水中的最重要的溶質。
採用磁分離技術，使這部分濃水濃縮到可以進行結晶析出的濃度，實現全天候對濃縮液進行結晶和蒸發，蒸發產生的水蒸氣重新收集成為淡水，當濃縮液中溶質含量超過15-20％時，投入晶種，原鹽不斷結晶出來。所產生的濃縮液在6波美度時首先析出氧化鐵，16波美度時析出硫酸鈣結晶，28波美度時析出主產品氯化鈉，維持這個過程到濃水中的大部分氯化鈉分離後，繼續濃縮到32波美度析出硫酸鎂，35波美度時，氯化鉀和氯化鎂的混合物析出，由於兩個產品的溶解度不同，加入部分淡水可以順利除去氯化鎂，保留氯化鉀的粗品，再精製可以得到氯化鉀的工業品。與此同時，濃水中的溴含量從0.008％富集到0.65-0.75％，主要以溴化鈉和溴化鎂的形式存在，使用通入氯氣的辦法可以得到溴素。
這個過程獲得的淡水是通過蒸發—冷凝過程產生的，其電導率可以達到1000微西門子以內，通常可以達到20微西門子，因此可以直接進入淡水產品的貯存池內。
這個過程的收益包括原鹽、溴素和氯化鉀、氯化鎂是比較好的選擇。
四、淡水純化過程使用本技術產生的淡水，需要根據不同的水質標準進行純化或專業化再處理，可生產不同用途的淡水。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種海水淡化工程的工藝技術路線的工藝過程是由海水預處理工藝、海水溶質和溶劑分離系統、溶質濃縮結晶系統、淡水純化過程四個工藝流程組成，其特徵是海水預處理工藝是對海水進行過濾、吸附和絮凝、滅菌等預處理；海水溶質和溶劑分離系統是利用海水溶質帶電離子在一個磁塞串聯繫統形成的力學場內，被磁約束力所反射，使帶電分子和離子在弱場區聚集，而淡水在梯度磁場強場區聚集，在離心力的推動下，實現濃水和淡水的分流，依靠導流技術將比重、受力形式各不相同的兩種液體，分別排出；溶質濃縮結晶系統是對溶質濃縮後再對濃縮液進行蒸髮結晶，獲得各種海洋化工產品，蒸發產生的水蒸氣重新收集成為淡水；淡水純化過程是對本技術產生的淡水，需要根據不同的水質標準進行純化或專業化再處理。
本發明具備以下有益效果1、海水淡化技術發展到今天，一個重要的指標就是成本和效益，對於膜分離法、電滲析、納濾、冷凍法、水合法等技術的綜合評議表明，對國民經濟發展帶來實惠的淡水資源來自綜合生產成本低於目前採集地下水的價格，北京從密雲水庫採集庫區淡水每立方米0.68元，天津採集潘家口水庫的淡水也在0.8元以下，所有已有的技術都無法達到這個價位，而水的成本直接關係到中國國民經濟發展的質量，因此必須推出這種先進的綜合利用方案，把淡水成本降低到地下水採集的價格，本工藝技術路線的淡水綜合成本，應該是負成本。也就是說，免費提供淡水資源，還應該有盈餘，這主要是同工藝路線不可分割的海水中所有同時出現的產品的產出有關，應該儘量提供推廣這種技術路線的平臺，拋棄耗能高、佔地大、成本貴、水質不適宜飲用的一些生產辦法。
2.由於上述的原因，我國應該考慮東部發達地區水資源短缺的改善著眼點可以轉移到海水淡化方面。「東水西補」而不完全採用「南水北調」是可能的，大海的水取之不盡、用之不竭，是徹底解決我國人均水資源不足的水資源庫。
3.利用本發明所表明的技術和工藝路線，可以安定沿海和內陸食用鹹苦水的居民，維護國家團結、和諧、穩定；可以避免國際上因為水資源而引發的戰爭。擴大我國在世界範圍內水工程項目的競爭力。
4.本工藝技術路線可根據需要可以依次生產純淨水、礦化水、鹼性水和磁性水，分別用於飲用、工農業生產使用、各種生活用水。對於提高工業企業、農業的效益，提高人民生活質量有很大好處。
5.本技術路線佔地面積小、投資小、能耗低，符合中國國情。
圖1是利用海水淡化技術全天候生產原鹽和淡水的工藝技術路線的工藝流程示意圖。
圖2是圖1的海水預處理工藝的工藝流程示意圖。
圖3是圖1的海水溶質和溶劑分離系統的工藝流程示意圖。
圖4是圖1的溶質濃縮結晶系統的工藝流程示意圖。
圖5是圖1的淡水純化過程的工藝流程示意圖。
具體實施例方式
按照上述的工藝技術，海水通過三種方法進入工作面，一是通過潮水漲落的位差，利用橡膠壩攔住退潮的海水，使其進入預處理系統；二是通過風力提水機在海邊完成機械運動式提取海水的過程；三是通過近海陸地上挖掘滲水井採集海水，通過管網進入預處理池，然後經過多介質過濾，並通過消毒手段殺死藻類及其他有害於海水淡化過程的海洋微生物活體組織、細菌等，使海水淡化的處理過程規範化。
1海水預處理工藝(圖2所示)採用多介質過濾、分子篩(分子篩，Zeolite是鈉、鉀、鈣、鋇的矽鋁酸鹽)吸附使海水的電導率降低、絮凝、滅菌等方法對海水進行預處理除去懸浮物、藻類、微生物、色素和採用磁鏡構成的約束離子的不均勻磁場脫除2價鹼土金屬離子、部分1價鹼金屬離子，使進入溶質分離系統的溶質總含量降低到60％左右。
2海水溶質和溶劑分離系統(圖3所示)海水中的溶質離子分別帶有正電荷和負電荷，在一個磁鏡串聯的反向力學場內，溶質離子被磁鏡的反射作用排斥，遠離磁鏡組合，成為濃水，而淡水則進入靠近磁鏡的區域，顯示兩種位差的分離，這種受控狀態決定了，海水中連接水分子氫鍵締合位置的溶質離子和帶電的分子在不均勻磁場中處於底部。或者比重發生變化。在離心強制加速分離的作用下，溶質徹底被分離，淡水脫離溶質成為從上部排出的水產品，而下部則將分離出來的溶質和水的混合液體排出來進入溶質濃縮結晶系統。如果顯示淡水電導率偏高，電磁閥接受指令會限制淡水出口的流速，這樣帶電分子或離子將會更快的進入弱場區。或者把仍含有部分溶質的淡水導流往下一個磁鏡分離溶質系統。在分離狀態不明顯時，可以啟動離心機使離子的分離加速進行。
3溶質濃縮結晶系統(圖4所示)濃水是含溶質成分富集的液體，在比重、表面張力、黏度，特別是電化學特徵上具有自己的特點，採用聚焦太陽能相變貯能技術和太陽池貯能技術進行即原鹽的生產。該系統使用聚焦太陽能是利用菲涅爾折射聚焦太陽光實現光熱轉換形成的。同時利用的能源還有太陽池高濃度鹽滷造成的貯能效應通過熱管超導熱交換系統完成濃水的濃縮和結晶過程。當濃縮液中溶質含量超過15-20％時，投入晶種，原鹽不斷結晶出來。然後進行優勢分離，把原鹽單獨處理，其他海洋鹽化工產品另行生產處理。
4淡水純化過程(圖5所示)使用本技術產生的淡水，需要根據不同的水質標準進行純化或專業化再處理，以適應不同的消費群體。納濾設備可以使用低壓反滲透膜將已經達到各類水資源標準的淡水進行純化，生產純淨水，用於鍋爐運行、醫藥工業、蓄電池工業及需要高純水的工業過程；礦化設備將已經達標的飲用水通過石英沙、麥飯石、天青石石屑構成的濾層獲得礦化礦泉水，一般屬於鍶礦泉水和偏矽酸型礦泉水；鹼性水發生器通過電解後的兩個電極的不同電性的分流，獲得鹼性水用於飲用，獲得酸性水用於皮膚清潔；磁化裝置通過旋轉磁場對淡水進行磁化處理獲得適合飲用和工農業生產使用的磁化水。
預處理過程是進一步降低海水中溶質的過程，同膜法不同，反滲透、納濾等膜交換法必須把全部去離子過程放到通過反滲透膜或納濾膜中進行，微濾、超濾都無法完成這個過程。採用磁塞建立的對離子有強烈約束力的反向場磁塞(磁鏡)的力量，使海水中的離子反射到容器的底部，成為富集鹽分的濃縮混合液排出到濃縮原鹽和鹽化工部分的生產線，而磁鏡附近獲得的是失去離子的淡水，這樣在海水淡化的準備階段就產生了大量分離出離子或溶質的混合淡水，使這部分混合水中的溶質總量降低35-40％。電導率達到10000-15000微西門子左右。
溶質分離過程使用永磁稀土高磁通量的材料，建立梯級磁鏡(磁塞)的場系統，在這個系統中，經過串聯的磁鏡的連續約束離子的作用，使離子遠離磁鏡，聚集在容器的底部，通過離心作用，很容易地脫離溶劑，進入原鹽生產和鹽化工生產的過程。排出的淡水可以重複這一過程，最後按照水質要求結束操作，加工成為純淨水、礦化礦泉水、磁性水(磁化水)、鹼性水等產品，分別供應各種用途使用。
濃水經過太陽能相變貯能和太陽池濃鹽滷吸熱貯能所接受的太陽能量，全天候對濃縮液進行蒸發、濃縮，並從6波美度開始，分離氧化鐵，16波美度時分離析出碳酸鈣，20波美度時分離出硫酸鈣。此時要經過固液分離，把液體部分濾去已經結晶的上述成分，繼續濃縮到28波美度，就開始析出氯化鈉，控制波美度到32度時硫酸鎂析出，35度時氯化鉀和氯化鎂聯合析出，由於二者溶解度不同，加入部分淡水可以分離出氯化鎂，獲得氯化鉀的粗品。與此同時，濃水中的溴含量從0.008％富集到0.65-0.75％，主要以溴化鈉和溴化鎂的混合物的形式存在，使用通入氯氣的辦法可以獲得溴素粗品，精製後後純度可以達到99％以上。整個濃水利用後折合成淡水生產的副產品計算，可以獲得近10元的純收入/噸淡水產出。淡水生產成本不高於1元/立方米。
權利要求
1.一種海水淡化工程的工藝技術，是由海水預處理工藝、海水溶質和溶劑分離系統、溶質濃縮結晶系統、淡水純化過程四個工藝流程組成，其特徵是海水預處理工藝是通過對海水進行過濾、吸附、絮凝、滅菌和去離子化等方法對海水進行予處理；海水溶質和溶劑分離系統是利用海水溶質帶電離子在一個磁塞串聯繫統形成的力學場內，被磁約束力所反射，使帶電分子和離子在弱場區聚集，而淡水在梯度磁場強場區聚集，在離心力的推動下，實現濃水和淡水的分流，依靠導流技術將比重、受力形式各不相同的兩種液體，分別排出；溶質濃縮結晶系統是對溶質濃縮後再對濃縮液進行蒸髮結晶，獲得海洋化工產品，蒸發產生的水蒸氣重新收集成為淡水；淡水純化過程是對本技術產生的淡水，需要根據不同的水質標準進行純化或專業化再處理。
2.根據權利要求1所述的海水淡化工程的工藝技術，其特徵是海水預處理工藝是採用多介質過濾、分子篩吸附和絮凝、滅菌和利用磁鏡的反射離子及帶電分子的作用等方法對海水進行預處理，對海水溶質進行予分離。
3.根據權利要求1所述的海水淡化工程的工藝技術，其特徵是海水溶質和溶劑分離系統是利用磁塞串聯的對稱反射離子和帶電分子的梯度磁場的約束力，反射溶質中的離子和帶電分子，而水分子因為不帶電，不被反射而同溶質分離；系統中形成兩個區域，離磁塞較近的區域吸收淡水分子，排斥溶質帶電離子，發生沿著離心力方向的分流；形成淡水和濃水兩種產品，依靠導流技術將比重、受力形式各不相同的兩種液體，分別排出。
4.根據權利要求1所述的海水淡化工程的工藝技術，其特徵是溶質濃縮結晶系統是濃水經過聚焦太陽能相變貯能和太陽池貯能產生的自然能量，對不同濃度和波美度的濃水分別進行濃縮、結晶，回收原鹽和以氯化鉀、氯化鎂、溴素、氯化鈉為主的鹽化工產品，使得海水淡化過程獲得最低價位的淡水。
5.根據權利要求1所述的海水淡化工程的工藝技術，其特徵是淡水純化過程是需要根據不同的水質標準進行純化或專業化再處理，以生產供不同使用需求的各種淡水。
全文摘要
本發明是一種磁約束力、磁塞反射離子和帶電分子為主要能量的海水淡化技術形成的一套完整的技術，它同時利用自然能源，主要是太陽能和風能的貯能技術實現海水在淡化過程中的能量來源。具有生產成本低、工藝過程的能量循環互補性強、投資小，效益好的特點。本工藝過程由海水預處理工藝、海水溶質和溶劑分離系統、溶質濃縮結晶系統和淡水純化過程四個工藝流程組成。本技術可以廣泛使用於海水和苦鹹水淡化，分質供水，處理中水和完成溶質濃縮和重結晶的全過程，生產各種淡水產品和各種海洋化工產品。本發明可實現海水淡化淡水低於地下水和水庫水的價格完成工程供水，甚至實現負成本。
文檔編號B01D9/00GK1721338SQ20051004327
公開日2006年1月18日 申請日期2005年4月29日 優先權日2005年4月29日
發明者孫伯魯 申請人:孫伯魯