一種可攜式輕量化個人海水淡化系統的製作方法

2023-05-13 07:05:06 1

本發明涉及一種輕量化、可攜式、抗汙染的個人海水淡化系統，屬於海水脫鹽和碳纖維新材料技術領域。

背景技術：

隨著人們生活理念的轉變，身處都市的工作族，或是愛好自由冒險的年輕人，會更加嚮往大自然，於是叢林探險，野外宿營的人越來越多。然而遠離城市的自然風景區很難保證水資源的清潔，力求輕裝簡從的態度讓攜帶笨重的淨水器和大量的飲用水變得不可能，追求更高生活品質的人對水資源提出了更加及時和高質量的要求。如何就地取材，及時保證足夠清潔的飲用水續航成為一大難題。我國是一個自然災害頻發的國家，在災後的重建工作中，如何讓災民和救災的部隊喝上乾淨的飲用水又是重中之重，物質運輸耗時耗力，因地制宜，就地取材，利用當地水資源，根據需求處理不同水質，進行高效的水資源淨化是一大瓶頸。

我國的水資源總量處於全球前列，但人均水資源卻遠遠不及發達國家。隨著環境汙染的日益嚴重，我國清潔的淡水資源愈發貧乏。對海水進行合理處理，淡化海水成為一種大量獲得淡水的有效方法。現有的淡化海水的方式中比較經濟、技術成熟、被廣泛應用的有蒸發法和反滲透法。蒸發法涉及到物質的相變，因而耗能高。相比之下反滲透法不涉及相轉換，耗能低。

目前個人海水淡化系統的專利還未見報導，現有的海水淡化系統都具有較大體積，適合工業化生產，無法做到方便攜帶。而現有的個人淨水系統，則很難做到快速高效的脫鹽，不具備淡化海水的能力，並且用來過濾的膜組件容易被汙染，無法做到自動清理，縮短了膜的使用壽命。

如何使淨水裝置小巧便攜，做到即時而快速的海水淡化，連續生產保證足夠的出水量意義重大。因此，可攜式多功能淨水技術在我國有著廣闊的情景，市場需求很大。

技術實現要素：

針對目前海水淡化系統普遍存在的體積笨重、攜帶不便、膜壽命短等問題，本發明的目的在於提供一種輕量化、攜帶方便、抗汙染、運行壽命長、可充電連續使用的可攜式個人海水淡化系統。

為實現上述目的，本發明採用如下技術方案。

一種輕量化方便攜帶且能耗低的碳纖維材料海水淡化系統，包括三元梯度管式膜預處理系統、脫鹽系統、電源系統、儲能系統和電源轉化開關。所需的組件包括：供水泵、三元梯度管式超濾膜組件、碳纖維高壓泵、碳纖維反滲透膜組件、充電電池、電源控制系統、調節閥門、壓力和流量顯示系統、便攜箱和不鏽鋼連接管道等。

所述的三元梯度管式膜預處理系統包括：入口端過濾頭，供水泵，三層梯度管式膜組件，壓力表，壓力調節閥門，進水不鏽鋼管道，透水不鏽鋼管道，廢水不鏽鋼管道。

所述入口過濾頭，含有不鏽鋼過濾網。將過濾頭浸沒在待處理海水中，當系統工作，海水輸入管路中時，過濾嘴可以有效地阻止大雜物隨著水流進入橡皮管內，防止管路堵塞。海水經供水泵加壓後，送入預處理膜組件。

所述三元梯度管式膜預處理系統採用三元梯度管式超濾膜組件，見圖1，是一種具有梯度孔徑分布結構的超濾膜組件，並結合動態分離過程，抗汙染能力好，不易堵塞，通量是傳統中空纖維膜的3-4倍，圖2為本發明中管式膜和傳統中空纖維膜通量隨時間的變化曲線，並且使用壽命是傳統管式的5～7倍以上,經過三元梯度管式超濾膜組件處理後，水分子和溶解鹽通過選擇性膜，而容易造成脫鹽膜堵塞的大分子膠體、藻類、泥沙等物質則被截留下來，隨著濃縮液排出系統。經過預處理後的海水，不僅保護汙染海水淡化膜，延長海水淡化膜的使用壽命，還增加海水淡化膜的膜通量。

所述的三元梯度管式膜為三元梯度結構的高強度PVDF燒結管式超濾膜，特徵在於由三層結構組成，最外層（支撐層）和中間層（過渡層）是PVDF燒結層，最內層（分離層）是改性Al2O3/ PVDF改性膜材料。利用顆粒度不同的PVDF顆粒通過燒結法製備不同孔徑的支撐層和過渡層，通過熱致相變法形成改性納米Al2O3/PVDF分離層，按分離孔徑是從裡向外梯度分布，形成超濾膜的三元結構的構造。分離層的孔徑為0.02～0.05um，厚度為0.1～0.2mm；過渡層的過濾孔徑為1～10um，厚度為分離層厚度的5～10倍；支撐層的孔徑為10～20um，厚度為分離層厚度的50～100倍。三元梯度管式超濾膜能有效的截留海水中的藻類和微生物，並且去除海水中的泥沙、懸浮物、大分子膠體物質等。

所述的動態分離系統，採用帶衝洗的一進二出的超濾膜管，膜管的直徑為4～6cm,長度為25～30cm。海水經過供水泵進入三元梯度管式膜組件，透過液通過透水口進入下級脫鹽系統，而截留的藻類、微生物、大分子有機物等通過濃縮口排出系統，膜組件之後的濃縮液出口安置一個壓力調節閥門，調節三元梯度管式膜組件的運行壓力，運行壓力範圍0.2～0.3MPa，透過液的膜通量為200～300升/小時。供水泵的輸入電壓24V，最高壓力0.4MPa，最大流量400升/小時。這種動態分離系統能及時有效的清除附著在膜表面的雜質。提高分離效率，延長膜的使用壽命。

所述脫鹽系統由高壓泵，碳纖維海水淡化膜組件，高壓調節閥，壓力表，轉子流量計，高壓管道和低壓管道等組成。經過預處理後的海水經由高壓泵加壓後，從碳纖維海水淡化膜組件的進水口端輸入，通過高壓調節閥門，在5～7MPa下壓力下進行脫鹽，淡化水通過流量計進行收集，而濃縮鹽水通過濃縮液管道，與預處理系統的濃縮管匯集成廢水排放總管排出。運行過程中，可根據高壓調節閥門進行運行壓力的調整，保證碳纖維海水淡化膜組件的正常工作和淡水的穩定產水。

所述的脫鹽系統中膜管採用高強度、輕量化的碳纖維管。碳纖維海水脫鹽管直徑為 5～7cm，長度為35～40cm。現有脫鹽系統中相同規格的膜管普遍採用玻璃鋼，重量1200～1500克，而我們製備的碳纖維管，膜管重量僅為120～140g，最大爆破壓力20MPa，極大的減輕了膜組件的重量。碳纖維管採用尼龍內襯，尼龍內襯厚度3～5mm。然後，在尼龍內襯的外面纏繞碳纖維，採用雙組分環氧樹脂浸漬碳纖維，在60～80℃溫度下進行固化成型，碳纖維的厚度3～5 mm。高壓泵採用不鏽鋼柱塞泵頭，輸入電壓24V，最高壓力可達10MPa，流量1～3升/分鐘。供水泵和高壓泵的選型上充分考慮了重量的影響，在性能達到裝置要求的前提下均選用質量較輕的配件。除開與高壓裝置相連的管路，其餘連接管路均採用矽膠管，減輕整個裝置的重量，實現最大程度的輕量化。對於鹽分濃度3.5%的正常海水，本系統的脫鹽系統 98～99%，產水量12～14升/小時。

所述電源系統採用直流開關電源，輸入電壓: 90～132 VAC/180～264VAC 47～63 Hz（V）；輸入電流：6.5A/115V 4A/230V（A）；輸出電壓：24V；輸出功率：350W。所述電源系統的特點在於: 全球適用AC輸入電源，PWM控制和調節，內置直流電扇強迫風冷，內置風機開關控制，工作頻率25KHz，保護特性：短路/過載/過壓。電源系統可外接220V交流電源，輸出電壓24V，給供水泵和高壓泵供能，同時對儲能系統進行充電。

所述儲能系統採用可攜式鋰電池組，電池類型可採用磷酸鐵鋰電芯或錳酸鋰電芯或三元材料電芯，額定電壓電壓24V，額定容量8Ah，可採用2組以上可攜式鋰電池組。在野外，可利用太陽能或風能進行發電，將電能存在儲能系統。本發明中儲能系統可與太陽能板，風發電機相接，通過能量轉化分配系統將太陽能和風能轉化為電能，轉化為24V直流電後，對儲能系統進行充電，通過儲能系統為供水泵和高壓泵的提供電能。

所述電源轉化開關採用一種可供兩路或兩路以上電源轉換用的開關電器，由多節觸頭組合而成，在電氣設備中，多用於非頻繁地接通和分斷電路，接通電源和負載。當無外接220V交流電源輸入時，通過選擇電源轉化開關，選擇儲能電池對供水泵和高壓泵進行供電。

所述管式膜預處理系統、脫鹽系統、電源系統、儲能系統和電源轉化開關、供水泵、高壓泵、均以螺紋釘固定在可攜式行李箱內，低壓不鏽鋼管與高壓不鏽鋼管之間的連接處均以不鏽鋼固定圈進行加固。

本發明裝置在儲能系統充滿電後，在無外接電源的環境下可連續工作2～4小時，能滿足野外執行任務、地質勘探、遊艇和船舶、地震災後、涉遠旅遊等多種特殊環境下個人生活飲用水的需要。此外，供水泵，高壓泵和電池的控制開關均設置在控制面板上，美觀整潔，操作方便。

本發明與現有技術相比，具有以下優點：

（1） 採用三元梯度管式膜—海水淡化膜等抗汙染系統的設計。三元梯度管式超濾膜的分離孔徑為0.02～0.05um，具有流量大、強度高、自潔能力強等特點，能有效的去除海水中藻類、微生物、泥沙和大分子膠體物質。利用海水淡化膜進行除鹽，能高效脫除海水中的鹽分，脫鹽率98%～99%，出水可達到飲用水標準。這種功能化的設計，可高效進行海水淡化處理，極大地提高裝置的抗汙染性，延長整個系統的使用壽命。

（2） 採用多層次納米結構設計方法和PVDF有機親水改性技術，在燒結法製備高強度二元梯度結構的PVDF基膜基礎上，通過強螯合性配體和等離子體分別對無機前體和PVDF材料進行化學改性，採用熱致相變法製備由化學鍵牢固連接、孔徑均勻的Al2O3/PVDF分離層，最終獲得具有三元梯度結構的高強度無機/有機複合管式膜。採用三元梯度結構的高強度PVDF燒結管式超濾膜，其特點在於由三層結構組成，最外層（支撐層）和中間層（過渡層）是PVDF燒結層，最內層（分離層）是改性Al2O3/ PVDF改性膜材料，按分離孔徑是從裡向外梯度分布，形成管式超濾膜的三元構造。分離層的孔徑為0.02～0.05um，厚度為0.1～0.2mm；過渡層的過濾孔徑為1～10um，厚度為分離層厚度的5～10倍；支撐層的孔徑為10～20um，厚度為分離層厚度的50～100倍。三元梯度管式超濾膜具有流量大、自潔性好、排汙能力強、機械強度、容易清洗等特點。

（3） 整個系統系採用輕量化設計。採用碳纖維膜管的重量極大地減輕了設備的重量，只是傳統玻璃鋼膜管的1/10。整個裝置的體積小，可裝載行李箱內，方便攜帶，整個系統約小於10公斤。

（4） 可充電性。可外接220V電源，並配備充電電池，能連續工作2小時以上。根據需要，可配置為太陽能發電或風能發電。

（5） 使用範圍廣。可將海水、苦鹹水、地震災後水、地表水、山泉水以及來源不明等水源，處理成飲用水。

（6） 抗汙染能力好。採用抗汙染管式膜並結合動態分離系統，海水淡化膜的使用壽命延長7倍以上，由使用120～140小時後清洗增加到使用1000～1200小時後清洗。

（7） 產水量大。對於海水，產水量12～14升/小時；對於苦滷水，產水量20～22升/小時；對於地表水、山泉水等，產水量30～40升/小時。

（8） 出水質量高。經淨化後，水質可達到飲用水標準。本發明能分離大部分鹽類，可全部去除農藥、微生物、有機物和懸浮物質等有毒有害物質。

附圖說明

圖1、圖2為本發明實施例中管式膜外形圖；

圖3為實施例中管式膜和中空纖維膜的通量圖；

圖4為本發明實施例的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例和附圖對本發明進一步說明，但本發明不限於以下實施例。

實施實例1

三元梯度管式膜及其組件的製備

以顆粒度為200目的PVDF粉末為原料，在管狀不鏽鋼模具中，以10MPa壓力，140℃-160℃溫度，高溫燒結1h。隨後，採用顆粒度為600目的PVDF粉末為原料，以已相同工藝在支撐層結構內側燒結製備過渡層。將高純度的納米Al2O3微顆粒團聚體真空乾燥，以乙醇為分散溶劑超聲分散，在60℃條件下，以矽烷偶聯劑2-氰乙基三乙氧基矽烷，經過磁力攪拌、冷凝回流、離心分離，在Al2O3無機納米粒子表面引入2-氰乙基三乙氧基矽烷，再在65℃恆溫條件下，用乙酸酸化，即得到納米矽羧化改性Al2O3顆粒。使用等離子體發射裝置，設置照射功率40W，氣流量20cm3·s-1，以40cm距離處理PVDF材料20s，使其引入氫氧基，將改性後的PVDF 和Al2O3充分混合，油浴升溫180℃，攪拌至充分均勻，保溫3h，使改性後Al2O3表面羧基與改性後PVDF氫氧基的縮合反應，充分逸出氣泡，形成具有化學鍵合的功能化Al2O3/PVDF雜化材料。以6g/L的功能化Al2O3/PVDF材料為原料，以具有二元梯度結構的燒結PVDF管式體為基體，採用旋轉刮塗法，至下而從進行塗膜，設置刮塗速度10m/min，塗布溫度90℃，塗布內層分離層膜結構，塗布結束後，將管體置於20℃的溫度下水浴固化，然後使用50%的乙醇水溶液浸泡40h，晾乾,作為管式膜材料備用。

以上製備的每根管式膜，內徑12mm，壁厚9.73mm，長1.8m。按分離孔徑是從裡向外梯度分布，形成超濾三元構造。分離層的孔徑為0.025um，厚度為0.13mm；過渡層的過濾孔徑為2.0um，厚度為分離層厚度的1.2 mm；支撐層的孔徑為15um，厚度為分離層厚度的8.4 mm。

採用以上三元梯度結構管式膜材料,切成300 mm長，放入外直徑為60mm、厚度為2mm的ABS管中，ABS管的側壁打口，並ABS膠水粘沾好透過液的出口嘴，出口嘴是內徑6mm，厚度為1.5mm的接口。ABS管的兩端採用聚氨酯澆鑄固定管式膜，製備的三元梯度結構管式膜組件為60mm，長度為280mm，在兩端分別安置帶接口的進水和出水的端蓋。在0.2 MPa壓力下，海水的透過通量為220升/小時。

實施實例2

脫鹽系統中碳纖維管的製備

由於脫鹽系統是高壓下操作，目前基本上採用高強度的玻璃鋼材料作為耐壓的反滲透膜管，比較笨重，攜帶。本發明採用高強度、輕量化的碳纖維管作為海水淡化膜的膜管。本發明中選用尼龍管做內襯，尼龍內襯的內徑為55mm，厚度3mm，長度350mm。然後，在尼龍內襯的外面纏繞碳纖維，採用雙組分環氧樹脂浸漬碳纖維，在60～80℃溫度下進行固化成型，碳纖維的厚度5 mm。

製備的碳纖維海水脫鹽管直徑為70cm，長度為350mm。膜管重量僅為135g，極大的減輕了膜組件的重量，而最大爆破壓力20MPa，滿足高壓力、高強度海水淡化膜的強度要求，見附圖1和2。

實施實例3

可攜式輕量化個人海水淡化系統

一種可攜式輕量化個人海水淡化系統，結構簡圖見圖3。本系統包括三元梯度管式膜預處理系統、脫鹽系統、電源系統、儲能系統和電源轉化開關。所需的組件包括：供水泵、三元梯度管式超濾膜組件、碳纖維高壓泵，碳纖維反滲透膜組件、充電電池、電源控制系統、調節閥門、壓力和流量顯示系統、便攜箱和不鏽鋼連接管道等。

其工作過程是：海水經供水泵加壓後，進入三元梯度管式膜預處理系統，供水泵的輸入電壓24V，最高壓力0.4MPa，最大流量400升/小時。三元梯度管式膜預處理系統是帶衝洗的一進二出的超濾膜組件，膜組件直徑為60mm，長度為280mm。超濾膜組件的透過液通過不鏽鋼管道進入下級脫鹽系統，而截留的藻類、微生物、大分子有機物等通過濃縮口排出系統，膜組件之後的濃縮液出口安置一個壓力調節閥門，調節管式超濾膜組件的運行壓力，運行壓力範圍0.2～0.3MPa，透過液的膜通量為200～300升/小時。

隨後，管式超濾膜透過液進入脫鹽系統。脫鹽系統由高壓泵，碳纖維海水淡化膜組件（脫鹽組件），高壓調節閥，壓力表，轉子流量計，高壓管道和低壓管道等組成。高壓泵採用不鏽鋼柱塞泵頭，輸入電壓24V，最高壓力可達10MPa，最大流量3升/分鐘。經過預處理後的海水經由高壓泵加壓後，從碳纖維海水淡化膜組件的進水端進入，淡化水從脫鹽組件的另一端的淡化水出口流出，經過轉子流量計，即可作為淨化水輸出，可供飲用。高壓泵與脫鹽膜組件以不鏽鋼管連接，鹽分被海水淡化膜截留下來形成濃鹽水，通過與濃鹽水排出管相連的高壓調節閥調整運行壓力，保證碳纖維海水淡化膜組件的正常工作和淡水的穩定產水。濃鹽水通過高壓調節閥後，經過不鏽鋼管路流經三通管的其中一端，與預處理系統的濃縮管收集的廢水一同，通過排放總管排出裝置。

本系統在6.0MPa下壓力下進行脫鹽，淡化水通過流量計進行收集。 對於鹽分濃度3.5%的海水，產水量為12升/小時，脫鹽率99%。

具體操作步驟如下：

（1） 將進水端的過濾嘴浸沒在待處理的水中，檢查各處管路保證連接緊密。

（2） 將電源插頭接入220V交流電源。如果在野外或當沒有外接電源時，可通過電源切換開關，採用貯電系統進行供電，或是根據所處地理位置和環境條件，採用太陽能或風能對貯電系統進行充電，並通過貯電系統對本裝置進行供電。待電路接通後，打開供水泵開關和高壓泵開關，開始抽取海水。

（3）進來海水通過供水泵提高壓力，經過預處理膜系統（管式超濾膜組件）初步淨化，透過水的流速穩定後，調節預處理膜組件後的調節閥門，使水流的進口壓力維持在0.2MPa附近。

（4） 初步淨化後的水，經高壓泵加壓後進入脫鹽膜組件，待濃鹽水的出口端開始有濃鹽水流出時，通過調節脫鹽膜組件濃鹽水出口端的閥門，使濃鹽水的出口端處壓力表的讀數穩定在6.0MPa。

（5）待脫鹽膜組件工作穩定後，淡化水出水端的流量穩定下來，此時的水即為處理後的淡化水，可作為淡化水輸出備用。

(6) 完成海水脫鹽後，完全打開反滲透膜組件濃水出口端的閥門，完全打開預處理濃水出水端的閥門，進行動態清洗膜組件1～2分鐘。然後，依次序先後關閉高壓泵、供水泵和總電源。

實施效果

取一定量的海水，經過可攜式輕量化個人海水淡化系統處理1小時後，將得到的淡化水進行分析，檢測結果見表1。

表1.海水淡化水檢測結果

由表1可以看出，經過可攜式輕量化個人海水淡化系統處理後，淨化水的菌落總數為7，遠低於國家限定指標的100；渾濁度小於0.5，達到國家小於1的要求；淨化水無異臭，無異味，無肉眼可見物。溶解性總固體757 mg/L，總硬度含量62.5 mg/L均達到國家的限量指標。淨水器對砷，鉛，汞，六價鉻極高，砷，鉛，汞，六價鉻等重金屬離子的殘留量分別低於0.001 mg/L，0.0025 mg/L，0.0004 mg/L，0.004 mg/L，遠低於國家飲用水規定的限量指標。經過淨化後的水質可以完全滿足生活飲用水的衛生標準，出水水質優於國家標準。