高效率低成本的膜蒸餾海水淡化系統的製作方法
2023-05-18 23:52:11 1
專利名稱：高效率低成本的膜蒸餾海水淡化系統的製作方法
技術領域：
本發明是涉及一種膜蒸餾法與所應用的設備，特別是涉及一種可提高海水淡化產水功能，且能提升膜蒸餾海水淡化分離效率、大幅降低成本的高效率低成本的膜蒸餾海水淡化系統。
(2)背景技術目前全世界應用於海水淡化商業用途的除鹽造水技術，主要可分為蒸餾法(Distillation)及薄膜分離法(Membrane Desalination)兩大類。蒸餾法又包括多級閃沸式(Multi-Stage Flash或MSF)、多效蒸餾式(Multi-Effect Distillation或MED)與蒸汽壓縮式(Vapor Compression或VC)等三種。薄膜分離法主要有逆滲透式(Reverse Osmosis或RO)與電透析式(Electro Dialysis或ED)兩種方法。
海水淡化採用的除鹽造水技術早期以多級閃沸法最普遍，主要應用在中東地區大型的海水淡化廠，並常與火力發電廠互相配合運轉，利用火力發電廠汽輪機所使用過的低壓廢蒸汽，作為淡化過程中加熱海水的熱源，其造水量佔全世界淡化總量的48.1％(978萬CMD，1996)。
多級閃沸法自1950年即有商業化規模，由於產能大且應用廣泛，所以操作維修技術純熟，其單位組件最大造水量可達57,600 CMD。多級閃沸式的原料水若採一過式(Once-through)運轉，將造成加藥成本增加、熱能損失與滷水所含化學藥品對環境的衝擊等問題。目前多改採滷水再循環方式運轉。
逆滲透法(RO)雖開發較晚，但正被世界各國廣泛使用中，主要原因是在薄膜材質及能源回收技術已達成熟階段，不但使淡化成本降低且造水率提高，除鹽率高達99.5％，而膜管平均使用壽命已延長至5年左右，更可應用在處理工業廢水及冷卻水塔排放水回收再利用等方面，其造水量約佔全世界淡化總量的35.9％(729萬CMD，1996)。逆滲透法雖在1970年代後期開發，但由於興建時程短、佔地面積小與組件化組裝簡易等特性，使得RO成為競爭力最強且快速成長的除鹽造水技術。不過，RO技術發展仍有前處理、操作條件改善(溫度、PH、耗電)及延長薄膜使用年限的用膜技術等課題仍待持續研究。
除了上述外，還有利用膜蒸餾法、太陽能發電、深海水壓差、與液化天然氣(LNG)冷能利用等的海水淡化技術。
膜蒸餾法(MDMembrane Distillation)兼具上述「一般蒸餾」與「薄膜分離」的優點，產水水質導電度值小於10μs/cm，是利用只能允許水蒸氣分子通過的多孔疏水性薄膜I(Hydrophobic Porous Membrane)，將兩種工作水體分隔開來，此種疏水性細小孔洞可以藉由表面張力的限制，防止液相水體通過。若控制此兩種工作水體的溫度不相同，結果將導致兩邊的蒸氣壓不同，致使水蒸氣分子由高溫處(高蒸氣壓)水體經由薄膜孔道滲透至另一低溫處(低蒸氣壓)水體。如果在低溫處予以冷卻，即可達到將高溫處水體的水份予以純化分離至低溫處，因此即可用來淡化海水，此為薄膜應用的以往技術。而運用前述膜蒸餾法原理的系統設備，參閱圖1、2，是具有數個由數個冷卻壁101及疏水性的多孔有機膜102(如PP、PTFE、PVDF)所組成的透氣室100、一加熱器200及一集水槽300，且該透氣室100是呈串連狀，內部分別以膜102隔離成較高溫的一海水區103及一較低溫的冷凝區104，該加熱器200則接設於該高溫海水區103的前端迴路上，而該集水槽300則接設於該冷凝區104的迴路末端，借上述組件組合，將經該加熱器200加熱後的高溫海水由左至右依序輸入每一透氣室100的海水區，而低溫淡水則由右至左依序輸入每一透氣室100的低溫冷凝區，這樣高溫海水的蒸氣會透過薄膜102的膜孔，而於有較低溫淡水於旁側流動的冷卻壁101上冷凝為水滴105，即可經冷凝區104流出淡水，最後再匯流入該集水槽300內。
雖然，以往的膜蒸餾系統具有使用土地小、設備費用低、能源耗用低、產水純度高…等優點，不過，以往的膜蒸餾系統有下列缺點1.沒有良好的前處理設備，膜表面發生汙染堵塞(fouling)的情形仍很高，降低膜管使用壽命。
2.在質量傳送過程中，薄膜表面還可能發生濃度極化現象(ConcentrationPolarization)。當進行薄膜蒸餾過程中，高溫飼水溶液蒸發成蒸氣，透過薄膜凝結成水，此時飼水與薄膜界面處因水份散失而使濃度增加，造成水蒸氣不易蒸發，滲透量隨的減少。
3.依水蒸氣的飽和蒸氣壓數據來看，在正常操作狀態下，溫度自25℃提升至30℃，飽和蒸氣壓自0.461psi增加為0.616psi，升溫至30℃，增加5℃，其產水量有限，也就是平均每度攝氏升溫，飽和蒸氣壓才增加0.031psi，實在太少了，所以一直未能順利商品化。
4.因為是利用有限溫差來進行液氣平衡的滲透質量傳送，因此質傳速度相對比較緩慢，所以必須保持膜兩測流體有較大的溫差才能彌補此一問題，可是受限於薄膜材質操作溫度無法太高與能源耗用效率較差的問題，致使無法與一般商品化技術競爭。
5.液體蒸氣化過程(相變化)只發生於少量孔隙內部，實際水量不大。
6.若要大量生產，必需提供大量能源與膜管，不符經濟效益。
(3)發明內容本發明的主要目的在於提供一種可提升海水淡化效率並能降低造水成本的高效率低成本的膜蒸餾海水淡化系統。
本發明的高效率低成本的膜蒸餾海水淡化系統，包含一飼水迴路、一微細氣泡化裝置、一淡化裝置，及一冷凝淡水裝置；該飼水迴路用以抽送海水；該微細氣泡化裝置是連結於該飼水迴路一側，可供應大量微細化的氣體至該飼水迴路內，使海水可被碎解乳化成為含有飽和水蒸氣的工作液體；該淡化裝置是連結於該微細氣泡化裝置一側，具有一個以上的透氣室、數個位於該透氣室內的多孔疏水性薄膜，以及數個由該多孔疏水性薄膜所隔離成的高溫海水區、低溫冷凝淡水區，該高溫海水區恰可供泵送入工作液體，復泵送回該飼水迴路；該冷凝淡水裝置是與該淡化裝置連結，且恰對應該低溫冷凝淡水區，以對通過該多孔疏水性薄膜的水蒸氣施以凝結而生成淡水。
(4)
下面結合附圖及實施例對本發明進行詳細說明圖1是一放大示意圖，說明以往膜蒸餾系統(MD)的原理。
圖2是一組合圖，說明以往膜蒸餾系統(MD)的處理流程。
圖3是一系統裝置圖，說明本發明的膜蒸餾海水淡化系統各組成裝置以及管路的布線情形。
圖4是一組合剖面圖，說明一泡沫發生器。
圖5是一系統組合圖，說明串連式的一透氣室。
圖6是一放大示意圖，說明本發明經過奈米級微細氣泡化而呈飽和狀態的工作液體，可大量釋放水蒸氣透入多孔性有機膜生成淡水的狀態。
圖7是一系統組合圖，說明並連式的該透氣室。
(5)具體實施方式
參閱圖3、4，本發明的高效率低成本的膜蒸餾海水淡化系統的較佳實施例，包含一飼水迴路1、一微細氣泡化裝置2、一淡化裝置3及一冷凝淡水裝置6。
該飼水迴路1具有一可盛裝預定容量的海水10的容器11，及數段供輸送液體的管路12。
該微細氣泡化裝置2是連結於該飼水迴路1一側，包括一安置在管路12上的抽水馬達30，對該容器11進行海水10抽取動作，一位於前側的加壓氣體供應器40，對該管路12內的海水10泵送入一預熱加壓的氣體4，使海水10可混合成帶有高溫的工作液體5，而加溫的目的主要是讓混合後的工作液體5帶有一定高溫，可加速工作液體5水蒸氣的產生，而且對氣體4加溫所需的能量遠小於對液體加溫，具有節省成本的功效。當氣體4與海水10混合成工作液體5以後，高壓的工作液體5再輸送至一減壓筒50內作儲置減壓，減壓筒50一側設有一洩壓閥51，該洩壓閥51再連接至加壓氣體供應器40，使工作液體5得以在管路12內作循環。而微細氣泡化裝置2是一奈米級的氣泡處理裝置，其主要作用是對工作液體5進行碎解乳化，使工作液體5內的水分子可因為大量曝氣而變得微細化，相對的所產生的蒸氣量增加。
參閱圖4，至於微細化水分子的手段可運用多種不同技術完成，在本實施例中，該奈米級微細氣泡化裝置2(見圖3)乃是採用一種泡沫發生器7，該泡沫發生器7具有一中空桶狀本體71、一螺固於該本體71的一開放端711的接頭座72，及一螺穿伸入該本體71內部的阻擋組件73。
該本體71具有二相對應位於周側的穿孔712。
該接頭座72包括一中空接管721，及一套固於該中空接管721外周並鎖固於該本體71上的擋盤722，該中空接管721是伸入於該本體71內部，且於端部形成有一凹槽723。
該阻擋組件73包括一螺穿進入該本體71內部的螺杆731、一套設於螺杆731內端的擋板732，及一與螺杆731鎖固並供定位該擋板732的十字形分流板733，該擋板732相對該中空接管721處設有一對應該凹槽723的凹槽734。
當將開關打開後，海水10與氣體由該中空接管721進入該本體71，藉由該擋板732間隔對應該中空接管721，並使得兩凹槽723、734相互對應界定出一粉碎部74，這時，海水10與氣體經該分流板733分流並由該粉碎部74的衝擠，而產生大量超微細泡沫的液體，使海水與氣體能充份的混合乳化，而成為飽含水蒸氣的工作液體，最後由該穿孔712噴出。
參閱圖3、5、6，該淡化裝置3是連結於該微細氣泡化裝置2一側，且一側接設有一供連接至該微細氣泡化裝置2的排水管路31及一連接該冷凝淡水裝置6的淡水管路32，該淡化裝置3為一具有一個以上的透氣室33、數個位於該透氣室33內的多孔疏水性薄膜34，以及數個由該多孔疏水性薄膜34所隔離成的高溫海水區35、低溫冷凝淡水區36，該高溫海水區35恰可供泵送入工作液體5，復泵送回該飼水迴路1(即下一個處理裝置，該冷凝淡水裝置6)。該多孔疏水性薄膜可為管式(tubular)、卷式(spiral wound)、中空纖維(hollowfiber)或板框式(plate and frame)等其中一種或任一種以上的組合。在本實施例中，是由數個透氣室33依序串連組成，前一個透氣室33的淡水管路32是接設於下一個透氣室33的入口，而最後一個透氣室33的淡水管路32則接到該冷凝淡化裝置6。另可在該排水管路31的出口安置有一熱交換器37，用以吸收冷凝淡水所排出的廢熱，並與該飼水管路1內的海水進行熱交換，以達到節能的作用。
參閱圖6，由於本發明工作液體5在經過該透氣室33內的超微細化處理後，濃度已達飽和狀態，因此，可大量地生成水蒸氣341透入多孔疏水性薄膜34。
參閱圖3、5、6，該冷凝淡水裝置6是與該淡化裝置3連結，且恰對應該低溫冷凝淡水區36。該冷凝淡水裝置6是透過多孔疏水性薄膜34而到達其另一側的冷凝組件61施以冷凝，在本實施例中，該淡化裝置3是通入空氣以對冷凝組件61進行冷卻，這樣一來，水蒸氣341即可被凝結生成淡水，處理過後的工作液體5可輸送至排水管路31，該排水管路31可再與另一淡化裝置(未圖示)作成銜接，這樣工作液體5可重複循環使用，而淡水可輸送至淡水管路32，此外，在淡水管路32上接設有一負壓元件62，該負壓元件62通常採用真空幫浦，這樣即可抽取淡水到達另一容器63內作儲置利用。
參閱圖7，上述實施例是一種串連式的透氣室，當然本發明的透氣室33亦可由數個透氣室33並連組成，將該微細氣泡化裝置2送出的工作液體同時泵送入該透氣室33的入口，使經各透氣室33大量處理淡水，並由該淡水管路32匯集流出再送至該冷凝淡水裝置6，與上述實施例相同地，該排水管路31出口安置有一熱交換器37，用以吸收冷凝淡水所排出的廢熱，並與該飼水管路內的海水進行熱交換，以達到節能的作用。
在上述系統中，本發明除了增加奈米級微細氣泡化加壓浮除的前處理裝置，以加強原有膜蒸餾法的前處理效果外，關鍵處在於本發明將膜表面原先被不能直接擴散的液相所佔有的空間，改由飽和水蒸氣直接取代。
這樣一來，原先類似Arnold擴散裝置的蒸氣擴散模式，改成部份為氣相強制對流(forced convective mass transfer)模式，其質傳模式由擴散(diffusion)變成部份對流(partially convective)，擴散量大幅增加。
在以下將透過各種不同條件的實驗，對發明作所能達成的目的作進一步的證驗解說應用範例說明
原有薄膜蒸餾操作範例範例一以Liqui-Cel10-inch X-40脫氣膜2支串連為例(25℃)，此膜為疏水性聚丙烯中空纖維材質，代表孔徑0.03μm，採真空模式操作。
以一般膜蒸餾法方式製作，流量為100gpm，產水中的含水量35.6％，每小時產水166克，流通量相當於0.00064L/hr m2或0.00038GFD。
若採用此種薄膜來進行海水淡化，產水量太少。
表一膜蒸餾法理論計算例/25℃
範例二使用脫氣膜(30℃)同上，以一般膜蒸餾法方式操作，溫度提高5℃，流量為100gpm，產水中的含水量47.7％，每小時產水258克，流通量相當於0.00099L/hr m2或0.00058GFD，仍然太低。
表二 膜蒸餾法理論計算例/30℃
範例三使用脫氣膜(43℃)
同上，以一般膜蒸餾法方式製作，溫度提高43℃，流量為100gpm，產水中的含水量97.2％，每小時產水8,986克，流通量相當於34.6L/hr m2或20.3GFD。
表三 膜蒸餾法理論計算例/43℃
範例四使用PTFM微濾膜(20℃)孔徑(mean pore size)0.2μm厚度(mean thickness)60μm水蒸氣飽和量(mass of water vapor in saturated air)20℃17.24g/m3、一般空氣流動率(typical air flow rate)6L/min cm2＝0.36m3/hr cm2＝6.21g/hr cm2＝62.1L/hr m2＝36.5GFD為一般海水淡化膜的3-6倍。
此為20℃完全飽和氣體的特例。
若將溫提高至43℃水蒸氣飽和量(typical air flow rate)超過12L/min cm243℃59.24g/m3所以流通量將超過12*0.06*59.24＝42.7g/hr cm2＝427L/hr cm2＝251GFD為一般海水淡化膜的25-36倍此為43℃完全飽和氣體的特例。
結論表四 膜蒸餾法理論計算比較結果
由上述結果可以發現溫度高低強烈影響膜蒸餾法的產水量。以43℃的數據來看，比MSF方法的操作溫度低，其熱量可由循環泵(Pump)做功所放出的能量即可維持供應無虞，不需另外增設加熱裝置。此時的流通量為25℃的50000多倍，實在驚人。
以上即為本發明高效率低成本的膜蒸餾海水淡化系統的處理過程及相關聯繫統的概述，接著，再將本發明預期所能達到的功效說明如下(1).淡水生成效率快速本發明主要是將海水10與氣體4混合後，再經過微細氣泡化裝置2進行奈米級微細氣泡化處理，使海水可被碎解乳化成為含有飽和水蒸氣的工作液體，使海水10輕易地相轉變成為水蒸氣341(液相→氣相)，在與有機的多孔疏水性薄膜34接觸後，水蒸氣341可大量且快速地滲透至冷凝組件61上，以快速地生成的大量的淡水，生產效率奇佳。
(2).製造成本便宜本發明一改以往對海水加熱的做法，而是改採海水10混合氣體4的手段，如果該氣體4採用熱空氣將更佳，此種手段所需的能量不會太高，經過實驗數據證實，本發明整個系統所需的能量遠較一般淡化系統要來得低，而淡水的產能卻可有效提升，所以本發明確實可降低淡水的製造成本，並更符合經濟效益。
(3).延長薄膜使用壽命奈米級微細氣泡化加壓浮除裝置具有良好前處理效果，可去除海水中懸浮固體、藻類、膠質固體等雜質，有效降低汙泥密度指數(SDISilt DensityIndex)，加上高含氣量的工作水體有強烈擾動效果(Turbulent Effect)，可有效減少薄膜表面汙染堵塞的現象。
(4).降低對流質量傳送阻力由於本發明的奈米級微細氣泡化裝置是利用該泡沫發生器7產生出超微細氣泡化的液體，並將空氣氣泡微細化，使大部份氣泡大小比薄膜表面孔洞的開口還小，除了可以有效懸浮分散於待處理飼水水體中，還可克服氣泡表面張力，降低對流質量傳送阻力。
(5).產水量大高含氣量的工作水體，改變了疏水性薄膜表面孔口處的質傳模式，薄膜孔口的氣液比例提高，使質傳阻力大幅下降，由原先液體於孔隙內蒸發成蒸氣，變成部份液體已先行氣化，大幅增加蒸氣流通量，打破需要液氣平衡的限制，同時減少了溫度極化與濃度極化現象，有效提升造水量。
值得一提的是，此一改良設備，除了可應用於上述的海水淡化(Sea WaterDesalination)、半鹼水淡化(Brackish Water Desalination)處理外，也可運用於汙水淨化(Effluent Reclamation)、廢水回收(Waste Water Reclamation)與含鹽酒精脫鹽處理(Salted Rice Wine Desalination)等工業製程。
權利要求
1.一種高效率低成本的膜蒸餾海水淡化系統，其特徵在於，包括一飼水迴路，用以抽送待淡化的海水；一微細氣泡化裝置，是連結於該飼水迴路一側，以供應大量微細化的氣體至該飼水迴路內，使海水可被碎解乳化成為含有飽和水蒸氣的工作液體；一淡化裝置，是連結於該微細氣泡化裝置一側，具有一個以上的透氣室、數個位於該透氣室內的多孔疏水性薄膜，以及數個由該多孔疏水性薄膜所隔離成的高溫海水區、低溫冷凝淡水區，該高溫海水區恰可供泵送入工作液體，復泵送回該飼水迴路；以及一冷凝淡水裝置，是與該淡化裝置連結，且恰對應該低溫冷凝淡水區，以對通過該多孔疏水性薄膜的水蒸氣施以凝結而生成淡水。
2.如權利要求1所述的高效率低成本的膜蒸餾海水淡化系統，其特徵在於還包含有一位於前側的加壓氣體供應器，該加壓氣體供應器可對該飼水迴路內的海水泵送入一預熱加壓的氣體，使海水可混合成帶有高溫的工作液體。
3.如權利要求1所述的高效率低成本的膜蒸餾海水淡化系統，其特徵在於該淡化裝置是通入空氣對該冷凝裝置進行冷卻。
4.如權利要求1所述的高效率低成本的膜蒸餾海水淡化系統，其特徵在於該淡化裝置接設有連接該飼水迴路的一排水管路及一淡水管路，該淡水管路並接設有一負壓元件，以將成品淡水抽送至一容器儲置。
5.如權利要求1所述的高效率低成本的膜蒸餾海水淡化系統，其特徵在於該淡化裝置所使用的薄膜孔隙大小為0.001～0.005μm，可為微過濾或超過濾的疏水性材質薄膜。
6.如權利要求1所述的高效率低成本的膜蒸餾海水淡化系統，其特徵在於該淡化裝置的該多孔疏水性薄膜的膜管採用串連方式操作。
7.如權利要求1所述的高效率低成本的膜蒸餾海水淡化系統，其特徵在於該多孔疏水性薄膜的膜管採用並連方式操作。
8.如權利要求1所述的高效率低成本的膜蒸餾海水淡化系統，其特徵在於還包含有一熱交換裝置，該熱交換裝置是接設於該低溫冷凝淡水區的出口，用以吸收冷凝淡水所排出的廢熱，並與該飼水管路內的海水進行熱交換。
9.如權利要求1所述的高效率低成本的膜蒸餾海水淡化系統，其特徵在於該微細氣泡化裝置可為一泡沫發生器。
全文摘要
一種高效率低成本的膜蒸餾海水淡化系統，是在一飼水迴路連接有一微細氣泡化裝置，該微細氣泡化裝置是抽取海水並經加壓浮除處理，使海水碎解乳化成含有飽和水蒸氣的工作液體，一與該微細氣泡化裝置連接的淡化裝置，具有一個以上的透氣室、數個位於透氣室內的多孔疏水性薄膜及數個由該薄膜所隔離成的高溫海水區、低溫冷凝淡水區，飽含水蒸氣的工作液體是泵送入高溫海水區，並經一連接在該淡化裝置的冷凝淡化裝置施以凝結而生成淡水。
文檔編號C02F1/08GK1526650SQ0312025
公開日2004年9月8日 申請日期2003年3月6日 優先權日2003年3月6日
發明者郭興中, 張振章, 郭 中 申請人:郭興中, 張振章, 郭 中