自清潔海水脫鹽裝置及方法與流程

2023-10-10 02:37:09 3

本發明涉及海水脫鹽處理系統及方法，尤其涉及一種自清潔海水脫鹽裝置及方法。

背景技術：

隨著經濟的迅速發展和人口的急劇增加，人們對淡水資源的需求越來越大，導致出現了嚴重的用水危機。水資源短缺、水資源分布不均勻、水資源汙染問題成為21世紀一大難題。在整個水圈中，淡水資源僅佔水資源總量的3％，在這3％的淡水資源中，能夠被人類直接利用的淡水資源只佔0.00768％，而海水佔97％，儲量巨大，獲取成本低，因此海水淡化技術成為人們解決水資源短缺問題的關鍵。

當前海水淡化技術主要有蒸餾法、反滲透法、電滲析法等。但是蒸餾法易結垢結構、易腐蝕，反滲透法需要在高壓的條件下才能完成，而MD海水脫鹽技術可以擺脫鹽濃度極限的問題，在海水脫鹽領域存在很大的優勢。MD膜理論脫鹽率可達99.99％以上，海水中存在的有機汙染物會對膜產生汙堵，從而引起滲透通量下。

技術實現要素：

發明目的：本發明針對現有技術存在的問題，提供一種適用於沿海城市家庭或沿海工廠使用的效果好、成本低、壽命長的海水脫鹽裝置和方法，可以對海水進行脫鹽處理，並自動清潔，方便沿海家庭日常使用，從而解決用水緊張等問題，實現節約水資源的目的。

技術方案：本發明所述的自清潔海水脫鹽裝置包括：

進水模塊，用於將海水中的Ca2+離子和Mg2+離子去除，並將去除離子後的海水引入膜處理模塊；

膜處理模塊，內設有若干膜處理單元和加熱單元，所述膜處理單元包括塗有納米光催化劑活性層的PVDF疏水微孔膜和由PVDF疏水微孔膜構成的空腔，空腔內為冷側，空腔外為熱側，所述加熱單元設置於熱側底部，所述膜處理模塊用於使用加熱單元對進水模塊引入至熱側的海水進行加熱，形成水蒸氣，使水蒸氣以冷熱側溫度差為驅動力進入冷側，再冷凝液化後形成淡水；

集水模塊，用於收集膜處理單元內的淡水；

冷凝模塊，用於將從膜處理模塊引入的淡水進行製冷後形成冷水；

水循環模塊，用於將膜處理單元內的淡水輸送至集水模塊進行收集，以及將膜處理模塊的水輸送至冷凝模塊進行製冷，還用於將冷凝模塊的冷水輸送至膜處理模塊的冷側以冷凝水蒸氣。

進一步的，所述進水模塊具體包括海水池、進水泵和離子去除設備，進水泵通過管道連接海水池和離子去除設備，離子去除設備通過管道連接至膜處理模塊的熱側。

進一步的，所述膜處理單元具體為板裝結構，橫截面為大致矩形或大致扁圓形。

進一步的，所述膜處理單元成輻射式擺放在所述膜處理模塊內。

進一步的，所述納米光催化劑為ZnO納米光催化劑、TiO2納米光催化劑和Al2O3納米光催化劑中的一種。

進一步的，所述冷凝模塊具體包括冷水池和位於冷水池內的製冷設備。

進一步的，所述水循環模塊具體包括：

第一管道，用於將膜處理單元內的淡水輸送至集水模塊進行收集；

第二管道，用於將集水模塊的水輸送至冷凝模塊進行製冷；

第三管道，用於將冷凝模塊的冷水輸送至膜處理模塊的冷側以冷凝水蒸氣。

進一步的，所述膜處理模塊內還設有液位控制器，用於在膜處理模塊的海水液位低於預設水位時，控制進水泵自動補給海水。

進一步的，所述膜處理模塊內還設有可見光燈和太陽能電池板，太陽能電池板連接加熱單元和可見光燈，進行供電。

本發明所述的基於上述自清潔海水脫鹽裝置的脫鹽方法，包括以下步驟：

(1)打開進水泵，將海水池裡的海水經過離子去除設備去除Ca2+、Mg2+離子後，引入膜處理模塊；

(2)製冷設備對冷水池內的水進行製冷，並輸送至膜處理模塊的冷側，使冷側水溫維持在20℃～35℃；

(3)加熱單元對膜處理模塊的熱側進行加熱，使熱側溫度維持在50℃～85℃；

(4)熱側海水受熱後生成水蒸氣，透過PVDF疏水微孔膜的微孔進入冷側，冷側在冷水作用下冷凝液化為淡水；

(5)集水模塊將液化的淡水進行收集，還將一部分輸送至冷凝模塊進行冷凝；

(6)運行預設時間段後，採用光照照射PVDF疏水微孔膜，使表面的納米光催化劑活性層發生光催化反應，降解微孔內的有機物；

(7)當檢測到熱側的海水鹽濃度高於預設濃度時，採用進水模塊將熱側的海水進行更換。

有益效果：本發明與現有技術相比，其顯著優點是：本發明兼具自清潔技術和海水低成本脫鹽技術的優點，是海水脫鹽處理的有效手段。塗有納米光催化劑活性層的PVDF疏水微孔膜只允許水蒸氣通過，實現了海水中鹽和水的分離，當疏水膜受到太陽光照射後，摻雜在PVDF疏水微孔膜上的納米光催化劑可以對疏水膜表面上膜孔裡堵塞的有機物進行光催化降解，達到自清潔的目的，延長納米光催化劑摻雜PVDF疏水微孔膜的使用壽命，使膜能在長時間內保持較高的膜通量。PVDFPTFE等高分子材料製備的MD膜具有耐紫外、可見光輻射，穩定性高等優點。本發明方法對海水的脫鹽效果極佳，且可供沿海家庭長期使用而不需要清洗，並且整套裝置均為太陽能供能，符合當前節能減排的要求，從而具有較強的實用性和廣闊的應用前景。

附圖說明

圖1是本發明提供的自清潔海水脫鹽裝置的一個實施例的系統框圖；

圖2是圖1中膜處理單元的一個實施方式的結構示意圖；

圖3是圖1中膜處理單元的另一實施方式的結構示意圖；

圖4是圖1中膜處理模塊的橫截面示意圖。

具體實施方式

實施例1

本實施例提供了一種自清潔海水脫鹽裝置，如圖1所示，包括進水模塊1、膜處理模塊2、集水模塊3、冷凝模塊4和水循環模塊。

如圖1所示，進水模塊1具體包括海水池101、進水泵102和離子去除設備103，進水泵102通過管道連接海水池101和離子去除設備103，離子去除設備103通過管道連接至膜處理模塊2的熱側，離子去除設備103可以去除海水中的Ca2+、Mg2+離子，防止形成水垢堵塞PVDF疏水微孔膜中的微孔。

如圖1所示，膜處理模塊2內設有若干膜處理單元201和加熱單元202，膜處理單元201包括塗有納米光催化劑活性層的PVDF疏水微孔膜201a和由PVDF疏水微孔膜201a構成的空腔201b，具體為板裝結構，圖2和圖3是膜處理單元201的兩種可選形狀，圖2膜處理單元201的橫截面為大致矩形，圖3膜處理單元201的橫截面為大致扁圓形。如圖4所示，膜處理單元201成輻射式擺放在膜處理模塊2內，可以理解的，膜處理單元201也可以是其他擺放形式，例如成排列的形式，交錯布置的形式等等。空腔201b內定義為冷側，空腔201b定義外為熱側，加熱單元202設置於熱側底部。PVDF疏水微孔膜201a上塗的納米光催化劑為ZnO納米光催化劑、TiO2納米光催化劑和Al2O3納米光催化劑中的一種，當然也可以是其他能夠進行光催化的納米光催化劑。作為膜處理模塊2的優選設置，膜處理模塊2還可以設置液位控制器、可見光燈和太陽能電池板，太陽能電池板連接加熱單元和可見光燈，進行供電，液位控制器用於在膜處理模塊的海水液位低於預設水位時，控制進水泵自動補給海水，可見光燈用於發射可見光。

如圖1所示，集水模塊3具體為集水池。冷凝模塊4具體包括冷水池401和位於冷水池401內的製冷設備402。水循環模塊具體包括：第一管道501、第二管道502和第三管道503，第一管道501用於將膜處理單元201內的淡水輸送至集水模塊3進行收集；第二管道502用於將膜處理單元201的水輸送至冷凝模塊4進行製冷；第三管道503用於將冷凝模塊4的冷水輸送至膜處理模塊2的冷側以冷凝水蒸氣。

該裝置的工作原理為：海水進入膜處理模塊後，加熱單元對熱側的海水進行加熱，在溫度傳感器的控制下下，當水溫達到一定溫度後，海水生成水蒸氣進入塗有納米光催化劑活性層的PVDF疏水膜微孔進入冷側，冷側有來源於泠凝模塊的冷水，可以對進入的水蒸氣進行冷凝液化，形成淡水，淡水進入收集池，還有一部分淡水通過冷凝模塊冷凝後返回進入冷水池，冷水池裡多出的水還定期排向集水池3。運行一段時間後，PVDF疏水微孔膜上塗有納米光催化劑活性層接受太陽光照後，可對堵塞在微孔內的有機物進行光催化降解，保證微孔膜在長時間內保持較高的膜通量。另外，當膜處理模塊中的海水中鹽濃度較高時，為保證一定的膜通量，所述進水模塊會將膜處理模塊中的海水更換。

實施例2

本實施例為基於實施例1的裝置的脫鹽方法，採用塗有ZnO納米光催化劑的20cm*30cm的PVDF疏水微孔膜，膜處理模塊裡安裝4個膜處理單元，呈「十」字排列，本實施例包括步驟：

(1)打開進水泵，將海水池裡的海水以7kg/h的流量經過離子去除設備去除Ca2+、Mg2+離子後，引入膜處理模塊；

(2)製冷設備對冷水池內的水進行製冷，並輸送至膜處理模塊的冷側，使冷側水溫維持在20℃～35℃；

(3)加熱單元對膜處理模塊的熱側進行加熱，使熱側溫度維持在50℃～85℃；

(4)熱側海水受熱後生成水蒸氣，透過PVDF疏水微孔膜的微孔進入冷側，冷側在冷水作用下冷凝液化為淡水；

(5)集水模塊將液化的淡水進行收集，還將一部分輸送至冷凝模塊進行冷凝；

(6)運行預設時間段後，採用光照照射PVDF疏水微孔膜，使表面的ZnO光催化劑活性層發生光催化反應，降解微孔內的有機物，保證疏水膜長期保持較大的通透率，達到自清潔；

(7)當檢測到熱側的海水鹽濃度高於預設濃度時，採用進水模塊將熱側的海水進行更換。

最終每小時可以獲得7.5kg的脫鹽海水，若每天運行20小時，城市居民人均用水以120L/d計算，該裝置可提供城市居民一人一天的用水量。

實施例3

本實施例為基於實施例1的裝置的脫鹽方法，採用塗有TiO2納米光催化劑的20cm*30cm的PVDF疏水微孔膜，膜處理模塊裡安裝90個膜處理單元，如圖3呈輻射狀方式排列，本實施例包括步驟：

(1)打開進水泵，將海水池裡的海水以160kg/h的流量經過離子去除設備去除Ca2+、Mg2+離子後，引入膜處理模塊；

(2)製冷設備對冷水池內的水進行製冷，並輸送至膜處理模塊的冷側，使冷側水溫維持在20℃～35℃；

(3)加熱單元對膜處理模塊的熱側進行加熱，使熱側溫度維持在50℃～85℃；

(4)熱側海水受熱後生成水蒸氣，透過PVDF疏水微孔膜的微孔進入冷側，冷側在冷水作用下冷凝液化為淡水；

(5)集水模塊將液化的淡水進行收集，還將一部分輸送至冷凝模塊進行冷凝；

(6)運行預設時間段後，採用光照照射PVDF疏水微孔膜，使表面的TiO2光催化劑活性層發生光催化反應，降解微孔內的有機物，保證疏水膜長期保持較大的通透率，達到自清潔；

(7)當檢測到熱側的海水鹽濃度高於預設濃度時，採用進水模塊將熱側的海水進行更換。

裝置每天運行10個小時，太陽光對膜處理模塊照射2～4個小時，對堵塞在微孔膜內的有機物進行光催化降解，輻射狀的排列方式，方便太陽光照射。塗有納米TiO2光催化劑活性層的PVDF疏水微孔膜連續使用一年後微孔膜的通透性沒有明顯的降低。每天工作10個小時可以產生大約1500kg的淡水，可供一個沿海城市5口之家的一天用水量，並且操作簡單，無需消耗能源。

實施例4

本實施例為基於實施例1的裝置的脫鹽方法，採用塗有Al2O3納米光催化劑的20cm*30cm的PVDF疏水微孔膜，膜處理模塊裡安裝40個膜處理單元，如圖3呈輻射狀方式排列，則本發明實施例包括步驟：

(1)打開進水泵，將海水池裡的海水經過離子去除設備去除Ca2+、Mg2+離子後，引入膜處理模塊；

(2)製冷設備對冷水池內的水進行製冷，並輸送至膜處理模塊的冷側，使冷側水溫維持在20℃～35℃；

(3)加熱單元對膜處理模塊的熱側進行加熱，使熱側溫度維持在50℃～85℃；

(4)熱側海水受熱後生成水蒸氣，透過PVDF疏水微孔膜的微孔進入冷側，冷側在冷水作用下冷凝液化為淡水；

(5)集水模塊將液化的淡水進行收集，還將一部分輸送至冷凝模塊進行冷凝；

(6)運行預設時間段後，採用光照照射PVDF疏水微孔膜，使表面的Al2O3納米光催化劑活性層發生光催化反應，降解微孔內的有機物；

(7)當檢測到熱側的海水鹽濃度高於預設濃度時，採用進水模塊將熱側的海水進行更換。更換時間為2天一次。

裝置每天工作24小時，在太陽光輻射下納米光催化劑可對海水中以膜表面有機物進行降解，生成30多噸淡水，足夠沿海工廠一天的使用量。

以上所揭露的僅為本發明幾種較佳實施例而已，不能以此來限定本發明之權利範圍，因此依本發明權利要求所作的等同變化，仍屬本發明所涵蓋的範圍。