CN101492184A

CN101492184A - 一种利用太阳能热水器制取纯水的方法

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Publication number: CN101492184A
Application number: CNA2008100005480A
Authority: CN
Inventors: 王小军; 王军
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-01-21
Filing date: 2008-01-21
Publication date: 2009-07-29

Abstract

本发明提出了一种利用太阳能热水器制取纯水的方法，属于水处理、热能利用与环保技术领域。包括太阳能集热器、热水储箱、纯水储箱、膜蒸馏器、纯水驱动泵、空气冷却器、运行控制系统、辅助电加热系统、家用超滤膜组件以及各部件连接的管路。分别构成集成装置的太阳能冷热水回路及饮用纯水供给管路。本发明可以提高太阳能资源及水资源的利用率，大幅降低饮用纯水的生产成本，可同时或分时实现热水的供给和纯水的供给。

Description

一种利用太阳能热水器制取纯水的方法

一、技术领域

本发明属于水处理、热能利用与环保技术领域，特别涉及一种利用太阳能热水器制取纯水的方法。

二、背景、技术

饮用纯净水(以下简称纯净水)系指以符合饮用水卫生标准的水为原料，通过离子交换法、反渗透法、蒸馏法及其他适当的加工方法，去除水中的矿物质、有机和无机成分、微生物等制得的供消费者直接饮用的产品。

水源污染使我国众多城市供水水质受到不同程度的影响。随着居民生活水平的提高，人们对饮用水的水质日益关注，饮用纯净水已成为一种最为安全和普遍的选择。目前多数用户家庭使用的小型纯净水饮水机均系采用过滤、吸附和低压反渗透技术来制取纯净水的。其主要存在的问题是：自来水资源的浪费极大。因为一般家用纯水机上的反渗透膜水收率均小于20％，也就是说：使用家用纯水机制取200公斤纯水至少需要排掉800公斤自来水。在我国淡水资源越来越匮乏，国家大力提倡节能减排的今天，这种家用纯水机无疑将被取代。开发一种适合饮用、低成本、运行安全、节水低耗的家用纯水机，已成为家用纯水机市场当务之急。

纵观纯水生产技术我们发现：适合家用的技术不多，而最常用的是反渗透和低温膜蒸馏技术。反渗透技术已应用多年，相当成熟。但其水收率较低，理论上能达到75％，实际上家用纯水机只能达到15％左右。低温膜蒸馏技术也很成熟，由于其能耗较高，长期以来没有得到很好的应用。但其水收率较高，理论上可以达到100％，实际也能达到95％以上。因此我们认为：只要解决好低温膜蒸馏的能耗问题，该技术将会在家用纯水机上有着很好的应用前景。经过反复论证我们认为：在太阳能热水技术日臻完善的今天，开发出将太阳能热水器与膜蒸馏器集成的可同时得到热水与纯水的，既解决低温膜蒸馏的能耗问题又解决反渗透制纯水水收率低的装置是完全可行的。

太阳能资源取之不尽，太阳能耦合其它技术制纯水已展现低成本优势。结合太阳能制纯水的研发目前主要体现在太阳能海水淡化系统的研究与应用上。太阳能制纯水方法可分为直接法和间接法两大类。直接法是将集能部分和脱盐部分集于一体的方法。而间接法是将集能部分和脱盐部分分开的方法。一般来说，直接法占地面积较大，且效率低，在早期的海水淡化中应用较多，如盘型蒸馏器、倾斜蒸馏器等。目前开发的太阳能纯水制备技术主要以间接法为主。如将太阳能转发为电能，再与脱盐技术(如反渗透)结合。利用太阳能发电进行纯水制备，虽在技术上没有太大障碍，但在经济上仍不能跟传统太阳能蒸馏技术相比拟，且太阳能蓄电池和反渗透膜的使用寿命直接影响投资成本和运行成本。关于太阳能纯水制备技术的应用和研究进展，可以参考相关文献(1.太阳能海水淡化技术，《海洋技术》第21卷第4期pp27～32；2.我国太阳能海水淡化技术开发的现状与未来，《辽宁科技参考》2004年第3期pp24～28)。

本发明提出一种利用太阳能热水器制取纯水的方法，其中采用了膜蒸馏的除盐技术。

膜蒸馏，又称为低温膜蒸馏，是一种采用疏水微孔膜、以膜两侧的蒸汽压力差为驱动力的膜分离过程。当不同温度的水溶液被疏水膜分隔的时候，由于膜的疏水性，两侧的水溶液均不能通过膜进入另一侧。但由于高温侧水溶液与膜界面的水蒸汽压高于低温侧，水蒸汽会从高温侧透过膜孔进入低温侧并冷凝成为渗出水，这种通过蒸馏的原理获得的渗出水是一种品质很好的纯水；浓水则留在高温侧成为渗余水。膜蒸馏过程无须将溶液加热到沸点，只要膜两侧维持适当的温差，该过程就能够进行，因此又被称为低温膜蒸馏。膜蒸馏最初是为大规模海水脱盐而提出，早在上世纪60年代就开始了较系统的研究。与同为膜法的反渗透工艺相比，膜蒸馏的优点非常显著：(1)膜蒸馏的过程几乎在常压下进行，设备简单，操作方便；(2)在非挥发性水溶液的膜蒸馏过程中，由于仅有水蒸气能透过膜孔，因此蒸馏液十分纯净；(3)可以处理极高浓度的含盐水，甚至可以将溶液浓缩到过饱和状态而成为所谓的膜蒸馏结晶技术，因此膜蒸馏的产水率可以远高于反渗透。但膜蒸馏的缺点也同样显著：由于膜蒸馏是一个相变的过程，汽化潜热降低了热能利用效率，使膜蒸馏成为一种高耗能的过程。这是限制膜蒸馏工艺应用的主要因素。关于膜蒸馏技术的应用和研究进展，可以参考相关文献(1.膜蒸馏技术的回顾与展望，《天津城市建设学院学报》第9卷第2期pp100～110；2.膜蒸馏技术及其应用研究进展，《膜科学与技术》第23卷第4期pp67～92)。

太阳能制纯水的研究者们普遍认为：太阳能纯水制备的根本出路应是与先进的蒸馏技术紧密结合起来，辅以先进的制造工艺和强化传热传质新技术，使之与太阳能的具体特点结合起来，实现优势互补。

因此，本发明提出的太阳能-膜蒸馏耦合系统实现热水与纯水的同时或分时供给，以克服现有工艺方法所存在的种种不足。其优点体现在：一、热充分利用。通过发明中的膜蒸馏技术，将太阳能热水供给与饮用纯水供给结合，充分利用了太阳能能源；二、处理成本降低。膜蒸馏以太阳能为热源，从热水储箱中的热水中提取不足1/5的纯水，节约能源、节约取水和减少排污，特别是大幅降低除盐水生产成本。；三、明显提高生活质量。太阳能-膜蒸馏耦合热水、纯水同时供给技术，免除了纯净水的运输环节，实现了纯水供水时间可控、水量可调功能，且纯水质量稳定。显著改善了生活质量，具有明显的社会和经济效应。

总之，含太阳能-膜蒸馏热水、纯水同步供给方法及其装置的发明是对现有饮用纯水行业和太阳能热水器行业的巨大推进。

三、发明内容

本发明的目的是设计一种太阳能热水器与膜蒸馏器集成的热水及纯水供给装置，该装置以自来水为处理对象，结合太阳能热水器技术和疏水膜膜蒸馏技术，充分利用太阳能实现热水与饮用纯水的同时或分时供给，充分利用太阳热能，大幅降低饮用水处理成本，节约水资源，可显著改善生活质量。

说明如下：

本发明设计的一种太阳能热水器与膜蒸馏器集成的热水及纯水供给装置，其特征在于：包括太阳能集热器、热水储箱、纯水储箱、膜蒸馏器、纯水驱动泵、空气冷却器、运行控制系统、辅助电加热系统、家用超滤膜组件以及各部件连接的管路。分别构成集成装置的太阳能冷热水回路及饮用纯水供给管路。

所说的膜组件采用平板或中空纤维疏水膜组件形式。其中的中空纤维膜膜蒸馏器的制作方式可可采用U型、帘式中空纤维膜组件形式。

所说的疏水膜由聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)等疏水材料及其改性材料制成。

所说的膜组件内置于热水储箱，可采用热水储箱内漂浮式和热水储箱内承插式。内置式膜蒸馏器可以多个膜蒸馏串联或并联方式，根据需求以增加纯水产量。

所说的纯水水箱采用室外集成式和置于室内分散式。并可根据纯水日需求量，对位于纯水水箱一侧的纯水进室管安装位置调节。

在所说的纯水循环管路上装有循环泵，采用耐腐蚀输送泵。

在所说的纯水循环管路上装有空气冷却器，用于冷却回流至纯水箱的纯水。

所说的纯水循环泵采用定温启动和定时启动两种控制运行方式。

在所说的自来水进热水储箱的管路上安装有家用超滤膜组件以去除自来水中大分子有机物。

所说的太阳能集热器是平板型、盘管式或真空管式等形式的集热器。

在所说的纯水管路上装有电导率监测表，显示控制盘安装在室内以显示水质优劣。

所说的太阳能集热器根据热水与纯水需求量增加集热面积。本发明的纯水产水率主要取决于用户纯水需求量、膜面积、太阳能集热器的性能。纯水电导率一般小于5μS/cm。

结合附图对本发明提出的方法进行进一步说明。

附图说明：

图1是本发明实施例的工艺流程图。

具体实施方式：

下面结合实施例及附图，详细说明本发明的结构及工作过程。

本实施例由热水储箱1、太阳能集热器2、纯水储箱4、热水循环泵3、纯水循环泵5、疏水膜组件6、辅助电加热器7、空气冷却器8，纯水排空检修阀9，家用超滤膜组件10以及各部件相互连接的管路组成。

其中，热水储箱1、太阳能集热器2及其相互连接的管路构成了现有的太阳能加热回路(图中以虚线表示)。纯水循环泵5、纯水储箱4、膜组件6、空气冷却器8、纯水排空检修阀9、家用超滤膜组件及相互连接的管路构成纯水循环回路(图中以实线表示)。用户冷、热水进热水储箱、纯水进户管线以点划线表示。

本实施例的工作过程为：

在白天，用户自来水(冷水)经过家用超滤膜组件10进入热水储箱1，在虚线水循环回路上，冷水在集热器2表面受热膨胀，密度变小，由于冷水比热水密度大，热水上升进入热水储箱1，同时冷水下沉进入集热器2，，形成自然对流循环，使热水储箱1中的水逐渐变热，达到设定的水温为止。纯水储箱4中的纯水由纯水循环泵5泵入安装在热水储箱1中的膜组件6，低温纯水与热水储箱中的高温水在膜的内外侧存在温度差，热水以该温度差产生的蒸汽压差为驱动力完成水蒸气的传输过程，跨膜的水蒸气冷凝后与纯水混合。由于膜材料自身的热传导效应及蒸汽跨膜存在蒸发潜热的传输，纯水温度将逐渐升高。升温后的纯水在空气冷却器8中完成降温过程后回流至纯水储箱4。产生的纯水将由储箱4中部的纯水输出管路进入室内供饮用。正常工况下，可由运行控制器在水温达到设定温度时开启纯水循环泵5，并由液位控制开关在液位达到预设预设值后关闭纯水循环泵5。在晚上或阴雨天，集热器2作用将降低或消失，可由辅助加热器7对冷水进行加热，或者开启热水循环管线上的循环泵3进行强制对流。在需快速供热水与纯水的前提下，亦可开启辅助加热器7或循环泵3进行强制对流。

在本实施例中，该装置的纯水产量为12L，纯水电导率为3μS/cm，使用了如下材料：

膜：聚偏氟乙烯(PVDF)疏水膜，膜丝内径1mm，外径1.3mm，壁厚0.15mm，微孔孔径0.18μm，空隙率80％，膜丝有效长度为500mm

膜组件：U型膜组件，1个，膜面积0.314m²，并联连接，热水储箱内承插式

疏水膜膜产水率：10.2L/m²h

超滤膜组件：切割分子量1-10万，PVC材质

阀门：UPVC球阀，DN15

纯水循环泵：MR15PE塑料磁力驱动泵

热水循环泵：SZ100，耐热紫铜家用增压泵

热水储箱温度：69℃

纯水温度：32℃

纯水循环泵运行时间：约1.2小时

太阳能集热器：真空管式集热器，2m²

纯水电导显示仪：0-20μS/cm，CM230

纯水箱出口管上方容积：15L

管路材质：铝塑复合管DN15

浮球液位开关：MFP 11A。

Claims

1、一种利用太阳能热水器制取纯水的方法，其特征在于：包括太阳能集热器、热水储箱、纯水储箱、膜蒸馏器、纯水循环泵、热水循环泵、空气冷却器、运行控制系统、辅助电加热系统、家用超滤膜组件以及各部件连接的管路。分别构成集成装置的太阳能冷热水回路及饮用纯水供给管路，可同时或分时实现热水的供给和纯水的供给。

2、如权利要求1所说的一种利用太阳能热水器制取纯水的方法，其特征在于：膜组件采用以PE、PTFE、PVDF、PP、PVC及其复合材料为膜材质的平板或中空纤维疏水膜组件形式，其中中空纤维疏水膜组件采用U型、帘式中空纤维膜组件形式。。

3、如权利要求1所说的一种利用太阳能热水器制取纯水的方法，其特征在于：膜组件内置于热水储箱膜组件，采用热水储箱内漂浮式和热水储箱内承插式。

4、如权利要求1所说的一种利用太阳能热水器制取纯水的方法，其特征在于：膜蒸馏器可以采用多个膜蒸馏，根据需求以增加纯水产量。

5、如权利要求1所说的一种利用太阳能热水器制取纯水的方法，其特征在于：纯水水箱采用室外集成式或置于室内分散式，且位于纯水水箱一侧的纯水进室管安装位置可调，纯水箱内液位控制器高度可调。

6、如权利要求1所说的一种利用太阳能热水器制取纯水的方法，其特征在于：冷水循环泵采用耐腐蚀输送泵，且采用定温启动和定时启动两种控制运行方式。

7、如权利要求1所说的一种利用太阳能热水器制取纯水的方法，其特征在于：自来水入热水储箱管路上安装有家用超滤膜组件以去除自来水中大分子有机物。

8、如权利要求1所说的一种利用太阳能热水器制取纯水的方法，其特征在于：太阳能集热器是平板型、盘管式或真空管式等形式的集热器。

9、如权利要求1所说的一种利用太阳能热水器制取纯水的方法，其特征在于：纯水管路上装有空气冷却器及电导率监测表，室内显示水质优劣。