CN102757102B - 海水或苦咸水淡化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海水或苦咸水淡化技术领域，公开了一种海水或苦咸水淡化方法，包括：S1：使载湿气体通过海水或苦咸水，并将其加湿至饱和状态；S2：利用具有电渗和吸湿能力的材料吸收载湿气体中的水分；S3：通过阴电极和阳电极产生的电场，在具有电渗和吸湿能力的材料内产生电渗效应，将材料所吸收的水分以液态的形式排出，得到液态淡水。该方法能够达到高效、持续、低成本实现苦咸水淡化的目的，在常压下工作，所需外加电压低，无需加热和冷凝环节所提供给水蒸汽的大量汽化潜热，节能潜力显著；不需对原料水进行预处理，设备结垢倾向小，适用于各种水质；设备安装灵活，方便运行和维护。

Description

海水或苦咸水淡化方法及装置

技术领域

本发明涉及海水或苦咸水淡化技术领域，特别是涉及一种海水或苦咸水淡化方法及装置。

背景技术

水作为生命的源泉，在经济和社会发展中是不可替代的资源。由于人类大规模开采及环境破坏以及由此带来的气候异常，使得水资源的供求矛盾变得越来越尖锐，加上我国水资源时间和空间分布极不均匀，以及水体污染的加剧，使得水资源问题成为制约我国经济社会发展的瓶颈问题。

目前解决局部地区淡水短缺问题的方法主要有：1)异地调水；2)加强水资源的回收与管理；3)海水或苦咸水淡化。异地调水工程巨大，送水成本一般很高。加强水资源的回收与管理，可以达到对水资源最大程度的利用，但其不能从根本上解决淡水水源的问题。

海水或苦咸水淡化被视为人类未来主要水源之一，目前海水或苦咸水的淡化方法已有十几种，按分离过程可分为蒸馏法、膜法、结晶法、溶剂萃取法和离子交换法等，真正实现商用的海水或苦咸水淡化技术主要有蒸馏法和膜法两种。

蒸馏法海水或苦咸水淡化是利用热能使海水或苦咸水产生相变，利用海水或苦咸水中水和盐的挥发度差异，得到贫盐的蒸汽相，通过将蒸汽冷凝得到淡水。蒸馏法海水或苦咸水淡化主要包括多级闪蒸(MSF)、多效蒸发(ME)和压汽蒸馏(VC)，淡化过程中需要提供给水蒸汽大量的汽化潜热，淡化流程工艺复杂，对设备和运行要求高；膜法海水或苦咸水淡化的基本原理是利用选择透过性膜对水和盐的选择透过性能，将盐分截留或移走从而得到淡水的方法，主要包括电渗析法(ED)和反渗透法(RO)。反渗透法(RO)需在较高的压力下运行，而电渗析法(ED)过程中会出现大电流的情形，这对节能都非常不利，同时为避免渗透膜的失效，膜法海水或苦咸水淡化技术对原料水的预处理也较复杂。虽然工程上蒸馏法和膜法海水或苦咸水淡化都已有大规模的应用，但它们都仍存在对电力、化石燃料等高品质能源依赖程度高，吨水能耗大、成本高，对原料海水或苦咸水处理复杂等问题，寻找易与低品味能源结合低成本的海水或苦咸水淡化技术依然是目前研究的热点。

增湿去湿淡化方法由传统的太阳能蒸馏淡化发展而来，采用流动的载气(一般为空气)携带一定量的水蒸汽后进入冷凝室中去湿得到淡水，由于其具有设备结垢倾向少，规模灵活，投资和运行费用适中，便于与低品味能源结合等优点而受到重视，因此，它在渔船、供给船、客货船等海上移动建筑物，淡水需求相对分散的岛屿、内陆苦咸水地区以及淡水资源缺乏的沿海地区有广阔的应用前景。

天津大学王世昌等申请的名为“海水或苦咸水的增湿-去湿淡化装置和过程”的中国发明专利(公开号为：CN1583582A)中，装置主要采用一个由换热管和壳体构成的立式换热器，淡化过程中海水或苦咸水沿换热管内壁自上而下流动，载气由换热管下端引入，自下而上流动被不断增湿，之后进入壳程经冷却去湿得到淡水，实现海水或苦咸水的淡化，但淡化过程中需要先提供给水蒸汽大量的汽化潜热然后再带走水蒸汽的汽化潜热，因加热装置和冷凝装置的存在，使得设备不易小型化。

浙江大学曾胜等人申请的名为“综合利用太阳能进行海水淡化的装置”的中国实用新型专利(公开号为：CN201338952Y)中，装置主要包括太阳能集热器、鼓泡蒸发器、冷凝回热器、太阳能电池板、主控器等，通过太阳能集热器加热后的海水在鼓泡蒸发器中将空气加湿，高湿度空气进入冷凝回热器被低温海水冷凝为淡水，同时对海水进行了预热。该装置淡化过程中实现了利用了低品味的太阳能提供给水蒸汽大量的汽化潜热，然后利用低温海水带走水蒸汽的汽化潜热达到海水淡化并进行了热回收的目的，但装置存在晚上和阴天不能工作的缺陷，同时因加热装置和冷凝装置的存在，使得设备不易小型化。

虽然已有的增湿去湿海水或苦咸水淡化方法可以利用太阳能、地热能等低品味能源，但是目前该方法增湿和去湿过程都需要提供给水蒸汽大量的汽化潜热，能耗大，而且需要比较复杂的加热和冷凝装置。

电渗效应是指电场中液体相对于带电固体表面移动的现象，1807年首次由Reuss发现，其可以在去湿过程中在电渗作用下直接将材料内部的水分以液态水形式排出，材料在吸湿的过程中同时电渗再生去湿，使得淡化过程能够持续进行，同时因为不需要加热和冷凝装置，在获得相同的淡水量的情形下使得设备易于小型化。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何将电渗效应应用于海水或苦咸水淡化中，从而降低淡化时所需的能耗并提高淡化效果。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，提供了一种海水或苦咸水淡化方法，包括以下步骤：

S1：使载湿气体通过海水或苦咸水，并将其加湿至饱和状态；

S2：利用具有电渗和吸湿能力的材料吸收载湿气体中的水分；

S3：通过阴电极和阳电极产生的电场，在所述具有电渗和吸湿能力的材料内产生电渗效应，使得所述具有电渗和吸湿能力的材料所吸收的水分以液态的形式排出，得到液态淡水。

其中，所述载湿气体为空气、二氧化碳、氮气、氧气或稀有气体中的至少一种。

其中，所述具有电渗和吸湿能力的材料为具有电渗能力的吸湿材料，或由电渗材料与吸湿材料制成的复合材料。

其中，所述具有电渗和吸湿能力的材料为粉末状、颗粒状或者带有通孔的块状。

其中，所述阳电极采用防腐蚀的金属、非金属、合金或氧化物惰性电极材料制成，或由表面生长一层惰性电极材料薄膜的易腐蚀导电材料制成。

本发明还提出了一种利用上述方法的海水或苦咸水淡化装置，包括：

加湿部分，其上设置气体入口、海水或苦咸水进口及海水或苦咸水出口；

淡化部分，所述淡化部分的一侧与所述加湿部分的一侧连接设置，其内设置有至少一个吸附床，所述吸附床内设置有具有电渗和吸湿能力的材料，阴电极设置于所述具有电渗和吸湿能力的材料下表面，阳电极设置于所述具有电渗和吸湿能力的材料上表面。

其中，还包括：阻雾器、风机、淡化部分外壳和储水箱，所述吸附床安装于所述淡化装置外壳内部，所述阻雾器安装在加湿装置和吸附床之间的载气通道上，所述风机安装于所述加湿装置上的空气进口处，所述淡化装置外壳上开有与吸附床数目对应的载气通道口，所述储水箱安装在淡化装置外壳下部。

其中，所述的加湿部分为无填料或装有填料的喷淋装置，或采用鼓泡加湿、对流蒸发加湿、降膜蒸发加湿的蒸发装置。

其中，所述吸附床为固定式吸附床，所述吸附床为一个或者多个并联，每个所述吸附床内所设置的具有电渗和吸湿能力的材料采用相同的材料，或者分别采用不同的材料。

其中，所述电源为干电池、蓄电池、连接于市电的直流变压器和低压直流电中的一种或几种方式的组合，所述低压直流电由太阳能、风能、生物质能、地热能或海洋能产生。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明的载气增湿-电渗去湿海水或苦咸水淡化方法和装置采用海水或苦咸水将载湿气体加湿至接近饱和状态，再通过具有电渗和吸湿能力的材料吸收载湿气体中的水分，并利用电渗原理以液态的形式获取该水分，达到高效、持续、低成本实现苦咸水淡化的目的。本发明的装置在常压下工作，所需外加电压低，无需加热和冷凝环节所提供给水蒸汽的大量汽化潜热，节能潜力显著；不需对原料水进行预处理，设备结垢倾向小，适用于各种水质；设备安装灵活，方便运行和维护。

附图说明

图1是依据本发明实施方式的海水或苦咸水淡化方法流程图；

图2是本发明的海水或苦咸水淡化方法装置一个实施例的结构示意图；

图3是本发明的海水或苦咸水淡化方法装置的另一个实施例的结构示意图。

其中，1：加湿部分；21：阴电极；22：阳电极；3：具有电渗和吸湿能力的材料；4：吸附床；5：电源；6：接水盘；7：阻雾器；8：风机；9：淡化部分外壳；10：储水箱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是依照本发明实施方式的载气增湿-电渗去湿海水或苦咸水淡化方法的流程图，包括以下步骤：

S1：通过海水或苦咸水将载湿气体加湿至接近饱和状态，载湿气体为空气、二氧化碳、氮气、氧气、稀有气体等常用气体中的至少一种；

S2：通过具有电渗和吸湿能力的材料吸收载湿气体中的水分，具有电渗和吸湿能力的材料为具有电渗能力的吸湿材料，或由电渗材料与吸湿材料制成的复合材料，例如具有吸湿和电渗能力的沸石、硅藻土、活性炭、高岭土等或具有电渗能力的沸石与具有吸湿能力的金属卤化物制成的复合材料等；

S3：通过阴电极和阳电极产生的电场，在具有电渗和吸湿能力的材料内产生电渗效应，将材料所吸收的水分以液态的形式排出，得到液态淡水，实现海水或苦咸水的淡化。阳电极采用防腐蚀的金属、非金属、合金或氧化物惰性电极材料制成或由表面生长一层惰性电极材料薄膜的易腐蚀导电材料制成。

上述电渗效应是指电场中液体相对于带电固体表面移动的现象。

如图2-3所示，本发明提供了一种利用上述载气增湿-电渗去湿海水或苦咸水淡化方法的装置，包括：加湿部分1、阴电极21、阳电极22、具有电渗和吸湿能力的材料3、吸附床4、电源5和接水盘6。加湿部分1设置有气体进口a，设置有海水或苦咸水进口c，其下端设置有海水或苦咸水出口d，加湿部分的另一侧与淡化部分连接。淡化部分内部设置有吸附床4，吸附床4可以是一个，或是多个从上至下平行设置的多个。每个吸附床4内设置有电渗和吸湿能力的材料3，阴电极21设于具有电渗和吸湿能力的材料3的下表面，阳电极22设置于具有电渗和吸湿能力的材料3的上表面，电源5的负极连接阴电极21，正极连接阳电极22，每个吸附床4的下方设置有接水盘6。

为强化吸附床4内传质过程，具有电渗和吸湿能力的材料3被制成粉末状、颗粒状、条状或者带有规则或不规则形状通孔的块状。

为了达到更高的淡化效率，海水或苦咸水淡化装置还可以包括：阻雾器7、风机8(也可以是风泵)、淡化部分外壳9和储水箱10。吸附床4安装于淡化部分外壳9的内部，淡化部分外壳9上开有与吸附床4数目对应的载气通道口b1、b2......bn，从而使淡化部分与加湿部分连通。阻雾器7安装在加湿部分1和吸附床4之间的载气通道上，可以防止海水或苦咸水形成的细小雾滴被载湿气带出加湿装置进入吸附床4内影响淡化效果。风机8安装于加湿部分1上的气体进口a处，储水箱10安装在淡化部分外壳9下部。

加湿部分1可以是无填料或装有填料的喷淋装置，或采用鼓泡加湿、对流蒸发加湿、降膜蒸发加湿的蒸发装置。

吸附床4为固定式，用于张紧阴电极21、阳电极22并支撑具有电渗和吸湿能力的材料3；吸附床4还可为带散热肋片的吸附床，从而将吸附热和电渗过程产生的热散到环境中，降低材料内部吸附水的蒸发；吸附床4可以为一个或者多个，每个吸附床内所装的具有电渗和吸湿能力的材料3可以采用相同的材料，也可以分别采用不同的材料。

电源5可以为干电池、蓄电池、连接于市电的直流变压器和低压直流电中的一种或几种方式的组合，低压直流电由太阳能、风能、生物质能、地热能或海洋能产生。

实施例一：

本实施例的加湿部分为无填料的喷淋室，具有电渗和吸湿能力的材料为人造沸石，应用空气为载湿气体来实现海水或苦咸水的淡化。

图2是采用图1所示的一种载气增湿-电渗去湿海水或苦咸水淡化方法的装置的实施例一的结构示意图。该装置包括加湿部分1(该实施例中为喷淋室)、阴电极21、阳电极22、具有电渗和吸湿能力的材料3可以选择人造沸石、吸附床4、电源5、接水盘6、阻雾器7、风机8、淡化装置外壳9和位于淡化部分下方的储水箱10。为了强化吸附床4内传质过程，人造沸石被制成带圆形通孔的块状整体，阴电极21和阳电极22均为网状，吸附床4为带有散热肋片的固定式吸附床。带散热肋片的吸附床4安装在加湿部分1后面，并安装在淡化部分外壳9内，且其安装的数量根据淡水需求量并同时考虑成本最小化来确定，每个吸附床4内分别安放有阴电极21、阳电极22和人造沸石，阴电极21设于人造沸石的下表面，阳电极22设置于人造沸石的上表面，阴电极21连接电源的负极，阳电极22连接电源的正极，接水盘6分别安装在对应吸附床4的正下方，阻雾器7分别安装在每个吸附床4和喷淋室之间的空气通道上，风机安装在喷淋室的气体进口a处，储水箱10安装在淡化部分外壳9下部。

上述装置的工作原理是：空气经装加湿部分1上的气体进口a由风机8送入喷淋室，被由海水或苦咸水进口c竖直喷淋下来的海水或苦咸水雾滴加湿至接近饱和状态，湿空气通过安装有阻雾器7的通道进入吸附床4内，水平流过人造沸石，水分被人造沸石吸走，空气由吸附床4的另一端排出。电源5在安放于人造沸石两侧的阴电极21和阳电极22上施加一定直流电压，在阴电极21和阳电极22之间形成电场，从而在人造沸石内产生电渗效应，将人造沸石内的水分以液态形式排入接水盘6，取得的液态水经过水管储存到储水箱10内。电源5为由太阳能光伏电池板和蓄电池构成，白天太阳能光伏电池板接受太阳光发电，在给阴电极21和阳电极22供电的同时给蓄电池充电，晚上和阴天时则由蓄电池给阴电极21和阳电极22供电，风机8采用低压直流电风机，可由电源5驱动，也可由其他电源装置驱动。落到喷淋室底部的海水或苦咸水由海水或苦咸水出口d口排出，也可以循环利用，当到达一定浓缩程度后的海水或苦咸水可用来制造其他副产品，流过人工沸石后的空气可以直接排入大气，也可以循环利用。

上述采用空气增湿-电渗去湿海水或苦咸水淡化方法的装置可实现人造沸石吸湿的同时进行电渗再生，使其具备持续吸湿的能力，能够连续进行海水或苦咸水的淡化，风机的进风出风能加快海水或苦咸水的蒸发速率，同时保证空气与吸湿材料的快速充分接触，在喷淋室上的气体进口a设置百叶，避免杂物进入装置内部，采用无填料的喷淋室能够快速均匀将空气加湿至接近饱和状态，并且方便喷淋室结晶盐的清除。

实施例二：

本实施例载气加湿部件为鼓泡蒸发室，具有电渗和吸湿能力的材料为高岭土，应用空气作为载湿气体来实现海水或苦咸水的淡化。

图3是采用图1所示的载气增湿-电渗去湿海水或苦咸水淡化方法的装置的实施例二的结构示意图。该装置包括加湿部分1(本实施例中为鼓泡蒸发室)、阴电极21、阳电极22、具有电渗和吸湿能力的材料3(本实施例中为高岭土)、吸附床4、电源5、接水盘6、阻雾器7、风泵8、淡化部分外壳9和储水箱10。为了强化吸附床4内传质过程，高岭土被制球形颗粒，阴电极21和阳电极22均为孔板状。固定式吸附床4安装在鼓泡蒸发室后面，并被安装在淡化部分外壳9内，且其安装的数量根据淡水需求量并同时考虑成本最小化来确定，每个吸附床4内分别安放有阴电极21、阳电极22和高岭土，阴电极21设于高岭土的下表面，阳电极22设于高岭土的上表面，阴电极21连接电源5的负极，阳电极22连接电源5的正极，接水盘6分别安装在对应的吸附床4正下方，阻雾器7分别安装在每个吸附床4和鼓泡蒸发室之间的空气通道上，风泵8安装在鼓泡蒸发室1的气体进口a处，储水箱10安装在淡化装置外壳9下部。

上述装置的工作原理：空气经装鼓泡蒸发室上的气体进口a由风泵8送入鼓泡蒸发室，在鼓泡室蒸发室中的海水或苦咸水内产生大量气泡，被加湿至接近饱和状态，湿空气通过安装有阻雾器7的通道进入吸附床4内，水平流过高岭土，水分被高岭土吸走，空气由吸附床4的另一端排出。电源5在设置于高岭土两侧的阴电极21和阳电极22上施加一定直流电压，在阴电极21和阳电极22之间形成电场，从而在高岭土内产生电渗效应，将高岭土内吸收的水分以液态形式排入接水盘6，取得的液态水经过水管储存到储水箱10内。电源5为由风能发电装置和蓄电池构成，有风的时候风能发电装置在给阴电极21和阳电极22供电的同时给蓄电池充电，没有风的时候则由所述蓄电池给阴电极21和阳电极22供电，风机8可由电源5驱动，也可由其他电源装置驱动。鼓泡室内海水或苦咸水由海水或苦咸水进口c口进入，到达一定浓度后由海水或苦咸水出口d排出，到达一定浓缩程度后的海水或苦咸水可用来制造其他副产品，流过高岭土后的空气可以直接排入大气，也可以循环利用。

上述采用空气增湿-电渗去湿海水或苦咸水淡化方法的装置可实现高岭土吸湿的同时进行电渗再生，使其具备持续吸湿的能力，能够连续进行海水或苦咸水的淡化，采用鼓泡方式能够快速均匀将载气加湿至接近饱和状态，同时海水或苦咸水几乎不会产生雾滴能够达到更好淡化效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种海水或苦咸水淡化方法，其特征在于，包括以下步骤： 

S1：使载湿气体通过海水或苦咸水，并将其加湿至饱和状态； 

S2：利用具有电渗和吸湿能力的材料吸收载湿气体中的水分； 

S3：通过阴电极和阳电极产生的电场，在所述具有电渗和吸湿能力的材料内产生电渗效应，使得所述具有电渗和吸湿能力的材料所吸收的水分以液态的形式排出，得到液态淡水。 

2.根据权利要求1所述的海水或苦咸水淡化方法，其特征在于，所述载湿气体为空气、二氧化碳、氮气、氧气或稀有气体中的至少一种。 

3.根据权利要求2所述的海水或苦咸水淡化方法，其特征在于，所述具有电渗和吸湿能力的材料为具有电渗能力的吸湿材料，或由电渗材料与吸湿材料制成的复合材料。 

4.根据权利要求3所述的海水或苦咸水淡化方法，其特征在于，所述具有电渗和吸湿能力的材料为粉末状、颗粒状或者带有通孔的块状。 

5.根据权利要求1所述的海水或苦咸水淡化方法，其特征在于，所述阳电极采用防腐蚀的金属、非金属、合金或氧化物惰性电极材料制成，或由表面生长一层惰性电极材料薄膜的易腐蚀导电材料制成。 

6.一种利用权利要求1所述方法的海水或苦咸水淡化装置，其特征在于，包括： 

加湿部分（1），其上设置气体 进口（a）、海水或苦咸水进口（c）及海水或苦咸水出口（d）； 

淡化部分，所述淡化部分的一侧与所述加湿部分（1）的一侧连接设置，其内设置有至少一个吸附床（4），所述吸附床（4）内设置有具有电渗和吸湿能力的材料（3），阴电极（21）设置于所述具有电渗和吸湿能力的材料（3）下表面，阳电极（22）设置于所述具有电 渗和吸湿能力的材料（3）上表面。 

7.如权利要求6所述海水或苦咸水淡化装置，其特征在于，还包括：阻雾器（7）、风机（8）、淡化部分外壳（9）和储水箱（10），所述吸附床（4）安装于所述淡化装置外壳（9）内部，所述阻雾器（7）安装在加湿部分（1）和吸附床（4）之间的载气通道上，所述风机（8）安装于所述加湿部分（1）上的气体进口（a）处，所述淡化装置外壳（9）上开有与吸附床（4）数目对应的载气通道口，所述储水箱（10）安装在淡化装置外壳（9）下部。 

8.如权利要求6或7所述海水或苦咸水淡化装置，其特征在于，所述的加湿部分（1）为无填料或装有填料的喷淋装置，或采用鼓泡加湿、对流蒸发加湿、降膜蒸发加湿的蒸发装置。 

9.如权利要求6或7所述海水或苦咸水淡化装置，其特征在于，所述吸附床（4）为固定式吸附床，所述吸附床（4）为一个或者多个并联，每个所述吸附床（4）内所设置的具有电渗和吸湿能力的材料（3）采用相同的材料，或者分别采用不同的材料。 

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