CN103212295B - 工业化规模海水淡化工艺及装置 - Google Patents

Abstract

工业化规模海水淡化装置，其特征在于它利用海水的重力势能实现反渗透海水淡化工艺，该装置包括外壳、外壳两端封头和中空纤维膜；所述外壳上有海水入口、海水出口,顶部封头有淡水出口；所述中空纤维膜固定在外壳内；所述中空纤维膜至少一端为打开；所述中空纤维膜由多孔支撑层和半渗透膜层构成，所述半渗透膜层覆盖于多孔支撑层的表面；所述封头安装于外壳两端。本发明利用很小体积的装置提供较大的反渗透表面积，并且易于施工、安装和维修；中空纤维膜的两端都固定在金属丝网的开孔中，通过金属丝网和复合材料形成的法兰来固定；金属丝网的每个开孔安装一根或一束中空纤维膜，从而使大量的中空纤维膜能整齐有序地安装。

Description

工业化规模海水淡化工艺及装置

（一）技术领域：

本发明涉及一种海水制取淡水的工艺及装置，尤其是一种工业化规模海水淡化工艺及装置。

（二）背景技术：

世界大部分地区都缺乏人类消耗和农业灌溉所需的淡水。直布罗陀半岛，阿鲁巴岛和中东地区非常干旱的卡塔尔，阿联酋和沙特阿拉伯，以及仅由河流供应有限水资源的国家，例如南非，西班牙，纳米比亚，西西里岛和以色列，这些国家都存在淡水供应问题。中国被联合国认定为世界上13个最贫水的国家之一，人均淡水资源仅为世界人均量的1/4，并且水资源分布不均。目前，中国有400多个城市缺水，其中110个城市严重缺水，饮用苦咸水的农村人口达3855万人。

饮用水供应不足的问题在未来十年将加剧，这些饮用水供应不足的国家和地区大多靠近大洋、海湾或内海。由于海水盐含量过高，无法得到大量可直接使用的淡水，不适合人类使用。海水的平均盐含量为35000 ppmwt NaCl（质量分数为3.5%），通常应降低到500 ppmwtNaCl或更低才能适于人类使用(氯含量小于250 ppmwt)。

有许多成熟的工艺可以将盐类从水中分离，即所谓的脱盐工艺。可以在第四版Kirk Othmer百科全书的第25册的438-487页中查阅这些工艺的综述。

如今在工业化海水淡化领域应用最为广泛的工艺为M.S.F.（多级闪蒸），M.E.D.（多效蒸馏）和R.O.（反渗透）。应该明确的是，脱盐水即等同于淡水或饮用水。

工业化规模的海水淡化生产工艺应该具备以下重要特点：公用工程消耗低、投资少、易于操作、维护费用低，尤其是公用工程（能源）消耗低，这是对工业化生产工艺的一个重要要求。多级闪蒸工艺的公用工程消耗通常是135-295 kJ/kg H₂O，而反渗透工艺的消耗量为18-33 kJ/kg H₂O。因此，反渗透工艺在公用工程消耗上具有很大的优势。多级闪蒸工艺的优点是使用的金属设备相对简单，而反渗透工艺需要价格昂贵的薄膜，这种膜易于受到堵塞（结垢的盐类如CaSO₄ 和CaCO₃）和在膜表面生长和附着的藻类的影响，这会大大增加海水预处理的成本。一些先进的反渗透膜，例如聚酰胺膜，不能承受使用Cl₂的环境，而Cl₂经常被用来消灭细菌和水藻等等。

卷式膜不容易清洗，并且多层支撑材料和膜之间生长的细菌容易堵塞和损坏膜元件。

海德能公司在2001年1月23日发表的文章《工业化反渗透技术》中提到工业用长1.20m ×外径85μm×内径42μm的中空纤维膜已经应用在了反渗透工艺中。日流通量为19 kg/m²时，这种42μm的小内径纤维会造成5 bar的压降。这种非常低的水流通量（正常情况下每天600 kg/m²）会显著影响淡水的产量。所以选择内径稍大些的中空纤维膜更合适。另一个较大的缺点是大量的纤维（数百万根）将会形成过滤器来过滤固体颗粒和生物质，而膜表面附着的固体颗粒和生物质会对膜造成污染，而且会降低纤维管周围的湍流程度，增加薄膜表面盐类的累积（浓差极化），使产生的淡水中的盐浓度增大。

通常25℃海水的渗透压力大概为25bar，且海水的渗透压力会随盐浓度的增大而增大,因此海水脱盐工艺需要在60-80bar的压力下操作。用于海水脱盐的反渗透工艺操作压力都比较高，也不能通过简单的方法来减小。

领域内的专业人士都熟知次表层海水淡化的生产方法。专利DE 19734981 A1描述了一项海水脱盐工艺，其中，R.O.组件围绕其轴做连续或间歇的旋转。这样一来，新鲜海水的连续供应问题就解决了，但是过程相当复杂，且机械效率也不高。而本发明则致力于深层次地克服旋转的R.O.组件的缺陷。

专利US 5,229,005描述了一项从容器的浮动平台装置下降到海平面某深度来提取淡水的海水淡化工艺，这套容器装置配有R.O.元件。当容器中充满淡水后，通过机械升降系统将淡水从海平面某深度提升出去。这套提升系统比较粗糙，耗时耗能，不适用于淡水大量生产。

专利GB 1,141,138提出该深度至少要在海平面3500英尺 (1067 m)以下。R.O.膜置于容器内，且水平安装。海水进入容器，促进淡水流动，但是对于容器中的浓盐水如何自动从容器中出去并不清楚。因此，这套装置在技术上存在很大的限制。

专利DE 196 47 358 A1描述了一种安装在海平面360m甚至更低的海水淡化装置。R.O.膜放置在容器的外壁，这导致膜的表面积比较有限，从而淡水的流通量也受到限制。此外，其中还假设海水要缓慢流过膜表面，这并不是确定的情况，除非海面上正在运行的容器发生正位移。因此，浓盐水的自动更换问题还是没有解决。

专利WO 00/41971也存在同样的问题，不能保持新鲜海水持续自动地进料，浓盐水的排出也是个问题。

专利EP 0 968 755 A2利用一台低扬程循环泵将海水泵入膜组件入口，并将海水从膜组件出口泵出到一个合适的排放点。

（三）发明内容：

本发明的目的是提供工业化规模海水淡化工艺及装置，它能够解决现有技术的不足，它以反渗透技术为基础，使用中空纤维膜来大规模生产淡水，它利用很小体积的装置提供较大的反渗透表面积，并且易于施工、安装和维修，而且能防止藻类和细菌群体的生长，以防止产生堵塞和流动阻碍，清洗十分简便。

本发明的技术方案：工业化规模海水淡化装置，其特征在于它包括外壳，外壳两端封头和中空纤维膜；所述中空纤维膜固定安装在外壳内；所述外壳上有海水入口和海水出口；所述外壳顶端封头上有淡水出口；所述中空纤维膜连接淡水出口。

所述中空纤维膜竖直或水平安装在外壳内；所述中空纤维膜至少一端为打开；打开端为常压，中空纤维膜外壁压力至少为25bar。

所述中空纤维膜竖直安装在外壳内，中空纤维膜的顶端打开，底端打开或密封；中空纤维膜固定在顶部法兰和底部法兰之间；所述顶部法兰安装于外壳顶部；所述底部法兰通过刚性件固定于外壳底部。

所述中空纤维膜的顶部通过混凝土或复合材料与金属丝网构成的顶部法兰固定；所述中空纤维膜的底部通过混凝土或复合材料与金属丝网构成的底部法兰固定，中空纤维膜的底部打开或密封；所述复合材料为二组分的胶或环氧树脂；所述顶部法兰和底部法兰之间连接有刚性件；所述底部法兰下端连接阻止中空纤维膜上行使其保持原位的重力补偿物。

所述中空纤维膜通过金属丝网固定安装在外壳内；所述金属丝网上有安装中空纤维膜的开孔；金属丝网的开孔中可以安装至少一根中空纤维膜。

所述中空纤维膜由多孔支撑层和半渗透膜层构成，呈管状；所述半渗透膜层覆盖于多孔支撑层的表面；所述多孔支撑层的壁厚为25-100μm；半渗透膜层的厚度为0.1-0.5μm；管状中空纤维膜的内径为100-800μm。

所述外壳内壁上安装有折流板。

所述外壳顶部通过外壳顶法兰连接顶部封头，底部通过外壳底法兰连接底部封头；所述顶部封头上有淡水出口及手孔，在外壳顶部封头空间内填充玻璃球或瓷球，防止中空纤维膜向上移动，这些玻璃球或瓷球可以通过手孔来进行装填；所述外壳顶法兰和顶部封头法兰的连接处有多孔烧结金属板及密封垫片，金属板用来承载玻璃球或瓷球。

所述外壳及中空纤维膜均为圆柱形；外壳顶部封头和底部封头采用椭圆封头。

所述海水入口处安装有入口过滤器；所述淡水出口连接淡水收集罐。

所述工业化规模海水淡化装置安装在海平面下350-500m处，相应的液体静压为35-50 bar。

所述工业化规模海水淡化装置在岸上时可连接能量回收装置。

所述中空纤维膜的支撑层为能承受50bar压力的多孔材料，选用聚芳醚砜、多孔玻璃、陶瓷材料或者烧结金属；半渗透膜层为选择性透过材料，选用醋酸纤维素C.A.、二醋酸纤维素C.D.A.、三醋酸纤维素C.T.A.、金属硅酸盐或聚酰胺。

所述金属丝网为能承受较高压力的材料，选用不锈钢或蒙乃尔铜-镍合金。

所述外壳材料为能承受50bar的压力且耐海水腐蚀的材料，选用双相钢、铝青铜、镍青铜或在钢材料表面衬胶、刷漆。

所述半渗透膜层的制作方法为：

将半渗透膜材料溶解在溶剂中，该溶剂能通过多孔支撑层，而不能通过多孔支撑层的半渗透膜材料将会越积越多，最终在溶液中形成沉淀并覆盖在多孔支撑层外表面；

或者将半渗透膜材料溶解到一种挥发性溶剂中，将混合液喷涂在多孔支撑层上，当溶剂挥发完之后，薄膜材料就沉淀在多孔支撑层的表面；

或者聚芳醚砜多孔支撑层先用高粘度水溶液所浸渍；高粘度的浓溶液能阻止三醋酸纤维素C.T.A.渗入聚芳醚砜的孔隙中；中空纤维膜开始运行后，溶质溶解在流经的水中，孔隙畅通，从而保证了淡水流通量；所述高粘度水溶液选用浓糖水；

或者使用Na₂SiO₃的高粘度溶液在中空纤维表面与金属离子发生反应从而形成半渗透膜层：首先，中空纤维支撑材料被Na₂SiO₃的高粘度溶液所渗透；然后，将中空纤维管束放置在含有金属离子的盐溶液中，金属离子将会和硅酸盐反应，在中空纤维的外表面生成不可溶的金属硅酸盐薄膜层，该薄膜层即为半渗透膜；通过将酸加入到中空纤维的内侧，水溶性的Na₂SiO₃转变为胶状：2H⁺ + SiO₃ ^2- → H₂SiO₃ =SiO₂·H₂O，这种胶能够支撑外侧的金属硅酸盐薄层，且能方便水渗透。

所述将半渗透膜材料溶解在溶剂中，该溶剂能通过多孔支撑层，而不能通过多孔支撑层的半渗透膜材料将会越积越多，最终在溶液中形成沉淀并覆盖在多孔支撑层外表面的方法：所述多孔支撑层材料为聚芳醚砜，半渗透膜层材料为三醋酸纤维素；首先，在溶剂丙酮或CH₂Cl–CH₂Cl中形成三醋酸纤维素的饱和溶液；保持溶剂在较高温度，最好接近其沸点，有利于溶剂的蒸发；膜反应器中充满了浓溶液，溶剂含量慢慢降低；溶液将会润湿多孔支撑层，溶剂则会挥发掉，三醋酸纤维素会超过其最大溶解度，于是在多孔支撑层表面沉淀下来；即将溶液装填在容器的顶部，容器顶部为压力稍高部分，底部为压力稍低部分，溶液由顶部的溶液入口流入多孔支撑层中，因为多孔支撑层能被此高粘度溶液所渗透，因此也会填满支撑材料聚芳醚砜的孔隙；多孔支撑层的内表面和/或外表面形成C.T.A.半渗透膜层。

所述使用Na₂SiO₃的高粘度溶液在中空纤维表面与金属离子发生反应从而形成半渗透膜层，金属离子可选用铁离子、铝离子、镁离子、镍离子或钴离子；若选用铝离子，铝离子和硅酸盐反应：2Al³⁺ + 3SiO₃ ^2- →Al₂(SiO₃)₃，在多孔支撑层的外表面生成了不可溶的硅酸铝薄膜层，该薄膜层即为半渗透膜层。

工业化规模海水淡化装置的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：海水由海水入口进入，安装在外壳内壁上的折流板能够产生强湍流，海水经中空纤维膜脱盐后变为淡水，淡水从淡水出口流出，浓缩海水从海水出口排出。

所述海水入口处安装的入口过滤器将直径超过70μm的大颗粒过滤掉。

所述装置外壳上海水出口侧可设置导流板，导流板由刚性连接件连接在装置外壳上靠近海水入口和海水出口处，对水流起引导作用，形成海水自动循环系统。

所述淡水从工业化规模海水淡化装置的淡水出口流出后由淡水收集罐淡水入口流入淡水收集罐；淡水流入淡水收集罐之后，进入的淡水的盐含量由盐含量分析仪来检测，即NaCl含量控制器；如果淡水中盐含量太高，那么淡水入口阀门将通过分析仪自动关闭；淡水进入竖直内管中，由液位控制器来测量竖直内管中的液位，液位上升时，调节阀将会开得更大；泵从竖直内管中抽取液体；淡水通过泵和送水管线输送到海平面以上的工作平台；所述工作平台通过电缆为泵提供电力。

所述工作平台为方便提供电力和淡水输出的浮动平台、固定平台或者容器；所述工作平台连接储存淡水的集装箱，集装箱会通过拖船运输到海岸或港口。

所述淡水收集罐通过压力平衡管线维持常压，通过连接锁链安装在需要的深度。

所述淡水收集罐的底部可有10-50 个连接海水淡化装置的管口。

所述泵是在大气压下工作的离心泵，泵通过电缆提供动力；所述竖直内管上安装控制阀，当内管中液位太高时关闭该阀门。

所述工业化规模海水淡化装置连接能量回收装置；盐含量为3.5wt%、压力1bar的海水通过上汽缸入口管线和上汽缸下入口阀通入到能量回收装置的上汽缸活塞下面的区域，推动中心柱向上移动，活塞上面区域的海水压力上升至50 bar；含盐量3.5wt%、压力50bar的海水从上汽缸上部的出口阀离开上汽缸；经过海水淡化装置后，含盐量为7wt%、压力49 bar的浓盐水通过下汽缸下入口阀和下汽缸管线进入能量回收装置的下汽缸活塞下面的区域，推动下汽缸活塞向上运动，将进入下气缸活塞上面的含盐量7wt%、压力1bar的海水从下气缸上部的出口阀排出，此时能量回收装置内通过下气缸上部的出口阀保持常压；当上气缸活塞和下气缸活塞处于最高位置后，中心柱下降，3.5wt%的海水通过上汽缸上入口阀进入上汽缸活塞上面的区域；下气缸活塞向下运动，7wt%的海水通过下汽缸上入口阀进入下汽缸活塞上面的区域，直到上气缸活塞和下气缸活塞达到最低位置。

本发明的工作原理：通过一种黏性密封材料将装置的高压侧和低压侧分离开来，如混凝土和复合材料（如二组分的胶或环氧树脂），将这种材料放置在金属丝网/中空纤维膜结构的末端；该黏性材料能在短时间内发生固化或者聚合；中空纤维膜的顶部去除部分黏性材料，使其处于打开状态；中空纤维膜的底部打开或密封；可将多个金属丝网放置在复合材料中，且每个金属丝网之间保持相同的距离，以加强复合材料的机械性能（类似钢筋混凝土）；

中空纤维膜的顶部使用能迅速固化或聚合的复合材料和金属丝网形成一个顶部法兰。中空纤维膜的底部使用固化或聚合的复合材料和金属丝网形成一个底部法兰。

底部法兰要承受一个较大的向上的作用力，可以采用金属条刚性件将底部法兰与顶部法兰连接起来，或通过刚性件将底部法兰与外壳底部连接起来。

本发明优越性及技术效果：1、本发明以反渗透技术为基础，其离岸作业装置利用海水的重力势能实现反渗透海水淡化工艺，在能源消耗上有一定优势，与岸上作业相比，能耗能缩小三倍或者更多；中空纤维膜管束安装在海平面下350-500m处，相应的液体静压为35-50 bar；这种高压足够克服渗透压，低压侧为大气压；外壳中竖直安装的中空纤维膜使海水自动向下流动，这是由于淡水被半渗透膜提取之后浓盐水的密度增大而导致的；装置外壳上海水出口侧可设置导流板，对水流起引导作用，形成海水自动循环系统；与岸上作业相比，这种海水自动循环系统不需要耗能去增大原料/产品海水的压力以克服渗透压，仅在将淡水输送到海平面时需要耗能，因为产生的淡水的流量远比进入反渗透装置的海水流量要小，因此能耗非常小，约5 kJ/kg H₂O；2、本发明是一种用于反渗透技术的装置，该装置外壳内壁上设有折流板，能在边界层产生强湍流，抑制生物质和/或不溶性盐对反渗透膜组件造成污染；当海水通过反渗透膜时，盐浓度在这里会显著提高，这会使低溶解度的CaSO₄和/或CaCO₃以结垢盐的形式沉淀出来，甚至也能析出溶解度较高的NaCl固体；固体的形成会造成膜堵塞，阻碍海水流动，而强湍流能削弱这种堵塞和流动阻碍；3、本发明中空纤维膜的清洗十分简便，中空纤维膜可全部从外壳中取出进行清洗和替换，或者通过关闭反渗透膜组件海水入口和出口，采用清洁溶剂循环回流来进行清洗中空纤维膜；4、本发明利用很小体积的装置提供较大的反渗透表面积，并且易于施工、安装和维修；类似于壳管式换热器，平行中空纤维膜管束保持规律且固定的距离，平行中空纤维膜管束的结构有序、清晰；中空纤维膜的两端都固定在金属丝网的开孔中，通过金属丝网和复合材料形成的法兰来固定；金属丝网的每个开孔安装一根或一束中空纤维膜，从而使大量的中空纤维膜能整齐有序地安装。

（四）附图说明：

图1为本发明所涉工业化规模海水淡化装置的结构示意图。

图2为本发明所涉工业化规模海水淡化装置的结构示意图。

图3为本发明所涉工业化规模海水淡化装置中金属丝网的结构示意图。

图4为本发明所涉工业化规模海水淡化装置中中空纤维膜的结构示意图。

图5为本发明所涉工业化规模海水淡化装置中空纤维膜安装于金属丝网中的示意图。

图6为本发明所涉工业化规模海水淡化装置中底部法兰制作的示意图。

图7为本发明所涉工业化规模海水淡化装置中顶部法兰制作的示意图。

图8为本发明所涉工业化规模海水淡化装置应用示意图。

图9为本发明所涉工业化规模海水淡化装置所连接的能量回收装置的原理图。

图10为本发明所涉工业化规模海水淡化装置中中空纤维膜一种制作实施例的示意图。

图11为本发明所涉工业化规模海水淡化装置中中空纤维膜另一种制作实施例的示意图。

其中，1为金属丝网，2为开孔，3为半渗透膜层，4为多孔支撑层，5为中空纤维膜，6为复合材料，7为底部法兰，8为需移除的复合材料，9为顶部法兰，10为海水入口，11为海水出口，12为淡水出口，13为顶部封头，14为手孔，15为多孔烧结金属板，16为密封垫片，17为外壳顶法兰，18为外壳，19为折流板，20为刚性件，21为外壳底法兰，22为底部封头，23为入口过滤器，24为重力补偿物，25为淡水入口阀门，26为淡水收集罐淡水入口，27为泵，28为液位控制器，29为电缆，30为调节阀，31为盐含量分析仪，32为管口，33为竖直内管，34为控制阀，35为淡水收集罐，36为压力平衡管线，37为送水管线，38为连接锁链，39为集装箱，40为工作平台，41为上汽缸下入口阀，42为上汽缸入口管线，43为上汽缸上部的出口阀，44为上汽缸活塞，45为能量回收装置，46为下气缸上部的出口阀，47为下汽缸活塞，48为下汽缸下入口阀，49为下汽缸管线，50为上汽缸上入口阀，51为下汽缸上入口阀，52为压力稍高部分，53为溶液入口，54为压力稍低部分，55为空隙，56为硅酸钠溶液，57为硅酸铝薄膜层，58为刚性连接件，59为导流板。

（五）具体实施方式：

实施例：工业化规模海水淡化装置（见图1），其特征在于它包括外壳18和中空纤维膜5；所述中空纤维膜5固定安装在外壳18内；所述外壳18上有海水入口10和海水出口11；所述中空纤维膜5连接淡水出口12。

所述中空纤维膜5竖直或水平安装在外壳18内；所述中空纤维膜5至少一端为打开；打开端为常压，中空纤维膜5外壁压力至少为25bar。

所述中空纤维膜5竖直安装在外壳18内，中空纤维膜5的顶端打开，底端打开或密封；中空纤维膜5固定在顶部法兰9和底部法兰7之间；所述顶部法兰9安装于外壳18顶部；所述底部法兰7通过刚性件20固定于外壳18底部内壁上。（见图1）

所述中空纤维膜5的顶部通过复合材料6与金属丝网1构成的顶部法兰9固定；所述中空纤维膜5的底部通过复合材料6与金属丝网1构成的底部法兰7固定；所述顶部法兰9在制作过程中将需移除的复合材料8移除后，中空纤维膜5的顶端打开；所述底部法兰7在制作过程中可移除部分复合材料，中空纤维膜5的底端打开，或者不移除复合材料，保持中空纤维膜5的底端密封。所述复合材料6为二组分的胶或环氧树脂；所述顶部法兰9和底部法兰7之间连接有刚性件；所述底部法兰7下端连接阻止中空纤维膜5上行的重力补偿物24，使中空纤维膜保持原位。（见图1、图2、图3、图6、图7、图8）

所述中空纤维膜通过金属丝网固定安装在外壳18内；所述金属丝网1上有安装中空纤维膜5的开孔2；金属丝网1的开孔2中可以安装至少一根中空纤维膜5。（见图3、图5）

所述中空纤维膜5由多孔支撑层4和半渗透膜层3构成，呈管状；所述半渗透膜层3覆盖于多孔支撑层4的表面；所述多孔支撑层4的壁厚为25-100μm；半渗透膜层3的厚度为0.1-0.5μm；管状中空纤维膜5的内径为100-800μm。（见图3、图4）

所述外壳18内壁上安装有折流板19。（见图1、图2、图8）

所述外壳18顶部通过外壳顶法兰17连接顶部封头13，底部通过外壳底法兰21连接底部封头22；所述顶部封头13上有淡水出口12及手孔14；在外壳顶部封头空间内可填充一些陶瓷球，以防止中空纤维膜部分在50bar压差的作用下向上移动，这些玻璃球或陶瓷球可以通过手孔14来进行装填；所述外壳顶法兰17和顶部封头13法兰的连接处有防止中空纤维膜5上行的多孔烧结金属板15及密封垫片16；该金属板15用来承载玻璃球或陶瓷球。（见图2）

所述外壳18及中空纤维膜5均为圆柱形；外壳顶部封头13和底部封头22采用椭圆封头。（见图1）

所述海水入口10处安装有入口过滤器23；所述淡水出口12连接淡水收集罐35。（见图8）

所述工业化规模海水淡化装置安装在海平面下350-500m处，相应的液体静压为35-50 bar。

所述工业化规模海水淡化装置用在岸上时连接能量回收装置45。（见图9）

所述中空纤维膜5的支撑层为能承受50bar压力的多孔材料，选用聚芳醚砜、多孔玻璃、陶瓷材料或者烧结金属；半渗透膜层为选择性透过材料，选用醋酸纤维素C.A.、二醋酸纤维素C.D.A.、三醋酸纤维素C.T.A.、金属硅酸盐或聚酰胺。

所述金属丝网1为能承受较高压力的材料，选用不锈钢或蒙乃尔铜-镍合金。

所述外壳18材料为能承受50bar的压力且耐海水腐蚀的材料，选用双相钢、铝青铜、镍青铜或在钢材料表面衬胶、刷漆。

所述半渗透膜层的制作方法为：

将半渗透膜材料溶解在溶剂中，该溶剂能通过多孔支撑层，而不能通过多孔支撑层的半渗透膜材料将会越积越多，最终在溶液中形成沉淀并覆盖在多孔支撑层外表面；

或者将半渗透膜材料溶解到一种挥发性溶剂中，将混合液喷涂在多孔支撑层上，当溶剂挥发完之后，薄膜材料就沉淀在多孔支撑层的表面；

或者聚芳醚砜多孔支撑层先用高粘度水溶液所浸渍；高粘度的浓溶液将会阻止三醋酸纤维素C.T.A.渗入聚芳醚砜的孔隙中；中空纤维膜开始运行后，溶质溶解在流经的水中，孔隙畅通，从而保证了淡水流通量；所述高粘度水溶液选用浓糖水；

或者使用Na₂SiO₃的高粘度溶液在中空纤维表面与金属离子发生反应从而形成半渗透膜层：首先，中空纤维支撑材料被Na₂SiO₃的高粘度溶液所渗透；然后，将中空纤维管束放置在含有金属离子的盐溶液中，金属离子将会和硅酸盐反应，在中空纤维的外表面生成不可溶的金属硅酸盐薄层，即为半渗透膜；通过将酸加入到中空纤维的内侧，水溶性的Na₂SiO₃转变为胶状：2H⁺ + SiO₃ ^2-→ H₂SiO₃ = SiO₂ - H₂O，这种胶能够支撑外侧的金属硅酸盐薄层，且能方便水渗透。

所述将半渗透膜材料溶解在溶剂中，该溶剂能通过多孔支撑层，而不能通过多孔支撑层的半渗透膜材料将会越积越多，最终在溶液中形成沉淀并覆盖在多孔支撑层外表面的方法：所述多孔支撑层材料为聚芳醚砜，半渗透膜层材料为三醋酸纤维素；首先，在溶剂丙酮或CH₂Cl–CH₂Cl中形成三醋酸纤维素的饱和溶液；保持溶剂在较高温度，最好接近其沸点，有利于溶剂的蒸发；膜反应器中充满了浓溶液，溶剂含量慢慢降低；溶液将会润湿多孔支撑层，而溶剂则会挥发掉，三醋酸纤维素会超过其最大溶解度，于是在多孔支撑层表面沉淀下来；即将溶液装填在容器的顶部，容器顶部为压力稍高部分52,底部为压力稍低部分54，溶液由顶部的溶液入口53流入多孔支撑层4中，因为多孔支撑层4能被此高粘度溶液所渗透，因此也会填满支撑材料聚芳醚砜的孔隙；多孔支撑层4的内表面和/或外表面形成C.T.A.半渗透膜层。（见图10）

所述使用Na₂SiO₃的高粘度溶液在中空纤维表面与金属离子发生反应从而形成半渗透膜层，金属离子为铁离子、铝离子、镁离子、镍离子或钴离子；金属离子选用铝离子，硅酸钠溶液56充满多孔支撑层的空隙55，铝离子和硅酸钠溶液56反应：2Al³⁺ + 3SiO₃ ^2-→ Al₂(SiO₃)₃，在多孔支撑层的外表面生成了不可溶的硅酸铝薄膜层57，该薄膜层即为半渗透膜层。（见图11）

工业化规模海水淡化装置的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：海水由海水入口10进入，安装在外壳18内壁上的折流板19能够产生强湍流，海水经中空纤维膜5脱盐后变为淡水，淡水从淡水出口12流出，浓缩海水从海水出口11排出。

所述海水入口10处安装的入口过滤器23将直径超过70μm的大颗粒过滤掉。

装置外壳上海水出口11侧可设置导流板59，导流板59由刚性连接件58连接在装置外壳上靠近海水入口10和海水出口11处，对水流起引导作用，形成自动循环海水系统。

所述淡水从工业化规模海水淡化装置的淡水出口12流出后由淡水收集罐淡水入口26流入淡水收集罐35；淡水流入淡水收集罐35之后，进入的淡水的盐含量由盐含量分析仪31来检测，即NaCl含量控制器；如果淡水中盐含量太高，那么淡水入口阀门25将通过分析仪31自动关闭；淡水进入竖直内管33中，由液位控制器28来测量竖直内管33中的液位，液位上升时，调节阀30将会开得更大；泵27从竖直内管33中抽取液体；淡水通过泵27和送水管线37输送到海平面以上的工作平台40；所述工作平台40通过电缆29为泵27提供电力。（见图8）

所述工作平台40为方便提供电力和淡水输出的浮动平台、固定平台或者容器；所述工作平台40连接储存淡水的集装箱39，集装箱39会通过拖船运输到海岸或港口。（见图8）

所述淡水收集罐35通过压力平衡管线36维持常压，通过连接锁链38安装在需要的深度。（见图8）

所述淡水收集罐35的底部连接其它海水淡化装置的管口32。（见图7）

所述泵27是在大气压下工作的离心泵，泵27通过电缆29提供动力；所述竖直内管33上安装阀34，当内管中液位太高时关闭阀34。（见图8）

所述工业化规模海水淡化装置连接能量回收装置45；盐含量为3.5wt%、压力1bar的海水通过上汽缸入口管线42和上汽缸下入口阀41通入到能量回收装置45的上汽缸活塞44下面的区域，推动中心柱向上移动，上汽缸活塞44上面区域的海水压力上升至50 bar；含盐量3.5wt%、压力50bar的海水从上汽缸上部的出口阀43离开上汽缸；经过海水淡化装置后，含盐量为7wt%、压力49 bar的浓盐水通过下汽缸下入口阀48和下汽缸管线49进入能量回收装置45的下汽缸活塞47下面的区域，推动下汽缸活塞47向上运动，将进入下气缸活塞47上面的含盐量7wt%、压力1bar的海水从下气缸上部的出口阀46排出，此时能量回收装置45内通过下气缸上部的出口阀46保持常压；当上气缸活塞44和下气缸活塞47处于最高位置后，中心柱下降，3.5wt%的海水通过上汽缸上入口阀50进入上汽缸活塞44上面的区域；下气缸活塞47向下运动，7wt%的海水通过下汽缸上入口阀51进入下汽缸活塞上面的区域，直到上气缸活塞44和下气缸活塞47达到最低位置。（见图9）

所述金属丝网1的规格为：

	金属丝网厚度	金属丝网开孔大小
			目数	μm	μm
20	350	920
			25	300	716
30	2601	587¹
			40	220	415
50	200	308
			60	160	263
80	140	178
			100	115	139
120	90	122
			150	65	105
200	55	72

选用外径为560μm 的中空纤维膜5则金属丝网的开孔为587μm；因此，两根中空纤维膜5之间的空白距离为260 + 27 = 287μm。外壳18中的过滤器23（开孔为287μm的25%，大概72μm）能够阻止一些大颗粒对中空纤维造成污染。

金属丝网每个开孔安装单根中空纤维膜时其所占表面积为0.717mm²，1 m²的表面积大概可以安装

1,400,000根中空纤维膜5。

中空纤维膜5可以合并在一起，通过一个尺寸足够大的特殊开孔在金属丝网上安装。

应用案例及实施效果：

1、将工业化规模海水淡化装置安装好。外壳18内径为1000 mm，中空纤维膜5净长度为5000 mm。金属丝网1上的开孔大小为587μm，金属丝网1厚度为260μm。中空纤维膜5的外径为560μm，内径为460μm（中空纤维膜5壁厚为50μm）。流经中空纤维膜5管壁的淡水压降为1bar，这个压降可以接受。外壳18上的折流板19宽度为230 mm，无金属丝网区域的面积为0.47 m²。因此，一共可以安装650,000根中空纤维膜5，提供表面积为4700 m²，淡水日产量为2820 m³（中空纤维膜淡水日流通量为0.6m³/m²）。

压力60 bar、产生的浓盐水NaCl浓度为70000 ppmwt、泵效率为70%的条件下，能耗为17 kJ/kg H₂O。

2、工业化规模海水淡化工艺应用在海平面下350 m处的离岸作业中，产生约35 bar的静压，为反渗透工艺提供了足够的驱动力。中空纤维的内部压力一般通过保持收集罐常压而维持在1 bar。工艺的能源消耗主要就是将淡水泵至海平面的能耗，仅有5 kJ/kg H₂O。

3、根据本发明的要求，将一根尺寸为：长×内径=1.37m×0.25 m（此处长度是指封头切线到切线的距离）水平安装的压力外壳与中空纤维管束装配在一起，金属丝网开孔大小263μm，厚度为160μm。安装273740根外径250μm内径160μm的中空纤维膜5，表面积为288 m²。聚合材料和中空纤维膜5底端一起构成的法兰通过刚性件20连接到装置外壳18上，保持中空纤维管束处于水平位置。淡水日流通量为1100kg/m²，淡水日产量为317 m³。

4、在一个长2.0 m、规格8ʺ、管子表号80、外径200mm的外壳中安装一束外径为160 mm的中空纤维膜5管束（中空纤维膜5外径为200 μm)。中空纤维膜5数量为502655，提供的表面积为632 m²。膜的淡水日流通量为0.5 m³/m²时，装置淡水日流通量为316 m³/m²，比表面积为10000m²/m³。

一个人口数量为1.5 x 10⁶的城市如巴塞罗纳，其淡水日需求量为180000 m³（每人每天用水量为0.12 m³），淡水制造厂仅需要570个这样的中空纤维膜管束元件。

5、中空纤维膜管束制备过程如下：将2500根中空纤维膜5作为一个管束放置在一个桶中，中空纤维膜5的外径200μm，内径100 μm，管束外径为10 mm，桶的底部有一层20mm厚的蜂蜜层。然后将中空纤维膜5管束两面都与粘合剂/混凝土/气体混凝土等粘合。然后取出177支已经粘合的中空纤维膜5管束，并在一个直径为150 mm的桶中将它们两端再次粘合。注意，此时金属丝网还没有安装。

将中空纤维膜5管束竖直排列，然后将内部填满水玻璃Na₂SiO₃（硅酸钠），等到所有的孔隙和外侧都浸湿了Na₂SiO₃（水玻璃黏度比较大）。然后将外部和内部填满Al₂(SO₄)₃(硫酸铝)。

此时在中空纤维膜5管壁的小孔中将形成硅酸铝。硅酸铝是一种半渗透性的硅酸盐，且不溶于水。

6、在CH2ClCH2Cl (二氯乙烷)中制备一份C.T.A.的饱和溶液。将中空纤维管壁浸入到该溶液中，从外侧到内侧。然后将两侧的溶液都排净，并用合适的介质如氮气来干燥。此时的中空纤维管壁已经充满了半渗透性介质。

7、计算知中空纤维管的最佳内径为150μm左右。如果中空纤维膜的淡水日流通量为0.5 m³/m²，一根长度为2 m、内径为150 μm（外径为250μm）的中空纤维内的压降为0.7 bar。内径稍小则会导致更大的压降，使得海水侧的压力更高。内径稍大则会减少中空纤维的数量，提供的表面积也减少，单位体积的反渗透装置的淡水产量也减小了。

8、海水流量为100 m³/h时，增大其压力至50 bar，这是7.0 wt% NaCl溶液的渗透压。一般海水盐含量为3.5wt %，相应的渗透压为25 bar。泵所需能量计算式为100 m³/h × 50 bar/ 36 ×0.7，泵效率系数为0.7。淡水产量为50m³/h，其中盐含量很低(<500ppm wt)，废海水产量50 m³/h，盐含量7.0 wt %。因此，淡水产量1 m³/h时，泵的能耗为4.0 kW，即14.4 kJ/kg H₂O。将M.S.F.（多级闪蒸）的能耗与R.O.工艺4.0 kW的能耗相比，M.S.F.的能耗计算主要依据水的蒸发所耗费的能量和回收的能量。100℃ 时水蒸发所需的能量为 Q = 539 kcal/kg即2256 kJ/kg (kcal/kJ的换算因子为 4.186)。假设能量回收率为88%，则所需能量为2256×0.12×1000/3600 = 75 kW，比R.O.工艺的能耗要大很多。

R.O.工艺从废盐水(50 m³/h, 50 bar) 中进行能量回收，计算式为50×50/36×0.7，此时淡水产量为50 m³/h ，即每立方米淡水能耗为2.0 kW，即为7.2 kJ/kg H₂O。

9、常压海水流量为100 m³/h时，增大其压力至50 bar。海水盐含量为3.5wt %时相应的渗透压为25 bar，而盐含量为7.0wt %时相应的渗透压为50bar。因此淡水流通量可以达到50 m³/h。当泵效率为70%，为增大全部流体压力的能耗为198 kW(100×50/36×0.7)。

10、常压海水流量为100 m³/h时，通过一个泵增大其压力至37.5 bar。海水盐含量为3.5wt %时相应的渗透压为25 bar，而盐含量为4.67wt %时，相应的渗透压为37.5bar(75 X + 25 × 0 = 100 × 3.5， X=4.67)。因此淡水流通量可以达到25 m³/h。通过另一个泵将剩余的流通量为75 m³/h的流体压力增大至50 bar，这可使淡水总流通量达到50 m³/h。能耗为100×37.5/36×0.7 + 75×12.5/36×0.7 = 186 kW ，从而将泵的能耗从198 kW降低到186kW。

11、对于脱盐工艺来说，公用工程的消耗是很重要的。下表给出了不同工艺的能量需求。

1）分为两个压力增长阶段: 1 → 37.5 bar → 55 bar。

2）配有能量回收装置，从浓盐水中进行能量回收。

3）泵效率为88 %。

4）2 x 55 / 36 x 0.7 = 4.4 kW，1 kWh / m³ 即为3.6kJ / kg。

Claims (10)

1.工业化规模海水淡化装置，其特征在于它利用海水的重力势能实现反渗透海水淡化工艺，该装置包括外壳、外壳两端封头和中空纤维膜；所述外壳上有海水入口、海水出口,顶部封头有淡水出口；所述中空纤维膜固定在外壳内；所述中空纤维膜至少一端为打开；所述中空纤维膜由多孔支撑层和半渗透膜层构成，所述半渗透膜层覆盖于多孔支撑层的表面；所述封头安装于外壳两端；打开端为常压，中空纤维膜外壁压力至少为25bar。

2.根据权利要求1所述工业化规模海水淡化装置，其特征在于所述中空纤维膜竖直安装在外壳内，中空纤维膜的顶端打开，底端打开或密封；中空纤维膜固定在顶部法兰和底部法兰之间；所述顶部法兰安装于外壳顶部；所述底部法兰通过刚性件固定于外壳底部。

3.根据权利要求2所述工业化规模海水淡化装置，其特征在于所述中空纤维膜的顶部通过混凝土或复合材料与金属丝网构成的顶部法兰固定；所述中空纤维膜的底部通过混凝土或复合材料与金属丝网构成的底部法兰固定；所述复合材料为二组分的胶或环氧树脂；所述顶部法兰和底部法兰之间连接有刚性件；所述底部法兰下端连接阻止中空纤维膜上行使其保持原位的重力补偿物；所述金属丝网上有安装中空纤维膜的开孔；金属丝网的开孔中安装至少一根中空纤维膜。

4.根据权利要求1所述工业化规模海水淡化装置，其特征在于所述中空纤维膜由多孔支撑层和半渗透膜层构成，呈管状；所述半渗透膜层覆盖于多孔支撑层的表面；所述多孔支撑层的壁厚为25-100μm；半渗透膜层的厚度为0.1-0.5μm；管状中空纤维膜的内径为100-800μm；所述中空纤维膜的支撑层为能承受50bar压力的多孔材料，选用聚芳醚砜、多孔玻璃、陶瓷材料或者烧结金属；半渗透膜层为选择性透过材料，选用醋酸纤维素C.A.、二醋酸纤维素C.D.A.、三醋酸纤维素C.T.A.、金属硅酸盐或聚酰胺。

5.根据权利要求1所述工业化规模海水淡化装置，其特征在于所述外壳内壁上安装有折流板；所述外壳顶部通过外壳顶法兰连接顶部封头，底部通过外壳底法兰连接底部封头；所述顶部封头上有淡水出口及手孔，在外壳顶部封头空间内填充玻璃球或瓷球；所述外壳顶法兰和顶部封头法兰的连接处有承载玻璃球或瓷球的多孔烧结金属板及密封垫片；所述外壳及中空纤维膜均为圆柱形；外壳顶部封头和底部封头采用椭圆封头；所述海水入口处安装有入口过滤器；所述淡水出口连接淡水收集罐；所述装置外壳上海水出口侧设置对水流起引导作用的导流板。

6.根据权利要求1所述工业化规模海水淡化装置，其特征在于所述工业化规模海水淡化装置安装在海平面下350-500m处，相应的液体静压为35-50bar；或者所述工业化规模海水淡化装置连接能量回收装置。

7.根据权利要求4所述海水淡化装置，其特征在于所述中空纤维膜的半渗透膜层的制作方法为：

第一种方法：将半渗透膜材料溶解在溶剂中，该溶剂能通过多孔支撑层，在溶液中形成沉淀并覆盖在多孔支撑层外表面；

或者，第二种方法：将半渗透膜材料溶解到一种挥发性溶剂中，将混合液喷涂在多孔支撑层上，当溶剂挥发完之后，薄膜材料就沉淀在多孔支撑层的表面；

或者，第三种方法：聚芳醚砜多孔支撑层先用高粘度水溶液所浸渍；中空纤维膜开始运行后，溶质溶解在流经的水中；所述高粘度水溶液选用浓糖水；

或者，第四种方法：使用Na₂SiO₃的高粘度溶液在中空纤维表面与金属离子发生反应从而形成金属硅酸盐薄膜层,该薄膜层即为半渗透膜；通过将酸加入到中空纤维的内侧，水溶性的Na₂SiO₃转变为胶状，这种胶能够支撑外侧的金属硅酸盐薄层，且能方便水渗透。

8.根据权利要求7所述工业化规模海水淡化装置，其特征在于所述当采用第一种方法时，不能通过多孔支撑层的半渗透膜材料将会越积越多，最终在溶液中形成沉淀并覆盖在多孔支撑层外表面；

当采用第二种方法时，所述多孔支撑层材料为聚芳醚砜，半渗透膜层材料为三醋酸纤维素；首先，在溶剂丙酮或CH₂Cl–CH₂Cl中形成三醋酸纤维素的饱和溶液；保持溶剂在有利于溶剂的蒸发的温度；膜反应器中充满了浓溶液，溶剂含量慢慢降低；溶液将会润湿多孔支撑层，而溶剂则会挥发掉，三醋酸纤维素会超过其最大溶解度，于是在多孔支撑层表面沉淀下来；

当采用第三种方法时，将溶液装填在容器的顶部，容器顶部为压力稍高部分底部为压力稍低部分，溶液由顶部的溶液入口流入多孔支撑层中，多孔支撑层被高粘度溶液所渗透，填满支撑材料聚芳醚砜的孔隙；多孔支撑层的内表面和/或外表面形成C.T.A.半渗透膜层；

当采用第四种方法时，所述使用Na₂SiO₃的高粘度溶液在中空纤维表面与金属离子发生反应从而形成半渗透膜层，金属离子为铁离子、铝离子、镁离子、镍离子或钴离子；选用铝离子时，铝离子和硅酸盐反应：2Al³⁺+3SiO₃ ^2-→Al₂(SiO₃)₃，在多孔支撑层的外表面生成了不可溶的硅酸铝薄膜层，该薄膜层即为半渗透膜层。

9.权利要求1所述工业化规模海水淡化装置的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：海水由海水入口进入，安装在外壳内壁上的折流板能够产生强湍流，海水经中空纤维膜脱盐后变为淡水，淡水从淡水出口流出，浓缩海水从海水出口排出。

10.根据权利要求9所述工业化规模海水淡化装置的工作方法，其特征在于所述海水入口处安装的入口过滤器将直径超过70μm的大颗粒过滤掉；

所述装置外壳上海水出口侧设置对水流起引导作用的导流板，导流板由刚性连接件连接在装置外壳上靠近海水入口和海水出口处，形成海水自动循环系统；

所述淡水从海水淡化装置的淡水出口流出后由淡水收集罐淡水入口流入淡水收集罐；淡水流入淡水收集罐之后，进入的淡水的盐含量由盐含量分析仪来检测，即NaCl含量控制器；如果淡水中盐含量太高，那么淡水入口阀门将通过分析仪自动关闭；淡水进入竖直内管中，由液位控制器来测量竖直内管中的液位，液位上升时，调节阀将会开得更大；泵从竖直内管中抽取液体；淡水通过泵和送水管线输送到海平面以上的工作平台；所述工作平台通过电缆为泵提供电力；

所述工作平台为方便提供电力和淡水输出的浮动平台、固定平台或者容器；所述工作平台连接储存淡水的集装箱，集装箱会通过拖船运输到海岸或港口；

所述淡水收集罐通过压力平衡管线维持常压，通过连接锁链安装在需要的深度；

所述淡水收集罐的底部有连接海水淡化装置的管口；

所述泵是在大气压下工作的离心泵，泵通过电缆提供动力；所述竖直内管上安装控制阀，当内管中液位太高时关闭该阀门。