CN103663821B - 一种海水淡化方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种海水淡化方法和系统，所述方法先对需要淡化的原料液进行正渗透处理，原料液中的水从正渗透膜的低渗透压侧透过膜进入低渗透压侧的汲取液中；接着将所述汲取液加压后进行反渗透处理，在反渗透膜的低压侧得到脱盐的淡水；最后对脱盐的淡水进行膜蒸馏处理，水蒸汽透过膜，冷凝后得到纯化的淡水。相应地，海水淡化系统包括：原料液罐、汲取液罐、集水罐、正渗透膜组件、反渗透膜组件、膜蒸馏组件、蠕动泵、高压泵、加热器、冷凝器。本发明的方法和系统，能量消耗低，正渗透和膜蒸馏过程均不需要外加压力，对膜的污染较低，污染易于去除。

Description

一种海水淡化方法和系统
技术领域
本发明涉及水处理领域，具体涉及一种海水淡化方法和系统，主要用于海水淡化过程制备纯水。
背景技术
随着世界人口和经济的飞速发展，地球上的水资源呈现出日益匮乏的趋势，水资源危机成为制约社会发展进步的重要因素。目前地球上可直接使用的淡水资源仅占所有水资源的0.77%，而地球上的海水资源非常丰富，海洋占地球总面积的75%以上，因此对海水进行淡化处理以得到日常生活所需的淡水资源具有重要的意义。
传统的全膜法水处理设备是综合传统的膜法水处理过程而形成的，采用超、纳滤膜法过程进行海水淡化的前处理，反渗透作为脱盐的核心过程，电渗析作为后处理保证出水纯度。但是该种全膜法水处理设备能耗较高，且膜易污染。因此，需要研发一种新型的海水淡化技术。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种新型的海水淡化技术。
本发明的第一方面，提供一种海水淡化方法，包括以下步骤：
(a)对需要淡化的原料液进行正渗透处理，所述原料液中的水从正渗透膜的低渗透压侧透过膜进入低渗透压侧的汲取液中；
(b)将所述汲取液加压后进行反渗透处理，在反渗透膜的低压侧得到脱盐的淡水；
(c)对所述步骤(b)得到的脱盐的淡水进行膜蒸馏处理，水蒸汽透过膜，冷凝后得到纯化的淡水。
在另一优选例中，所述正渗透膜为醋酸纤维素正渗透膜、或聚酰胺复合正渗透膜，且所述正渗透膜为三层结构，包括依次设置的致密皮层、多孔支撑层和网格支撑层；和/或
反渗透膜为醋酸纤维素膜、聚酰肼膜、或聚酰胺膜，且所述反渗透膜表面微孔的直径为0.5～10nm；和/或
所述膜蒸馏采用疏水性微孔膜，所述疏水性微孔膜为聚丙烯聚四氟乙烯复合微孔膜、聚偏氟乙烯微孔膜、聚丙烯微孔膜、或聚四氟乙烯微孔膜。
本发明的第二方面，提供一种采用第一方面所述的方法进行海水淡化的系统，包括：原料液罐、汲取液罐、集水罐、正渗透膜组件、反渗透膜组件、膜蒸馏组件、蠕动泵、高压泵、加热器、冷凝器，其中，
所述原料液罐用于盛装需要淡化的原料液；
所述正渗透膜组件内部包含正渗透膜，且在所述正渗透膜的低渗透压侧，所述正渗透组件的第一进液管通过所述蠕动泵与所述原料液罐相接，第一出液管与所述原料液罐相连；所述蠕动泵将所述原料液罐内的原料液输入所述正渗透膜组件内；
所述汲取液罐用于盛装汲取液，所述汲取液罐在所述正渗透膜的高渗透压侧通过第二进液管、第二出液管与所述正渗透组件相连，且所述第二出液管上接有蠕动泵，使得所述的原料液和汲取液在所述的正渗透膜的两侧以错流的方式循环流动；
所述反渗透膜组件内装有反渗透膜，在所述反渗透膜的高渗透压侧，所述反渗透膜组件通过第三进液管、第三出液管与所述汲取液罐相接，且所述第三进液管上设置高压泵，汲取液经过所述高压泵进入到所述反渗透膜组件内部，经过反渗透后获得的浓缩的汲取液经所述第三出液管返回到所述汲取液罐中；
所述膜蒸馏组件内装有疏水性微孔膜，在所述疏水性微孔膜的热侧，所述膜蒸馏组件通过第四进液管与所述反渗透膜组件的低渗透压侧相接，通过第四出液管与所述汲取液罐相接，且在所述第四进液管上设置所述加热器，透过反渗透膜的溶液在所述第四进液管内经所述加热器加热后送入到所述膜蒸馏组件内，经膜蒸馏后浓缩的溶液经所述第四出液管返回到所述汲取液罐内；在所述疏水性微孔膜的冷侧，所述膜蒸馏组件通过第五进液管、第五出液管与所述集水罐相连，且在所述第五出液管上设置冷凝器，经膜蒸馏透过疏水性微孔膜的水蒸汽经冷凝成为水后进入到集水罐，所述水经第五进液管进入到所述疏水性微孔膜的冷侧，使得所述的透过反渗透膜的溶液和所述水在所述疏水性微孔膜的两侧以错流的方式循环流动。在另一优选例中，所述正渗透膜为醋酸纤维素正渗透膜、或聚酰胺复合正渗透膜，且所述正渗透膜为三层结构，包括依次设置的致密皮层、多孔支撑层和网格支撑层；和/或
所述疏水性微孔膜为聚丙烯聚四氟乙烯复合微孔膜、聚偏氟乙烯微孔膜、聚丙烯微孔膜、或聚四氟乙烯微孔膜。
在另一优选例中，所述反渗透膜为醋酸纤维素膜、聚酰肼膜、聚酰胺膜，且所述反渗透膜表面微孔的直径为0.5～10nm。
在另一优选例中，所述正渗透膜组件为板式、卷式、中空纤维式或管式。
在另一优选例中，所述反渗透膜组件为板式、卷式、中空纤维式或管式。
在另一优选例中，所述膜蒸馏组件为板式、卷式、中空纤维式或管式。
在另一优选例中，所述第三出液管或第四出液管上接有循环泵。
在另一优选例中，所述第五进液管上接有循环泵。
本发明的海水淡化系统，采用全膜法进行水处理，采用低能耗的正渗透法和膜蒸馏法分别替代了传统能耗较高的超、纳滤膜和电渗析，大大降低了能量消耗，且新型膜法过程的膜污染较传统膜法大大降低，从而大大提高了膜的使用寿命，从根本上降低了使用成本。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
图1为全膜法海水淡化系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明的发明人经过深入研究，意外发现设计出一种新型的海水淡化系统，采用低能耗的正渗透法和膜蒸馏法分别替代了传统能耗较高的超、纳滤膜和电渗析，大大降低了能量消耗，且新型膜法过程的膜污染较传统膜法大大降低，从而大大提高了膜的使用寿命，从根本上降低了使用成本。在此基础上，完成了本发明。
正渗透（Forward Osmosis，FO）
“渗透”在海水淡化、脱盐、水处理领域，又称正渗透，是与反渗透互逆的一对方法。利用膜两侧溶液的渗透压差使得水分子从渗透压较低的一侧透过膜扩散到渗透压较高的一侧，其中具有较低渗透压的一侧溶液为原料液，具有较高渗透压的溶液为汲取液。
正渗透膜是用于正渗透过程中的只允许水分子通过而对其它离子均具有较高截留能力的高分子分离膜，如醋酸纤维素正渗透膜、聚酰胺复合正渗透膜以及商品纳滤膜等一系列对盐和大分子有较高截留率的分离膜。
汲取液是单一溶质溶液，渗透压大于所述需要淡化的原料液的渗透压。所述汲取液指一种渗透压较所需淡化的海水或者苦咸水大得多的高浓度单一溶质溶液，如高浓度盐溶液（如钠盐、钾盐、镁盐、锂盐等）、糖类大分子溶液（如葡萄糖、蔗糖、乳糖、麦芽糖等）等。如接近饱和度的3-5M的KCl盐溶液、3-6M的KBr溶液、3-6M的MgCl2溶液等盐溶液、或3-5M的葡萄糖溶液、3-6M的蔗糖溶液等糖类溶液。
通常，渗透膜组件为包括两个膜室，位于所述正渗透膜的低渗透压侧和高渗透压测，分别允许原料液、汲取液在其中流动，以错流的方式。
反渗透（Reverse Osmosis，RO）
反渗透又称逆渗透，一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作。对膜一侧的料液施加压力，当压力超过它的渗透压时，溶剂会逆着自然渗透的方向作反向渗透。从而在膜的低压侧得到透过的溶剂，即渗透液；高压侧得到浓缩的溶液，即浓缩液。若用反渗透处理海水，在膜的低压侧得到淡水，在高压侧得到卤水。
膜蒸馏（Membrane Distillation,MD）
膜蒸馏过程是利用膜两侧溶液的蒸气压差进行分离的膜过程，在蒸气压差的作用下，料液中的挥发性组分以蒸汽形式透过膜使得物质得到分离，在膜的另一侧水蒸汽分子冷凝得到所需的淡水。
具体地，膜的一侧与热的待处理的溶液直接接触（称为热侧），另一侧直接或间接地与冷的水溶液接触（称为冷侧），热侧溶液中易挥发的组分在膜面处汽化通过膜进入冷侧并被冷凝成液相，其他组分被膜阻挡在热侧，从而实现分离。膜两侧的温度差，提供了传质所需的推动力。
疏水性微孔膜
微孔膜从结构上讲，内呈多孔状的结构。通常，孔径范围为0.1微米至10微米。分为亲水性和疏水性。对于膜蒸馏来说，采用疏水性微孔膜，选自：聚丙烯聚四氟乙烯复合微孔膜、聚偏氟乙烯微孔膜、聚丙烯微孔膜、聚四氟乙烯微孔膜等等。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
海水淡化方法
本发明的海水淡化方法，首先对需要淡化的原料液进行正渗透处理，所述原料液中的水从正渗透膜的低渗透压侧透过膜进入低渗透压侧的汲取液中；接着将所述汲取液加压后进行反渗透处理，在反渗透膜的低压侧得到脱盐的淡水；最后对所述脱盐的淡水进行膜蒸馏处理，水蒸汽透过膜，冷凝后得到纯化的淡水。
海水淡化系统
如图1所示，本发明的海水淡化系统，包括：原料液罐1、汲取液罐7、集水罐22、正渗透膜组件3、反渗透膜组件10、膜蒸馏组件15、蠕动泵2、高压泵14、加热器19、冷凝器23，其中，
所述原料液罐1用于盛装需要淡化的原料液；
所述正渗透膜组件3内部包含正渗透膜4，且在所述正渗透膜4的低渗透压侧，所述正渗透组件的第一进液管5通过所述蠕动泵2（该蠕动泵2用于将所述原料液罐1内的原料液输入所述正渗透膜组件3内）与所述原料液罐1相接，第一出液管6与所述原料液罐1相连；
所述汲取液罐7用于盛装汲取液，所述汲取液罐7在所述正渗透膜4的高渗透压侧通过第二进液管8、第二出液管9与所述正渗透组件3相连，且所述第二出液管9上接有蠕动泵2，使得所述的原料液和汲取液在所述的正渗透膜4的两侧以错流的方式循环流动；
所述反渗透膜组件10内装有反渗透膜11，在所述反渗透膜11的高渗透压侧，所述反渗透膜组件10通过第三进液管12、第三出液管13与所述汲取液罐7相接，且所述第三进液管12上设置高压泵14，汲取液经过所述高压泵14进入到所述反渗透膜组件10内部，经过反渗透后获得的浓缩的汲取液经所述第三出液管13返回到所述汲取液罐7中；
所述膜蒸馏组件15内装有疏水性微孔膜16，在所述疏水性微孔膜16的热侧，所述膜蒸馏组件15通过第四进液管17与所述反渗透膜组件10的低渗透压侧相接，通过第四出液管18与所述汲取液罐7相接，且在所述第四进液管17上设置所述加热器19，透过反渗透膜11的溶液在所述第四进液管17内经所述加热器19加热后送入到所述膜蒸馏组件15内，经膜蒸馏后浓缩的溶液经所述第四出液管18返回到所述汲取液罐7内；在所述疏水性微孔膜16的冷侧，所述膜蒸馏组件15通过第五进液管20、第五出液管21与所述集水罐22相连，且在所述第五出液管21上设置冷凝器23，经膜蒸馏透过疏水性微孔膜16的水蒸汽经冷凝成为水后进入到集水罐22，所述水经第五进液管20进入到所述疏水性微孔膜16的冷侧，使得所述的透过反渗透膜11的溶液和所述水在所述疏水性微孔膜16的两侧以错流的方式循环流动。
所述正渗透膜4没有特别的限制，采用本领域常规使用的正渗透膜均能达到本发明的效果，如选用醋酸纤维素正渗透膜、或聚酰胺复合正渗透膜。
较佳地，所述正渗透膜4为三层结构，包括依次设置的致密皮层、多孔支撑层和网格支撑层。
所述反渗透膜11没有特别的限制，采用本领域常规使用的反渗透膜均能达到本发明的效果，如选用醋酸纤维素膜、聚酰肼膜（较佳为芳香族聚酰肼膜）、或聚酰胺膜（较佳为芳香族聚酰胺膜），且所述反渗透膜表面微孔的直径为0.5～10nm。
所述疏水性微孔膜16没有特别的限制，采用本领域常规使用的用于膜蒸馏的疏水性微孔膜均能达到本发明的效果，如选用为聚丙烯聚四氟乙烯复合微孔膜、聚偏氟乙烯微孔膜、聚丙烯微孔膜、或聚四氟乙烯微孔膜。
本发明采用的正渗透膜组件3可以为板式、卷式、中空纤维式或管式。
本发明采用的反渗透膜组件10为板式、卷式、中空纤维式或管式。
本发明采用的膜蒸馏组件15为板式、卷式、中空纤维式或管式。
在另一优选例中，所述第五进液管20上接有循环泵24。
此外，所述第三出液管13或第四出液管18也可以上接有循环泵（图未示）。
本发明的海水淡化技术，采用全膜法进行水处理，能量消耗低，正渗透和膜蒸馏过程均不需要外加压力，对膜的污染较低，污染易于去除，从而大大提高了膜的使用寿命，从根本上降低了使用成本。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种用于海水淡化的系统，其特征在于，所述系统包括：原料液罐、汲取液罐、集水罐、正渗透膜组件、反渗透膜组件、膜蒸馏组件、蠕动泵、高压泵、加热器、冷凝器，其中，
所述原料液罐用于盛装需要淡化的原料液；
所述正渗透膜组件内部包含正渗透膜，且在所述正渗透膜的低渗透压侧，所述正渗透膜组件的第一进液管通过所述蠕动泵与所述原料液罐相接，第一出液管与所述原料液罐相连；所述蠕动泵将所述原料液罐内的原料液输入所述正渗透膜组件内；
所述汲取液罐用于盛装汲取液，所述汲取液罐在所述正渗透膜的高渗透压侧通过第二进液管、第二出液管与所述正渗透膜组件相连，且所述第二出液管上接有蠕动泵，使得所述的原料液和汲取液在所述的正渗透膜的两侧以错流的方式循环流动；
所述反渗透膜组件内装有反渗透膜，在所述反渗透膜的高渗透压侧，所述反渗透膜组件通过第三进液管、第三出液管与所述汲取液罐相接，且所述第三进液管上设置高压泵，汲取液经过所述高压泵进入到所述反渗透膜组件内部，经过反渗透后获得的浓缩的汲取液经所述第三出液管返回到所述汲取液罐中；
所述膜蒸馏组件内装有疏水性微孔膜，所述疏水性微孔膜为聚丙烯聚四氟乙烯复合微孔膜、聚偏氟乙烯微孔膜、聚丙烯微孔膜、或聚四氟乙烯微孔膜，孔径范围为0.1-10微米，在所述疏水性微孔膜的热侧，所述膜蒸馏组件通过第四进液管与所述反渗透膜组件的低渗透压侧相接，通过第四出液管与所述汲取液罐相接，且在所述第四进液管上设置所述加热器，透过反渗透膜的溶液在所述第四进液管内经所述加热器加热后送入到所述膜蒸馏组件内，经膜蒸馏后浓缩的溶液经所述第四出液管返回到所述汲取液罐内；在所述疏水性微孔膜的冷侧，所述膜蒸馏组件通过第五进液管、第五出液管与所述集水罐相连，且在所述第五出液管上设置冷凝器，经膜蒸馏透过疏水性微孔膜的水蒸汽经冷凝成为冷凝水后进入到集水罐，所述冷凝水经第五进液管进入到所述疏水性微孔膜的冷侧，使得所述的透过反渗透膜的溶液和所述冷凝水在所述疏水性微孔膜的两侧以错流的方式循环流动；
其中，所述正渗透膜为醋酸纤维素正渗透膜、或聚酰胺复合正渗透膜，且所述正渗透膜为三层结构，包括依次设置的致密皮层、多孔支撑层和网格支撑层；
所述反渗透膜为醋酸纤维素膜、聚酰肼膜、聚酰胺膜，且所述反渗透膜表面微孔的直径为0.5～10nm。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述正渗透膜组件为板式、卷式、中空纤维式或管式。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反渗透膜组件为板式、卷式、中空纤维式或管式。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述膜蒸馏组件为板式、卷式、中空纤维式或管式。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第三出液管或第四出液管上接有循环泵。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第五进液管上接有循环泵。
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