CN103864162B - 一种利用微波负压海冰淡化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用微波负压海冰淡化方法，该方法包括如下步骤：1)将海冰放入微波装置；2)在微波装置中加热海冰；3)步骤2)中加热后的海冰进入搅拌装置；4)搅拌破碎海冰，并将海冰送入负压装置经负压过程处理。本发明在海冰淡化生产过程中，具有可连续性好、脱盐率高、排盐迅速、淡水损失率低、耗能低等优点，可适用于有冰海岸、码头或船坞等海冰淡化研究阶段和工业化生产阶段，对于促进海冰/海水淡化产业的发展，对于缓解淡水资源匮乏的问题，对于增加生产、生活用水储量和改善环境等方面，具有显著的经济、社会和环境效益。

Description

一种利用微波负压海冰淡化方法

技术领域

本发明涉及海冰/海水淡化技术领域，特别是涉及一种利用微波负压海冰淡化方法。

背景技术

我国淡水资源总量为2.7万亿立方米，居世界第六位，人均水量只相当于世界人均占有量的1/4，居世界第110位。水资源在区域分布上也很不均匀，其中，环渤海地区是我国水质性缺水最为严重的地区之一。环渤海区域是我国继珠三角和长三角地区之后发展起来的第三个经济增长极，随着产业和人口在这里的急速聚集，对摆脱淡水资源量束缚的愿望异常迫切。渤海海冰是一种灾害，更是一种资源。研究表明，正常年份环渤海海冰可开采100亿立方米～200亿立方米/次，因为海冰开采后会再生长，如果按年平均生长4～5次计算，那么整个渤海地区的海冰潜在可开采资源量最高可达1000亿立方米/年，将超过黄河1年的入海流量。因此若将巨大的海冰储量转化为廉价的淡水资源，对区域经济持续发展、环境改善等具有重要作用和战略意义。

在海上，海冰是由在低温环境下形成的淡水冰晶、冰针和冰片发生合并、生长而成，一部分海水浓缩后被包围在合并时形成的穴及晶格内，而另一部分则从冰晶间析出流入下面的海水中；而穴或晶格内的浓盐水形成了所谓的“盐水胞”或“卤水胞”，向下生长的冰晶大多以矩阵状排列，使固态海冰具有纵向节理属性。所以，海冰结构不同于淡水冰结构，它并不是单纯的冰晶，而是固体冰晶、盐水胞和少量固体杂质组成的固、液、气三相混合物。海冰的盐分主要来自晶体间的盐水胞，而盐水胞的盐分浓度和数量决定着海冰含盐量的高低，因此如何将海冰内的盐水胞去除是海冰淡化的关键。

自我国科学家史培军教授等人首次提出海冰淡化概念以来近18年的时间里，以北京师范大学为主的科研团队陆续开展了一系列相关工作。研究表明，根据海冰自然融化时咸淡分离原理，通过简单物理方法可实现海冰脱盐淡化。目前常见的海冰脱盐淡化方法有：浸泡脱盐法、离心脱盐法、浸泡离心脱盐法、控温冻融重力脱盐法等。实质上，海冰淡化方法主要分为两类，一种是利用热传导、对流、热辐射等由外及里的升温融冻方式，使海冰内部盐水胞扩张逐渐形成排盐通道，最终实现咸淡水分离海冰淡化的目的，但该方法淡化周期长，连续化程度低,一般需要1-2个月时间，如中国专利200510092863.7。另外一种，是采用海冰机械高度破碎后进行离心、浸泡等排盐淡化方法，该方法中需要将海冰内部大小不一的盐水胞全部打碎，使盐水胞个体破坏并暴露出来，才能真正释放浓盐水，即海冰脱盐淡化效果与海冰破碎程度有直接关系，比如海冰经过多次机械破碎，直到冰晶粒径达3mm左右，再利用高速离心过程才能海冰淡化获得较好效果,（见中国专利201210384736.4，实际上绝大多数海冰盐水胞长度小于1mm，见图3）。综上所述，现有海冰淡化方法中，控温冻融重力脱盐方法具有周期长、连续性差等缺点；而传统机械破碎浸泡、离心等方法具有物料破碎程度要求高、工作效率低、耗能高等缺点，均是困扰当前海冰淡化方法研究和产业化生产研究中遇到的关键问题和瓶颈。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种利用微波负压海冰淡化方法，本方法解决了传统热传递过程中海冰盐水通道形成缓慢、淡化周期长和连续化生产效率低等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种利用微波负压海冰淡化方法，该方法包括如下步骤：

1)将海冰放入微波装置；

2)在微波装置中加热海冰；

3)将步骤2)中加热后的海冰送入搅拌装置；

4)搅拌海冰，将搅拌后的海冰送入负压装置经负压过程处理，得到淡水冰。

优选地，步骤1)所述海冰厚度为5～50cm，海冰含盐量为1～15g/L。

优选地，步骤1)所述微波装置为微波加热装置，所述微波加热装置的腔体上、下壁安装微波频率为890MHz～24.125GHz的微波发生器；所述腔体高度为30～60cm，宽度为50～100cm。该腔体尺寸可以保证海冰顺利通过及在微波有效穿透深度范围内；另外，该微波加热装置具有微波防泄漏保护措施。

优选地，步骤2)所述加热的条件为在微波890MHz～24.125GHz的频率下加热海冰0.1～5分钟。加热后，冰内卤水通道迅速形成，海冰冰晶胶结物溶解，海冰物理粘性和硬度大幅降低。加热停止时，海冰内部排盐孔道连通，卤水下渗使冰块上层颜色逐渐变白下层逐渐变暗。加热时间，主要根据微波源频率及设备电功率大小进行选择，加热时间与设备功率和微波频率成反比，与海冰进料量成正比；如1kg左右的海冰，功率为20KW，微波频率915MHz时，加热时间仅需几十秒钟；功率为700W，微波频率2450MHz时，加热时间约4分钟。

优选地，步骤3)所述进入搅拌装置的条件为海冰从至少3米高处自由坠入搅拌装置。由于海冰冰晶胶结结构已经软化，经自由坠落，冰块与搅拌装置撞击后，海冰冰晶的胶结结构松动，沿着节理方向开裂，达到初步破碎效果。由于利用海冰自身重力作用下的自由坠落撞击过程，可以减少机械破碎的设备投资及额外能量消耗；另外避免了机械对冰晶颗粒的结构破坏，减少细小冰屑对大孔隙排盐通道的堵塞，有利于海冰快速排盐；在传统海冰破碎方法中，由于大块海冰无法顺利进入破碎装置进料口，而需人工敲击破碎，本发明设置的由高处坠落破碎的环节，起到了节省人工，减少投入的效果。

优选地，步骤4)所述搅拌指将海冰均匀破碎，且保留冰晶完整性。虽然经微波加热处理及坠落撞击使海冰初步破碎，但破碎程度不均匀的海冰不利于负压抽盐效率，因此此处设置搅拌装置，转速为25～300r/min，时间为1～2分钟。25～300r/min的低速搅拌可使海冰均匀破碎，且最大限度保留了冰晶的完整性；海冰经搅拌破碎均匀后，送入负压装置。

优选地，步骤4)所述负压处理指在海冰表面均匀喷洒淡水后，由负压装置底部排水孔，降压抽排浓盐水30～60秒，淡水冰晶和浓盐水分离，浓盐水回收提纯，淡化冰存储备用。经淡水冲淋，冰晶附着的盐水也迅速下渗；再经负压过程，海冰中淡水冰晶和浓盐水迅速分离；浓盐水经管道回收提纯，无废水排放。由于尽最大可能的保留了大粒径冰晶颗粒的比例，因此提高了负压装置工作的效率，与淡水喷淋冲洗环节配合整体提高了海冰淡化脱盐效率和水质。

本发明的有益效果如下：

海冰在冬季低温条件下形成，且具有一定粘性和硬度，因此利用机械破碎难度较大，淡化水水质也很难短时间内有所提高。传统连续式海冰脱盐方法对物料的前处理要求较高，海冰物料必须进行多次筛选或多次破碎，该过程费时费力，不易控制，且海冰粘性属性也加强了破碎和冰盐分离的难度。因此，海冰破碎难和冰盐分离效率是影响连续化快速海冰淡化的关键点。本发明在海冰淡化生产过程中，具有可连续性好、脱盐率高、排盐迅速、淡水损失率低、耗能低等优点，可适用于有冰海岸、码头或船坞等海冰淡化研究阶段和工业化生产阶段，对于促进海冰/海水淡化产业的发展，对于缓解淡水资源匮乏的问题，对于增加生产、生活用水储量和改善环境等方面，具有显著的经济、社会和环境效益。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1为一种利用微波负压海冰淡化方法的流程图；

图2为不同加热时间的微波海冰排盐孔道形成差异示意图；

图3为不同时间下微波与室温处理下海冰排盐孔道变化图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面将通过具体的实施例进一步说明本发明的方案，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，但不限于此。

实施例1

下面以Nacl配置盐水结冰替代海冰进行的实验为例，对本发明方法做进一步的说明。

1.海冰为含盐量8g/L的正方体，重量分别为0.5kg、1kg、8kg。将海冰送入功率为700W，微波频率为2450Mhz的“美的MM721AAU-PW”微波炉中，连续旋转加热。

2.利用2450MHz高频微波加热3分钟，海冰颜色由下至上逐渐变暗，表明盐水已充满孔隙，排盐通道逐渐形成；当暗颜色升至冰块高度的1/2处时，停止加热，取出海冰。

3.将海冰由3m高处自由坠入搅拌装置，启动搅拌过程，转速设定为300转/min，搅拌2min。

4.在搅拌装置停止搅拌后，将海冰送入负压装置，海冰表面均匀喷洒蒸馏水量，喷洒的降水量为20mm，用0.8MPa负压泵抽气排水60秒，结束负压排盐。经测定三种重量的海冰平均淡化水盐度0.3±0.2g/L,脱盐率94±4%，产水率55±5%。

实施例2

本实施例以渤海黄骅段海冰为例，对本发明方法做进一步的说明。

1)海冰含盐量为5.5g/L，重量分别约为0.8kg的矩形冰块。将海冰送入功率为700W，微波频率为2450MHz的“美的MM721AAU-PW”微波炉中，连续旋转加热，时间处理为0分钟、1分钟、2分钟、3分钟、4分钟。

2)微波加热后，冰晶胶结结构松动，粘性大幅降低，内外硬度一致；而纯水冰的内部温度仍然较低，与初始温度差别不大，且有冰核存在，其硬度与初始硬度基本一致。

3.将海冰由3m高处自由坠入搅拌装置。

经微波处理后的冰块坠落后90%以上的冰块长度小于10cm，而未经微波处理的冰块坠落后只有10%的冰块长度小于10cm，冰块坠落入搅拌装置后，经过搅拌破碎1min，冰块直径约为1cm。

4.在搅拌装置停止搅拌后，将破碎的海冰送入负压装置。

经搅拌后，海冰颗粒直径小于1cm，即已经小于海冰内部盐水通道的长度，因而确保了海冰颗粒排盐通道上下贯通，详见图3。将经搅拌后破碎的海冰送入负压装置，海冰表面均匀喷洒盐度为0g/L、水量约为海冰量5%的淡水，利用0.8MPa负压泵抽气排水45秒，结束负压排盐。经测定，微波加热3min处理下，海冰淡化水盐度约0.3g/L,海冰脱盐率95%，产水率50%，其中加热4分钟时，淡化水盐度0.2g/L，海冰脱盐率96%，产水率约45%；而未经微波加热的海冰经破碎、淡水淋洗和负压排盐，最终淡化水盐度大于2g/L，脱盐率小于64%。

图2为染色处理示意图，将海冰染色8分钟后，对海冰进行加热，可以看到在不同加热时间下的海冰排盐通道差别。

实施例3

重复实施例2，不同之处在于微波加热后的海冰经机械破碎，冰块直径约为3cm，经测定，微波加热4分钟的淡化水盐度为1.2g/L，海冰脱盐率75%，产水率约30%。

比较实施例3和2，可以看出经自由坠落的海冰由于保留了冰晶的完整性，避免了机械对冰晶颗粒的结构破坏，减少了细小冰屑对大孔隙排盐通道的阻塞，因而具有更好的海冰淡化效果。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种利用微波负压海冰淡化方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将海冰放入微波装置；

2)在微波装置中加热海冰；

3)将步骤2)中加热后的海冰送入搅拌装置；

4)搅拌海冰，将搅拌后的海冰送入负压装置经负压过程处理，得到淡水冰；

其中，步骤2)所述加热的条件为在890MHz～24.125GHz的微波频率下加热海冰0.1～5分钟。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)所述海冰厚度为5～50cm，海冰含盐量为1～15g/L。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)所述微波装置为微波加热装置，所述微波加热装置的腔体上或下壁安装微波频率为890MHz～24.125GHz的微波发生器；所述腔体高度为30～60cm，宽度为50～100cm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)所述加热的条件为在915MHz～2450MHz微波频率下加热海冰0.1～5分钟。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)所述送入搅拌装置的条件为海冰从至少3米高处自由坠入搅拌装置。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4)所述搅拌的转速为25～300r/min，搅拌时间为1-2分钟。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4)所述负压过程处理指在海冰表面均匀喷洒淡水后，由负压装置底部排水孔，降压抽排浓盐水30～60秒，淡水冰和浓盐水分离，浓盐水回收提纯，淡水冰存储备用。