CN104773796B - 海水淡化系统及海水淡化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海水淡化系统及海水淡化方法，其系统包括直流电流源、金属导线、电极、若干个由玻璃片与PDMS芯片构成的微流控芯片，进液管、注射泵以及连接微流控芯片的淡水出液管、浓缩海水出液管与缓冲通道的俩输液管；直流电流源通过金属导线连接微流控芯片的各微通道端口位置的电极；淡水出液管、浓缩海水出液管分别连接各自的收集槽。本发明是令海水中的杂质粒子在电场的作用下发生离子浓差极化现象，然后海水在外界压力的作用下，杂质粒子和淡水达成分离，具制作成本低，体积小可以实现随身携带等功效。

Description

海水淡化系统及海水淡化方法

技术领域

本发明涉及海水淡化，特别是一种海水淡化系统及海水淡化方法。

背景技术

众所周知，地球71％的表面都被水覆盖，而能供人们生活用的淡水资源仅仅占全部水资源的2.5％，与其相对应的海水含量却占据了97.5％，随着世界人口增长、现代工业的高速发展，对水资源，特别是淡水资源的需求量越来越大。因此，淡水资源匮乏已经成为当今世界面临的非常严峻的全球性问题。

近些年，随着越来越多的国家对水资源匮乏问题的重视，通过海水淡化方法，获得淡水资源也被认为是最佳途径，随之出现的海水淡化的方法也非常之多，主要有反渗透法、电渗析法、蒸馏法、太阳能法、特制膜过滤法等等，而其中被广泛应用且技术发展较成熟的方法有反渗透法、电渗析法以及蒸馏法。

反渗透法实现海水淡化，主要借用装置中的一种半透膜，使得膜两侧产生渗透压，再在盐水一侧施加外界压力，且该压力值要大于渗透压，于是，盐水中一部分水就反渗透到淡水一侧，从而实现分离出淡水的目的。该法应用较早且技术相对成熟，但问题是在淡化过程中，需要很高的外界压力，对配套设施要求较高，设备维修也较麻烦，因此提高了淡化成本。

电渗析法实现海水淡化，其核心组成部分就是离子交换膜，在高强电压的作用下，海水中的阴离子和阳离子分别选择透过交替组合的阴、阳离子交换膜，在不同的收集设备中分别得到淡水和浓缩海水，从而实现海水分离的目的。该法在化工、能源、生物制药等都具有较广泛的应用。但该法的缺点是在淡化海水的过程中，离子交换膜常常会被离子积累导致膜污垢阻塞，必须定期清除，除此之外，由于要施加很强的电压，能耗也较大。

蒸馏法实现海水淡化，是通过蒸馏海水，使海水中淡水汽化，再将水蒸气泠凝获得淡水。该法原理简明，是最早被用于工业生产的方法之一，但是在淡化过程中，由于蒸汽冷凝过程中，蒸汽流失严重，造成淡化效率不高，且需要较大型的蒸馏设备，且结构复杂，设备的后期维护成本也过高。

虽然上述几种方法发展较早，技术发展较成熟，但也存在能耗大、成本高，需要大型配套设备支持且不便移动，不易全球推广等各种缺点。在淡水资源短缺急剧严重的今天，寻找一个新型低能耗、成本低、便携式、使用寿命长、易于市场推广的海水淡化装置迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的是针对现有海水淡化方法存在的诸多缺点，提供一种具有制作成本低、太阳能利用率高、低能耗、便于携带、寿命长等诸多优点的海水淡化系统及海水淡化方法。

为实现上述目的，本发明的解决方案是：

一种海水淡化系统，其包括直流电流源、金属导线、电极、若干个由玻璃片与PDMS芯片构成的微流控芯片，进液管、注射泵以及连接微流控芯片的淡水出液管、浓缩海水出液管与缓冲通道的俩输液管；直流电流源通过金属导线连接微流控芯片的各微通道端口位置的电极；淡水出液管、浓缩海水出液管分别连接各自的收集槽。

所述各微流控芯片彼此并联设置，由同一个进水口和两个出水口构成，所述两个出水口，其中一个是淡水出口连接淡水出液管，另一个是浓缩海水出口连接浓缩海水出液管。

所述微流控芯片包括一外接注射泵的与进液管连接的通道，此通道连接一进水微通道，进水微通道的端口处设有金属电极，进水微通道的后部形成的浓缩海水出口微通道以及与淡水出液管连通的淡水出口微通道，浓缩海水出口微通道连接浓缩海水出口主流道与浓缩海水出液管连通；另在进水微通道一侧还设置缓冲溶液微通道以与缓冲通道的俩输液管连通，在进水微通道与缓冲溶液微通道之间设有纳米通道；浓缩海水出口微通道、淡水出口微通道及缓冲溶液微通道的端口均设有金属电极。

所述浓缩海水出口微通道与淡水出口微通道的夹角大于0°而小于180°。

所述缓冲溶液微通道结构形成水平通道，弧形通道，倒V字型通道、或倒U字型。

所述纳米通道的上端位于进水微通道、浓缩海水出口微通道与淡水出口微通道形成的三叉口位置1mm。

所述各端口的金属电极是一切可以使通道内溶液导电的金属制品。

所述金属电极为铂电极、Ag/AgCl电极或通过微加工工艺溅射一层金属电极层。

所述进水微通道的宽度为10um-2000um、浓缩海水出口微通道与淡水出口微通道的宽度为5um-1000um；缓冲溶液微通道宽度为10um-2000um，深度均为5um到150um。

所述纳米通道设置有一层亚微米厚的离子交换膜。

所述亚微米厚的离子交换膜为阴、阳离子选择性透过膜，nafion薄膜或石墨烯薄膜。

所述nafion膜采用垂直切割PDMS材料的方式，向里面滴加nafion溶液，随后在85-100℃的温度下固化5-20分钟而形成。

一种采用海水淡化系统进行海水淡化的方法，其步骤包括：

步骤1、将天然海水经过预处理装置处理其中的大颗粒盐分、杂质、海藻等；

步骤2、将经预处理过的天然海水经过干净的海绵过滤；

步骤3、将注射泵压缩海绵，使海绵中的水压缩至进液管流进各微流控芯片；

步骤4、当经预处理过的海水流进通道时，给集成的微流控芯片的微通道的进水端和出水端以及缓冲液通道的两端分别加上正负电压，以使海水中的粒子导电；

步骤5、此时，在电场的作用下，带电粒子通过微通道与纳米通道的界面时，每个单元的微流控芯片中的纳米通道亚微米厚的离子交换膜的两侧形成耗尽层和富集层，而耗尽层好似一道屏障，带电粒子只好从浓缩通道流出，而水分子就由淡水微通道流出，从而实现海水中盐分等粒子与淡水相分离的目的；

步骤6、在收集系统中，淡水收集槽与浓缩海水收集槽分别与淡水微通道的总出口及浓缩海水微通道的总出口相对接，便分别收集到淡水和浓缩海水。

本发明海水淡化的最根本的原理是海水中的杂质粒子在电场的作用下发生离子浓差极化现象，然后海水在外界压力的作用下，杂质粒子和淡水达成分离。

本发明的优点在于：制作成本低，水的产量可以随微流控芯片的数量多少而得到控制，体积小可以实现随身携带，配合太阳能电池板给海上作业带来方便，能耗低，淡水纯度高，海水中的粒子几乎全都清除干净，不需二次处理，使用寿命长，使用过程中不会造成通道阻塞与污染，可以大规模推广应用。

附图说明

图1是本发明中海水淡化系统结构示意图；

图2是本发明中海水淡化系统中每个单元微流控芯片工作时的模型图；

图3是本发明中实现海水淡化流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明中做进一步的详细描述，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明揭示了一种海水淡化系统，其包括直流电流源1、金属导线2、金属电极3、若干个由玻璃片6与PDMS(聚二甲基硅氧烷)芯片构成的微流控芯片7，进液管8、注射泵9以及连接微流控芯片7的淡水出液管41、浓缩海水出液管42与缓冲通道的俩输液管5；直流电流源1通过金属导线2连接微流控芯片7的各微通道端口位置的Ti/Au电极3，进而实现给整个海水淡化系统接上电压；而注射泵9通过进液管8持续给系统以匀速注入海水，保证整个系统循环；注射泵9的太阳能电池可以接收光能将其转变成电能提供电流源工作，可以保证该系统在室外工作的可能性，淡水出液管41、浓缩海水出液管42分别连接各自的收集槽，即浓缩海水和淡水的收集最终由海水分离系统的另一侧的收集槽来完成。

所述各微流控芯片7彼此并联设置，由同一个进水口和两个出水口构成，所述两个出水口，其中一个是淡水出口连接淡水出液管41，另一个是浓缩海水出口连接浓缩海水出液管42。如图2所示，所述微流控芯片7包括一外接注射泵9的与进液管8连接的通道71，即为统一的入水口，此通道71连接一进水微通道73，进水微通道73的端口处设置上述的金属电极3，进水微通道73的后部形成的浓缩海水出口微通道74以及与淡水出液管41连通的淡水出口微通道76，浓缩海水出口微通道74连接浓缩海水出口主流道75与浓缩海水出液管42连通；另在进水微通道73一侧还设置缓冲溶液微通道77以与缓冲通道的俩输液管5连通，在进水微通道73与缓冲溶液微通道77之间设有纳米通道78；浓缩海水出口微通道74、淡水出口微通道76及缓冲溶液微通道77的端口均设有金属电极3。通道71外接注射泵9，继而进水微通道73、浓缩海水出口微通道74、浓缩海水出口主流道75、淡水出口微通道76中充满未淡化的海水，当给整个系统施加电压时，各通道端口的金属电极3就会带电，就会在各微通道中形成一定的电场，而在纳米通道78两侧将产生电化学领域所述的离子浓差极化现象，在膜的上端，即靠近进水微通道73的一侧形成一道类似屏障的离子耗尽区域，另一侧将形成离子富集，在外接注射泵9的推动下，进水微通道73中将有源源不断的海水进入，在与浓缩海水出口微通道74、淡水出口微通道76的交叉处，海水将形成两个分流，从浓缩海水出口微通道74流出的即将流入浓缩海水出口主流道75的将是浓缩海水，从淡水出口微通道76流出的将是除盐后得到的淡水。

本发明中使用的nafion膜由于操作受限，是采用垂直切割PDMS材料的方式，向里面滴加nafion溶液，随后在85-100℃的温度下固化5-20分钟以形成我们nafion膜。

所述浓缩海水出口微通道74与淡水出口微通道76的夹角大于0°而小于180°，缓冲溶液微通道77结构可形成水平通道，弧形通道，倒V字型通道、倒U字型等等。

所述纳米通道78的上端位于进水微通道73、浓缩海水出口微通道74与淡水出口微通道76形成的三叉口位置约1mm。

所述各端口的金属电极可以是一切可以使通道内溶液导电的金属制品，如铂电极、Ag/AgCl电极、还可以通过微加工工艺溅射一层金属电极层等等。

所述进水微通道73的宽度为10um-2000um、浓缩海水出口微通道74与淡水出口微通道76的宽度为5um-1000um；缓冲溶液微通道77宽度为10um-2000um，各通道的厚度均为5um到150um。

所述纳米通道78设置有一层亚微米厚的离子交换膜。

所述亚微米厚的离子交换膜可为常见的阴、阳离子选择性透过膜，nafion薄膜，石墨烯薄膜等。

注射泵9的泵压大小在数值上的体现，即实验中海水在微通道里的流速，单位为ul/min，实验过程中，海水流速的大小与微通道的尺寸大小是具有比例关系，这些要素(流速、电压、微通道宽度等)一起决定了该系统最终的海水淡化率，具体公式表示：

$R_{h,i}=\frac{12\mathrm{\μ}{L}_i}{w_i{h}^3}{[1-\frac{h}{w_i}\left(\frac{192}{{\mathrm{\π}}^5}\underset{n=\mathrm{1,3,5}}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n^5}\tanh \left(\frac{\mathrm{n\π}{w}_i}{2h}\right)\right)]}^{-1}---\left(1\right)$

$Q_i=\frac{\mathrm{\ΔP}}{R_{h,i}}---\left(2\right)$

以上两个公式可得盐水的浓缩比公式为：

$r={\left(\frac{Q_1}{Q_1+Q_2}\right)}^{-1}=1+\frac{R_1}{R_2}$

其中，L表示通道的长度、w表示宽度、h为微通道深度、R抗水动力(水阻力hydrodynamic resistant)、Q代表流速，u代表溶液的粘度，微通道里的流速Q是与施加的压力降△P是成正比的，其中的下角标i指不同的微通道，i＝1，代表浓缩通道，i＝2代表淡化通道。

配合图3所示，利用本发明海水淡化系统进行海水淡化的方法，步骤包括如下：

步骤1、将天然海水经过预处理装置处理其中的大颗粒盐分、杂质、海藻等；

步骤2、将经预处理过的天然海水经过干净的海绵过滤；

步骤3、将注射泵9压缩海绵，使海绵中的水压缩至进液管8流进各微流控芯片7；

步骤4、当经预处理过的海水流进通道71时，给集成的微流控芯片7的微通道的进水端和出水端以及缓冲液通道的两端分别加上正负电压，以使海水中的粒子导电；

步骤5、此时，在电场的作用下，带电粒子通过微通道与纳米通道的界面时，每个单元的微流控芯片7中的纳米通道78亚微米厚的离子交换膜的两侧形成耗尽层和富集层，而耗尽层好似一道屏障，带电粒子只好从浓缩通道流出，而水分子就由淡水微通道流出，从而实现海水中盐分等粒子与淡水相分离的目的；

步骤6、在收集系统中，淡水收集槽与浓缩海水收集槽分别与淡水微通道的总出口及浓缩海水微通道的总出口相对接，便分别收集到淡水和浓缩海水。

实施例一：

步骤1：在注射泵9的压力作用下，通过进液管8，将经预处理的天然海水，以20ul/min的流速，从微流控芯片7中的入口通道流入，同时向缓冲溶液微通道77注入缓冲溶液(硼酸盐)，微流控芯片7的大小为20mm×20mm，芯片的进水微通道73、浓缩海水出口微通道74与淡水出口微通道76呈Y字型，其进水微通道73的宽度为500um，浓缩海水出口微通道74与淡水出口微通道76的宽度为250um，且浓缩海水出口微通道74与淡水出口微通道76成30°，芯片的缓冲溶液微通道77呈倒V字型，缓冲溶液微通道77宽度为500um，各微通道的厚度均为100um，而纳米通道78是经过刀片切割的、长度为1mm的垂直式的纳米通道，纳米通道78中含有宽度为100nm左右的Nafion阳离子交换膜。

步骤2：在进水微通道73、浓缩海水出口微通道74与淡水出口微通道76的三个端口的电极72上施加大小为80V的电压，将缓冲溶液微通道77的俩端口的电极接地(电压为0)。

步骤3：1-2s后，可以在荧光显微镜下观察(前提是海水中加有荧光粉，如FITC二钠盐、罗丹明溶液等)，在进水微通道73、浓缩海水出口微通道74与淡水出口微通道76的三岔口位置形成一个耗尽区域，且20s后，浓缩海水出口微通道74的末端的荧光强度明显比淡水出口微通道76强。

步骤4：30min后，分别在浓缩海水出口微通道74与淡水出口微通道76的出口收集溶液，将俩溶液分别取样放置于离心管里，利用紫外可见分光光度计测得两种溶液的吸光度的比值大小，可以判断出淡水中离子浓度是极低的，进一步说明该芯片是有效的。

步骤5：分别用电导率仪测量浓缩海水与淡水的电导率，并与未经淡化的天然海水的电导率以及世界卫生组织对饮用水电导率标准的大小作比较，经验证，该装置产生的淡水是符合饮用水标准的。

实施例二：

步骤1：在注射泵9的压力作用下，通过进液管8，将经预处理的天然海水，以20ul/min的流速，从微流控芯片7中的入口通道流入，同时向缓冲溶液微通道77注入缓冲溶液(硼酸盐)，微流控芯片7的大小为20mm×20mm，芯片的进水微通道73、浓缩海水出口微通道74与淡水出口微通道76呈Y字型，其进水微通道73的宽度为500um，浓缩海水出口微通道74与淡水出口微通道76的宽度为250um，且浓缩海水出口微通道74与淡水出口微通道76成50°，芯片的缓冲溶液微通道77呈倒U字型，缓冲溶液微通道77宽度为500um，各微通道的厚度均为100um，而纳米通道78是通过MEMS工艺加工的、宽度为3mm、长度为1mm、厚度为100nm的平面式的纳米通道，纳米通道78中含有宽度为100nm左右的氧化石墨烯离子交换膜。

步骤2：在进水微通道73、浓缩海水出口微通道74与淡水出口微通道76的三个端口的电极72上施加大小为120V的电压，缓冲溶液微通道77的俩端口的电极接地(电压为0)。

步骤3：大约0.5-1s后，可以在荧光显微镜下观察(前提是海水中加有荧光粉，如FITC二钠盐、罗丹明溶液等)，在进水微通道73、浓缩海水出口微通道74与淡水出口微通道76的三岔口位置形成一个耗尽区域，且20s后，浓缩海水出口微通道74的末端的荧光强度明显比淡水出口微通道76强。

步骤4：30min后，分别在浓缩海水出口微通道74与淡水出口微通道76的出口收集溶液，将俩溶液分别取样放置于离心管里，利用紫外可见分光光度计测得两种溶液的吸光度的比值大小，可以判断出淡水中离子浓度是极低的，进一步说明该芯片是有效的。

步骤5：分别用电导率仪测量浓缩海水与淡水的电导率，并与未经淡化的天然海水的电导率以及世界卫生组织对饮用水电导率标准的大小作比较，经验证，该装置产生的淡水是符合饮用水标准的。

实施例二不同于实施例一在于:

1、缓冲溶液微通道77的结构不同，实施例一为倒V字形，实施例二为倒U字形，但是效果都是一样的，里面都充满缓冲溶液，且两端口电极都接地，所以，缓冲溶液微通道77的结构可以是多种多样，但是必须满足：能通过纳米通道78与进水微通道73、浓缩海水出口微通道74与淡水出口微通道76连通，且两端的电极接地，其中充满缓冲溶液即可。

2、浓缩海水出口微通道74与淡水出口微通道76夹角不一样，实施例一为30°，实施例二为50°，虽然角度不同，但是作用都是使得浓缩海水能够从该通道流出，唯一影响的是浓缩海水流动的速度，所以，该夹角的范围可以是0°〈α〈180°，最佳角度为30°。

3、纳米通道78的结构不一样，实施例一为垂直式，实施例二为平面式，两者都可以达到海水淡化的目的，但是纳米通道78的结构直接影响离子浓差极化中耗尽层的形成区域的大小，这会影响海水淡化的出水量，垂直式结构可以形成范围较大的耗尽层，因此可以实现水流的高通量(单位时间内流量高)。

4、纳米通道78中的离子交换膜不一样，实施例一中使用的是Nafion阳离子交换膜，实施例二中使用的是氧化石墨烯薄膜，两者在该系统中都能起到海水淡化的作用。

5、在进水微通道73、浓缩海水出口微通道74与淡水出口微通道76(海水样品通道)的三端口施加的电压不一样，实施例一中施加的电压为80V，实施例二为120V，电压的大小会影响离子浓差极化现象中耗尽层的形成时间，该系统中电压的大小和微通道的各尺寸有关，范围一般在5V到1000V之间，电压过大，系统将丧失海水淡化能力，即系统崩溃，电压过小，系统海水淡化能力弱，效率低，效果不明显。

本发明的优点在于：制作成本低，水的产量可以随微流控芯片的数量多少而得到控制，体积小可以实现随身携带，配合太阳能电池板给海上作业带来方便，能耗低，淡水纯度高，海水中的粒子几乎全都清除干净，不需二次处理，使用寿命长，使用过程中不会造成通道阻塞与污染，可以大规模推广应用。

Claims (11)

1.一种海水淡化系统，其特征在于：包括直流电流源、金属导线、电极、若干个由玻璃片与PDMS芯片构成的微流控芯片，进液管、注射泵以及连接微流控芯片的淡水出液管、浓缩海水出液管与缓冲通道的俩输液管；直流电流源通过金属导线连接微流控芯片的各微通道端口位置的电极；淡水出液管、浓缩海水出液管分别连接各自的收集槽；所述各微流控芯片彼此并联设置，由同一个进水口和两个出水口构成，所述两个出水口，其中一个是淡水出口连接淡水出液管，另一个是浓缩海水出口连接浓缩海水出液管；所述微流控芯片包括一外接注射泵的与进液管连接的通道，此通道连接一进水微通道，进水微通道的端口处设有金属电极，进水微通道的后部形成的浓缩海水出口微通道以及与淡水出液管连通的淡水出口微通道，浓缩海水出口微通道连接浓缩海水出口主流道与浓缩海水出液管连通；另在进水微通道一侧还设置缓冲溶液微通道以与缓冲通道的俩输液管连通，在进水微通道与缓冲溶液微通道之间设有纳米通道；浓缩海水出口微通道、淡水出口微通道及缓冲溶液微通道的端口均设有金属电极。

2.如权利要求1所述的海水淡化系统，其特征在于：所述浓缩海水出口微通道与淡水出口微通道的夹角大于0°而小于180°。

3.如权利要求1所述的海水淡化系统，其特征在于：所述缓冲溶液微通道结构形成水平通道，弧形通道，倒V字型通道、或倒U字型。

4.如权利要求1所述的海水淡化系统，其特征在于：所述纳米通道的上端位于进水微通道、浓缩海水出口微通道与淡水出口微通道形成的三叉口位置1mm。

5.如权利要求1所述的海水淡化系统，其特征在于：所述各端口的金属电极是一切可以使通道内溶液导电的金属制品。

6.如权利要求5所述的海水淡化系统，其特征在于：所述金属电极为铂电极、Ag/AgCl电极或通过微加工工艺溅射一层金属电极层。

7.如权利要求1所述的海水淡化系统，其特征在于：所述进水微通道的宽度为10µm-2000µm、浓缩海水出口微通道与淡水出口微通道的宽度为5µm-1000µm；缓冲溶液微通道宽度为10µm-2000µm，深度均为5µm到150µm。

8.如权利要求1所述的海水淡化系统，其特征在于：所述纳米通道设置有一层亚微米厚的离子交换膜。

9.如权利要求8所述的海水淡化系统，其特征在于：所述亚微米厚的离子交换膜为阴、阳离子选择性透过膜，nafion薄膜或石墨烯薄膜。

10.如权利要求9所述的海水淡化系统，其特征在于：所述nafion膜采用垂直切割PDMS材料的方式，向里面滴加nafion溶液，随后在85-100℃的温度下固化5-20分钟而形成。

11.一种海水淡化方法，其步骤包括：

步骤1、将天然海水经过预处理装置处理其中的大颗粒盐分、杂质、海藻；

步骤2、将经预处理过的天然海水经过干净的海绵过滤；

步骤3、将注射泵压缩海绵，使海绵中的水压缩至进液管流进各微流控芯片；

步骤4、当经预处理过的海水流进通道时，给集成的微流控芯片的微通道的进水端和出水端以及缓冲液通道的两端分别加上正负电压，以使海水中的粒子导电；

步骤5、此时，在电场的作用下，带电粒子通过微通道与纳米通道的界面时，每个单元的微流控芯片中的纳米通道亚微米厚的离子交换膜的两侧形成耗尽层和富集层，而耗尽层好似一道屏障，带电粒子只好从浓缩通道流出，而水分子就由淡水微通道流出，从而实现海水中盐分粒子与淡水相分离的目的；

步骤6、在收集系统中，淡水收集槽与浓缩海水收集槽分别与淡水微通道的总出口及浓缩海水微通道的总出口相对接，便分别收集到淡水和浓缩海水。