CN104803451B - 正渗透和反渗透技术相结合的海水淡化处理方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种正渗透和反渗透技术相结合的海水淡化处理方法及装置，所述方法包括：设置一处理容器，其容置空间内设置有正渗透膜组件和反渗透膜组件，反渗透膜组件设置于正渗透膜组件之上，两种渗透膜组件之间形成用于容置工质溶液的空间；待处理海水为正渗透膜的原料液，工质溶液为正渗透膜的汲取液；本发明主要是利用一种溶解度随温度变化较大的工质溶液，并控制工质溶液底部温度高于顶部，使底部高温高密度的工质溶液产生的渗透压远大于海水渗透压与顶部低温低密度工质溶液的渗透压之和，从而使得待处理海水中的水分透过正渗透膜进入汲取液，汲取液再向上经反渗透膜作用，反渗透膜透过水即为淡水。本发明的技术工艺简便、能耗低。
Description
技术领域
本发明是关于一种海水淡化技术，具体而言是关于一种正渗透和反渗透技术相结合的海水淡化处理方法及装置。
背景技术
淡水资源的日益短缺已经成为全球关注的热点问题，海水淡化作为淡水资源的替代与增量技术，愈来愈受到世界上许多沿海国家的重视。
目前全球海水淡化技术超过20余种，包括反渗透法、低多效、多级闪蒸、电渗析法、压汽蒸馏、露点蒸发法、水电联产、热膜联产以及利用核能、太阳能、风能、潮汐能海水淡化技术等等，以及微滤、超滤、纳滤等多项预处理和后处理工艺。从大的分类来看，主要分为蒸馏法(热法)和膜法两大类，其中低多效蒸馏法、多级闪蒸法和反渗透膜法是全球主流技术。对于海水淡化，能耗是直接决定其成本高低的关键。40多年来，随着技术的提高，海水淡化的能耗指标降低了90％左右(从26.4kwh/m3左右降到2.9kwh/m3左右)，成本随之大为降低。成本问题的解决将会对海水淡化的广泛应用及产业化进程产生极大的促进作用。
相较于热驱动过程的蒸馏法而言，反渗透法(ReverseOsmosis，RO)的最大优点是节能。反渗透又称逆渗透，是以压力差为推动力从溶液中分离出溶剂的膜分离操作，在膜的低压侧得到透过的渗透液，高压侧得到浓缩的浓缩液，即，膜的低压侧为透过液侧，高压侧为原料液侧(或称浓缩液侧)。近年来反渗透海水淡化技术发展很快，工程造价和运行成本持续降低。然而，反渗透法需要较高的操作压力(5.6～8.3MPa)，往往会增加能耗以及由此引发的膜污染会导致膜寿命缩短，所以反渗透法的水回收率较低，一般仅为30％～50％。此外，反渗透法对设备的耐压要求也较高。
近期有关学者提出了正渗透膜技术(ForwardOsmosis，FO)，正渗透膜技术是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，即，膜的低渗透压为原料液侧(或称浓缩液侧)，高渗透压侧为汲取液侧(或称透过液侧)。与反渗透相比，正渗透技术只依靠渗透压，无需外界压力，节能特性更为显著，作为RO技术的补充，具有成为大规模海水淡化新技术的潜力。
CN202754873U公开了一种结合了正渗透和反渗透技术的全膜法海水淡化系统，其包括：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，蠕动泵将原料液罐内的原料液输入正渗透膜组件的低渗透压侧，汲取液罐中的汲取液进入到正渗透膜组件的高渗透压侧；经正渗透后，采用高压泵对汲取液进行加压，然后输入到反渗透膜组件的高渗透压侧，透过反渗透膜的溶液经加热器加热后输入膜蒸馏组件内，经膜蒸馏，水蒸汽透过膜，经冷凝器冷凝后被集水罐收集。利用该系统进行海水淡化处理，以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，有利于降低能量消耗。但该方法工艺仍较为复杂。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种新颖的正渗透和反渗透技术相结合的海水淡化处理方法，以更为简便的工艺和较低的能耗实现对海水的淡化处理。
本发明的另一目的在于提供一种为实现所述利用正渗透和反渗透技术的海水淡化处理方法而专门设计的装置。
为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种正渗透和反渗透技术相结合的海水淡化处理方法，该方法包括：
设置一处理容器，该处理容器的容置空间内设置有正渗透膜组件和反渗透膜组件，其中，所述反渗透膜组件设置于正渗透膜组件之上，正渗透膜组件与反渗透膜组件之间形成用于容置工质溶液的空间；
将待处理海水通入处理容器内正渗透膜组件的原料液侧，作为正渗透膜的原料液，利用所述工质溶液作为正渗透膜的汲取液；
其中，控制所述工质溶液在正渗透膜的透过侧具有高于正渗透膜原料液侧的待处理海水的渗透压，在反渗透膜的原料液侧具有高于反渗透膜透过侧的压力，从而，使得待处理海水中的水分透过正渗透膜进入汲取液，经正渗透膜作用后的汲取液向上进一步经反渗透膜作用，其中的水分透过反渗透膜，得到淡水。
根据本发明的具体实施方案，本发明的海水淡化处理方法中，正渗透膜组件与反渗透膜组件之间应具有足够的垂直间距，可利用热泵控制所述工质溶液在垂直方向形成下部具有较高温度的温度梯度，且利用工质溶液中的溶质的溶解度随温度的变化，使工质溶液在正渗透膜的透过侧具有高于工质溶液在反渗透膜组件的原料液侧的浓度。可以理解，其中所述的“较高温度”是指相对于上部工质溶液的温度而言。其中工质溶液在正渗透膜的透过侧的浓度与工质溶液在反渗透膜组件的原料液侧的浓度差应足够使得所述工质溶液在正渗透膜的透过侧具有高于正渗透膜原料液侧的待处理海水的渗透压、且在反渗透膜的原料液侧具有高于反渗透膜透过侧的压力。换而言之，应使得工质溶液在正渗透膜的透过侧的渗透压远大于海水渗透压与工质溶液在反渗透膜的原料液侧的渗透压之和。
可以理解，本发明中，所述正渗透膜组件与反渗透膜组件之间形成的用于容置工质溶液的空间是一个相对密闭的空间，本发明的海水淡化处理系统运作时，该空间内的流体只允许通过正渗透膜、反渗透膜的渗透作用进出该空间。
本发明的海水淡化处理方法中，主要是利用工质溶液中的溶质的溶解度随温度的变化，在正渗透膜组件与反渗透膜组件之间的垂直空间形成温度差及浓度差，从而提供使待处理海水中的水分透过正渗透膜进入汲取液、经正渗透膜作用后的汲取液向上进一步经反渗透膜作用使其中的水分透过反渗透膜的动力。
根据本发明的具体实施方案，正渗透膜过程的推动力是汲取液与原料液的渗透压差.同时，本发明的汲取液同时作为反渗透膜的原料液，正渗透膜的汲取液在反渗透膜的原料液侧的压力也是影响反渗透过程的重要因素，所以工质溶液的选取是本发明的重要环节之一。根据本发明的具体实施方案，本发明的海水淡化处理方法中，所述的工质溶液中的溶质应选择溶解度随温度变化较大的物质，例如硝酸钾(KNO3)、磷酸氢二钠(Na2HPO4)等。优选地，本发明所述用作正渗透膜的汲取液的工质溶液为饱和硝酸钾溶液或饱和磷酸氢二钠溶液，更优选为饱和磷酸氢二钠溶液。
根据本发明的具体实施方案，本发明的海水淡化处理方法中，优选控制所述工质溶液在正渗透膜的透过侧的温度(即工质溶液最下部贴近正渗透膜处的温度)为40～60℃，更优选为43～47℃，可以理解，应保证该温度在膜组件承受范围内。该温度的提高，会使得工质溶液在正渗透膜的透过侧具有较高的浓度，即相应具有较高的渗透压，可利于待处理海水中的水分透过正渗透膜进入汲取液中。
根据本发明的具体实施方案，本发明的海水淡化处理方法中，优选控制工质溶液在反渗透膜组件的原料液侧的温度(即工质溶液最上部贴近反渗透膜处的温度)为1～10℃，优选为5～10℃。
在实际应用中，考虑海水淡化处理规模及操作运行难易程度，本发明中优选控制所述正渗透膜组件与反渗透膜组件的垂直间距为1～5m，更优选为1.0～2.5m。
根据本发明的具体实施方案，本发明的海水淡化处理方法中，经正渗透膜作用后产生的浓海水从处理容器底部引出处理容器，透过反渗透膜的淡水从处理容器顶部引出处理容器。具体实施时，正渗透膜处理后的浓海水可及时引出处理容器，也可根据需要在所述处理容器内正渗透膜组件下部设置足够的浓海水容置空间，将浓海水从浓海水容置空间底部引出处理容器。
根据本发明的具体实施方案，本发明的海水淡化处理方法还包括对引出处理容器的浓海水及淡水的能量进行回收利用(可设置相应的能量回收系统，例如换热装置等)；优选地，是回收引出处理容器的浓海水及淡水的能量用于对进入处理容器前的待处理海水进行加热。具体实施时，可时引出处理容器的淡水进入设置在处理容器工质溶液空间内的换热器管道内，与工质溶液进行热交换，被加热后的淡水再与进入处理容器前的待处理海水进行换热，加热待处理海水。优选地，所述浓海水、淡水与待处理海水的换热在三介质换热器中进行。
根据本发明的具体实施方案，本发明的海水淡化处理方法中，对所述正渗透膜组件、反渗透膜组件的具体材质和形式无特殊要求，可以采用现有技术中可行的应用于处理海水的正渗透膜组件、反渗透膜组件。优选地，本发明中所述正渗透膜组件为板式、卷式、中空纤维式或管式膜组件，所述正渗透膜组件的正渗透膜为醋酸纤维素正渗透膜、或聚酰胺正渗透膜；所述反渗透膜组件为板式、卷式、中空纤维式或管式膜组件，所述反渗透膜为醋酸纤维素膜、聚酰肼膜或聚酰胺膜。渗透膜表面微孔的直径通常为0.3nm～10nm。可以理解，本发明中应选择可耐受微碱环境的正渗透膜组件、反渗透膜组件。
根据本发明的具体实施方案，本发明的海水淡化处理方法，还可包括对待处理海水进行前期预处理后再送入本发明所述处理容器的过程。本发明的处理容器的出水(淡水)也可根据需要选择性地做进一步的后处理。这些前期预处理、后处理过程均可参照所属领域的现有技术进行。
另一方面，本发明还提供了一种用于实现上述方法的海水淡化处理装置，该海水淡化处理装置包括：
一处理容器，该处理容器的容置空间内设置有正渗透膜组件和反渗透膜组件，其中，所述反渗透膜组件设置于正渗透膜组件之上，正渗透膜组件与反渗透膜组件之间形成用于容置工质溶液的密闭空间；
温度控制系统，该温度控制系统用于控制所述工质溶液在垂直方向形成下部具有较高温度的温度梯度。
根据本发明的具体实施方案，优选地，所述温度控制系统为热泵。
根据本发明的具体实施方案，可利用一加压泵将待处理海水加压后送入处理容器。
根据本发明的具体实施方案，所述海水淡化处理装置还包括对引出处理容器的浓海水及淡水的能量进行回收利用的能量回收系统，可以是热交换器，主要是对引出处理容器的浓海水及淡水的能量进行回收、并用于加热待处理海水。根据需要，还可设置额外热源对待处理海水进行适当加热。
此外，本发明的海水淡化处理装置中，所述处理容器优选设置有保温夹层。
综上所述，本发明的海水淡化处理技术，通过合理的装置设计，利用工质溶液浓度随温度变化的特性，使其作为正渗透膜的汲取液及反渗透膜的原料液，缩减了传统正渗透处理海水中汲取液的浓缩回用工艺，工艺简便，能耗低，利于推广应用。
附图说明
图1为本发明的利用正渗透和反渗透技术的海水淡化处理装置的结构示意图。
图中编号说明：
1处理容器；10用于容置工质溶液的空间；
11保温夹层；12浓海水容置空间；
2正渗透膜组件；3反渗透膜组件；
4温度控制系统；41制热端；42制冷端；
5换热器管道；6换热器；7加压泵。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步详细说明本发明的技术方案及其特点和应用中所具有的技术效果，但本发明并不因此而受到任何限制。
实施例1
请参见图1所示，本实施例提供了一种利用正渗透和反渗透技术的海水淡化处理装置，该装置主要包括：处理容器1，该处理容器1的容置空间内设置有正渗透膜组件2和反渗透膜组件3，其中，所述反渗透膜组件3设置于正渗透膜组件2之上，正渗透膜组件2与反渗透膜组件3之间形成用于容置工质溶液的空间10。本实施例中，所述工质溶液为饱和磷酸氢二钠溶液。此外，处理容器1设置有保温夹层11。
本实施例的海水淡化处理装置还包括温度控制系统4，该温度控制系统用于控制所述工质溶液在垂直方向形成下部具有较高温度的温度梯度。所述温度控制系统4优选为热泵。如图所示，热泵的制热端41位于靠近正渗透膜组件的汲取液侧，制冷端42位于靠近反渗透膜组件的原料液侧，可将靠近反渗透膜组件的原料液侧的工质溶液的热量传导到位于靠近正渗透膜组件的汲取液侧的工质溶液。由于工质溶液中磷酸氢二钠的溶解度随温度变化不同，磷酸氢二钠靠近正渗透膜组件的汲取液侧的浓度高于靠近反渗透膜原料液侧的浓度。正渗透膜组件2与反渗透膜组件3之间具有足够的垂直距离以形成所述的温度梯度和浓度差，优选地，所述垂直距离可以是1～5m。
本实施例的海水淡化处理装置中，所述处理容器内正渗透膜组件2下部具有一定的浓海水容置空间12，经正渗透膜处理后的浓海水从该容置空间底部引出处理容器。
本实施例的海水淡化处理装置还包括对引出处理容器的浓海水及淡水的能量进行回收利用的能量回收系统；如图所示，从处理容器顶部引出的淡水首先进入设置在处理容器工质溶液空间内的换热器管道5内，与工质溶液进行热交换，被加热后的淡水再与一个三介质换热器6中，与进入处理容器前的待处理海水进行换热；从处理容器底部引出的浓海水也进入三介质换热器6中，与进入处理容器前的待处理海水进行换热。待处理海水利用加压泵7先进入三介质换热器6中被加热后送入处理容器1。
实施例2
本实施例是利用实施例1的装置进行海水淡化处理的实际应用例，其中，工质溶液为饱和磷酸氢二钠溶液；正渗透膜组件与反渗透膜组件之间的距离为1.5m；所述正渗透膜组件为列管式膜组件(购自厦门鲲扬膜科技有限公司，HTI正渗透膜)，正渗透膜与水接触面积1.5m2；所述反渗透膜组件为列管式膜组件，反渗透膜与水接触面积35m2。控制所述工质溶液在正渗透膜的透过侧的温度为44℃，控制工质溶液在反渗透膜组件的原料液侧的温度为10℃。热泵功率83瓦。待处理海水通入速度24cm3/s；浓海水引出速度12cm3/s；淡水出水速度12cm3/s。淡水得率50％。
实施例3
本实施例是利用实施例1的装置进行海水淡化处理的实际应用例，其中，工质溶液为饱和磷酸氢二钠溶液；正渗透膜组件与反渗透膜组件之间的距离约为1.2m；所述正渗透膜组件为列管式膜组件(购自厦门鲲扬膜科技有限公司，HTI正渗透膜)，正渗透膜与水接触面积3m2；所述反渗透膜组件为列管式膜组件，反渗透膜与水接触面积76m2。控制所述工质溶液在正渗透膜的透过侧的温度为43℃，控制工质溶液在反渗透膜组件的原料液侧的温度为8℃。热泵功率120瓦。待处理海水通入速度50cm3/s；浓海水引出速度30cm3/s；淡水出水速度20cm3/s。淡水得率40％。
Claims (11)
1.一种正渗透和反渗透技术相结合的海水淡化处理方法，该方法包括：
设置一处理容器，该处理容器的容置空间内设置有正渗透膜组件和反渗透膜组件，其中，所述反渗透膜组件设置于正渗透膜组件之上，正渗透膜组件与反渗透膜组件之间形成用于容置工质溶液的空间；
将待处理海水通入处理容器内正渗透膜组件的原料液侧，作为正渗透膜的原料液，利用所述工质溶液作为正渗透膜的汲取液；
其中，控制所述工质溶液在正渗透膜的透过侧具有高于正渗透膜原料液侧的待处理海水的渗透压，在反渗透膜的原料液侧具有高于反渗透膜透过侧的压力，从而，使得待处理海水中的水分透过正渗透膜进入汲取液，经正渗透膜作用后的汲取液向上进一步经反渗透膜作用，其中的水分透过反渗透膜，得到淡水；
其中，正渗透膜组件与反渗透膜组件之间具有足够的垂直间距，利用热泵控制所述工质溶液在垂直方向形成下部具有较高温度的温度梯度，且利用工质溶液中的溶质的溶解度随温度的变化，使工质溶液在正渗透膜的透过侧具有高于工质溶液在反渗透膜组件的原料液侧的浓度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述工质溶液为硝酸钾饱和溶液或磷酸氢二钠饱和溶液。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，控制所述工质溶液在正渗透膜的透过侧的温度为40～60℃；控制工质溶液在反渗透膜组件的原料液侧的温度为1～10℃。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，控制所述工质溶液在正渗透膜的透过侧的温度为43～47℃；控制工质溶液在反渗透膜组件的原料液侧的温度为5～10℃。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述正渗透膜组件与反渗透膜组件的垂直间距为1～5m。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述正渗透膜组件与反渗透膜组件的垂直间距为1.0～2.5m。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，经正渗透膜作用后产生的浓海水从处理容器底部引出处理容器，透过反渗透膜的淡水从处理容器顶部引出处理容器，所述方法还包括对引出处理容器的浓海水及淡水的能量进行回收利用；其中，是回收引出处理容器的浓海水及淡水的能量用于对进入处理容器前的待处理海水进行加热。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，引出处理容器的淡水进入设置在处理容器工质溶液空间内的换热器管道内，与工质溶液进行热交换，被加热后的淡水再与进入处理容器前的待处理海水进行换热，加热待处理海水。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述浓海水、淡水与待处理海水的换热在三介质换热器中进行。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述正渗透膜组件为板式、卷式、中空纤维式或管式膜组件，所述正渗透膜组件的正渗透膜为醋酸纤维素正渗透膜、或聚酰胺正渗透膜；所述反渗透膜组件为板式、卷式、中空纤维式或管式膜组件，所述反渗透膜为醋酸纤维素膜、聚酰肼膜或聚酰胺膜。
11.一种用于实现权利要求1～10任一项所述方法的海水淡化处理装置，该海水淡化处理装置包括：
一处理容器，该处理容器的容置空间内设置有正渗透膜组件和反渗透膜组件，其中，所述反渗透膜组件设置于正渗透膜组件之上，正渗透膜组件与反渗透膜组件之间形成用于容置工质溶液的密闭空间；
温度控制系统，该温度控制系统用于控制所述工质溶液在垂直方向形成下部具有较高温度的温度梯度；所述温度控制系统为热泵；
该海水淡化处理装置还包括对引出处理容器的浓海水及淡水的能量进行回收利用的能量回收系统。
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