CN104876372A

CN104876372A - 一种自脱盐系统

Info

Publication number: CN104876372A
Application number: CN201410073011.2A
Authority: CN
Inventors: 张伟明; 陈庆
Original assignee: Wenzhou University
Current assignee: Wenzhou University
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2015-09-02

Abstract

本发明提供了一种自脱盐系统，包括m个膜堆（107），m≥1，膜堆（107）由反渗析和电渗析两个部分串联组成，反渗析部分由f个反渗析重复单元组成，f≥1，电渗析部分由d个电渗析重复单元组成，d≥1，其中反渗析重复单元由一组阳离子交换膜及阴离子交换膜构成，并以咸水和海水作为输入，并得到反渗析咸水废水及反渗析海水废水；电渗析重复单元也由一组阳离子交换膜及阴离子交换膜构成，均以咸水作为电渗析的浓淡室进水，并得到淡水及电渗析浓水；反渗析咸水废水、反渗析海水废水和电渗析浓水组成混合废水输出系统。本发明的有益效果在于系统在净化处理咸水得到淡水的过程中不需要任何外部能量供给，系统工作过程中碳排放为零，只需要消耗海水及咸水资源，不存在浓水排放难题，整体系统体积小巧，配套设备少，成本低。

Description

一种自脱盐系统

技术领域

本发明涉及一种脱盐系统，具体涉及一种自脱盐系统。

背景技术

淡水供应不足始终是困扰偏远地区岛民生活的最重要问题。从地质水文学角度来看，海岛一般面积很小，无有效地表淡水。海岛的地质构成一般为珊瑚礁或石灰岩，透水性强，在降雨过程中雨水很快透过地表渗入地下，并以淡水透镜体的存在形式漂浮于深层海水之上，这些珍贵的地下淡水透镜体就成为了很多海岛上最重要的淡水来源。

然而，这些透镜体的存在是不稳定的，极容易受到外界条件影响而减退甚至消失。由于淡水是直接漂浮于海水之上的，因此海水与淡水的混合是不可避免的。在正常年份，降水量足够且均匀，这些淡水透镜体的补充可以抵消海水的入侵，其储量比较稳定；但一旦干旱情况发生，淡水透镜体就会萎缩。随着全球变暖的日益严重，全球范围内极端气候包括台风和干旱发生的频率也在增加，同时还导致了海平面的持续上升。这些因素的变化都会导致透镜体的萎缩，其表现形式就是地下淡水的咸潮入侵，使其盐度增加不再适合饮用。这些受咸潮入侵污染的淡水主要是受到海水中NaCl的污染，被污染后变为咸水，NaCl浓度较淡水要高，但还远远低于海水。一般来说，海水中的NaCl浓度约为30000-40000mg/L。而根据世界卫生组织的建议，饮用淡水中NaCl浓度最高值为400-500mg/L。一旦其浓度高于此限制，饮用时人便可觉察到咸味存在，不再适合饮用。受咸潮污染的地下水NaCl浓度一般在500-5000mg/L之间。

现代的脱盐技术可以将咸水中的水资源与盐分离开来，得到一部分淡水及另一部分盐浓度增加的浓水。目前成熟的脱盐技术主要包括热法及膜法两个大类：前者包括多级闪蒸、多效蒸馏及蒸汽压缩蒸馏法；后者主要是反渗透或电渗析方法。由于脱盐过程是一个分离浓缩的过程，热力学上非自发进行，必须输入能量才能发生。因此这些脱盐技术必须依赖稳定的能量供应，譬如说电力供应方能正常工作。然而这个要求在偏远地区特别是偏远小岛上是不能被满足的。为了解决这一能量来源问题，太阳能电池组件，潮汐发电及小型风力发电机组通常需要配套安装在这些地区，这就大大增加了净化这些水源所需要的成本及系统占地面积。这些地区迫切需要一种小巧、低成本且能量自给的自脱盐系统来净化受污染的地下水，从而得到有效的淡水供应。

发明内容

本发明目的在于提供一种自脱盐系统，用于解决偏远地区海岛上饮用淡水的供应，净化海岛上受污染的淡水透镜体。

本发明提出一种自脱盐系统，包括m个膜堆107，m≥1，膜堆（107）由反渗析和电渗析两个部分串联组成，反渗析部分由f个反渗析重复单元105组成，f≥1，电渗析部分由d个电渗析重复单元106组成，d≥1，其中反渗析重复单元105由一层阳离子交换膜103间隔一层阴离子交换膜104组成，并以咸水201和海水202作为输入，并得到反渗析咸水废水211及反渗析海水废水212；电渗析重复单元106也由一层阳离子交换膜103间隔一层阴离子交换膜104组成，均以咸水201作为电渗析的浓淡室进水，并得到淡水203及电渗析浓水213；反渗析咸水废水211、反渗析海水废水212和电渗析浓水213组成混合废水204输出系统。

本发明中，m＞1，且各膜堆首尾相连组成环形。

本发明中，m=4，还包括中空连接器108，中空连接器108将4个膜堆107首尾连接，中空连接器108中充满海水（202）。

本发明中，咸水201盐度范围为100–10000mg/L，而海水202盐度为咸水201的1.1–1000倍。

本发明中，咸水201和海水202是含有H⁺、Li⁺、Na⁺、K⁺、NH₄ ⁺、Ca²⁺、M_g ²⁺、Sr²⁺、B_a ²⁺和Al³⁺等阳离子其中一种或几种，以及F^-、Cl^-、Br^-、I^-、NO₃ ^-、NO₂ ^-、SO₄ ^2-、SO₃ ^2-、ClO₃ ^-、CO₃ ^2-、HCO₃ ^-和OH^-等阴离子其中一种或几种的强电解质溶液。

本发明中，咸水201及海水202在膜堆中的流速控制在0.05–5cm/s一定范围内。其流速减小则导致系统处理量减小；流速太大则容易导致膜堆中交叉泄露增加，性能下降。

本发明中，膜堆外加有膜堆正极101和膜堆负极102，膜堆正极101和膜堆负极102可以是金属电极或超级电容器电极。

本发明中，膜堆正极101和膜堆负极102是具有RuO₂-IrO₂涂层的钛电极片。

本发明适用的地区由于地处海洋环境之中，其海水资源是无穷无尽的。同时受污染的地下淡水（即咸水），浓度一般为500-5000mg/L，也是大量存在的。因此在这些海岛上本身就具有了两种不同浓度的水资源，由于咸水和海水浓度不同，其接触后会发生自发混合，这个过程是伴随有能量放出的。反渗析技术正是一种利用浓差能来进行发电的技术，利用离子交换膜对带有特定电荷种类离子的选择透过性，可以调控海水和咸水的混合过程，以电能形式回收混合过程中释放的能量。反渗析部分的工作原理如图1所示，由于海水202中NaCl浓度大大高于咸水201，因此海水流道中的NaCl溶质有扩散至相邻咸水流道中去的趋势。分隔不同流道的隔膜为具有离子选择性的离子交换膜（阳离子交换膜103及阴离子交换膜104），因此Na⁺离子只能透过阳离子交换膜103，而Cl^-离子只能透过阴离子交换膜104，形成一个向左的离子电流从而产生能量输出。

电渗析部分的工作过程如图2所示。在一个直流电场的作用下，膜堆流道中的离子会发生定向迁移，阳离子向膜堆负极102移动，阴离子向膜堆正极101移动。初始时，膜堆进水均为咸水201，由于离子交换膜的选择性，淡室流道中的阴阳离子均会向浓室流道迁移并被限制其中，这样一来淡室流道出来的产品水含盐量会有所下降得到净化的淡水203，而浓室流道出来的水含盐量上升为混合废水204。由此可见电渗析和反渗析过程刚好互为逆过程，电渗析是通过输入能量而发生的一个分离过程，而反渗析是一个自发的混合过程同时可以回收能量。这两个过程中能量的表现形式均为离子电流，本发明正是基于这一点，利用反渗析过程中产生的离子电流来驱动电渗析脱盐过程，这样就可以实现一种能量自给的自脱盐系统直接得到净化的淡水。

本发明提供的自脱盐系统，利用海岛上普遍存在的咸水及海水资源，通过反渗析过程混合这两种不同浓度的水资源来提取能量，从而驱动另一电渗析脱盐过程直接从咸水中得到淡水资源。该系统工作时的简要物料流动如图3所示，系统进料为咸水201及海水202，通过控制二者混合提取了能量，得到了一部分混合废水204，这部分废水浓度是处于前面二者之间的。利用这些提取的能量，容易进行净化处理的咸水201中的一部分被净化，从而得到了淡水203。如果单单从这部分产品淡水203来看，发生的是一个分离（脱盐）过程；但从整个系统来看，混合过程仍然是多于分离过程。简而言之，系统出口的混合废水204及产品淡水203的熵值之和是高于系统入口的海水202及咸水201的，整体过程仍然是一个热力学自发过程。该系统核心膜堆的工作原理图如图4所示，其中包含有反渗析及电渗析两个重复单元。反渗析部分以咸水201及海水202作为输入，让其在膜堆中控制混合释放电能，得到反渗析咸水废水211及反渗析海水废水212。由于发生的是混合过程，在此过程中盐度较低的咸水201浓度增加转变为反渗析咸水废水211，而海水202浓度下降转变为反渗析海水废水212。与此同时，膜堆中还串联有电渗析重复单元。由于咸水更容易净化，选择咸水201作为电渗析的浓淡室进水。在外电场作用下，电渗析单元中的离子发生迁移，从淡室转移至浓室中，这样就得到了一部分盐度下降的净化水，即淡水203，同时还得到一部分盐度上升的电渗析浓水213。除了产品淡水203以外，另外3路出水（即211，212及213）组成了混合废水204，如图3所示。膜堆中反渗析及电渗析单元中电流的形式均为离子电流，为了使电流连续形成环路，膜堆的两端还使用电极（正极101及负极102）将离子电流转换为电子电流，并将两极短接起来形成电流回路。

由于组合的膜堆中电极及外电路短路电缆的作用只是形成一个电流回路，这部分可以进一步优化去除。如图4所示，自脱盐膜堆中正极室中不断有Na⁺离子进入而负极室中不断有Na⁺迁出，只要将这两个极室用合适的电解质溶液（譬如利用海水作为极室液）连接起来，便形成了一个离子的传输通道，可以实现完全的离子电流回路，如图5所示。还可以将膜堆堆叠方式变更为环形，如图6所示，这样可以最大程度利用现有的电渗析组件设计经验。

本发明的核心在于利用两种不同浓度的盐溶液混合时释放的能量来净化低浓度盐溶液得到淡水，以上原理示例均利用NaCl来说明，但本发明能直接处理的盐溶液还包括含有H⁺，Li⁺，Na⁺，K⁺，NH₄ ⁺，Ca²⁺，M_g ²⁺，Sr²⁺，Ba²⁺，Al³⁺等阳离子及含有F^-，Cl^-，Br^-，I^-，NO₃ ^-，NO₂ ^-，SO₄ ^2-，SO₃ ^2-，ClO₃ ^-，CO₃ ^2-，HCO₃ ^-，OH^-等阴离子的盐溶液及其混合溶液。

本发明的有益效果在于：1.该系统在净化处理咸水得到淡水的过程中不需要任何外部能量供给，系统工作过程中碳排放为零；2.系统在得到饮用淡水时只需要消耗海水及咸水资源；3.由于整个过程中不产生任何浓度高于海水的废水，不存在浓水排放难题；4.整体系统体积小巧，便于携带；5.整体系统配套设备少，成本低。

附图说明

图1为反渗析过程简要原理图；

图2为电渗析过程简要原理图；

图3为自脱盐系统物料流动简图；

图4为实施例1的自脱盐系统核心膜堆构成原理简图；

图5为实施例4的无电极系统的自脱盐系统核心膜堆结构简图；

图6为实施例5的无电极系统的自脱盐系统核心膜堆结构简图。

图中标号为：101为膜堆正极；102为膜堆负极；103为阳离子交换膜；104为阴离子交换膜；105为反渗析重复单元；106为电渗析重复单元；107为膜堆；108为中空连接器；201为咸水；202为海水；203为淡水；204为混合废水；211为反渗析咸水废水；212为反渗析海水废水；213为电渗析浓水。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：系统核心膜堆结构如图4所示，共有一个膜堆，采用有电极结构膜堆设计。膜堆中一共配置有11个反渗析重复单元及4个电渗析重复单元，反渗析与电渗析重复单元数之比为2.75:1。反渗析重复单元105由一层阳离子交换膜103间隔一层阴离子交换膜104组成，并以咸水201和海水202作为输入，并得到反渗析咸水废水211及反渗析海水废水212；电渗析重复单元106也由一层阳离子交换膜103间隔一层阴离子交换膜104组成，均以咸水201作为电渗析的浓淡室进水，并得到淡水203及电渗析浓水213；反渗析咸水废水211、反渗析海水废水212和电渗析浓水213组成混合废水输出系统204。

膜堆外加有膜堆正极和膜堆负极，其中膜堆正极及膜堆负极均使用具有RuO₂-IrO₂涂层的钛电极片，带电极系统的优点是膜堆结构容易实现，与现有技术兼容好。正负极室电极液均采用Na₄Fe(CN)₆0.05mol/L+Na₃Fe(CN)₆0.05mol/L+NaCl0.25mol/L混合溶液。咸水201采用1000mg/L海盐溶液，海水202采用30000mg/L海盐溶液。阳离子交换膜103及阴离子交换膜104采用山东天维膜技术有限公司DF-120型阳膜及阴膜，膜间流道间距0.9mm，流道长度为57cm，控制咸水及海水流经膜堆的流速为0.47cm/s。系统工作过程中其离子电流密度为0.82mA/cm²。流经膜堆处理后，得到的淡水203盐度为420mg/L，脱盐率为58%。

实施例2：系统核心膜堆结构共有一个膜堆，也采用有电极结构膜堆设计。膜堆含有40个反渗析重复单元及2个电渗析重复单元，反渗析与电渗析重复单元数之比为20:1。阳离子交换膜103及阴离子交换膜104分别采用日本旭硝子公司CMV阳膜及AMV阴膜，膜堆其它结构与实施例1相同。电极液，咸水及海水均与实施例1相同，不同的是控制咸水及海水的流速为5cm/s。此时系统工作过程中其离子电流密度为4.8mA/cm²。流经膜堆处理后，得到的淡水203盐度为660mg/L，脱盐率为34%。

实施例3：系统核心膜堆结构共有一个膜堆，也采用有电极结构膜堆设计。膜堆含有8个反渗析重复单元及8个电渗析重复单元，反渗析与电渗析重复单元数之比为1:1。阳离子交换膜103及阴离子交换膜104分别采用日本旭硝子公司CMV阳膜及AMV阴膜，膜堆其它结构与实施例1相同。电极液，咸水201,及海水202均与实施例1相同，不同的是控制咸水201及海水202的流速为0.10cm/s。此时系统工作过程中其离子电流密度为0.23mA/cm²。流经膜堆处理后，得到的淡水203盐度为410mg/L，脱盐率为59%。

实施例4：系统核心膜堆结构如图5所示，共有一个膜堆，采用无电极结构膜堆设计，系统结构更为紧凑，成本更低。膜堆中一共配置有11个反渗析重复单元及4个电渗析单元，反渗析与电渗析重复单元数之比为2.75:1。阳离子交换膜103及阴离子交换膜104采用山东天维膜技术有限公司DF-120型阳膜及阴膜。咸水201采用1000mg/L海盐溶液，海水202采用30000mg/L海盐溶液。通过设计将膜堆两侧的夹紧端板镂空，使膜堆两侧的离子交换膜暴露在外。将上述膜堆整体浸没在一个装满海水202的容器中，使膜堆两侧的离子交换膜103与容器中的海水202完全浸润（排除附着的少量气泡以增加导电性），利用海水202的离子导电性形成如图5所示的离子电流传输通道。控制咸水201及海水202流经膜堆的线速度为0.47cm/s。流经膜堆处理后，得到的淡水203盐度为490mg/L，脱盐率为51%。由于没有电极系统，电流完全为离子电流，该电流无法用仪器直接测量，根据电渗析的脱盐率，推算工作过程中离子电流密度为0.72mA/cm²。

实施例5：膜堆结构采用无电极系统结构。膜堆107结构与实施例4完全相同，也由11个反渗析重复单元及4个电渗析单元组成，不同的是本实施例中组装了4个完全相同的膜堆107，将其首尾相连组成环形，如图6所示。综合系统中反渗析与电渗析重复单元数之比仍为2.75:1。其中前一膜堆107的正极室与下一膜堆107的负极室相连，用中空连接器108连接，这些中空连接器108中充满30000mg/L的海水202作为离子传输通道，形成了一个环形的离子电流回路。由于此配置中形成的离子电流传输通道路径较实施例4中要短，因此其内阻更小，效率更高。系统中咸水201及海水202的组分、浓度与流速均与实施例4完全相同。流经膜堆处理后，得到的淡水203盐度为440mg/L，脱盐率为56%，明显优于实施例4。与实施例4一样，经推算工作过程中离子电流密度为0.79mA/cm²。

实施例6：将实施例5中海水（即浓盐水）202及咸水201分别变化为10000mg/L及200mg/L Ca(NO₃)₂溶液，中空连接器108中充满10000mg/L Ca(NO₃)₂溶液作为离子通道，其它条件维持不变。流经膜堆处理后，得到的淡水203盐度为95mg/L，脱盐率为52%。与实施例4一样，经推算工作过程中离子电流密度为0.08mA/cm²。

实施例7：膜堆采用无电极设计，膜堆107中含有40个反渗析重复单元和8个电渗析重复单元。本实施例中整体系统中含有两个完全相同的膜堆107，且其首尾相连，用中空连接器108连接。综合系统中反渗析与电渗析重复单元数之比仍为5:1。控制咸水201及海水202流经膜堆的流速为0.59cm/s，其它细节均与实施例5相同。流经膜堆处理后，得到的淡水203盐度为330mg/L，脱盐率为67%。经推算工作过程中离子电流密度为1.05mA/cm²。

实施例8：膜堆采用无电极设计，膜堆107中含有100个反渗析重复单元和10个电渗析重复单元。本实施例中整体系统中含有8个完全相同的膜堆107，且其首尾相连，用中空连接器108连接。综合系统中反渗析与电渗析重复单元数之比仍为10:1。控制咸水201及海水202流经膜堆的流速为0.90cm/s，其它细节均与实施例5相同。流经膜堆处理后，得到的淡水203盐度为410mg/L，脱盐率为59%。经推算工作过程中离子电流密度为1.56mA/cm²。

Claims

1.一种自脱盐系统，其特征在于，包括m个膜堆（107），m≥1，膜堆（107）由反渗析和电渗析两个部分串联组成，反渗析部分由f个反渗析重复单元（105）组成，f≥1，电渗析部分由d个电渗析重复单元（106）组成，d≥1，其中反渗析重复单元（105）由一层阳离子交换膜（103）间隔一层阴离子交换膜（104）组成，并以咸水（201）和海水（202）作为输入，并得到反渗析咸水废水（211）及反渗析海水废水（212）；电渗析重复单元（106）也由一层阳离子交换膜（103）间隔一层阴离子交换膜（104）组成，均以咸水（201）作为电渗析的浓淡室进水，并得到淡水（203）及电渗析浓水（213）；反渗析咸水废水（211）、反渗析海水废水（212）和电渗析浓水（213）组成混合废水（204）输出系统。

2.根据权利要求1所述的自脱盐系统，其特征在于m＞1，且各膜堆（107）首尾相连组成环形。

3.根据权利要求1所述的自脱盐系统，其特征在于m=4，还包括中空连接器（108），中空连接器（108）将4个膜堆（107）首尾连接，中空连接器（108）中充满海水（202）。

4.根据权利要求1所述的自脱盐系统，其特征在于咸水（201）盐度范围为100–10000mg/L，而海水（202）盐度为咸水（201）的1.1–1000倍。

5.根据权利要求1所述的自脱盐系统，其特征在于咸水（201）和海水（202）是含有H⁺、Li⁺、Na⁺、K⁺、NH₄ ⁺、Ca²⁺、M_g ²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺和Al³⁺等阳离子其中一种或几种，以及F^-、Cl^-、Br^-、I^-、NO₃ ^-、NO₂ ^-、SO₄ ^2-、SO₃ ^2-、ClO₃ ^-、CO₃ ^2-、HCO₃ ^-和OH^-等阴离子其中一种或几种的强电解质溶液。

6.根据权利要求1所述的自脱盐系统，其特征在于膜堆中咸水（201）及海水（202)的流速为0.05–5cm/s。

7.根据权利要求1所述的自脱盐系统，其特征在于膜堆外加有膜堆正极（101）和膜堆负极（102），膜堆正极（101）和膜堆负极（102）可以是金属电极或超级电容器电极。

8.根据权利要求7所述的自脱盐系统，其特征在于膜堆正极（101）和膜堆负极（102）是具有RuO₂-IrO₂涂层的钛电极片。

9.根据权利要求1所述的自脱盐系统，其特征在于膜堆中反渗析重复单元数f与电渗析重复单元数d之比为20:1-1:1。