CN105417596A - 一种用水凝胶连续淡化海水的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用水凝胶连续淡化海水的方法。该方法为：海水进入水凝胶连续淡化流程中的水凝胶淡化挤压装置，使水凝胶淡化挤压装置中的水凝胶溶胀，达到所需溶胀度后装置将水凝胶中的水挤出，得到淡化后的淡水；通过阀门的控制使得海水交替进入各个水凝胶淡化挤压装置，使得在整个工艺流程的出口处始终有淡水产出，达到连续淡化的目的。该方法利用水凝胶的脱盐性能进行海水淡化，并且实现了连续淡化，可以将总溶解固体（TDS）≥35.00g/L的海水淡化至TDS≤10.00g/L的淡水，满足日常饮用需求，同时和传统的反渗透等方法相比该发明所属的方法降低了海水淡化过程的能耗。
Description
技术领域
本发明涉及海水淡化的技术领域，具体涉及一种用水凝胶连续淡化海水的方法。
背景技术
淡水资源在地表分布具有不均衡性和有限性，我国也是一样。海水的储水量非常丰富，但是海水却不能直接供人和农作物等生物使用。因此海水淡化是解决淡水短缺的一个有效途径。现行的海水淡化技术有20多种，包括正反渗透、多级闪蒸、电渗析法、露点蒸发法以及利用核能、太阳能海水淡化技术等。但是这些方法都有成本过高的缺点，限制了海水淡化技术的大面积推广应用。同时现行的技术往往需要大型的设备，在某些突发性、小规模情况的应用中具有局限性。
水凝胶是一类高分子聚合物的简称，这类聚合物具有轻度交联、可吸水却不溶于水的特点。经过干燥后的水凝胶具有极强的吸水性，其吸水量和吸水速率都是惊人的。澳大利亚莫纳什大学AmirRazmjou等人以一种负载纳米氧化铁颗粒的水凝胶为载体，在磁场和加热共同作用的情况下，通过利用水凝胶的强吸水性为含氯化钠浓度为3.5wt%海水通过半透膜提供驱动力，进而达到提高海水淡化水回收率的目的。随后，AmirRazmjou等人的团队又报告了一种通过双重分层的水凝胶从海水中提取淡水的方法。该团队通过凝胶本身的吸水性以及利用太阳能照射凝胶层使海水穿过半透膜进入凝胶层中，进而释放出淡水。但是这些方法都是利用半透膜对海水进行实质性的脱盐处理，水凝胶在其中只是起到一个提供驱动力和提高水回收率的作用。而且上述的方法在操作中需要磁场加热以及达到一定强度的太阳能照射，都对该技术应用的便捷性以及成本产生了不利的影响。德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的JohannesHopfner等人的团队曾用聚丙烯酸钠吸收氯化钠溶液，通过挤压水凝胶得到挤出液并测试其氯化钠浓度，当原水浓度为35g/LNaCl溶液时，脱盐率仅为25%。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用水凝胶进行海水淡化的方法。本发明利用水凝胶自身的脱盐性能，通过工艺流程的控制和优化达到淡化海水的目的。
本发明目的通过以下技术方案来实现：
一种用水凝胶连续淡化海水的方法，包括如下步骤：
（1）海水进入水凝胶连续淡化流程中的水凝胶淡化挤压装置，使水凝胶淡化挤压装置中的水凝胶溶胀，达到所需溶胀度后装置将水凝胶中的水挤出，得到淡化后的淡水；
（2）通过阀门的控制使得海水交替进入各个水凝胶淡化挤压装置，使得在整个工艺流程的出口处始终有淡水产出，达到连续淡化的目的。
上述方法中，所述挤压为机械挤压。
上述方法中，所述水凝胶为一类含有亲水基团，能在水溶液中溶胀的高分子聚合物；所述水凝胶单体含量为10wt%～50wt%。
上述方法中，所述水凝胶单体为丙烯酸、丙烯酸钠、甲基丙烯酸以及丙烯酸酯类、甲基丙烯酸酯类；
上述方法中，所述水凝胶孔径在0.1um～20um。
上述方法中，所述水凝胶溶胀量为平衡溶胀量的10%～90%。
上述方法中，所述水凝胶连续淡化流程包括两个以上的淡化系统；所述淡化系统包括一个以上的水凝胶淡化挤压装置；每一个淡化系统中水凝胶淡化挤压装置为串联连接，不同淡化系统中水凝胶淡化挤压装置为并联连接，通过阀门控制海水交替进入到水凝胶淡化挤压装置中；水凝胶淡化挤压装置的产水通过电导率仪测量产水中离子浓度。
上述方法中，所述水凝胶连续淡化流程包括第二阀门、第一电导率仪、第三阀门、第四阀门、第二电导率仪、第五阀门、第一水凝胶淡化挤压装置和第二水凝胶淡化挤压装置；所述第二阀门与第一水凝胶淡化挤压装置、第一电导率仪、第三阀门顺次连接，形成第一淡化系统；所述第四阀门与第二水凝胶淡化挤压装置、第二电导率仪、第五阀门顺次连接，形成第二淡化系统；所述第一淡化系统与第二淡化系统并联连接。
上述方法中，还包括第一阀门和输液泵；所述第一阀门和输液泵通过管道连接，后分别与第一淡化系统和第二淡化系统连接。
上述方法中，具体的方法为，包括如下步骤：
（1）打开第一阀门，输液泵，第二阀门，让海水进入第一水凝胶淡化挤压装置中，第一水凝胶淡化挤压装置中的水凝胶溶胀；
（2）待第一水凝胶淡化挤压装置中的水凝胶达到所需溶胀度后，关闭第二阀门同时打开第四阀门，将第一水凝胶淡化挤压装置中水凝胶中的水挤出，经第一电导率仪检测合格后打开第三阀门得到淡水；在该过程中海水进入第二水凝胶淡化挤压装置中，第二水凝胶淡化挤压装置中的水凝胶开始溶胀；
（3）当第二水凝胶淡化挤压装置中水凝胶溶胀达到要求后，关闭第四阀门打开第二阀门，使得海水进入到第一水凝胶淡化挤压装置中，第一水凝胶淡化挤压装置中的水凝胶再次溶胀，同时将第二水凝胶淡化挤压装置中的水凝胶中的水挤出，得到淡水；
（4）重复步骤（2）、（3），连续产出淡水。
本发明的技术原理如下：
水凝胶对于盐水和淡水的吸收速率与吸收量都是不同的。对于吸收盐水和淡水而言，吸收过程都可分为两个部分。第一部分是从干胶吸水直至接近饱和，此时吸收盐水和淡水的速率比较快，干胶能在短时间内吸收占饱和吸收量80%～90%的液体；第二部分是继续吸收直到饱和，此过程耗时较长，约为第一阶段所耗时间的10～15倍。在第一阶段，水凝胶吸收淡水的速率约为吸收盐水速率的1～5倍，最终的吸收淡水的总量约为吸收盐水总量的1～10倍。因此本发明利用水凝胶第一阶段吸水的特性，通过控制吸水时间，使海水中的淡水大量进入凝胶的同时仅吸收少量的盐水，而被水凝胶吸收的少量盐水再经过水凝胶孔穴对无机盐离子的过滤作用和多级吸收的双重管控，最终达到淡化海水的目的。于此同时，通过对整个水凝胶海水淡化工艺流程的控制，使得各个水凝胶淡化挤压装置中的水凝胶交替吸海水、产淡水，弥补了单独用水凝胶间歇产水的不足，达到连续海水淡化的目的。
本发明中，海水均指进入到淡化流程生产线的原料液；淡水均指整个工艺流程的产品液。不饱和吸水法是指让干胶吸收海水的质量为饱和吸水量的10%～90%。饱和吸水量均为水凝胶经过干燥所得的干胶完全吸海水至饱和时所吸收了的海水的总质量。所述的海水交替进入各个水凝胶淡化挤压装置，是指上一个装置中的水凝胶在溶胀的过程中，海水通过阀门的控制进入到下一个装置中；所述的水凝胶淡化挤压装置为两个以上并联，但并不限于此。水凝胶的种类、溶胀时间、挤压速率和水凝胶的溶胀度均会对该方法所需的水凝胶淡化挤压装置的数量产生影响。当整个工艺流程使得出口处恰好有淡水连续流出时，此时水凝胶淡化挤压装置的数量为该种水凝胶所需水凝胶淡化挤压装置的最少数量。所述的电导率仪为测量产水中离子浓度的装置，可以是每条产水管线连一台电导率仪，但并不限于此。所述的一种用水凝胶进行连续海水淡化的方法，可以是一级多段的淡化工艺（如图1所示），也可以是多级多段的淡化工艺。
本发明相对于现有技术所具备的优点及有益效果：
本发明所述的方法提高了经水凝胶淡化后淡水的品质，缩短了整个处理过程所需的时间，达到了连续生产淡水的目的。同时可以通过多级淡化的方法，可以确保最终所得淡水的品质。以往的水处理方法通常需要外界提供热量（如蒸馏法）或者高压（如反渗透法），使得能量消耗大幅增加，而本工艺操作压力在1MPa以下，远低于反渗透法的工况压力（≥5MPa），使得所用设备装置简单而且节能环保。最后，本发明所用的水凝胶达到人体直接接触的卫生标准，同时淡化过程方便快捷，因此本发明所述的操作方法在有需要的情况下可以直接用手去挤压水凝胶得到淡水，在诸如抢险救灾、长途航海、户外探险等情况下可方便、快捷的得到淡水，补充人体所需。本发明方法利用水凝胶的脱盐性能进行海水淡化，并且实现了连续淡化，可以将总溶解固体（TDS）≥35.00g/L的海水淡化至TDS≤10.00g/L的淡水，满足日常饮用需求，同时和传统的反渗透等方法相比该发明所属的方法降低了海水淡化过程的能耗。
附图说明
图1为本发明水凝胶连续淡化海水工艺流程示意图。
图中各个部件如下：第一阀门1、输液泵2、第二阀门3、第一电导率仪4、第三阀门5、第四阀门6、第二电导率仪7、第五阀门8、第一水凝胶淡化挤压装置A、第二水凝胶淡化挤压装置B。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步地具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
本发明使用的装置包括两个以上的淡化系统；所述淡化系统包括一个以上的水凝胶淡化挤压装置；每一个淡化系统中水凝胶淡化挤压装置为串联连接，不同淡化系统中水凝胶淡化挤压装置为并联连接，通过阀门控制海水交替进入到水凝胶淡化挤压装置中；水凝胶淡化挤压装置的产水通过电导率仪测量产水中离子浓度。
所述装置具体的一个例子如图1所示，包括第二阀门3、第一电导率仪4、第三阀门5、第四阀门6、第二电导率仪7、第五阀门8、第一水凝胶淡化挤压装置A和第二水凝胶淡化挤压装置B；所述第二阀门3与第一水凝胶淡化挤压装置A、第一电导率仪4、第三阀门5顺次连接，形成第一淡化系统；所述第四阀门6与第二水凝胶淡化挤压装置B、第二电导率仪7、第五阀门8顺次连接，形成第二淡化系统；所述第一淡化系统与第二淡化系统并联连接。还包括第一阀门1和输液泵2；所述第一阀门1和输液泵2通过管道连接，后分别与第一淡化系统和第二淡化系统连接。
下面通过实例对本发明进一步进行阐述。
本发明实例中的海水由海水中的主要成分氯化钠的水溶液代替，所用浓度为35.00g/L，但并不限于此。
实施例1
本实施例每条生产支线（即淡化系统）由两个挤压装置串联而成（二级）。将含15wt%甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）和5wt%丙烯酸钠(SA)的聚甲基丙烯酸羟乙酯-丙烯酸钠（HEMA15/SA5）的干胶投入各个水凝胶淡化挤压装置中，首先向该支线（即第一淡化系统）中的第一个水凝胶淡化挤压装置中通海水，溶胀40s后挤压水凝胶，经测试一级挤出液中氯化钠的浓度为12.40g/L，一级脱盐率为64.57%。然后将第一个水凝胶淡化挤压装置中所得的挤出液再通入下一个水凝胶淡化挤压装置水凝胶进行二级吸收40s，用力去挤压水凝胶，经测试二级挤出液中氯化钠浓度为1.32g/L，此时该条生产支线产出淡水。在该条生产线第一个水凝胶淡化挤压装置开始挤压的时候即通过阀门控制将海水通往第二条生产支线，以此类推，最终该工艺生产线连续生产淡水（本实施例使用的淡化挤压装置由两条支线并联而成，即第一淡化系统和第二淡化系统并联而成）。
实施例2
本实施例每条生产支线（即淡化系统）由两个挤压装置串联而成（二级）。将含15wt%甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）和5wt%丙烯酸钠(SA)的聚甲基丙烯酸羟乙酯-丙烯酸钠（HEMA15/SA5）的干胶投入各个挤压装置中，首先向该支线（即第一淡化系统）第一个水凝胶淡化挤压装置中通海水，溶胀80s后挤压水凝胶，经测试一级挤出液中氯化钠的浓度为12.40g/L，一级脱盐率为64.57%。然后将第一个水凝胶淡化挤压装置中所得的挤出液再通入下一个水凝胶淡化挤压装置水凝胶进行二级吸收40s后挤压水凝胶，经测试二级挤出液中氯化钠浓度为1.32g/L，此时该条生产支线产出淡水。在该条生产线第一个水凝胶淡化挤压装置开始挤压的时候即通过阀门控制将海水通往第二条生产支线，以此类推，最终该工艺生产线连续生产淡水（本实施例使用的淡化挤压装置由两条支线并联而成，即第一淡化系统和第二淡化系统并联而成）。
实施例3
本实施例每条生产支线（即淡化系统）由两个挤压装置串联而成（二级）。将含10wt%甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）和10wt%丙烯酸钠(SA)的聚甲基丙烯酸羟乙酯-丙烯酸钠（HEMA10/SA10）的干胶投入各个挤压装置中，首先向该支线（即第一淡化系统）第一个水凝胶淡化挤压装置中通海水，溶胀240s后挤压水凝胶，经测试一级挤出液中氯化钠的浓度为15.28g/L，一级脱盐率为56.34%。然后将第一个水凝胶淡化挤压装置中所得的挤出液再通入下一个水凝胶淡化挤压装置水凝胶进行二级吸收240s后挤压水凝胶，经测试二级挤出液中氯化钠浓度为6.45g/L，此时该条生产支线产出淡水。在该条生产线第一个水凝胶淡化挤压装置开始挤压的时候即通过阀门控制将海水通往第二条生产支线，以此类推，最终该工艺生产线连续生产淡水（本实施例使用的淡化挤压装置由两条支线并联而成，即第一淡化系统和第二淡化系统并联而成）。
实施例4
本实施例每条生产支线（即淡化系统）由三个挤压装置串联而成（三级）。将含20wt%甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）的聚甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA20）的干胶投入各个挤压装置中，首先向该支线（即第一淡化系统）第一个水凝胶淡化挤压装置中通海水，溶胀80s后挤压水凝胶，经测试一级挤出液中氯化钠的浓度为25.33g/L，一级脱盐率为27.63%。然后将第一个水凝胶淡化挤压装置中所得的挤出液再通入下一个水凝胶淡化挤压装置水凝胶进行二级吸收80s后挤压水凝胶，经测试二级挤出液中氯化钠浓度为15.28g/L。然后同理将所得的挤出液再通入第三个挤压装置中进行三级吸收80s后挤压水凝胶，经测试三级挤出液中氯化钠浓度8.74g/L，此时该条生产支线产出淡水。在该条生产线第一个水凝胶淡化挤压装置开始挤压的时候即通过阀门控制将海水通往第二条生产支线，以此类推，最终该工艺生产线连续生产淡水（本实施例使用的淡化挤压装置由两条支线并联而成，即第一淡化系统和第二淡化系统并联而成）。
实施例5
本实施例每条生产支线（即淡化系统）由一个挤压装置串联而成（一级）(如图1所示装置)。将含15wt%甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）和10wt%丙烯酸钠(SA)的聚甲基丙烯酸羟乙酯-丙烯酸钠（HEMA15/SA10）的干胶投入各个挤压装置中，首先向该支线（即第一淡化系统）的水凝胶淡化挤压装置中通海水，溶胀60s后挤压水凝胶，经测试挤出液中氯化钠的浓度为8.16g/L，脱盐率为76.69%。在该条生产线的水凝胶淡化挤压装置开始挤压的时候即通过阀门控制将海水通往第二条生产支线，以此类推，最终该工艺生产线连续生产淡水（本实施例使用的淡化挤压装置由两条支线并联而成，即第一淡化系统和第二淡化系统并联而成）。
本发明的上述实施例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。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用水凝胶连续淡化海水的方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）海水进入水凝胶连续淡化流程中的水凝胶淡化挤压装置，使水凝胶淡化挤压装置中的水凝胶溶胀，达到所需溶胀度后装置将水凝胶中的水挤出，得到淡化后的淡水；
（2）通过阀门的控制使得海水交替进入各个水凝胶淡化挤压装置，使得在整个工艺流程的出口处始终有淡水产出，达到连续淡化的目的。
2.根据权利要求1所述的用水凝胶连续淡化海水的方法，其特征在于，所述挤压为机械挤压。
3.根据权利要求1所述的用水凝胶连续淡化海水的方法，其特征在于，所述水凝胶为一类含有亲水基团，能在水溶液中溶胀的高分子聚合物；所述水凝胶单体含量为10wt%～50wt%。
4.根据权利要求3所述的用水凝胶连续淡化海水的方法，其特征在于，所述水凝胶单体为丙烯酸、丙烯酸钠、甲基丙烯酸以及丙烯酸酯类、甲基丙烯酸酯类。
5.根据权利要求1所述的用水凝胶连续淡化海水的方法，其特征在于，所述水凝胶孔径在0.1um～20um。
6.根据权利要求1所述的用水凝胶连续淡化海水的方法，其特征在于，所述水凝胶溶胀量为平衡溶胀量的10%～90%。
7.根据权利要求1所述的用水凝胶连续淡化海水的方法，其特征在于，所述水凝胶连续淡化流程包括两个以上的淡化系统；所述淡化系统包括一个以上的水凝胶淡化挤压装置；每一个淡化系统中水凝胶淡化挤压装置为串联连接，不同淡化系统中水凝胶淡化挤压装置为并联连接，通过阀门控制海水交替进入到水凝胶淡化挤压装置中；水凝胶淡化挤压装置的产水通过电导率仪测量产水中离子浓度。
8.根据权利要求7所述的用水凝胶连续淡化海水的方法，其特征在于，所述水凝胶连续淡化流程包括第二阀门（3）、第一电导率仪（4）、第三阀门（5）、第四阀门（6）、第二电导率仪（7）、第五阀门（8）、第一水凝胶淡化挤压装置（A）和第二水凝胶淡化挤压装置（B）；
所述第二阀门（3）与第一水凝胶淡化挤压装置（A）、第一电导率仪（4）、第三阀门（5）顺次连接，形成第一淡化系统；
所述第四阀门（6）与第二水凝胶淡化挤压装置（B）、第二电导率仪（7）、第五阀门（8）顺次连接，形成第二淡化系统；
所述第一淡化系统与第二淡化系统并联连接。
9.根据权利要求7所述的用水凝胶连续淡化海水的方法，其特征在于，还包括第一阀门（1）和输液泵（2）；所述第一阀门（1）和输液泵（2）通过管道连接，后分别与第一淡化系统和第二淡化系统连接。
10.根据权利要求7所述的用水凝胶连续淡化海水的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）打开第一阀门（1），输液泵（2），第二阀门（3），让海水进入第一水凝胶淡化挤压装置（A）中，第一水凝胶淡化挤压装置（A）中的水凝胶溶胀；
（2）待第一水凝胶淡化挤压装置（A）中的水凝胶达到所需溶胀度后，关闭第二阀门（3）同时打开第四阀门（6），将第一水凝胶淡化挤压装置（A）中水凝胶中的水挤出，经第一电导率仪（4）检测合格后打开第三阀门（5）得到淡水；在该过程中海水进入第二水凝胶淡化挤压装置（B）中，第二水凝胶淡化挤压装置（B）中的水凝胶开始溶胀；
（3）当第二水凝胶淡化挤压装置（B）中水凝胶溶胀达到要求后，关闭第四阀门（6）打开第二阀门（3），使得海水进入到第一水凝胶淡化挤压装置（A）中，第一水凝胶淡化挤压装置（A）中的水凝胶再次溶胀，同时将第二水凝胶淡化挤压装置（B）中的水凝胶中的水挤出，得到淡水；
（4）重复步骤（2）、（3），连续产出淡水。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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