CN106186491A - 一种正渗透耦合蒸馏的小型太阳能海水淡化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种正渗透耦合蒸馏的小型太阳能海水淡化装置，包括：太阳能集热管，中空结构，顶部封闭；排气管，安装在所述太阳能集热管的中空腔内，两者夹持形成汲取液加热蒸发空间，顶部设有与太阳能真空管连通的通气孔；正渗透汲腔体，位于所述太阳能集热管下方且与所述汲取液加热蒸发空间连通，表面设有至少一个膜安装孔，该膜安装孔装有正渗透膜；冷凝储水箱，与所述排气管连通用于收集和冷凝水蒸气；本发明的本装置使用装置寿命长，对环境友好，且自动汲水功能省略了水泵结构，节约了泵功，使装置更加小型化。
Description
技术领域
本发明涉及海水淡化技术领域，特别涉及一种正渗透耦合蒸馏的小型太阳能海水淡化装置。
背景技术
开发海水淡化技术，是解决沿海地区水资源短缺的有效途径之一。目前常见的海水淡化技术可分为三类：蒸馏法，冷冻法，反渗透法。反渗透法和蒸馏法是目前应用最广的两种海水淡化技术。反渗透法适用于工业大规模的海水淡化，但需要对原料水进行处理以防止膜污染，反渗透法浓海水的排放会造成环境污染且难以回收利用，给各企业带来极大的困扰。蒸馏法海水淡化技术应用较早，适应环境较广，小型化容易实现。
小型蒸馏法海水淡化技术虽然已有广泛应用，但被蒸馏的海水在蒸发至一定浓度就要进行排放，否则会造成非常严重的腐蚀和结垢问题，蒸馏后浓盐水的排放也会带来环境问题。
正渗透(FO)过程是指水通过选择性半透膜从较高水化学势区域(低渗透压侧)自发地扩散到较低水化学势区域(高渗透压侧)的过程，这个过程的驱动力来源于膜两侧溶液之间的渗透压。相对于反渗透等分离技术，正渗透分离技术的显著特点是不需要在外加压力的情况下运行，操作简单，能耗低，而且膜污染情况相对较轻，易清洗，汲取液的回收率可以达到95％以上，浓水排放量少，污染小，是一种环境友好的新技术。
将正渗透技术用于海水淡化领域也已有相关研究，其中公开号为CN102745776A的专利文献提供了一种将正渗透与反渗透结合的海水淡化技术，利用反渗透浓排水的高渗透压对正渗透进料液进行浓缩，通过耦合反渗透和正渗透过程，同时实现反渗透浓排水的回收利用和正渗透进料液的浓缩和纯化处理。
此外，公开号为CN 104591457 A的专利文献提供了一种正渗透耦合膜蒸馏处理废水的装置及方法，该方法先用膜蒸馏单元浓缩处理高盐废水作为正渗透的驱动液，通过正渗透进料液侧原水的不断浓缩来稀释膜蒸馏浓水，当稀释后膜蒸馏浓水返回到膜蒸馏单元继续浓缩处理，以此循环。
上述的两种方法虽然都解决了正渗透过程中的汲取液再生问题，但是都需要使用高压泵或者多个溶液泵进行系统的循环，难以做到小型化。目前正渗透汲水过程中稀释后汲取液的再生是一个亟需解决的问题。在蒸馏法海水淡化技术中，海水的腐蚀和结垢问题限制了浓海水的排放浓度，同时浓海水的排放会造成环境污染问题且难以回收利用。同时如何将耦合正渗透技术的海水淡化装置做到小型化提供民用同样是一个需要解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种正渗透耦合蒸馏的小型太阳能海水淡化装置，具有体积小、使用方便、污染小等优点。
一种正渗透耦合蒸馏的小型太阳能海水淡化装置，包括：
太阳能集热管，中空结构，顶部封闭；
排气管，安装在所述太阳能集热管的中空腔内，两者夹持形成汲取液加热蒸发空间，顶部设有与太阳能真空管连通的通气孔；
正渗透汲腔体，位于所述太阳能集热管下方且与所述汲取液加热蒸发空间连通，表面设有至少一个膜安装孔，该膜安装孔装有正渗透膜；
冷凝储水箱，与所述排气管连通用于收集和冷凝水蒸气。
为了提高集热效果，优选的，所述太阳能集热管采用太阳能真空管。
本发明的工作原理为：
太阳能真空管加热汲取液加热蒸发空间内的汲取液，在太阳能真空管中嵌有排气管，汲取液的液面高度不超过排气管的通气孔，汲取液受热，水蒸气在排气管中通过管壁与汲取液换热并通过冷凝储水箱实现冷凝并收集，正渗透汲腔体通过吸收海水补充汲取液。
正渗透汲取腔体的核心部件为一膜组件，其中膜为水通透性好而截留率高的正渗透膜(FO)，通过具有高密闭性的组件进行固定并实施其功能。
目前已商品化的FO膜为美国HTI公司推广的三醋酸纤维素正渗透膜(HTI-CTA)。FO膜一端(下端)与待淡化的模拟海水(0.6mol/L的NaCl溶液)相接触，另一端(上端)接触浓度为1mol/L的NaCl汲取液。两者的浓度差所产生的渗透压使海水中的水份不断的被汲取到膜上方，利用化学势差实现海水汲取的功能。
汲取液再生过程是恢复装置源动力的重要环节。本装置可采用高浓度的纯净氯化钠溶液为汲取液，在汲取海水中的水分后，汲取液浓度逐渐降低，与海水浓度趋于相近，当两者浓度平衡后便无法进行渗透，汲水停止。此时利用太阳能蒸馏来蒸发汲取液，让汲取液保持较高的浓度，能继续汲取海水中的水分，维持汲取液渗透压。当水的蒸发量与渗透量相同时，汲取液浓度保持动态平衡，同时产生淡水。
为了提高淡化效率，优选的，所述冷凝储水箱位于所述正渗透汲腔体的正下方，所述排气管的底端穿过所述正渗透汲腔体与所述冷凝储水箱连通。水蒸汽经过正渗透汲腔体，水蒸汽中的能量进行汲取液预热，实现节能作用。
为了方便安装、制造以及使用，优选的，所述正渗透汲腔体采用立方体空腔，上端面与所述太阳能集热管连接，周向四个端面分别开设有膜安装孔，每个膜安装孔装有正渗透膜；
所述排气管穿过所述正渗透汲腔体的下端面与所述冷凝储水箱连通。
为了提高淡化效率，优选的，所述排气管的外壁为疏松多孔的材质。上述结构为沸腾提供汽化核心，加速水蒸气的形成。
为了提高膜的强度，优选的，所述正渗透膜覆盖有金属丝网。金属丝网起到支撑作用。
为了减小体积以及便于安装，优选的，所述太阳能集热管和排气管采用圆管，同轴布置。
为了加速产水，提高产水量，优选的，所述太阳能集热管的内径和所述排气管的外径差值为3～4mm。本装置采用太阳能真空管内置排气管的结构，使汲取液集中在真空管和排气管之间比较薄的一层液膜中，从而减小了汲取液的热容量，即在分配能量时使尽量少的热量储藏在汲取液的显热里，使尽可能多的热量转为蒸汽潜热。
为了兼顾预热效果和集水效率，优选的，所述排气管的内径为20～30mm。
本发明的有益效果：
1)本装置直接蒸馏干净的汲取液，不存在结垢问题，使用装置寿命得到延长；
2)本装置直接从大海中汲取水分，且汲取液一直维持在一定浓度，可连续使用，不存在浓盐水直接排放造成的污染问题，对环境友好；
3)本装置将正渗透技术和蒸馏技术进行耦合，一方面利用太阳能使汲取液中水分及时蒸发，从而维持正渗透膜两侧的浓度差，使汲取液的汲水能力始终维持在较高的水平，而且自动汲水功能省略了水泵结构，节约了泵功，使装置更加小型化。
附图说明
图1为本发明的正渗透耦合蒸馏的小型太阳能海水淡化装置的结构示意图。
图2为本发明的太阳能真空管和正渗透汲水部件的连接结构示意图。
图3为本发明的排气管和正渗透汲水部件的连接结构示意图。
图4为本发明的太阳能集热管和排气管的结构示意图。
图5为本发明的正渗透汲水腔体的拆分结构示意图。
图6为本发明的冷凝器储水箱的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述和说明。
如图1～6所示，本实施例的正渗透耦合蒸馏的小型太阳能海水淡化装置由太阳能集热和排气部件101、正渗透汲水部件102和冷凝储水箱103组成。
太阳能集热和排气部件101由太阳能真空管201和排气管202组成；排气管202置于太阳能真空管201中，两者夹持形成的空间用于填充汲取液，排气管202顶部与太阳能真空管201顶部空间相通。工作时对太阳能真空管201与排气管202间填充的汲取液进行蒸发。
正渗透汲水部件102为正渗透汲水腔体，由箱体301、金属丝网302、O型橡胶圈303、FO膜304和端盖305组成。其箱体301呈中空的立方体结构，上端面与太阳能真空管201连接，且与太阳能集热和排气部件101中夹层相通；下端面与排气管202连接；其余四个端面上各开有一个通孔，通孔上安装FO膜304。装配时先将O型橡胶圈303与箱体301密封接触，再依次垫入金属丝网302和FO膜304，其中金属丝网302起支撑作用，最后用螺栓固定端盖305，确保O型橡胶圈303被压紧，使得装置密封。工作时正渗透汲水部件102位于海面下与海水直接接触进行汲水。
冷凝储水箱103为圆柱形容器。工作时冷凝储水箱103置于海水中，与海水直接接触换热，使得导入其中的水蒸气冷凝并储存。
排气管202的内径为26mm，太阳能集热管201的内径和排气管202的外径差值为3.5mm。
本实施例的具体工作原理为：
1)正渗透汲取部分核心部件为一膜组件，其中膜为水通透性好而截留率高的正渗透膜(FO)，通过具有高密闭性的组件进行固定并实施其功能。
目前已商品化的FO膜为美国HTI公司推广的三醋酸纤维素正渗透膜(HTI-CTA)。FO膜一端(下端)与待淡化的模拟海水(0.6mol/L的NaCl溶液)相接触，另一端(上端)接触浓度为1mol/L的NaCl汲取液。两者的浓度差所产生的渗透压使海水中的水份不断的被汲取到膜上方，利用化学势差实现海水汲取的功能。
2)汲取液再生过程是恢复装置源动力的重要环节。
以采用高浓度的纯净氯化钠溶液为例，汲取液在汲取海水中的水分后，浓度逐渐降低，与海水浓度趋于相近，当两者浓度平衡后便无法进行渗透，汲水停止。此时利用太阳能蒸馏来蒸发汲取液，让汲取液保持较高的浓度，能继续汲取海水中的水分，维持汲取液渗透压。当水的蒸发量与渗透量相同时，汲取液浓度保持动态平衡，同时产生淡水。
3)冷凝储水过程同时起到冷凝淡水、预热汲取液的作用。
在太阳能真空管201中嵌有排气管202，汲取液的液面高度不超过排气管202的顶端，水蒸气在排气管202中通过管壁与汲取液换热并通过冷凝储水箱103实现冷凝并收集。整个过程实现冷凝并利用了蒸汽中的能量进行汲取液预热，实现节能作用。
以上实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种正渗透耦合蒸馏的小型太阳能海水淡化装置，其特征在于，包括：
太阳能集热管，中空结构，顶部封闭；
排气管，安装在所述太阳能集热管的中空腔内，两者夹持形成汲取液加热蒸发空间，顶部设有与太阳能真空管连通的通气孔；
正渗透汲腔体，位于所述太阳能集热管下方且与所述汲取液加热蒸发空间连通，表面设有至少一个膜安装孔，该膜安装孔装有正渗透膜；
冷凝储水箱，与所述排气管连通用于收集和冷凝水蒸气。
2.如权利要求1所述的正渗透耦合蒸馏的小型太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述冷凝储水箱位于所述正渗透汲腔体的正下方，所述排气管的底端穿过所述正渗透汲腔体与所述冷凝储水箱连通。
3.如权利要求2所述的正渗透耦合蒸馏的小型太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述正渗透汲腔体采用立方体空腔，上端面与所述太阳能集热管连接，周向四个端面分别开设有膜安装孔，每个膜安装孔装有正渗透膜；
所述排气管穿过所述正渗透汲腔体的下端面与所述冷凝储水箱连通。
4.如权利要求1所述的正渗透耦合蒸馏的小型太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述排气管的外壁为疏松多孔的材质。
5.如权利要求1所述的正渗透耦合蒸馏的小型太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述正渗透膜覆盖有金属丝网。
6.如权利要求1所述的正渗透耦合蒸馏的小型太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述太阳能集热管和排气管采用圆管，同轴布置。
7.如权利要求6所述的正渗透耦合蒸馏的小型太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述太阳能集热管的内径和所述排气管的外径差值为3～4mm。
8.如权利要求6所述的正渗透耦合蒸馏的小型太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述排气管的内径为20～30mm。
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