CN106277485A - 一种电驱动‑压力驱动耦合海水淡化工艺 - Google Patents

一种电驱动‑压力驱动耦合海水淡化工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及海水淡化处理技术领域，具体涉及一种电驱动‑压力驱动耦合海水淡化工艺。该工艺过程为：砂滤过滤、精密过滤、超滤过滤、电渗析脱盐软化和反渗透深度淡化。本发明将均相离子交换膜电渗析脱盐技术与低压抗污染苦咸水反渗透膜脱盐技术耦合应用，具有操作压力低、可靠性强、水回收率高等特点，可有效降低海水淡化系统的投资成本和运营成本。

Description

一种电驱动-压力驱动耦合海水淡化工艺
技术领域
本发明属于非常规水资源开发应用领域，具体涉及到一种海水淡化工艺。
背景技术
我国是淡水资源缺乏的国家，人口不断增长，城市化进程加快，工业发展迅速，对水的需求正以惊人的速度增加，而水体污染又使可供淡水大量减少。同时，气候变化加大了干旱、洪涝发生的频率和强度，也加剧了水资源问题。因此，在大力开发常规水资源、节水用水、循环利用再生水的同时，积极推进海水、苦咸水等非常规水资源的开发利用，转变水资源利用的理念、方式，提高水资源利用效率，对于缓解我国水资源供需矛盾具有十分重要的意义。《国务院办公厅关于加快发展海水淡化产业的意见》(国办发〔2012〕13号)，提出：“鼓励开发海水淡化新技术，增强自主创新能力和配套能力”、“积极研究开发海水淡化取水、预处理、淡化水后处理、浓盐水综合利用和排放处置等各环节的工程技术和成套装置”。国务院2015年4月2日印发的《水污染防治行动计划》(“水十条”)明确强调，要加强攻关研发海水淡化等前瞻技术，推动海水利用。
海水淡化是从海水中获取淡水的技术和过程，是通过物理、化学或物理化学等方法实现的。主要途径有两条：一是从海水中取出水，主要有蒸馏法、反渗透法、冰冻法、水合物法和溶剂萃取法等；二是从海水中取出盐，主要有离子交换法、电渗析法、电容吸附法和压渗法等。但到目前为止，实际应用的仅有反渗透法、蒸馏法和电渗析法。
当前，就全球而言，大规模海水淡化的主流技术是反渗透法、多级闪蒸蒸馏法和低温多效蒸馏法。反渗透法是在海水一侧施加大于海水渗透压的外压，使海水中的纯水反向渗透至淡水中的淡化方法。多级闪蒸蒸馏是将经过加热的海水依次通过多个温度、压力逐级降低的闪蒸室，进行蒸发冷凝的蒸馏淡化方法。低温多效蒸馏是将几个蒸发器串连对海水进行特定多效蒸发操作(第1效的蒸发温度低于70℃)，以节省热量的蒸馏淡化方法。这些海水淡化方法，均仍存在投资成本高、运营成本高的特点。
近年来，随着均相离子交换膜材料制备技术及电渗析应用技术的不断进步，电渗析海水淡化技术开始得到世界各国的重视。西门子(新加坡)公司参加新加坡政府2008年组织的海水淡化能耗挑战赛，利用电渗析技术成功实现了低于4kW·h/m3的能耗目标(最低1.5kW·h/m3)，目前已建成电渗析海水淡化示范工厂。作为欧盟“地平线2020”计划组成部分，欧盟拟启动电渗析海水淡化试点(由RevivED团队实施)，研发预算980万欧元。国家科技部“水资源高效开发利用”重点专项2017年度申报指南建议中，明确提出研发电驱动-压力驱动耦合海水淡化工艺。
有关电渗析与反渗透耦合工艺在含盐水处理领域应用的专利也有报道。如《海水淡化装置》(CN102190349B)在传统的海水淡化反渗透装置的基础上，增加电渗析器，利用电渗析器对反渗透浓海水进一步浓缩，浓缩海水用来提取食盐或电解食盐水；《浓缩海水制盐提取系统》(CN101214976B)在传统反渗透海水淡化系统后连接电渗析器，从而获取浓缩卤水用于制盐；《一种电渗析与反渗透集成应用的有机物溶液的除盐方法》(CN101690869B)，将电渗析浓水经过反渗透脱盐处理后再次利用，以减少废水排放量并提高有机物溶液的脱盐率。这些耦合工艺，主要是利用电渗析对常规反渗透浓水进行再浓缩，无法解决海水淡化用反渗透膜材料昂贵和系统操作压力高、造价高的问题，无法有效降低海水淡化系统的投资成本和运营成本。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供了一种电驱动-压力驱动耦合海水淡化工艺，以实现海水淡化过程的低投资、低能耗。
本发明提出的一种电驱动-压力驱动耦合海水淡化工艺，如图1所示，包括以下步骤：(1)将盐含量29000-35000mg/L的海水通过连续清洗砂滤装置进行初滤，然后经保安过滤器(精密过滤器)过滤得到澄清海水。(2)将澄清海水用超滤装置进行过滤，得到超滤过滤后海水，超滤出水SS≤5，以满足电渗析进水要求。(3)将超滤过滤后海水用均相离子交换膜电渗析装置进行脱盐和软化处理，电渗析淡水为脱盐软化后的海水，TDS＝9800-10000mg/L，软化率60-80％；电渗析浓水排放回海中。(4)将脱盐软化后的海水用反渗透装置进行深度淡化处理，反渗透产水为海水淡化水，TDS＝300-500mg/L；反渗透浓水返回均相离子交换膜电渗析装置前端进行循环处理。
所述连续清洗砂滤装置，利用砂滤产水及压缩空气混合作用，实现不停机连续洗砂的目的，通过控制调节洗砂水量和压缩空气进气量实现良好的洗砂效果。石英砂粒径选用1.0-2.0mm。
所述保安过滤器(精密过滤器)，过滤精度为1-5μm。
所述超滤装置，产水周期设定为30-60min，产水周期内实现气水联合反洗、正冲等工序。
所述均相离子交换膜电渗析装置，采用均相离子交换膜，膜的面电阻2-3Ω·cm2，离子选择透过性90-96％；电渗析膜对电压0.2-0.6V、流速4.2-6.5cm/sec、平均电流密度400-600A/m2；电渗析系统的电流效率75-85％，脱盐率70-90％。
所述反渗透装置采用低压抗污染苦咸水反渗透膜元件，进水流道宽度30-40mil，膜通量18-40L/(m2·h)，脱盐率99-99.5％。
所述电渗析浓水排放回海中，指电渗析浓水循环浓缩到排放设定值后排放，排放设定值为TDS＝68000-70000mg/L。
本发明与现有技术相比的优点在于：(1)系统操作压力低(电渗析装置的操作压力≤3bar，反渗透装置的操作压力≤17bar)，无需使用高压泵及高压管道，在提高系统安全性能的同时有效降低投资成本。(2)系统可靠性高，电渗析装置在脱盐的同时，对海水进行了软化(软化率60-80％)，可大幅提高反渗透装置的运行稳定性。(3)系统水回收率高(70-85％)，反渗透装置浓水经电渗析装置进行循环脱盐处理，仅排放部分电渗析浓水和极水。
附图说明
图1为本发明一种电驱动-压力驱动耦合海水淡化工艺流程图。
附图标记说明：1、砂滤装置；2、精密过滤装置；3、超滤装置；4、均相离子交换膜电渗析装置；5、反渗透装置。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细的描述，但本发明并不局限于具体的实施例。
实施例1
参考图1所示，将盐含量29000mg/L的海水(硬度1500mg/L)经提升进入连续清洗砂滤装置1(石英砂粒径1.0-2.0mm)进行初滤，出水经精密过滤装置2(过滤精度5μm)过滤得到澄清海水。
将澄清海水用超滤装置3进行超滤过滤，得到超滤过滤后海水，出水SS＝4；
将超滤过滤后海水进入均相离子交换膜电渗析装置4进行脱盐和软化处理，膜的面电阻2.2Ω·cm2，膜的离子选择透过性90％，电渗析装置恒压操作(膜对电压0.5V)，进水流速4.6cm/sec，平均电流密度492A/m2。电渗析淡水TDS＝9879mg/L，硬度480mg/L。电渗析装置浓水浓度68000mg/L。软化率68％。
将脱盐软化后的海水用反渗透装置5进一步淡化处理，使用苦咸水淡化反渗透膜，一级两段排列，得到海水淡化水，TDS＝310mg/L。反渗透装置操作压力为15.8bar。反渗透装置采用低压抗污染苦咸水反渗透膜元件，进水流道宽度40mil，膜通量40L/(m2·h)，脱盐率99.5％。
结果为海水淡化水TDS＝310mg/L，吨水能耗4.8kW·h，系统水回收率78％。
实施例2
参考图1所示，将盐含量33980mg/L的海水(硬度1610mg/L)经提升进入连续清洗砂滤装置1(石英砂粒径1.0-2.0mm)进行初滤，出水经精密过滤装置2(过滤精度5μm)过滤得到澄清海水。
将澄清海水用超滤装置3进行超滤过滤，得到超滤过滤后海水，出水SS＝4；
将超滤过滤后海水进入均相离子交换膜电渗析装置4进行脱盐和软化处理，膜的面电阻2.9Ω·cm2，膜的离子选择透过性95％，电渗析装置恒压操作(膜对电压0.4V)，进水流速5.5cm/sec，平均电流密度530A/m2。电渗析淡水TDS＝9850mg/L，硬度469mg/L。电渗析装置浓水浓度68000mg/L。软化率71％。电渗析系统的电流效率75％，脱盐率70％。
将脱盐软化后的海水用反渗透装置5进一步淡化处理，得到海水淡化水，TDS＝300mg/L。反渗透装置操作压力为16.9bar。
反渗透装置采用低压抗污染苦咸水反渗透膜元件，进水流道宽度30mil，膜通量18L/(m2·h)，脱盐率99％。
结果为海水淡化水TDS＝300mg/L，吨水能耗4.9kW·h，系统水回收率75％。
实施例3
参考图1所示，将盐含量35000mg/L的海水(硬度1650mg/L)经提升进入连续清洗砂滤装置1(石英砂粒径1.0-2.0mm)进行初滤，出水经精密过滤装置2(过滤精度5μm)过滤得到澄清海水。
将澄清海水用超滤装置3进行超滤过滤，得到超滤过滤后海水，出水SS＝4；
将超滤过滤后海水进入均相离子交换膜电渗析装置4进行脱盐和软化处理，膜的面电阻2.5Ω·cm2，膜的离子选择透过性93％，电渗析装置恒压操作(膜对电压0.3V)，进水流速5.8cm/sec，平均电流密度480A/m2。电渗析淡水TDS＝9930mg/L，硬度485mg/L。电渗析装置浓水浓度68000mg/L。软化率73％。电渗析系统的电流效率85％，脱盐率90％。
将脱盐软化后的海水用反渗透装置5进一步淡化处理，得到海水淡化水，TDS＝310mg/L。反渗透装置操作压力为17.2bar。
结果为海水淡化水TDS＝310mg/L，吨水能耗5.1kW·h，系统水回收率73％。
实施例4：
参考图1所示，将盐含量31000mg/L的海水(硬度1461mg/L)经提升进入连续清洗砂滤装置1(石英砂粒径1.0-2.0mm)进行初滤，出水经精密过滤装置2(过滤精度5μm)过滤得到澄清海水。
将澄清海水用超滤装置3进行超滤过滤，得到超滤过滤后海水，出水SS＝5；
将超滤过滤后海水进入均相离子交换膜电渗析装置4进行脱盐和软化处理，膜的面电阻2Ω·cm2，膜的离子选择透过性90％，电渗析装置恒压操作(膜对电压0.2V)，进水流速4.2cm/sec，平均电流密度400A/m2。电渗析系统的电流效率80％，脱盐率80％。电渗析淡水TDS＝9800mg/L，硬度480mg/L。电渗析装置浓水浓度68000mg/L。软化率60％。
将脱盐软化后的海水用反渗透装置5进一步淡化处理，使用苦咸水淡化反渗透膜，一级两段排列，得到海水淡化水，TDS＝300mg/L。反渗透装置操作压力为15.8bar。反渗透装置采用低压抗污染苦咸水反渗透膜元件，进水流道宽度35mil，膜通量30L/(m2·h)，脱盐率99.2％。
结果为海水淡化水TDS＝300mg/L，吨水能耗4.8kW·h，系统水回收率78％。
实施例5：
参考图1所示，将盐含量33000mg/L的海水(硬度1557mg/L)经提升进入连续清洗砂滤装置1(石英砂粒径1.0-2.0mm)进行初滤，出水经精密过滤装置2(过滤精度5μm)过滤得到澄清海水。
将澄清海水用超滤装置3进行超滤过滤，得到超滤过滤后海水，出水SS＝3；
将超滤过滤后海水进入均相离子交换膜电渗析装置4进行脱盐和软化处理，膜的面电阻3Ω·cm2，膜的离子选择透过性96％，电渗析装置恒压操作(膜对电压0.6V)，进水流速6.5cm/sec，平均电流密度600A/m2。电渗析系统的电流效率83％，脱盐率85％。电渗析淡水TDS＝10000mg/L，硬度480mg/L。电渗析装置浓水浓度70000mg/L。软化率80％。
将脱盐软化后的海水用反渗透装置5进一步淡化处理，使用苦咸水淡化反渗透膜，一级两段排列，得到海水淡化水，TDS＝300mg/L。反渗透装置操作压力为15.8bar。反渗透装置采用低压抗污染苦咸水反渗透膜元件，进水流道宽度35mil，膜通量30L/(m2·h)，脱盐率99.2％。
结果为海水淡化水TDS＝300mg/L，吨水能耗4.8kW·h，系统水回收率78％。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。
尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电驱动-压力驱动耦合海水淡化工艺，其特征在于所述的工艺过程包括：
(1)将盐含量29000-35000mg/L的海水通过连续清洗砂滤装置进行初滤，然后经保安过滤器过滤得到澄清海水；
(2)将澄清海水用超滤装置进行过滤，得到超滤过滤后海水，超滤出水SS≤5，以满足电渗析进水要求；
(3)将超滤过滤后海水用均相离子交换膜电渗析装置进行脱盐和软化处理，电渗析淡水为脱盐软化后的海水，TDS＝9800-10000mg/L，软化率60-80％；电渗析浓水排放回海中；
(4)将脱盐软化后的海水用反渗透装置进行深度淡化处理，反渗透产水为海水淡化水，TDS＝300-500mg/L；反渗透浓水返回均相离子交换膜电渗析装置前端进行循环处理。
2.根据权利要求1所述的电驱动-压力驱动耦合海水淡化工艺，其特征在于：所述步骤(3)中均相离子交换膜电渗析装置采用均相离子交换膜，膜的面电阻2-3Ω·cm2，离子选择透过性90-96％；电渗析装置膜对电压0.2-0.6V、流速4.2-6.5cm/sec、平均电流密度400-600A/m2；电渗析系统的电流效率75-85％，脱盐率70-90％。
3.根据权利要求1所述的电驱动-压力驱动耦合海水淡化工艺，其特征在于：所述步骤(4)中反渗透装置采用低压抗污染苦咸水反渗透膜元件，进水流道宽度30-40mil，膜通量18-40L/(m2·h)，脱盐率99-99.5％。
4.根据权利要求1所述的电驱动-压力驱动耦合海水淡化工艺，其特征在于：所述步骤(3)中将电渗析浓水循环浓缩到排放设定值后再排放回海中，所述排放设定值为TDS＝68000-70000mg/L。
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