CN107381923A - 基于膜电容去离子和膜蒸馏的海水淡化处理装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于膜电容去离子和膜蒸馏的海水淡化处理装置及其方法，将微滤、超滤、膜电容去离子和膜蒸馏技术相结合，形成新型海水淡化集成工艺，相对应的处理装置包括微滤器、超滤装置、膜电容去离子单元和膜蒸馏单元，其中微滤器和超滤装置分别去除海水中的悬浮物和有机物，为膜电容去离子单元和膜蒸馏单元做预处理，膜电容去离子单元用于吸附海水中的盐离子，膜蒸馏单元可保证出水的稳定性，膜电容去离子单元反接电源进行电极再生，可回收电能，用作膜蒸馏的耗能之一。本发明提供的基于膜电容去离子和膜蒸馏的海水淡化处理装置及其方法，解决了膜电容去离子出水不稳定和膜蒸馏高耗能的问题，对实际生产应用具有很好的借鉴意义。

Description

基于膜电容去离子和膜蒸馏的海水淡化处理装置及其方法

技术领域

本发明涉及海水淡化技术领域，具体涉及基于膜电容去离子和膜蒸馏的海水淡化处理装置及其方法。

背景技术

从海水中取得淡水的过程谓海水淡化，是实现水资源利用的开源增量技术，可以增加淡水总量，且不受时空和气候影响，已成为世界上公认的解决水资源短缺的最佳方案，它能从根本上解决水资源短缺的危机。

现在所用的海水淡化方法有海水冻结法、水合物法、电渗析法、萃取法、蒸馏法和反渗透法，其中蒸馏法、反渗透法和冰冻法虽然处理效果显著，但其耗能较高；水合物法和萃取法需要使用化学物品，成本较高；电渗析法和离子交换法的膜污染问题显著，效果不稳定。此外，膜蒸馏和膜电容去离子技术是蒸馏法和电渗析法的延伸技术，也存在着相应的问题。因而，亟需设计一种高效且低能耗的海水淡化处理方案以解决上述技术问题。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供基于膜电容去离子和膜蒸馏的海水淡化处理装置及其方法，将膜电容去离子和膜蒸馏技术相结合，解决膜电容去离子出水不稳定及膜蒸馏高耗能的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于膜电容去离子和膜蒸馏的海水淡化处理装置，包括延海水流入方向依次连通的水箱、用于去除海水中悬浮物的微滤器、超滤装置、膜电容去离子单元、循环槽、膜蒸馏单元和冷却水槽，超滤装置与反冲洗系统相通并通过反冲洗系统对其进行反冲洗处理，循环槽与加热系统相连并恒温控制循环槽内海水的温度，循环槽与膜蒸馏单元的热料液侧相通再连通至膜蒸馏单元的冷却水侧。

进一步的，所述超滤装置与膜电容去离子单元之间设置二级水箱，超滤装置包括超滤器并通过超滤器的超滤膜对海水进行超滤，去除海水中的有机物，所述膜蒸馏单元延水流方向由左至右依次设置通过膜孔相连通的热料液侧和冷却水侧。

进一步的，所述膜电容去离子单元中部设置绝缘隔网，以绝缘隔网为中心，由绝缘隔网向两侧分别依次对称排布离子交换膜、纤维毡、石墨集流体和绝缘隔板，膜电容去离子单元的进水口和出水口均连接至电导率仪，膜电容去离子单元与电源相连进行供电。

进一步的，所述反冲洗系统包括清水槽、浓水槽、反冲洗泵和空气阀，反冲洗泵设置于清水槽和超滤装置之间，反冲洗泵用于控制清水槽内的清水流至超滤装置，所述空气阀与超滤装置相连并用于向超滤装置输送高压空气，膜电容去离子单元与浓水槽之间以及水箱与浓水槽之间分别设置水泵，延水流方向，海水由膜电容去离子单元流至浓水槽再流至水箱。

进一步的，所述加热系统包括加热器和温度控制器，通过加热器对循环槽内的海水进行加热并通过温度控制器调节至恒温80-100℃。

进一步的，所述微滤器与超滤装置之间设置一级水箱，所述微滤器与一级水箱之间、一级水箱与超滤装置之间、膜电容去离子单元与循环槽之间、循环槽与膜蒸馏单元之间、膜蒸馏单元与冷却水槽之间分别设置水泵，用于海水的通入和排出。

进一步的，包括以下步骤：

步骤一、将水箱内的海水依次通入微滤器和超滤装置，分别去除海水中的悬浮物和有机物，每隔一定时间通过反冲洗系统对超滤装置进行反冲洗处理，处理得到的海水存入二级水箱内，完成第一步预处理；

步骤二、膜电容去离子单元接通电源，将步骤一得到的二级水箱内的海水通入膜电容去离子单元进行脱盐处理，得到初步脱盐的脱盐水，将脱盐水泵入循环槽并通过加热系统进行恒温加热后通入膜蒸馏单元的热料液侧，在膜蒸馏单元膜孔两侧蒸气压差的作用下，热料液侧中的水分以水蒸汽形式向右流动并透过膜孔进入膜蒸馏单元的冷却水侧，随后经冷却回收至冷却水槽；

步骤三、通过电导率仪测定膜电容去离子单元进水口和出水口的电导率，当膜电容去离子单元吸附饱和时，反接电源进行电极再生，为膜蒸馏单元供能，膜电容去离子单元出水并泵入浓水槽内，待一定时间后，将膜电容去离子单元正接电源，浓水槽中的废水回流至水箱内。

进一步的，步骤一中，所述反冲洗处理的时间间隔为30 min，每隔30 min进行反冲洗处理时，开启空气阀和反冲洗泵并分别将高压空气和清水槽内的清水送至超滤装置，对超滤膜进行水气混合冲洗30 s。

进一步的，步骤二中，所述膜电容去离子单元对海水中的盐离子进行吸附并被离子交换膜截留，随后通过膜电容去离子单元与循环槽之间的水泵泵入循环槽，通过加热器对循环槽内的海水进行加热并通过温度控制器调节至恒温80-100℃。

进一步的，步骤三中，当膜电容去离子单元出水口的电导率达到进水口电导率的80-90%时，膜电容去离子单元吸附饱和并反接电源，关闭膜电容去离子单元与循环槽之间的水泵并开启膜电容去离子单元与浓水槽之间的水泵，当出水口的电导率降低至进水口电导率的10-30%时，膜电容去离子单元正接电源，开启膜电容去离子单元与循环槽之间的水泵并关闭膜电容去离子单元与浓水槽之间的水泵，浓水槽中的废水通过水箱与浓水槽之间的水泵回流至水箱中。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明公开了基于膜电容去离子和膜蒸馏的海水淡化处理装置及其方法，将微滤、超滤、膜电容去离子和膜蒸馏技术相结合，形成新型海水淡化集成工艺，相对应的处理装置包括微滤器、超滤装置、膜电容去离子单元和膜蒸馏单元，其中微滤器和超滤装置分别去除海水中的悬浮物和有机物，为膜电容去离子单元和膜蒸馏单元做预处理，膜电容去离子单元用于吸附海水中的盐离子，膜蒸馏单元可保证出水的稳定性，膜电容去离子单元反接电源进行电极再生，可回收电能，用作膜蒸馏单元的耗能之一。本发明提供的基于膜电容去离子和膜蒸馏的海水淡化处理装置及其方法，膜电容去离子单元接入1.0-1.2V恒电压，实现海水的快速脱盐，膜电容去离子单元连接膜蒸馏单元，保证出水的稳定性，既解决了单独使用膜电容去离子淡化海水效率低且出水不稳定的问题，也减缓了膜蒸馏高耗能的问题，对实际生产应用具有很好的借鉴意义。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

其中，1-水箱、2-微滤器、3-一级水箱、4-超滤装置、5-二级水箱、6-膜电容去离子单元、7-循环槽、8-膜蒸馏单元、9-冷却水槽、10-加热器、11-清水槽、12-浓水槽；201-反冲洗泵、202-水泵；301-空气阀、302-温度控制器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，基于膜电容去离子和膜蒸馏的海水淡化处理装置，延海水流入方向，依次包括水箱1、微滤器2、一级水箱3、超滤装置4、二级水箱5、膜电容去离子装置、循环槽7、膜蒸馏单元8和冷却水槽9，通过微滤器2对水箱1内的海水进行微过滤，去除海水中的悬浮物，超滤装置4包括超滤器，一级水箱3内的海水泵入超滤装置4并通过超滤器的超滤膜对其进行超滤，滤除海水中的有机物，为清除超滤膜上的杂质，降低超滤膜的被污染率，超滤装置4与反冲洗系统相通并通过反冲洗系统定期对超滤器进行反冲洗处理，反冲洗系统包括清水槽11、浓水槽12、反冲洗泵201和空气阀301，反冲洗泵201设置于清水槽11和超滤装置4之间，反冲洗泵201用于控制清水槽11内的清水泵入至超滤装置4，空气阀301与超滤装置4相连，用于向超滤装置4输送高压空气，膜电容去离子装置包括膜电容去离子单元6、电源和电导率仪，膜电容去离子单元6中部设置绝缘隔网，以绝缘隔网为中心，由绝缘隔网向两侧分别依次对称排布离子交换膜、纤维毡、石墨集流体和绝缘隔板，电导率仪安装于膜电容去离子单元6的进水口和出水口，二级水箱5内的海水经由进水口流入膜电容去离子单元6进行脱盐处理后再通过出水口流出，当出水口的电导率达到进水口电导率的80-90%时，膜电容去离子单元6吸附饱和，将其反接电源开始电极再生，为膜蒸馏单元8供能，循环槽7与加热系统相连并用于控制循环槽7内海水的温度，加热系统包括加热器10和温度控制器302，通过加热器10对循环槽7内的海水进行加热并通过温度控制器302调节至恒温80-100℃，延水流方向，膜蒸馏单元8由左至右依次包括通过膜孔相连通的热料液侧和冷却水侧，热料液侧与循环槽7相连通。

微滤器2与一级水箱3之间、一级水箱3与超滤装置4之间、膜电容去离子单元6与循环槽7之间、膜电容去离子单元6与浓水槽12之间、循环槽7与膜蒸馏单元8之间以及膜蒸馏单元8与冷却水槽9之间、水箱1与浓水槽12之间分别设置水泵202，为海水的流动提供动力，便于海水的通入和排出，延水流方向，膜电容去离子单元6与浓水槽12之间的水泵202用于控制海水由膜电容去离子单元6流至浓水槽12，当膜电容去离子单元6吸附饱和时开启。

基于膜电容去离子和膜蒸馏的海水淡化处理方法，包括以下步骤：

步骤一、将水箱1内的海水首先通入微滤器2，去除海水中的悬浮物，随后将微滤后的海水通过微滤器2与一级水箱3之间的水泵202泵入一级水箱3内，一级水箱3内的海水通过一级水箱3与超滤装置4之间的水泵202通入超滤装置4，用于去除海水中的有机物，处理得到的海水存入二级水箱5内，完成第一步预处理，同时，每隔一定时间通过反冲洗系统对超滤装置4进行反冲洗处理，防止因长期使用污染超滤膜，在进行反冲洗处理时，开启空气阀301和反冲洗泵201，定期对超滤膜进行水气混合冲洗；

步骤二、将步骤一得到的二级水箱5内的海水通入膜电容去离子单元6，接通电源，海水中的盐离子在电场的作用下，被吸附到石墨集流体和海水之间的双电层中，并被离子交换膜截留住，用于吸附海水中的盐离子，得到初步脱盐的脱盐水，随后将脱盐水通过膜电容去离子单元6与循环槽7之间的水泵202泵入循环槽7，经加热系统进行恒温加热，在加热器10和温度控制器302的共同作用下，循环槽7内的海水维持在恒温80-100℃，随后再通入膜蒸馏单元8的热料液侧，在膜孔两侧蒸气压差的作用下，热料液侧中的水分以水蒸汽形式向右流动并透过膜孔进入右侧的冷却水侧，随后经冷却回收至冷却水槽9，实现分离的目的，保证出水的稳定性；

步骤三，通过电导率仪测定膜电容去离子单元6进水口和出水口的电导率，当出水口的电导率达到进水口电导率的80-90%时，膜电容去离子单元6吸附饱和，将其反接电源进行电极再生，此时关闭膜电容去离子单元6与循环槽7之间的水泵202并开启膜电容去离子单元6与浓水槽12之间的水泵202，由膜电容去离子单元6出水并泵入浓水槽12内，待出水口的电导率降低至进水口电导率的10-30%时，膜电容去离子单元6正接电源，此时开启膜电容去离子单元6与循环槽7之间的水泵202并关闭膜电容去离子单元6与浓水槽12之间的水泵202，浓水槽12中的废水通过浓水槽12和水箱1之间的水泵202回用至水箱1中。

步骤一中微滤器2和超滤装置4均为膜电容去离子单元6做预处理，微滤器2、超滤装置4和膜电容去离子单元6分别处理海水中的悬浮物、有机物和盐分，膜电容去离子单元6接入恒电压电源，电压为1.0-1.2V，实现出水的快速脱盐，步骤三中反接电源的膜电容去离子单元6可以为膜蒸馏单元8供能，减缓了膜蒸馏单元8高耗能的问题。

实施例1

如图1所示，基于膜电容去离子和膜蒸馏的海水淡化处理装置，延海水流入方向，依次包括水箱1、微滤器2、一级水箱3、超滤装置4、二级水箱5、膜电容去离子装置、循环槽7、膜蒸馏单元8和冷却水槽9，通过微滤器2对水箱1内的海水进行微过滤，去除海水中的悬浮物，超滤装置4包括超滤器，一级水箱3内的海水泵入超滤装置4并通过超滤器的超滤膜对其进行超滤，滤除海水中的有机物，为清除超滤膜上的杂质，降低超滤膜的被污染率，超滤装置4与反冲洗系统相通并通过反冲洗系统定期对超滤器进行反冲洗处理，反冲洗系统包括清水槽11、浓水槽12、反冲洗泵201和空气阀301，反冲洗泵201设置于清水槽11和超滤装置4之间，反冲洗泵201用于控制清水槽11内的清水泵入至超滤装置4，空气阀301与超滤装置4相连，用于向超滤装置4输送高压空气，膜电容去离子装置包括膜电容去离子单元6、电源和电导率仪，膜电容去离子单元6中部设置绝缘隔网，以绝缘隔网为中心，由绝缘隔网向两侧分别依次对称排布离子交换膜、纤维毡、石墨集流体和绝缘隔板，电导率仪安装于膜电容去离子单元6的进水口和出水口，二级水箱5内的海水经由进水口流入膜电容去离子单元6进行脱盐处理后再通过出水口流出，循环槽7与加热系统相连并用于控制循环槽7内海水的温度，加热系统包括加热器10和温度控制器302，通过加热器10对循环槽7内的海水进行加热并通过温度控制器302调节至恒温80℃，延水流方向，膜蒸馏单元8由左至右依次包括通过膜孔相连通的热料液侧和冷却水侧，热料液侧与循环槽7相连通。

微滤器2与一级水箱3之间、一级水箱3与超滤装置4之间、膜电容去离子单元6与循环槽7之间、膜电容去离子单元6与浓水槽12之间、循环槽7与膜蒸馏单元8之间以及膜蒸馏单元8与冷却水槽9之间、水箱1与浓水槽12之间分别设置水泵202，为海水的流动提供动力，便于海水的通入和排出，延水流方向，膜电容去离子单元6与浓水槽12之间的水泵202用于控制海水由膜电容去离子单元6流至浓水槽12，当膜电容去离子单元6吸附饱和时开启。

基于膜电容去离子和膜蒸馏的海水淡化处理方法，包括以下步骤：

步骤一、将水箱1内的海水首先通入微滤器2，去除海水中的悬浮物，随后将微滤后的海水通过微滤器2与一级水箱3之间的水泵202泵入一级水箱3内，一级水箱3内的海水通过一级水箱3与超滤装置4之间的水泵202通入超滤装置4，用于去除海水中的有机物，处理得到的海水存入二级水箱5内，完成第一步预处理，同时，每隔一定时间通过反冲洗系统对超滤装置4进行反冲洗处理，防止因长期使用污染超滤膜，反冲洗处理的时间间隔为30 min，在进行反冲洗处理时，开启空气阀301和反冲洗泵201，每隔30 min对超滤膜进行水气混合冲洗30 s；

步骤二、将步骤一得到的二级水箱5内的海水通入膜电容去离子单元6，膜电容去离子单元6接入1.0 V恒电压电源，海水中的盐离子在电场的作用下，被吸附到石墨集流体和海水之间的双电层中，并被离子交换膜截留住，用于吸附海水中的盐离子，实现出水的快速脱盐，得到初步脱盐的脱盐水，随后将脱盐水通过膜电容去离子单元6与循环槽7之间的水泵202泵入循环槽7，经加热系统进行恒温加热，在加热器10和温度控制器302的共同作用下，循环槽7内的海水维持在恒温80℃，随后再通入膜蒸馏单元8的热料液侧，在膜孔两侧蒸气压差的作用下，热料液侧中的水分以水蒸汽形式向右流动并透过膜孔进入右侧的冷却水侧，随后经冷却回收至冷却水槽9，实现分离的目的，保证出水的稳定性；

步骤三，通过电导率仪测定膜电容去离子单元6进水口和出水口的电导率，当出水口的电导率达到进水口电导率的80%时，膜电容去离子单元6吸附饱和，将其反接电源进行电极再生，为膜蒸馏单元8供能，减缓了膜蒸馏单元8高耗能的问题，此时关闭膜电容去离子单元6与循环槽7之间的水泵202并开启膜电容去离子单元6与浓水槽12之间的水泵202，由膜电容去离子单元6出水并泵入浓水槽12内，待出水口的电导率降低至进水口电导率的30%时，膜电容去离子单元6正接电源，此时开启膜电容去离子单元6与循环槽7之间的水泵202并关闭膜电容去离子单元6与浓水槽12之间的水泵202，浓水槽12中的废水通过浓水槽12和水箱1之间的水泵202回用至水箱1中。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于膜电容去离子和膜蒸馏的海水淡化处理装置，其特征在于，包括延海水流入方向依次连通的水箱（1）、用于去除海水中悬浮物的微滤器（2）、超滤装置（4）、膜电容去离子单元（6）、循环槽（7）、膜蒸馏单元（8）和冷却水槽（9），所述超滤装置（4）与反冲洗系统相通并通过反冲洗系统对其进行反冲洗处理，循环槽（7）与加热系统相连并恒温控制循环槽（7）内海水的温度，循环槽（7）与膜蒸馏单元（8）的热料液侧相通再连通至膜蒸馏单元（8）的冷却水侧。

2.根据权利要求1所述的基于膜电容去离子和膜蒸馏的海水淡化处理装置，其特征在于，所述超滤装置（4）与膜电容去离子单元（6）之间设置二级水箱（5），超滤装置（4）包括超滤器并通过超滤器的超滤膜对海水进行超滤，去除海水中的有机物，所述膜蒸馏单元（8）延水流方向由左至右依次设置通过膜孔相连通的热料液侧和冷却水侧。

3.根据权利要求1所述的基于膜电容去离子和膜蒸馏的海水淡化处理装置，其特征在于，所述膜电容去离子单元（6）中部设置绝缘隔网，以绝缘隔网为中心，由绝缘隔网向两侧分别依次对称排布离子交换膜、纤维毡、石墨集流体和绝缘隔板，膜电容去离子单元（6）的进水口和出水口均连接至电导率仪，膜电容去离子单元（6）与电源相连进行供电。

4.根据权利要求1所述的基于膜电容去离子和膜蒸馏的海水淡化处理装置，其特征在于，所述反冲洗系统包括清水槽（11）、浓水槽（12）、反冲洗泵（201）和空气阀（301），反冲洗泵（201）设置于清水槽（11）和超滤装置（4）之间，反冲洗泵（201）用于控制清水槽（11）内的清水流至超滤装置（4），所述空气阀（301）与超滤装置（4）相连并用于向超滤装置（4）输送高压空气，膜电容去离子单元（6）与浓水槽（12）之间以及水箱（1）与浓水槽（12）之间分别设置水泵（202），延水流方向，海水由膜电容去离子单元（6）流至浓水槽（12）再流至水箱（1）。

5.根据权利要求1所述的基于膜电容去离子和膜蒸馏的海水淡化处理装置，其特征在于，所述加热系统包括加热器（10）和温度控制器（302），通过加热器（10）对循环槽（7）内的海水进行加热并通过温度控制器（302）调节至恒温80-100℃。

6.根据权利要求1所述的基于膜电容去离子和膜蒸馏的海水淡化处理装置，其特征在于，所述微滤器（2）与超滤装置（4）之间设置一级水箱（3），所述微滤器（2）与一级水箱（3）之间、一级水箱（3）与超滤装置（4）之间、膜电容去离子单元（6）与循环槽（7）之间、循环槽（7）与膜蒸馏单元（8）之间、膜蒸馏单元（8）与冷却水槽（9）之间分别设置水泵（202），用于海水的通入和排出。

7.根据权利要求1-6任一所述的基于膜电容去离子和膜蒸馏的海水淡化处理装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将水箱（1）内的海水依次通入微滤器（2）和超滤装置（4），分别去除海水中的悬浮物和有机物，每隔一定时间通过反冲洗系统对超滤装置（4）进行反冲洗处理，处理得到的海水存入二级水箱（5）内，完成第一步预处理；

步骤二、膜电容去离子单元（6）接通电源，将步骤一得到的二级水箱（5）内的海水通入膜电容去离子单元（6）进行脱盐处理，得到初步脱盐的脱盐水，将脱盐水泵入循环槽（7）并通过加热系统进行恒温加热后通入膜蒸馏单元（8）的热料液侧，在膜蒸馏单元（8）膜孔两侧蒸气压差的作用下，热料液侧中的水分以水蒸汽形式向右流动并透过膜孔进入膜蒸馏单元（8）的冷却水侧，随后经冷却回收至冷却水槽（9）；

步骤三、通过电导率仪测定膜电容去离子单元（6）进水口和出水口的电导率，当膜电容去离子单元（6）吸附饱和时，反接电源进行电极再生，为膜蒸馏单元（8）供能，膜电容去离子单元（6）出水并泵入浓水槽（12）内，待一定时间后，将膜电容去离子单元（6）正接电源，浓水槽（12）中的废水回流至水箱（1）内。

8.根据权利要求7所述的基于膜电容去离子和膜蒸馏的海水淡化处理方法，其特征在于，步骤一中，所述反冲洗处理的时间间隔为30 min，每隔30 min进行反冲洗处理时，开启空气阀（301）和反冲洗泵（201）并分别将高压空气和清水槽（11）内的清水送至超滤装置（4），对超滤膜进行水气混合冲洗30 s。

9.根据权利要求7所述的基于膜电容去离子和膜蒸馏的海水淡化处理方法，其特征在于，步骤二中，所述膜电容去离子单元（6）对海水中的盐离子进行吸附并被离子交换膜截留，随后通过膜电容去离子单元（6）与循环槽（7）之间的水泵（202）泵入循环槽（7），通过加热器（10）对循环槽（7）内的海水进行加热并通过温度控制器（302）调节至恒温80-100℃。

10.根据权利要求7所述的基于膜电容去离子和膜蒸馏的海水淡化处理方法，其特征在于，步骤三中，当膜电容去离子单元（6）出水口的电导率达到进水口电导率的80-90%时，膜电容去离子单元（6）反接电源，关闭膜电容去离子单元（6）与循环槽（7）之间的水泵（202）并开启膜电容去离子单元（6）与浓水槽（12）之间的水泵（202），当出水口的电导率降低至进水口电导率的10-30%时，膜电容去离子单元（6）正接电源，开启膜电容去离子单元（6）与循环槽（7）之间的水泵（202）并关闭膜电容去离子单元（6）与浓水槽（12）之间的水泵（202），浓水槽（12）中的废水通过水箱（1）与浓水槽（12）之间的水泵（202）回流至水箱（1）中。