CN108025930A - 用于淡化水流程中溶液稀释或浓缩的方法和手段 - Google Patents

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Abstract

本描述目的在于公开一种用于淡化水流程中溶液稀释或浓缩的方法和手段，以便从海水或盐水得到淡水。该方法是通过低耗能需求和低环境影响的反渗透法达成的，因为他们是具有低翻新率的地下设备，可以比传统设备稀释更多的海水。藉此方法，可以应付近岸地区对淡水的短期需求，无论是用于工业、矿业、农业或畜养牲畜，因其实行快速且能源成本需求低于1,8kWh/m3，加上因采用在地上凿孔中收集较干净的水源的方法，未使用例如高压泵、涡轮增压器和高压管等复杂的机械组件，因此维护成本较为低廉。

Description

用于淡化水流程中溶液稀释或浓缩的方法和手段
技术领域
本发明的应用领域为淡化水作用的工业程序，尤其包括进行浓缩或稀释的所有薄膜分离程序。例如，从海水或盐水中取得淡水，或取得工业用途的浓缩物。
因能源需求低且对环境的冲击影响小，因而本方法允许使用中等规模且更为持久耐用的地下机械设备。
背景技术
全球各地已有许多关于本发明所涉及的专利的方法，例如取得饮用水是人类历史中最大的渴望之一，因为饮用水是一项来自几乎无尽的供水来源中的稀有品。
在所讨论的相关专利族中、以反渗透方式实行海水淡化的更多新进专利中，我们推荐由Mundi Prensa出版、ISBN书号84-7114-849-8、作者为J.A.Medina的书籍，以及由Springer出版、ISBN书号84-7114-849-8的海水淡化法书籍。
但相较本专利申请中所建议的溶液，这两本出版品所提出的溶液显得较为复杂且无效。
在相同范畴下，我们可用位于阿尔梅里亚(西班牙)卡沃内拉斯现行的淡化水工厂参考设备为典型，其最大产能为120.000m3/每日，装设的动力为30MW。2005年时，其投资成本为131,7百万欧元，而成功运转产水的具体耗能为4,25kWh/m3，翻新比例为45％。1999年时所设计出来的项目耗时超过5年实现。根据西班牙环境部的Acuamed网页上所列出的数据显示，大规模淡化水厂的具体优化投资成本为1.097,€/m3/每日。
综观本描述的发展过程，对本发明和卡沃内拉斯淡化水厂的结果进行比较，可看出专利所提倡的方法有效提供新的溶液和重要的节能效果。
作者Alberto Vázquez Figueroa提出在海岸边地境内进行淡化作用的相关专利，因兴建大直径水井的土木工程相关费用高昂，且因担保邻海区域防水的问题与成本关系，导致该专利在多年之后仍未实现。
相对而言，本发明中的井应为非常具渗透性，以便于供水良好并降低水厂运转流程期间的动态水位下降情况。
另一方面，Juan Reyes Florido于2009年所提出的专利申请以及M.Torres工业集团于2005年所提出的专利，在概念、设计、建造、功能运转和效能上皆与本发明大为不同。
我们希望记录下申请人的知识，目前，并无任何其他发明提出与我方所提倡的淡化水方法类似的技术、结构和效能特性的存在证据，为方便体现，将其特色细节收录于描述的权利要求书中。
发明内容
本发明所提倡的用于海水淡化流程中溶液稀释或浓缩的方法与手段，本身为相关应用范围内的一项创新之举，因其达成了前述目标，以下将详细说明其特色技术、结构和设定细节，并收录在本描述的权利要求书中。
反渗透海水处理法所使用的薄膜日新月异，由于不断的技术改进，所产水的量与质已达更高境界。
市面上的薄膜皆为管状且具不同直径，呈约44m2的螺旋式主动区并具有中间分隔器，渗透物将会由此处流向与进水流形成100％正切螺旋的中央岐管。如此一来，会在加压情况下产生约有10％的更为稀释水(渗透水)和90％的更为浓缩水(浓盐水)，或者最好是，进水流和渗透留之间的不同压力条件超过进水的渗透压。
供海水用的反渗透薄膜额定作业条件为：
-进水流32.000ppm
-压力600PSI＝41.3bar
-进水温度25℃
-渗透流率为进水流率的10％
-酸碱值范围pH 6,5-7
-若管内有数道薄膜依序成组，则将取得超过40％的翻新率。每道薄膜的进水流率将为较低，且其将比前一薄膜具有更高的浓缩度，这也是为何第一薄膜的渗透率为10％，第二薄膜为9％等。
薄膜具有三道按重要性区分的特殊流道(通道)：
a)通道1：进水流(100％)的入口，其压力高于渗透压。
b)通道2：浓缩流(90％)的出口(压力状况同于进水流)，通过出口使淡化水作业回归到海。在其他应用中，此水流为希望进行浓缩时所追寻的目标。
c)通道3：处于低压状况(类似大气压力)的最稀释水流(10％)的出口，水流将排流至中空井。
所以，螺旋薄膜具有三道通道或管子、一入口和两出口。
根据本发明，在可渗透海岸土地上开凿一深井时，可在其内设置两口井，产生与三条薄膜通道中每一条通道互连的三管型态，建立出可执行渗透作业的条件。
随着互连工程在井底处的完成，井中将充满与海水水平同高的水，达到反渗透作业所需的压力(每一10m的水柱需1bar)。
通道1连接井底的地上凿孔，通道2连接其中一井，而通道3则连接其他井。
由于通道1的关系，进水流与通道2浓缩水流(浓盐水)通过薄膜的螺旋卷管互相连通，两者将建立出一连通管系统，因此其具相同的静水位。
为了在此系统中引发水流，使用浸没在浓盐水井(通道2)浅处的马达泵进行抽吸，即足以引发由于坡度关系致使通道1与2之间所需的水流。此水流应纵向通过薄膜，开始反渗透作业，由于因通道3与第三井互通，第三井中空且处于为大气压力条件下，渗透水流将会流排向此第三井，第三井底装设有一马达泵，会将渗透水抽取至地表供使用。
本发明以上述地上凿孔专利方式为基础、进而建立这些作业条件化为可能。通过位于水源浅处的马达泵抽吸，使地上凿孔产生进水流，这是利用传通管原理实现的。
相对而言，应从其他井的底部抽吸渗透水流(通道3)，如此一来约有90％的总需求动力可在此流程中被吸收。
在相同方法的另一实施例中，当环境有所要求时，将利用海床深度而在海中进行，两井及薄膜模块皆设置于海床中，从锚定于海床上的漂浮平台上悬吊而下。此替代方案开启设计高效淡化水厂的机会，因为无需受限于地上凿孔的直径。
基于上列说明，因其实用效益，本方法代表着一种针对预期目标的前所未有建筑与功能特性发明，其提供合理的基础以取得专利所要求的独权。
附图说明
为求更加理解发明特性以完备本说明，本描述随附一套附图，做为不可或缺的一部分，本附图仅为说明而并无局限性目的，其包括以下内容：
图1-顺纵轴出示一管状薄膜的剖面，在纵轴方向中显示存在有三种水流(通道)，当中可看见下列记号：
记号1-代表待处理的原料水进水流(100％)(通道1)；
记号2-代表最高盐分浓度的出水流(90％)，其也称为浓盐水或弃水，将供给后续薄膜而最后通过海出口回归大海(通道2)；
记号3-代表最稀释水出口进水(渗透水)，其通过薄膜并流经薄膜的中央岐管(通道3)。
图2-出示本专利主旨方法的总概略图，当中可通过下列记号看出三口井中的动态水位差及其意义：
记号4-其代表土地上最大直径的地上凿孔，在稳定且可渗透的土地上(最好是岩地)设置其他两口井，每口井分别与三条薄膜通道之一互连，尤其是如箭头所示，地上凿孔(4)将进水流直接连到薄膜的通道1；
记号5-其代表具上升水流的浓缩井，如图中的箭头所示，因其与通道2互连的关系，在水流穿过薄膜螺旋后，动态水位略低于地上凿孔的水位；
记号6-其代表渗透井，渗透井与薄膜的通道3互连，渗透水于井中在无内压力的情况下沉淀(排流)，作用发生在接近井底处，以此形成收集渗透水的管，其通过顶部连通到地表，以达成正确的抽吸；
记号7-其代表浸没在浓缩井(5)中的电动泵，其负责将浓缩水抽吸至出口，其作用引发地上凿孔内的水位下降，迫使水流通过通道1，并通过使用连通管原理的薄膜；
记号8-其代表浸没在渗透井(6)中的电动泵，其负责将产出的渗透水抽至地表，因深度的关系而需超载负载；
记号9-其代表设置在管内的薄膜模块，可在管内看出三条水流的方向。
图3-其出示具有锚和两井架的漂浮平台，两口井(14)(浓缩井和渗透井)连接此平台并悬吊于450米深度处。
每口井(14)周围，于井底处，可看见对应每口井连接(请见下列放大细节图)的薄膜模块(15)；
在渗透井的井底处设有马达泵(8)抽取渗透水，其反向设置，以通过沿着海床通过海岸两井管(16)抽取渗透水供相关使用。
具体实施方法
本描述的目的在于说明用于淡化水流程中溶液稀释或浓缩的方法和手段，也就是说从利用低耗能需求和低环境影响的反渗透法，以从海水或盐水中产生淡水。
其是关于利用逆反渗透法，以最低能源成本尽可能取得最多渗透水流。
此处在第零年时所寻得的较佳水质为350ppm，温度为22摄氏度，入口处水流的盐度为32.000ppm。
井在30天内建造完成，达4米的静水深度，刚好与地层相符。穿过岩石质地且稳定的土地，第一个10米地上凿孔的直径增加为680毫米，接着在土地中穿管并以水泥加固。离海岸的距离为80米。
凿井期间，利用位于440米处的马达泵进行过度抽取的方式，于24小时内达成300m3/h的抽取成果，水位稳定下降至1,7米处，其有助于良好传送。抽上来的水为无混浊清水，温度为22摄氏度。在最后24小时期间，每两小时采收一次样本以供测试之用。拆卸完仪器设备后，需在无滑坡问题的内直径处进行检查。内直径为650毫米直通底部。
在得知井的水利效能，且在建立出水流下降曲线后，按水的物理化学与生物分析数据，推断计划需使用何种薄膜模块(9)：LG NANO H2O Q+V2.3直至研究出能确保所需水质水量的薄膜数量和种类为止。
我们以8英寸薄膜，且四层中具有24条管子，每层有6条管子和5道薄膜，管型为LGSW440ES，组成一薄膜模块(9)，其直径可紧贴地上凿孔内侧。
可以了解，若在直径219毫米的中央管(浓盐水岐管)周围设置具有5道薄膜的6条管子，其装设在635毫米的直径内，留出±12,5mm的空间即已足够。
以此相同设施供应，设置其他薄膜模块以达成四层的6x5x4＝120道薄膜。
在井(4)开发期间所取得的水力数据的分析与温度，引用于计划NanoH2O的Q+推断软件中，将提出的数据总结附上，按通道加以分类。
进水流(通道1)(通过地上凿孔供水)
RO进水流231m3/h
阶段1
管24
组件要素5
组件数120
ERD类型：一
进水TDS 31.999ppm
渗透压，进水22,92bar
温度22℃
进水压44,35bar(通过较佳方案供水)
浓缩水流(通道2)
浓缩水流148m3/h(通过浓缩井(5)的井马达泵(7)抽吸供水)
复原率64,07％
渗透压，浓缩水流35.69bar
下降压1,2bar(通过5薄膜管损失)
渗透水流(通道3)
渗透水流83m3/h(通过渗透井(6)的马达泵(8)供水，此井中空且处于大气压力条件下)
复原率35,93％
渗透TDS 221ppm
计划组成6组一系列的5薄膜管，通过第一层处的通道2(浓盐水)连通至浓缩水总岐管，而第二组相同特性的设备位于第二层处，第三组位于第三层处，最后则是位于第四层的第四组，总共为24条5层膜管，其具有收拢于位在地上凿孔(4)底部处的渗透井(6)的渗透岐管(通道3)。
浓盐水泵(7)应抽取65％的原料进水，致使动态水位下降，补偿原料水透过井(4)(朝下方)的水流传送所造成的负载损失，除了薄膜模块(9)的损失以外，还有浓盐水在井(5)内至泵(7)的上升水流负载损失，泵将抽吸水直至倒往出口为止。
在比较地上凿孔(4)和浓盐水井(5)之间动态水位差异时，可看出此负载损失的状况。
通过计算地上凿孔(4)与最大直径管之间环形区内平均传送速度为0,3m/s，得出负载损失将为3mca，此外，在井(4)开发阶段所测得的动态水位下降将为1,7mca左右。此代表原料进水所造成的负载损失将为4,7mca。
NanoH2O所得到的薄膜模块(9)(进水压–浓缩压)内负载损失为1,2bar。
同样地，因应抽取至马达泵(7)、0,9m/s的传送速度，浓盐水管内的负载损失将为2,5mca。
流失加总结果为4,7+12,4+2,5＝19,6mca。
为判定浓盐水马达泵(7)设置的最小深度，必须将其所需的泵抽吸程度加上坡度：
19,6+4＝23,6m.
以30m为浓盐水马达泵(7)的设置深度。
为了选择马达泵(7)，需将此负载损失(19,6)列入考虑。就此负载而言，将加上压力管(10)30米处至出口(1,5m)所引起的负载。如此一来，马达泵必须克服的高度将为21.1米，被抽取的水流为进水的65％，0,65x231＝150m3/h，则所需电力为18kW。
因使用薄膜在大气压力或非常低的压力(≥1bar)下进行渗透，所以必须连接位于类似大气压力区内的渗透井(通道3)。
为达此目的，一条作为通风之用的管子将连接至井(6)的底部，令井可处于大气压力条件下。
应在井(6)内于井底处，设置可将全数渗透水总量抽取至地表的马达泵(8)。
渗透水流为对应进水的36％，即：0.36x231＝83.16m3/h.；考虑渗透管位于深度440米处。
所以，渗透法所需的能量为18,5+132＝150,5kW，此为取得83.16m3/h的渗透水所需动能，具体动能率为150,5/83,16＝1,809kw/m3。
马达泵的最大直径决定安装于地上凿孔内两口井的最小直径。
然而，浓盐水(浓缩)井(5)在内墙与外墙之间低差动压的条件下运转。所以，除去其自身重量与渗透设备重量，不管深度如何，其并未承受大量负载。
然而，除所说明的负载之外，由于渗透井(6)浸没在440米处，因其中空且处于大气压力条件下，其承受可能至使其崩解的外来压力。所以，其厚度和耐受材质应为双倍不锈钢，具弹力限度450N/mm2，由公式Γ＝p*r/t＝44*30/0,6＝2200Kg/cm2计算得来，符合最小厚度6mm、直径0,6m的规定。
从设置于地上凿孔(4)深度450m处的两口井(5与6)延伸而出的两条平行管，厚度应为3mm的双倍不锈钢，也就是说，两口井(渗透井(6)和浓缩井(5))将通过长度为12m的一双凸缘的双管(270x3)连接。包括渗透设备，总设备的干燥重量为23Tm，浸入位于水内的井中的重量为20Tm。
另一替代方案为设置共享凸缘的同心管，其具备可用的端口，以提供距离和持续性。
测量其组件所用的廊柱和绞盘重量，所以重量可能提高至25公吨。
若为从漂浮平台(11)悬吊而下、在海床上运作的双井(浓盐水(5)和渗透(6))的情况，这些计算、尺寸和方法也是合适的，而安装于两口井(14)内的设备和悬挂在井架(13)上的薄膜模块(9)则是通过传动轴接头组装而成。
漂浮平台(11)通过将其系留在海床上的缆绳(12)而锚定于海床上。
渗透马达泵(8)逆向运转，以便推动渗透水通过两道带水穿越海床至海岸供使用的水管(16)。
如遇不太可能在无法渗透的土地上开凿地上凿孔(4)的情况，可打造近海干井，通过砂砾滤包连接连接至海岸，以供应海水给地上凿孔(4)。如此一来，可按本案所述原则和特性来实行渗透法。
本发明的性质、详细内容以及具体实施方法皆已充分说明，本领域技术人员应无需进一步说明即可了解本发明的重要性及其衍生出的优点。留存纪录的目的为使其专利化，发明可通过其他不同于文中说明的方式而实行，例如，若未变更、更改或修改其基础原理，则亦可加上必要的保护。

Claims (4)

1.一种通过反渗透进行海水淡化流程中溶液稀释或浓缩的方法，其特征在于，其是通过自渗透性海岸土地上的地上凿孔(4)来实行，其中，在经过过度抽取开发后，将设置两口井(5与6)，产生出在底部处通过薄膜模块(9)而互相连接的三条管子；此薄膜以让进水流朝向薄膜通过地上凿孔(4)提供进水的方式排列，因使用利用马达泵(7)抽吸的连通管原理，而产生朝向下方向流动，连通管装设在具上升水流并将其倒向海口的浓缩井(5)内侧的浅处；同样地，经稀释水流(渗透)将排向第二口井(6)，此井中空且处于大气压力条件下，马达泵(8)会在此把稀释水抽出以供使用。
2.一种最好用于通过反渗透进行海水淡化流程中溶液稀释或浓缩的方法，根据权利要求1的内容，其特征在于，当发展出地上凿孔的土地无法被渗透时，可通过穿过具有与海相连的过滤基底表面层的水源来完成海水供水；在此状况下，整个水井都将套上保护罩、密封起来，以避免水流失以及有害污染；其内将会装设两口井(5、6)，其作用如权利要求1中所述。
3.一种最好用于通过反渗透进行海水淡化流程中溶液稀释或浓缩的方法，根据权利要求1的内容，其特征在于，当海床深度被用来取代钻凿地上钻孔时，井(14)的管子连同其对应的薄膜模块(18)和马达泵(4与18)，会通过一个漂浮平台(11)被悬吊设置起来，漂浮平台将通过泊船设施(12)而锚定在海床上；渗透马达泵(8)将逆向运转，以便推动水通过安置在海床上的水管并将水带向海岸的水管；其流程作业与权利要求1中所述的原理相同。
4.一种用于通过反渗透进行海水淡化流程中溶液稀释或浓缩的方法和手段，其特征在于，此手段包括下列要素：
-位于可渗透沿岸土地上，约450米的地上凿孔(4)，
-两口井：一口井(5)为浓缩井，而另一口井(6)为渗透井，两者皆为内井，位于地上凿孔(4)内且与薄膜模块(9)三条通道的每一通道相互连接。
-薄膜模块(9)，通过其三条通道而与地上凿孔的每一口井相连接。
-设置在井(5)浅处的马达泵，用于(7)抽取浓缩物。
-设置在井(6)底部的马达泵，用于(8)抽取渗透物。
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