CN110002542A - 一种具备自清洁功能的膜式海水淡化装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具备自清洁功能的膜式海水淡化装置与方法。所述装置包括依次连接的海水加热单元、海水淡化膜组件、冷凝器和淡水收集单元；所述海水膜淡化组件包括相互连通的上腔体和下腔体，上腔体表面上设置海水进口和海水出口，海水加热系统通过管路连接海水进口，且海水出口与海水加热单元之间还设置回水管路，将换热后的海水送回海水加热单元；海水淡化膜位于上腔体和下腔体中间，膜两侧配置支撑网和上盖网，下腔体表面设置气体进口和气体出口，气体进口连接气体输送系统，气体出口连接冷凝器。由于本发明所述装置具备自清洁功能，从而避免了膜污染问题，海水淡化效率和寿命均会加强。
Description
技术领域
本发明涉及海水淡化技术领域，具体是一种具备自清洁功能的膜式海水淡化装置与方法。
背景技术
远航船只在外出捕鱼时会消耗大量的淡水资源，通常情况下携带这些淡水资源会占据大量的空间进行淡水储存，携带固定的淡水也会限制船只的航行距离。在现存的海水淡化系统中，CN208279338U公开了一种太阳能全热回收自运行高效海水淡化装置，该装置利用太阳能作为动力源，提高了海水淡化效率。CN206828219U公开了一种海水淡化的消洗装置，该装置通过本身的清洗箱对装置进行清洗，实现了海水淡化装置的自动清洗功能。CN107626211A公开了一种具备自清洁性能的薄膜及其制备方法，该发明公开了一种具有自清洁性能的海水淡化膜的制备方法，利用其表面的超疏水特性实现膜表面的自清洁功能。CN208194127U公开了一种自动清洗式的平板膜组件，该组件通过喷嘴冲洗膜组件从而实现组件的自清洁功能。在上述的组件或装置中，具备自清洁功能的均是在组件完成海水淡化后利用喷嘴或喷气口对组件进行清洗从而实现自清洁功能。本装置提供了一种无需添加外加动力，在海水淡化的过程中根据本身组件的压力差而进行海水淡化膜组件自清洁党的装置，其结构简单，成本较低。
发明内容
本发明本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，并提供一种具有自清洁功能的膜式海水淡化装置和方法。
本发明是通过以下技术实现的。
一种具有自清洁功能的膜式海水淡化装置，包括依次连接的海水加热单元、海水淡化膜组件、冷凝器和淡水收集单元；海水所述海水膜淡化组件包括相互连通的上腔体、下腔体和海水淡化膜，上腔体表面上设置海水进口和海水出口，海水加热系统通过管路连接海水进口将加热后的海水输送至上腔体，且海水出口连接海水加热单元，将换热后的海水循环回海水加热单元；海水淡化膜位于上腔体和下腔体中间，海水淡化膜两侧配置支撑网和上盖网，支撑网保证海水淡化膜承受上腔体海水的压力，上盖网保证海水淡化膜能承受下腔体空气的压力，支撑网和上盖网协同保证海水淡化过程中膜的强度；下腔体为空气侧，下腔体表面设置气体进口和气体出口，气体进口连接气体输送系统，气体出口连接冷凝器。
进一步的，所述海水加热单元包括热水器和海水罐，海水罐设置在热水器中，海水罐通过管路连接至膜组件上腔体的海水进口，且所述管路上设置水泵、温度传感器和液体流量计，海水出口通过管路连接至海水罐，将海水返回至海水加热单元。
进一步的，海水罐内部为不锈钢结构，能够防止海水对其的锈蚀，该海水加热单元配置温度传感器可以控制所需海水的加热温度，防止过度加热浪费资源；在膜组件入口处设置温度传感器，可以反映系统的温度。
进一步的，所述气体输送系统包括空气泵，空气泵与气体进口通过管路连接，所述管路上设置转子流量计和温湿度变送器。
进一步的，气体出口与冷凝器之间的管路上设置温度传感器和湿度传感器。
进一步的，所述海水加热单元为太阳能集热器或船舶柴油发动机的预热单元。
进一步的，所述进气口和出气口的直径与下腔体的高度比为0.188-0.25，且进气口和出气口均设置在下腔体的下部。
所述上腔体和下腔体的横截面积相同；或者所述上腔体的横截面积小于下腔体的横截面积，且海水淡化膜和上盖网的面积均与上腔体的横截面积相等，支撑网的面积与下腔体的横截面积相等。
进一步的，至于冷凝器和淡水收集单元，在小型试验中冷凝器可采用蛇形冷凝管，当所述海水淡化装置在船舶上使用时，需要使用换热面积较大的冷凝器，小型试验可采用烧杯来收集淡水，使用平衡天平实时监控收集水的质量。
进一步的，温度传感器、湿度传感器和流量计均与数据采集板电连接，且计算机与数据采集板电连接；所述海水淡化装置中的数据均由数据采集板收集信号后保存在计算机内，便于观察系统的运行状况。
使用上述具备自清洁功能的膜式海水淡化装置的海水淡化方法，经过海水加热单元的加热后的海水进入海水淡化膜组件的上腔体，气体输送系统将空气输送至海水淡化膜组件的下腔体，加热后的海水与空气透过海水淡化膜进行传热传质，经过传热传质后的海水返回至海水加热单元；经过传热传质后的空气进入冷凝器，冷凝得到的淡水进入淡水收集单元。
进一步的，所述海水淡化膜为PVDF膜。
进一步的，海水加热单元将海水加热至50-70℃。
海水淡化膜组件上腔体是加热后的海水，下腔体是干冷空气。由于存在温度差，热的水分子会透过PVDF膜渗透到下腔体，进而和干的冷空气结合形成湿热空气，之后湿热空气来到冷凝器冷凝后产生淡水。海水淡化膜本身的自清洁依靠其膜上下两侧的压力差，下腔体为空气侧，上腔体为海水测，下腔体的压力大于上腔体的压力，下腔体中的空气透过海水淡化膜进入上腔体，则会形成大量的气体从膜表面离开膜表面，从宏观上看则是形成气爆现象。
在平板膜海水淡化的过程中，海水中的污染物逐渐的残留在PVDF膜表面，久而久之，膜表面会出现类似于凝胶的污染物，但由于膜组件本申请的自清洁性能，上升的气体会将污染物带离PVDF膜，在这样的气爆情况之下，PVDF膜的寿命就会大大提高。
本发明的有益效果是：本发明结构简单，经济效益良好，能够在海水淡化的同时利用组件上下两腔体之间的压力差进行膜的自清洁，这大大延长了海水淡化膜组件的寿命，提高了海水淡化的效率。同时本体系采用膜空气加湿除湿脱盐（MHDD）的方法比原始的直接接触式膜蒸馏（DCMD）的平板膜海水淡化方法在产水量、水质方面有明显的提高。在空气流量为0.3-0.6m³/h，海水流量为350-460mL/min，在每天工作十小时的条件下，产水量达到18kg/(㎡﹒d)，而且装置小巧方便，不占用船上的空间。携带了本装置的船只可以不要用担心远航出海的用水问题，节省了使用淡水的成本。
附图说明
图1为本发明中的具备自清洁功能的膜式海水淡化装置示意图；
图2a为海水淡化膜组件的一种详细结构示意图，图2b为海水淡化膜组件的另一种结构示意图；
图3为海水淡化系统运行过程中膜组件内部空气流动情况示意图；
图4是自清洁海水淡化系统与常规海水淡化系统的产水量的对比图；
图5是自清洁海水淡化系统的电导率和时间的关系曲线；
图6是普通组件的产水电导率和时间关系曲线；
其中：1-热水器，2-海水罐，3-水泵，4-温度传感器，5-液体流量计，6-上腔体，7-上盖网，8-支撑网，9-下腔体，10-PVDF膜，11-温湿度变送器，12-冷凝器，13-数据采集板，14-计算机，15-烧杯，16-平衡天平，17-空气泵。
具体实施方式
以下结合具体实施例和附图对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施不限于此。
如图1所示的一种具备自清洁功能的膜式海水淡化装置，包括依次连接的海水加热单元、海水淡化膜组件、冷凝器12和淡水收集单元；海水加热单元包括热水器1和海水罐2，在实际船舶运用过程中可以采用太阳能集热器或者运用船舶柴油发动机的预热进行加热，这样可以进一步减少成本，一般将海水加热至50-70℃。海水罐2设置在热水器1中，所述海水膜淡化组件包括相互连通的上腔体6和下腔体9，上腔体6表面上设置海水进口和海水出口，海水罐2通过管路连接至上腔体6的海水进口，且所述管路上设置水泵3、温度传感器4和液体流量计5，所述水泵3将加热后的海水通过温度传感器4、液体流量计5确认后输送到达膜组件上腔体6，且经过传热传质后的海水经过海水出口返回至海水罐2。
海水淡化膜10位于上腔体6和下腔体9之间，膜两侧配置支撑网8和上盖网7以保证海水淡化过程中膜的强度，且由于通常情况下下腔体9的压力大于上腔体6的压力，上盖网7距离海水淡化膜的距离为5mm，以保证膜的换热面积；下腔体9为空气侧，冷的空气在下腔体被加热加湿；下腔体9表面设置气体进口和气体出口，气体进口连接气体输送系统，气体出口连接冷凝器12；气体出口与冷凝器12之间的管路上设置温度传感器和湿度传感器11。
所述气体输送系统包括空气泵17，空气泵17连接转子流量计和温湿度变送器；所述冷凝器为蛇形冷凝管，烧杯作为淡水收集单元来收集淡水，并使用平衡天平实时监控收集水的质量。系统中的温湿度传感器、流量计以及平衡天平的数据均通过数据采集板13将数据收集起来传到计算机14内保存下来。以便以后做数据分析和处理。
图2a为海水淡化膜组件的一种详细结构，其中，上腔体6的横截面积等于下腔体9的横截面积，膜组件上腔体6中充满加热后的海水，上盖网7可以保证PVDF膜不会因为巨大压力差而产生交大形变进而失去效用，由于膜组件上层为海水，下层为空气，由于存在重力作用，需要支撑网8支撑PVDF膜，防止膜因为重力的作用而产生较大的形变。
图2b为海水淡化膜组件的另一种详细结构，其中，上腔体6的横截面积小于下腔体9的横截面积，且海水淡化膜10和上盖网7的面积均与上腔体6的横截面积相等，支撑网8的面积与下腔体9的横截面积相等，此时上腔体6与下腔体9相互连通，而在下腔体9未被上腔体6覆盖的顶部是密封的，这种情况下膜组件的拆卸组装更加简单，且膜的密封更为容易。
图3为海水淡化过程中膜组件内空气流动情况。由于存在温度差，上腔体6中的热的水分子会透过PVDF膜渗透到下腔体9，进而和干的冷空气结合形成湿热空气，之后湿热空气进入后续的冷凝器12。膜组件本身的自清洁依靠膜上下两侧的压力差，下腔体9为空气侧，上腔体6为海水侧，海水腔体高5cm，当海水充满腔体时，上腔体内膜压力约为0.588pa，下腔体则充满气体，则下腔体内压强约为一个大气压。下腔体的气压远大于上腔体，则下腔体的气体会均匀的透过PVDF膜10，则会形成大量的气体从膜表面离开，从宏观上看则会发生曝气现象。因此进入到下腔体9的冷空气最终分为两个部分：一部分是由下腔体9流出，经过冷凝器12冷凝之后产生淡水，另一部分透过PVDF膜10来到上腔体6，带走膜表面的污染物，最终排出上腔体6，实现膜组件的自清洁作用。
使用上述具备自清洁功能的膜式海水淡化装置进行海水淡化，首先经过热水器1加热后，海水罐2中的海水经过液体流量计5、温度传感器4和湿度传感器被水泵3输送入海水淡化膜组件的上腔体6，空气泵17抽入冷空气，冷空气经过空气流量计和温湿度变送器进入膜组件下腔体9，上腔体6中加热后的海水与下腔体9中的冷空气透过海水淡化膜10进行传热传质，水蒸气透过膜孔来到膜组件下腔体9，热的水蒸气被冷空气吸收形成湿热空气，这就完成了对冷空气的加热加湿，然后湿热空气进入冷凝器12，使用烧杯进行收集冷凝得到的淡水，平衡天平16可以实时测量淡水产量；传热传质后的海水返回至海水罐2。
图4为本发明的海水淡化膜组件与普通膜组件的淡水产量图，其中线型1为本发明的海水淡化膜组件的产水量与时间的关系，可以看出在连续运行数天后，淡水产量也没发生较大的变化，一搬组件在工作30h后淡水产量会下降，一般海水淡化组件使用的是DCMD结构，膜上侧为热的海水，下侧为冷的蒸馏水，这样液液接触式的结构会严重损伤表面模孔结构，降低海水淡化量，也降低海水淡化效果。图5为自清洁组件淡水的电导率与时间关系曲线，运行130h时曲线仍旧保持在15μs/cm以下，图6是普通膜组件产水淡水的电导率和时间的关系，可以看到普通膜组件在运行25h前，电导率位置在18-25之间，但是在25h后其产水电导率超过200μs/cm，呈指数式上升，显然已经不能满足海水淡化的需求。图5中前期由于组件检漏时使用自来水的原因导致电导率较高。综上所述，具有自清洁能力的海水淡化膜组件从淡水产量，产水电导率两个方面都比传统的海水淡化设备优越很多。
使用本实施例中的自清洁功能的膜式海水淡化装置，当液体流量计5显示海水流量为400ml/min，空气流量为0.3m³/h，海水加热温度为70℃，PVDF膜10孔径为0.44μm时，每小时产水量可达到18kg/㎡。对于普通膜组件而言，同样条件下，产水量仅为11kg/㎡。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限定。凡本领域的技术人员利用本发明的技术方案对上述实施例作出的任何等同的变动、修饰或演变等，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种具备自清洁功能的膜式海水淡化装置，其特征在于，所述装置包括依次连接的海水加热单元、海水淡化膜组件、冷凝器（12）和淡水收集单元；所述海水膜淡化组件包括相互连通的上腔体（6）、下腔体（9）和海水淡化膜（10），上腔体（6）的表面上设置海水进口和海水出口，海水加热系统通过管路连接海水进口，且海水出口与海水加热单元之间还设置回水管路，将传质传热后的海水送回海水加热单元；海水淡化膜（10）位于上腔体（6）和下腔体（9）之间，海水淡化膜（10）两侧配置支撑网（8）和上盖网（7），下腔体（9）表面设置气体进口和气体出口，气体进口连接气体输送单元，气体出口连接冷凝器（12）。
2.根据权利要求1所述的膜式海水淡化装置，其特征在于，所述海水加热单元包括热水器（1）和海水罐（2），海水罐（2）设置在热水器（1）中，海水罐（2）通过管路连接至膜组件上腔体（6）的海水进口，且所述管路上设置水泵（3）、温度传感器（4）和液体流量计（5），且海水出口通过回水管路连接至海水罐（2）；所述进气口和出气口的直径与下腔体（9）的高度比均为0.188-0.25，且进气口和出气口均设置在下腔体（9）的下部；所述海水加热单元为太阳能集热器或船舶柴油发动机的预热单元。
3.根据权利要求2所述的膜式海水淡化装置，其特征在于，所述气体输送单元包括空气泵（17），空气泵（17）与气体进口通过管路连接，所述管路上设置转子流量计和温湿度变送器；所述气体出口与冷凝器（12）之间的管路上设置温度传感器和湿度传感器（11）。
4.根据权利要求3所述的膜式海水淡化装置，其特征在于，温度传感器、湿度传感器、温湿度变送器和流量计均与数据采集板（13）电连接，且计算机（14）与数据采集板（13）电连接。
5.根据权利要求1所述的膜式海水淡化装置，其特征在于，所述上腔体（6）和下腔体（9）的横截面积相等。
6.根据权利要求1所述的膜式海水淡化装置，其特征在于，所述上腔体（6）的横截面积小于下腔体（9）的横截面积，且海水淡化膜（10）和上盖网（7）的面积均与上腔体（6）的横截面积相等，支撑网（8）的面积与下腔体（9）的横截面积相等。
7.一种利用权利要求1-6任一项所述的膜式海水淡化装置的海水淡化方法，其特征在于，经过海水加热单元加热后的海水进入海水淡化膜组件的上腔体（6），气体输送单元将空气输送至海水淡化膜组件的下腔体（9），加热后的海水与空气透过海水淡化膜（10）进行传热传质，经过传热传质后的海水返回至海水加热单元；经过传热传质后的空气进入冷凝器（12），冷凝得到的淡水进入淡水收集单元。
8.根据权利要求7所述的膜式海水淡化方法，其特征在于，所述海水淡化膜（10）为PVDF平板膜。
9.根据权利要求7所述的膜式海水淡化方法，其特征在于，海水加热单元将海水加热至50-70℃。
10.根据权利要求7所述的膜式海水淡化方法，其特征在于，空气流量为0.3-0.6m³/h，海水流量为350-460mL/min。
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2019
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