CN110282804A - 一种太阳能海水淡化系统及使用其的海水淡化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能海水淡化系统，主要包括纳米流体蒸发装置，纳米颗粒，换热器，待处理海水，储水罐，调节阀，空气循环泵，纳米粒子过滤网，光热膜渗透装置，光热膜，基膜。在所述纳米流体蒸发装置中，利用动态气泡对太阳光的散射和反射，生成太阳能蒸汽，该蒸汽进入换热器，通过与进入光热膜渗透系统中的待处理海水进行换热后冷凝为水，该冷凝水进入光热膜渗透装置的淡水一侧，将跨膜渗透的蒸汽冷凝为水带走加以利用；纳米流体蒸发装置产生的蒸汽冷凝后，析出的气体在空气循环泵作用下再次输入纳米流体蒸发装置底部用以持续产生所需的气泡流。
Description
技术领域
本发明属于可再生能源领域，具体涉及一种基于气泡床蒸发技术结合热渗透膜技术的太阳能海水淡化系统及使用其的海水淡化方法。
背景技术
淡水资源与人类日常生活、经济社会发展息息相关。随着人口的快速增长、工业的迅猛发展带来环境污染等系列问题，导致淡水资源短缺日益严重。海洋占地球表面积71％，其水资源对人类而言基本上是用之不竭的，因而海水淡化技术成为获取淡水资源的重要途径之一。传统的海水淡化技术主要有反渗透膜技术、多级闪蒸技术等，这些技术发展较为成熟，实际应用效果较好，但也存在成本较高、耗能严重等问题。
作为最大的可再生能源，太阳能可以广泛应用于海水淡化领域，然而，由于水的光吸收能力差，热损失大，天然光热蒸汽转换效率低，无法满足生产、生活的用水需求。从而，急需寻找高效光热转换材料及其相关的集成系统，来提高太阳能的光热蒸汽转换效率。目前，太阳能驱动海水淡化技术主要有纳米流体蒸发技术、光热膜渗透技术等。纳米流体蒸发技术是在海水中加入具有宽光谱吸收范围的光热转化纳米颗粒，这些纳米颗粒在阳光照射下，表面温度可以迅速升温到水的沸点以上，从而蒸汽膜在纳米颗粒表面持续生成，最后浮力作用下脱离并到达水面释放出水汽。该技术需要使用高浓度纳米流体才可实现高蒸发效率，但高浓度纳米流体成本较高，且对底部纳米颗粒的光吸收存在遮挡效应。在光热膜渗透技术中，待处理海水跟冷却淡水分别在膜两侧流动，海水一侧的光热膜通过光热效应将光能转化为热能加热周围水体，在膜表面附近加热海水产生蒸汽，在温差驱动的跨膜蒸汽压作用下，生成的水蒸气透过膜渗透到冷却水一侧，冷凝后被冷却水带走。该技术利用光热温差诱导的跨膜蒸汽压替代了普通膜渗透技术的压差，降低了能耗，节约了成本，绿色无污染，但受海水升温的限制，海水淡化效率较低。
发明内容
为了进一步提高光能利用，实现高效海水淡化，本发明提供了一种纳米流体气泡床蒸发耦合光热膜渗透技术的太阳能海水淡化系统。技术原理主要包括两点：1.利用动态气泡作为光能散射与传递中心，延长了入射光路径并倍增了光通量；同时提供了极大的气液界面完成气泡吸湿，以及破水而出的炸裂扰动加速了蒸汽扩散，从而实现高效太阳能蒸汽生成。2.纳米流体蒸发技术产生的蒸汽与进入光热膜渗透系统中的待处理海水进行换热，提高输入的海水初始温度，由此提高了光热膜渗透技术的光热转化效率，同时冷凝换热产生的水作为冷却水进入光热膜渗透系统淡水一侧将跨膜渗透过来的蒸汽冷凝为水带走加以利用；而光热膜渗透系统海水一侧输出的热海水输送至纳米流体蒸发系统中，提高了待蒸发海水的温度，从而提高了纳米流体蒸发系统的蒸发效率，达到取长补短的效果。
本发明提供了一种基于气泡床蒸发结合热渗透膜技术的太阳能海水淡化系统，包括纳米流体蒸发装置，纳米颗粒，换热器，待处理海水，储水罐，调节阀，空气循环泵，纳米粒子过滤网，光热膜渗透装置，光热膜，基膜，所述纳米流体蒸发装置中包含纳米颗粒和气泡，海水可在纳米流体蒸发装置中被蒸发；纳米流体蒸发装置通过管道连通至换热器，待处理海水流入换热器，换热器的一端连接至储水罐，该储水罐用于储存冷凝水，该冷凝水在储水罐中进一步冷却后得到冷却淡水；纳米流体蒸发装置和储水罐均设置为连接有调节阀；待处理海水可经过换热器而被输送至光热膜渗透装置；光热膜渗透装置中设有由光热膜和基膜组成的复合膜结构，该复合膜结构两侧分别为海水和淡水，基膜为疏水性的，保证复合膜结构两侧的海水和淡水不能相互渗透；光热膜渗透装置可输出热海水进入纳米流体蒸发装置补充其蒸发损失。
优选地，所述纳米颗粒包括金属等离子体纳米颗粒、碳基纳米颗粒以及半导体纳米颗粒。
更优选地，所述金属等离子体纳米颗粒为金、银、铝、铜的一种或多种；所述碳基纳米颗粒为碳纳米管、碳黑、石墨烯及其衍生物的一种或多种；所述半导体纳米颗粒为黑色氧化钛。
优选地，所述光热膜由纳米金属颗粒、聚多巴胺以及无机碳材料构成；进一步优选地，纳米金属颗粒为金、银、铝的一种或多种；无机碳材料为石墨烯。
优选地，所述基膜的材料为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)。
本发明所述海水淡化系统中，调节阀的作用为控制进入光热膜渗透装置中的冷却水流量以及纳米流体蒸发装置中排出的高浓度海水流量；纳米粒子过滤网作用是阻止纳米颗粒随高浓度海水流出，维持纳米流体蒸发装置中纳米流体浓度的稳定性。
本发明还提供了一种使用上述海水淡化系统的海水淡化方法，包括在太阳光照射下，纳米流体蒸发装置中纳米颗粒吸收直接照射以及经由气泡反射到其表面的光并将其转化为热能，加热周围海水产生蒸汽，蒸汽经由管道进入换热器与待处理海水进行换热，冷凝为水进入储水罐，而换热后温度升高的待处理海水输送至光热膜渗透装置中海水一侧用以加热产生蒸汽；纳米流体蒸发装置中产生的蒸汽冷凝后，析出的循环空气在空气循环泵的作用下，输入纳米流体蒸发装置底部用于持续产生气泡；在储水罐中进一步冷却的冷却淡水进入光热膜渗透装置淡水一侧；在太阳光的照射下，通过光热膜的光热转化效应，加热光热膜附近的水产生蒸汽，在由温差驱动的蒸汽压差作用下，水蒸气跨膜输送到淡水一侧，随之冷凝为水被冷却淡水带走，而疏水性基膜保证两侧的水不能相互渗透；光热膜渗透装置中输出的热海水进入纳米流体蒸发装置中，补充其蒸发损失，提高了海水温度，从而使纳米流体粒子蒸发装置中的蒸发效率提高，纳米流体粒子蒸发装置中排出的高盐度海水作其他处理。
本发明具有如下优点：
1.提高太阳能驱动纳米流体蒸发的光热蒸发效率；
2.解决纳米流体蒸发技术中，对昂贵的纳米流体颗粒的高浓度依赖，降低成本；
3.通过蒸汽冷凝预热冷海水，充分回收纳米流体蒸发所生成蒸汽的汽化潜热，提高光热膜渗透技术的光热转化效率；
4.通过两类技术的耦合，实现能量与水源的高效互补性利用，达到取长补短的效果。
附图说明
图1(a)为光热膜渗透技术的原理图。
图1(b)为纳米流体气泡床蒸发技术的原理图。
图2为本发明的太阳能海水淡化系统的示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种基于气泡床蒸发技术结合热渗透膜技术的太阳能海水淡化系统，该系统主要包括纳米流体蒸发装置，纳米颗粒，换热器，待处理海水，储水罐，调节阀，空气循环泵，纳米粒子过滤网，光热膜渗透装置，光热膜，基膜，其特征在于：纳米流体蒸发装置中，利用动态气泡对太阳光的散射和反射，延长了入射光路径并倍增了光通量，增强了纳米流体对太阳光能量的吸收；同时提供了极大的气液界面完成气泡吸湿，以及破水而出的炸裂扰动加速了蒸汽扩散，从而实现高效太阳能蒸汽生成；纳米流体蒸发装置中产生的蒸汽进入换热器，通过与进入光热膜渗透系统中的待处理海水进行换热，提高了输入海水的初始温度，由此提高光热膜渗透技术的光热转化效率，增大由温差驱动的蒸汽跨膜压差，提高了蒸汽跨膜渗透能力；蒸汽冷凝为水后，进入光热膜渗透装置的淡水一侧，将跨膜渗透的蒸汽冷凝为水带走加以利用；纳米流体蒸发装置产生的蒸汽冷凝后，析出的气体在空气循环泵作用下再次输入纳米流体蒸发装置底部用以持续产生所需的气泡流；在光热膜渗透装置中，通过光热膜的光热转化效应，使膜表面的水加热生成水蒸气，在由温差诱导的蒸汽压差作用下，水蒸气跨膜输送到冷却水一侧，随之水蒸气冷凝后的水被冷却水带走，基膜选择疏水膜材料，从而使水无法跨膜传输；在光热膜系统海水侧，经太阳加热处理后的高浓度热海水被进一步输送至纳米流体蒸发装置中，这样提高了待蒸发海水的初始温度，从而可提高纳米流体的蒸发效率。
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
图1(a)为光热膜渗透技术的原理图。如图所示，膜结构是由光热膜15和基膜16共同组成的复合膜，光热膜15可以由金、银、铝等纳米金属颗粒、聚多巴胺等聚合物以及石墨烯等无机碳材料构成，主要作用是利用其宽光谱的吸光能力及高效的光热转化能力，将光能转化为热能加热周围水体产生蒸汽；基膜16主要材料为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)等疏水聚合材料，主要作用是通过其疏水性隔绝海水与淡水的相互渗透，起到提纯水功效。光热膜海水一侧通入待处理海水7，淡水一侧通入冷却淡水9。当太阳光1照射到光热膜15上，光热膜15通过光热效应将光能转化为热能加热周围水体，在膜表面附近加热海水产生蒸汽，在温差驱动的跨膜蒸汽压作用下，生成的水蒸气透过膜渗透到淡水一侧，冷凝后被冷却淡水9带走，而剩下的高浓度海水经管道流出作其他处理。
图1(b)为纳米流体气泡床蒸发技术的原理图，与传统的纳米流体蒸发技术不同，本发明通过在装置中持续生成气泡4，利用气泡4对光线的散射和反射，延长了入射光路径并倍增了光通量，强化了纳米颗粒3的光热转化能力，进而提高了蒸发效率。如图所示，当太阳光1照射到纳米颗粒3和气泡4上，直接照射纳米颗粒3的太阳光在光热效应的作用下转化为热能，加热周围水体，照射气泡4的太阳光则发生多次散射和反射，反射的太阳光17照射在纳米颗粒3上发生二次光热转化，进一步加热周围水体产生蒸汽。二者结合大大提高了系统的光热转化效率，而且解决了高浓度纳米流体成本较高，且对底部纳米颗粒的光吸收存在遮挡的问题。纳米颗粒3由于高效的吸光能力和光热转化效应，可作为纳米流体蒸发技术的光能吸收转化中心。气泡4可对入射光进行多次全方向散射和反射，延长太阳光在水中的入射路径，可作为纳米流体蒸发技术中的散射中心。其中，纳米颗粒3主要包括金、银、铝、铜等金属等离子体纳米颗粒，碳纳米管、碳黑、石墨烯及其衍生物等碳基纳米颗粒以及黑色氧化钛等半导体纳米颗粒等。
图2为本发明的太阳能海水淡化系统的示意图。如图所示，该系统利用气泡床蒸发耦合热渗透膜技术集成，主要元素包括太阳光1，纳米流体蒸发装置2,纳米颗粒3，气泡4，蒸汽5，换热器6，待处理海水7，储水罐8，冷却淡水9，调节阀10，空气循环泵11，循环空气12，纳米粒子过滤网13，光热膜渗透装置14，光热膜15，基膜16。
该太阳能海水淡化系统的工作流程为：在太阳光1照射下，纳米流体蒸发装置2中纳米颗粒3吸收直接照射以及经由气泡4反射到其表面的光并将其转化为热能，加热周围海水产生蒸汽5，蒸汽5经由管道进入换热器6与待处理海水7进行换热，冷凝为水进入储水罐8，而换热后温度升高的待处理海水7输送至光热膜渗透装置14中海水一侧用以加热产生蒸汽。纳米流体蒸发装置2中产生的蒸汽冷凝后，析出的循环空气12在空气循环泵11的作用下，输入纳米流体蒸发装置2底部用于持续产生气泡4。在储水罐8中进一步冷却的冷却淡水9进入光热膜渗透装置14淡水一侧。在太阳光1的照射下，通过光热膜的光热转化效应，加热光热膜附近的水产生蒸汽，在由温差驱动的蒸汽压差作用下，水蒸气跨膜输送到淡水一侧，随之冷凝为水被冷却淡水9带走，而疏水性基膜16保证两侧的水不能相互渗透。光热膜渗透装置14中输出的热海水进入纳米流体蒸发装置2中，补充其蒸发损失，提高了海水温度，从而使纳米流体粒子蒸发装置2中的蒸发效率提高。纳米流体粒子蒸发装置2中排出的高盐度海水作其他处理。
换热器6主要作用是回收蒸汽冷凝释放的汽化潜热，提高进入光热膜渗透装置14中的海水初始温度，增强光热膜的光热转化效率。
调节阀10主要作用为控制进入光热膜渗透装置14中的冷却水流量以及纳米流体蒸发装置2中排出的高浓度海水流量，使整个系统更加高效可控。
纳米粒子过滤网13主要作用是阻止纳米颗粒3随高浓度海水流出，维持纳米流体蒸发装置2中纳米流体浓度的稳定性，从而保证高效的光热转化及蒸发效率。
综上所述，本发明提供了一种太阳能海水淡化系统，具有以下技术功效：
1.本发明将纳米流体蒸发技术与光热膜渗透技术相结合，不仅增强了光热转化能力，提高了蒸发效率，而且实现了资源的重复利用，降低成本；
2.本发明利用冷海水与蒸汽进行换热，充分利用蒸汽冷凝放出的热量，升高海水初始温度，提高了光热膜渗透技术的光热转化效率；
3.本发明利用循环空气在纳米流体蒸发装置中持续产生气泡，延长了入射光路径并倍增了光通量，强化了纳米颗粒光热转化能力，实现高效太阳能蒸汽生成；
4.本发明将在光热渗透膜处理过的浓缩热海水输送到纳米流体蒸发装置中进行二次处理，不仅实现了重复资源利用，而且提高了纳米流体的初始温度，从而增强了系统蒸发效率；
5.本发明利用纳米流体蒸发装置中蒸汽冷凝水作为冷却水，进入光热膜渗透装置的淡水侧，将跨膜渗透的蒸汽冷凝为水带走，实现了水资源的再利用。
6.本发明可用于海水淡化、污水处理等领域，为传统的水处理技术能力提升及工程应用提出了新思路及解决方案。
Claims (9)
1.一种基于气泡床蒸发结合热渗透膜技术的太阳能海水淡化系统，包括纳米流体蒸发装置2，纳米颗粒3，换热器6，待处理海水7，储水罐8，调节阀10，空气循环泵11，纳米粒子过滤网13，光热膜渗透装置14，光热膜15，基膜16，其特征在于：所述纳米流体蒸发装置2中包含纳米颗粒3和气泡4，海水可在纳米流体蒸发装置2中被蒸发；纳米流体蒸发装置2通过管道连通至换热器6，待处理海水7流入换热器6，换热器6的一端连接至储水罐8，该储水罐8用于储存冷凝水，该冷凝水在储水罐8中进一步冷却后可得到冷却淡水9；所述纳米流体蒸发装置2和储水罐8均设置连接有调节阀10；待处理海水7可经过换热器6而被输送至光热膜渗透装置14；光热膜渗透装置14中设有由光热膜15和基膜16组成的复合膜结构，该复合膜结构两侧分别为海水和淡水，基膜16为疏水性的，保证复合膜结构两侧的海水和淡水不能相互渗透；光热膜渗透装置14可输出热海水进入纳米流体蒸发装置2补充其蒸发损失。
2.根据权利要求1所述的海水淡化系统，其中，所述纳米颗粒3包括金属等离子体纳米颗粒、碳基纳米颗粒以及半导体纳米颗粒。
3.根据权利要求2所述的海水淡化系统，其中，所述金属等离子体纳米颗粒为金、银、铝、铜的一种或多种；所述碳基纳米颗粒为碳纳米管、碳黑、石墨烯及其衍生物的一种或多种；所述半导体纳米颗粒为黑色氧化钛。
4.根据权利要求1所述的海水淡化系统，其中，所述光热膜15由纳米金属颗粒、聚多巴胺以及无机碳材料构成。
5.根据权利要求4所述的海水淡化系统，其中，光热膜15中所述纳米金属颗粒为金、银、铝的一种或多种；所述无机碳材料为石墨烯。
6.根据权利要求1所述的海水淡化系统，其中，所述基膜16的材料为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)。
7.根据权利要求1所述的海水淡化系统，其中，所述调节阀10的作用为控制进入光热膜渗透装置14中的冷却水流量以及纳米流体蒸发装置2中排出的高浓度海水流量。
8.根据权利要求1所述的海水淡化系统，其中，所述纳米粒子过滤网13作用是阻止纳米颗粒3随高浓度海水流出，维持纳米流体蒸发装置2中纳米流体浓度的稳定性。
9.一种使用权利要求1-8任一所述的海水淡化系统的海水淡化方法，包括在太阳光照射下，纳米流体蒸发装置2中纳米颗粒3吸收直接照射以及经由气泡4反射到其表面的光并将其转化为热能，加热周围海水产生蒸汽5，蒸汽5经由管道进入换热器6与待处理海水7进行换热，冷凝为水进入储水罐8，而换热后温度升高的待处理海水7输送至光热膜渗透装置14中海水一侧用以加热产生蒸汽；
纳米流体蒸发装置2中产生的蒸汽冷凝后，析出的循环空气12在空气循环泵11的作用下，输入纳米流体蒸发装置2底部用于持续产生气泡4；在储水罐8中进一步冷却的冷却淡水9进入光热膜渗透装置14淡水一侧；
在太阳光的照射下，通过光热膜的光热转化效应，加热光热膜附近的水产生蒸汽，在由温差驱动的蒸汽压差作用下，水蒸气跨膜输送到淡水一侧，随之冷凝为水被冷却淡水9带走，而疏水性基膜16保证两侧的水不能相互渗透；
光热膜渗透装置14中输出的热海水进入纳米流体蒸发装置2中，补充其蒸发损失，提高了海水温度，从而使纳米流体粒子蒸发装置2中的蒸发效率提高，纳米流体粒子蒸发装置2中排出的高盐度海水作其他处理。
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