CN112110520A - 一种超微型便携式海水淡化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超微型便携式海水淡化装置，属于海水淡化技术领域。包括壳体、反渗透膜元件、等压双作用泵、手柄推拉驱动组件、底座组件、超滤器和初滤器；连续按压手柄推拉驱动组件带动活塞上下运动，控制进水单向阀和逆止单向阀的开闭，海水经初滤器、超滤器过滤后进入进水仓，并通过海水出水孔进入压力仓中；当装置内压力达到反渗透压力时，海水进入反渗透膜元件，经反渗透膜淡化的海水由中心管下部的淡水仓经淡水通道流至淡水出水接口处，反渗透膜中的盐卤由盐卤流道流至盐卤出水接口处。所述装置体积小，且人力驱动、节能环保、便携可靠、淡化海水为达标饮用水、满足应急保障生命的需求。

Description

一种超微型便携式海水淡化装置
技术领域
本发明涉及一种超微型便携式海水淡化装置，属于海水淡化技术领域。
背景技术
海水淡化是利用海水脱盐生产淡水，其中，反渗透技术是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜，将盐卤与淡水分隔开。由于反渗透过程中需要一定的反渗透压力，现有的海水淡化装置压力泵与反渗透膜元件一般采用并联或串联的形式连接，导致装置的体积较大，因此亟需一种体积小携带方便的海水淡化装置。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超微型便携式海水淡化装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种超微型便携式海水淡化装置，包括壳体、反渗透膜元件、等压双作用泵、手柄推拉驱动组件、底座组件、超滤器和初滤器；
其中，反渗透膜元件包括中心管和位于中心管外壁上的反渗透膜；反渗透膜元件通过加压密封件套装在壳体内且反渗透膜元件与壳体之间形成压力仓；
壳体和中心管材质均为耐3MPa以上压力的材料；
等压双作用泵包括进水单向阀、逆止单向阀、活塞、活塞压管和活塞套(34)；进水单向阀和逆止单向阀均与中心管固定密封，且进水单向阀位于逆止单向阀下方，逆止单向阀和进水单向阀之间形成进水仓；活塞套位于壳体内且固定密封在中心管上方，活塞压管固定在活塞套内，活塞穿过活塞压管且通过导向定位件与活塞压管配合，活塞的一端与逆止单向阀的阀芯连接，另一端与手柄推拉驱动组件活动连接，手柄推拉驱动组件带动活塞上下运动；活塞压管周向上开有海水出水孔Ⅰ，活塞套中设有环向储能加压仓，储能加压仓内设有储能稳压器，储能加压仓的底部均布有海水出水孔Ⅱ；储能稳压器以加压收缩、减压膨胀的功能储能稳压；
超滤器位于进水单向阀下方的中心管内，超滤器与中心管之间形成淡水仓，进水单向阀下方的中心管内壁上均布有淡水出水孔；
底座组件位于壳体底部且与反渗透膜元件固定密封，底座组件上设有海水进水接口、淡水出水接口和盐卤水出水接口；海水进水接口的一端通过进水管与初滤器连接，另一端通过管路与超滤器的进口连接；超滤器的出口通过管路与进水单向阀连接；淡水出水接口与淡水仓之间形成淡水流道，淡水出水接口与淡水出水管连接，盐卤水出水接口与反渗透膜之间形成盐卤水流道，盐卤水出水接口与盐卤水出水管连接。
使用时，当手柄推拉驱动组件带动活塞向上运动时，进水仓降压，小于大气压时逆止单向阀关闭，进水单向阀打开，海水经初滤器由海水进水接口进入超滤器经超滤后的还是进入进水仓；当手柄推拉驱动组件带动活塞向下运动时，进水仓加压，高于大气压时，进水单向阀关闭，逆止单向阀打开，加压海水经活塞压管上的海水出水孔Ⅰ进入储能加压仓；达到阈值的加压海水由储能加压仓的底部的海水出水孔Ⅱ经压力仓流入膜组件外层时，部分淡水渗入反渗透膜，反渗透膜内层聚集的淡水从中心管上的淡水出水孔经淡水仓由淡水流道经淡水出水接口流出。沿反渗透膜外层的海水盐份增加水份减少，形成盐卤水由盐卤水流道经盐卤水出水接口排出。
进一步的，所述反渗透膜采用中国专利201610575159.5中所述的层间距可控的氧化石墨烯膜，所述反渗透膜缠绕在中心管外壁上。所述的层间距可控的氧化石墨烯膜另具降低反渗透工作压力阀值，或同等压力下提高脱盐率和淡水出水速度的效果。
进一步的，所述中心管的材质为中国专利申请202010490153.4中所述的一种高抗压强度低密度材料。所述材料适应10MPa压力、35000ppm浓海水腐蚀，且具有轻质耐磨等特征。
进一步的，所述中心管兼为等压双作用泵和超滤器的外壳。中心管内腔上部置入等压双作用泵，其内腔下部置入超滤器，且中心管与超滤器之间形成淡水仓。中心管一管三用，物理空间上集成了海水淡化装置必备的压力泵(动力)、源水预处理(超滤)和淡水聚集三大功能。
进一步的，所述手柄推拉驱动组件包括手柄压杆、旋转件和旋转轴；旋转件与手柄压杆和活塞分别通过旋转轴活动连接，且旋转件与手柄压杆之间沿按压方向设有弹簧定位柱；手柄压杆上设有旋转按钮，旋转按钮通过定位顶杆与旋转件配合使手柄压杆处于工作或非工作状态；工作状态下按压手柄压杆带动活塞上下运动。
进一步的，所述手柄推拉驱动组件还包括盖体，盖体上开有手柄压杆滑动槽，且盖体与壳体固定。
进一步的，所述初滤器为与壳体外壁相匹配的半圆片结构。
进一步的，所述盐卤出水接口处设有调压阀，调压阀包括调压针阀、调压弹簧、限位螺母和调压旋钮，调压针阀安装在盐卤水流道上，调压弹簧套装在调压针阀上，调压旋钮连接在调压针阀外端将调压弹簧压紧；限位螺母，用于定位调压阀的开关状态。调压测试适当后，螺母定位正常打开状态，调压针阀封闭盐卤水通道即为关闭状态。
进一步的，所述底座组件上设有反渗透压测试接口。反渗透压测试接口连接压力测试仪，可实时检测装置反渗透压力及波动状况，获取的参数作为调节调压阀松紧的参考。合适的反渗透压力区间由膜元件性能决定，允许的反渗透压力波动幅度由装置的系统设计储能稳压性能决定。调压阀的微调作用修正每台装置的性能分散性。
进一步的，所述壳体为圆筒型结构，长度为160-200毫米，外径为55-65毫米，重量为500-1000克。
有益效果
本发明所述装置中，反渗透膜元件与等压双作用泵配合形成压力的聚集和传递。压力驱动装置内海水定向流动，达到阈值压力时，海水在反渗透膜界面实现溶剂水与溶质离子的分离。所述装置不存储海水和淡水，仅是分离淡水和盐卤。在超微型条件下满足分渗透膜膜正常工况的要求。中心管一管三用，中心管既用于捲制反渗透膜片，反渗透淡化海水、收集淡水；又是等压双作用泵的耐压外壳，增压泵海水入膜元件，分离海水中可溶性离子，生成淡水；实现了装置体积最小化，且人力驱动，驱动力3公斤左右，使用功率为15～25瓦，节能环保，便携可靠，淡化海水为达标饮用水，所述装置可实现每小时产淡水量在1000毫升以上，满足应急保障生命的需求。
附图说明
图1-2为本发明所述超微型便携式海水淡化装置结构示意图；
图3-4为本发明所述超微型便携式海水淡化装置局部结构示意图；
图5为本发明所述装置使用时推拉力、反渗透压、盐卤出水和生成淡水的关系图；
其中，1-壳体，2-反渗透膜元件，3-等压双作用泵，4-手柄推拉驱动组件，5-底座组件，6-超滤器，7-淡水仓，8-储能加压仓，9-进水仓，10-压力仓，11-加压密封件，12-初滤器，21-反渗透膜，22-中心管，31-进水单向阀，32-活塞，33-活塞压管，34-活塞套，35-逆止单向阀，36-储能稳压器，41-手柄压杆，42-旋转按钮，43-旋转件，44-旋转轴，45-定位顶杆，51-海水进水接口，52-淡水出水接口，53-盐卤水出水接口，54-调压阀，55-反渗透压测试接口。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图1-4所示，一种超微型便携式海水淡化装置，包括壳体1、反渗透膜元件2、等压双作用泵3、手柄推拉驱动组件4、底座组件5、超滤器6和初滤器12；
其中，反渗透膜元件2包括中心管22和位于中心管外壁上的反渗透膜21；反渗透膜元件2通过加压密封件11套装在壳体1内且反渗透膜元件2与壳体(1)之间形成压力仓10；
壳体1和中心管22材质均为耐3MPa以上压力的材料；
等压双作用泵3包括进水单向阀31、逆止单向阀35、活塞32、活塞压管33和活塞套34；进水单向阀31和逆止单向阀35均与中心管22固定密封，且进水单向阀31位于逆止单向阀35下方，逆止单向阀35和进水单向阀31之间形成进水仓9；活塞套34位于壳体1内且固定密封在中心管22上方，活塞压管33固定在活塞套34内，活塞32穿过活塞压管33且通过导向定位件与活塞压管33配合，活塞32的一端与逆止单向阀35的阀芯连接，另一端与手柄推拉驱动组件4活动连接，手柄推拉驱动组件4带动活塞32上下运动；活塞压管33周向上开有海水出水孔Ⅰ，活塞套34中设有环向储能加压仓8，储能加压仓8内设有储能稳压器36，储能加压仓8的底部均布有海水出水孔Ⅱ；储能稳压器36以加压收缩、减压膨胀的功能储能稳压。
超滤器6位于进水单向阀31下方的中心管22内，超滤器6与中心管22之间形成淡水仓7，进水单向阀31下方的中心管22内壁上均布有淡水出水孔；
底座组件5位于壳体1底部且与反渗透膜元件2固定密封，底座组件5上设有海水进水接口51、淡水出水接口52和盐卤水出水接口53；海水进水接口51的一端通过进水管与初滤器12连接，另一端通过管路与超滤器6的进口连接；超滤器6的出口通过管路与进水单向阀31连接；淡水出水接口52与淡水仓之间形成淡水流道，淡水出水接口52与淡水出水管连接，盐卤水出水接口53与反渗透膜21之间形成盐卤水流道，盐卤水出水接口53与盐卤水出水管连接。
使用时，当手柄推拉驱动组件4带动活塞32向上运动时，进水仓9降压，小于大气压时逆止单向阀35关闭，进水单向阀31打开，海水经初滤器12由海水进水接口51进入超滤器6经超滤后的还是进入进水仓9；当手柄推拉驱动组件4带动活塞32向下运动时，进水仓9加压，高于大气压时，进水单向阀31关闭，逆止单向阀35打开，加压海水经活塞压管33上的海水出水孔Ⅰ进入储能加压仓8；达到阈值的加压海水由储能加压仓8的底部的海水出水孔Ⅱ经压力仓10流入膜组件外层时，部分淡水渗入反渗透膜21，反渗透膜21内层聚集的淡水从中心管22上的淡水出水孔经淡水仓由淡水流道经淡水出水接口流出。沿反渗透膜21外层的海水盐份增加水份减少，形成盐卤水由盐卤水流道经盐卤水出水接口53排出。
所述反渗透膜21采用中国专利201610575159.5中所述的层间距可控的氧化石墨烯膜，所述反渗透膜21缠绕在中心管22外壁上。所述的层间距可控的氧化石墨烯膜另具降低反渗透工作压力阀值，或同等压力下提高脱盐率和淡水出水速度的效果。
所述中心管22的材质为中国专利申请202010490153.4中所述的一种高抗压强度低密度材料。所述材料适应10MPa压力、35000ppm浓海水腐蚀，且具有轻质耐磨等特征。
进一步的，所述中心管22兼为等压双作用泵3和超滤器6的外壳。中心管22内腔上部置入等压双作用泵3，其内腔下部置入超滤器6，且中心管22与超滤器6之间形成淡水仓7。中心管22一管三用，物理空间上集成了海水淡化装置必备的压力泵(动力)、源水预处理(超滤)和淡水聚集三大功能。
所述手柄推拉驱动组件4包括手柄压杆41、旋转件43和旋转轴44；旋转件43与手柄压杆41和活塞32分别通过旋转轴44活动连接，且旋转件43与手柄压杆41之间沿按压方向设有弹簧定位柱46；手柄压杆41上设有旋转按钮42，旋转按钮42通过定位顶杆45与旋转件43配合使手柄压杆41处于工作或非工作状态；工作状态下按压手柄压杆41带动活塞32上下运动。
所述手柄推拉驱动组件4还包括盖体47，盖体47上开有手柄压杆滑动槽，且盖体47与壳体1固定。
所述初滤器12为与壳体外壁相匹配的半圆片结构。
所述盐卤出水接口53处设有调压阀54，调压阀包括调压针阀、调压弹簧、限位螺母和调压旋钮，调压针阀安装在盐卤水流道上，调压弹簧套装在调压针阀上，调压旋钮连接在调压针阀外端将调压弹簧压紧；限位螺母，用于定位调压阀54的开关状态。调压测试适当后，螺母定位正常打开状态，调压针阀封闭盐卤水通道即为关闭状态。
所述底座组件5上设有反渗透压测试接口54。反渗透压测试接口54连接压力测试仪，可实时检测装置反渗透压力及波动状况，获取的参数作为调节调压阀松紧的参考。合适的反渗透压力区间由膜元件性能决定，允许的反渗透压力波动幅度由装置的系统设计储能稳压性能决定。调压阀的微调作用修正每台装置的性能分散性。
所述壳体1为圆筒型结构，长度为160-200毫米，外径为55-65毫米，重量为500-1000克。具体数值由需求方规定的技术指标确定。
具体的使用过程中：
1、负压吸水：按压手柄压杆41，活塞32向上运动，泵腔内减压。当泵腔内压力小于大气压时，进水单向阀31打开，逆止单向阀35关闭。海水在大气压力下经初滤器6、超滤器12、经进水阀门吸入泵腔，海水填满泵腔后经海水出水孔Ⅰ进入储能稳压仓8，再经海水出水孔Ⅱ进入压力仓10。此为0.5-1.0秒的负压吸水聚水增压周期。
2、正压泵水：提升手柄压杆41，活塞32向下运动，泵腔内增压。当泵腔内压力大于大气压时，进水单向阀31关闭，逆止单向阀35打开。泵腔内海水经海水出水孔Ⅰ聚集储能稳压仓8，，再经海水出水孔Ⅱ进入压力仓10。此约为0.5-1.0秒的正压泵水聚水增压周期。
3、增高水压。装置水压由装置阻力构成。人臂推拉力先克服机械磨擦力，再克服装置水阻力。当克服水阻力累积达4MPa时，达到反渗透膜阈值，装置进入工况。此时，分离出的淡水进入反渗透膜层内腔，经淡水出水孔聚集在淡水仓7内并沿淡水流道由淡水出水接口52流出，其余盐卤水经调压阀54控制排出装置。
4、水阻力主要由盐卤水出水接口处的调压阀54设定，调压阀54作用相当于河流的蓄水坝，阀值高(坝高)时流击盐卤水量少，淡水水质差，阀值低(坝低)时流出盐卤水量多，淡水水质好。
本装置中等压双作用泵，其细而长的结构使泵体置于膜中心管，其一次推拉二次等压泵水，同时增压又稳压的双作用功能，使膜的反渗透压力平稳增至4MP至6MPa工作区间，而且压力波动小于10％，给膜元件在较佳工况下正常分离海水中离子，获得优质优量淡水。
如图5中曲线A所示，本装置由人力推拉驱动，作用力3-4公斤。推拉频率平均每分钟30-50次，启动时每分钟60次，以加快增压，工况时每分钟30次，保持压力。
如图5中曲线B所示，本装置3分钟内可形成4MPa反渗透压，促使反渗透膜进入正常工况。反渗透膜压力波动正负10％内，水质较好，反渗透膜波动由储能稳压器控制。
本装置设定80％盐卤水流量、20％淡水流量的配比，实现淡水水量水质平衡点。如图5中曲线C所示，每分钟排出盐卤水80毫升，如图5中曲线D所示，每分钟产出淡水20毫升，是水质水量较佳平衡点。本装置每小时产出淡水1200毫升，水质达到国家饮用水卫生指标。
本装置以膜与泵的整合创新，实现体积最小、重量最轻、功能最全的超微装置。
综上所述，发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超微型便携式海水淡化装置，其特征在于：包括壳体(1)、反渗透膜元件(2)、等压双作用泵(3)、手柄推拉驱动组件(4)、底座组件(5)、超滤器(6)和初滤器(12)；
其中，反渗透膜元件(2)包括中心管(22)和位于中心管外壁上的反渗透膜(21)；反渗透膜元件(2)通过加压密封件(11)套装在壳体(1)内且反渗透膜元件(2)与壳体(1)之间形成压力仓(10)；
壳体(1)和中心管(22)材质均为耐3MPa以上压力的材料；
等压双作用泵(3)包括进水单向阀(31)、逆止单向阀(35)、活塞(32)、活塞压管(33)和活塞套(34)；进水单向阀(31)和逆止单向阀(35)均与中心管(22)固定密封，且进水单向阀(31)位于逆止单向阀(35)下方，逆止单向阀(35)和进水单向阀(31)之间形成进水仓(9)；活塞套(34)位于壳体(1)内且固定密封在中心管(22)上方，活塞压管(33)固定在活塞套(34)内，活塞(32)穿过活塞压管(33)且通过导向定位件与活塞压管(33)配合，活塞(32)的一端与逆止单向阀(35)的阀芯连接，另一端与手柄推拉驱动组件(4)活动连接，手柄推拉驱动组件(4)带动活塞(32)上下运动；活塞压管(33)周向上开有海水出水孔Ⅰ，活塞套(34)中设有环向储能加压仓(8)，储能加压仓(8)内设有储能稳压器(36)，储能加压仓(8)的底部均布有海水出水孔Ⅱ；
超滤器(6)位于进水单向阀(31)下方的中心管(22)内，超滤器(6)与中心管(22)之间形成淡水仓(7)，进水单向阀(31)下方的中心管(22)内壁上均布有淡水出水孔；
底座组件(5)位于壳体(1)底部且与反渗透膜元件(2)固定密封，底座组件(5)上设有海水进水接口(51)、淡水出水接口(52)和盐卤水出水接口(53)；海水进水接口(51)的一端通过进水管与初滤器(12)连接，另一端通过管路与超滤器(6)的进口连接；超滤器(6)的出口通过管路与进水单向阀(31)连接；淡水出水接口(52)与淡水仓之间形成淡水流道，淡水出水接口(52)与淡水出水管连接，盐卤水出水接口(53)与反渗透膜(21)之间形成盐卤水流道，盐卤水出水接口(53)与盐卤水出水管连接。
2.如权利要求1所述的一种超微型便携式海水淡化装置，其特征在于：所述反渗透膜(21)采用中国专利201610575159.5中所述的层间距可控的氧化石墨烯膜，所述反渗透膜(21)缠绕在中心管(22)外壁上。
3.如权利要求1所述的一种超微型便携式海水淡化装置，其特征在于：所述中心管(22)的材质为中国专利申请202010490153.4中所述的一种高抗压强度低密度材料。
4.如权利要求1所述的一种超微型便携式海水淡化装置，其特征在于：所述中心管(22)兼为等压双作用泵(3)和超滤器(6)的外壳。
5.如权利要求1所述的一种超微型便携式海水淡化装置，其特征在于：所述手柄推拉驱动组件(4)包括手柄压杆(41)、旋转件(43)和旋转轴(44)；旋转件(43)与手柄压杆(41)和活塞(32)分别通过旋转轴(44)活动连接，且旋转件(43)与手柄压杆(41)之间沿按压方向设有弹簧定位柱(46)；手柄压杆(41)上设有旋转按钮(42)，旋转按钮(42)通过定位顶杆(45)与旋转件(43)配合使手柄压杆(41)处于工作或非工作状态；工作状态下按压手柄压杆(41)带动活塞(32)上下运动。
6.如权利要求1所述的一种超微型便携式海水淡化装置，其特征在于：所述手柄推拉驱动组件(4)还包括盖体(47)，盖体(47)上开有手柄压杆滑动槽，且盖体(47)与壳体(1)固定。
7.如权利要求1所述的一种超微型便携式海水淡化装置，其特征在于：所述初滤器(12)为与壳体外壁相匹配的半圆片结构。
8.如权利要求1所述的一种超微型便携式海水淡化装置，其特征在于：所述盐卤出水接口(53)处设有调压阀(54)，调压阀包括调压针阀、调压弹簧、限位螺母和调压旋钮，调压针阀安装在盐卤水流道上，调压弹簧套装在调压针阀上，调压旋钮连接在调压针阀外端将调压弹簧压紧；限位螺母，用于定位调压阀(54)的开关状态。调压测试适当后，螺母定位正常打开状态，调压针阀封闭盐卤水通道即为关闭状态。
9.如权利要求1所述的一种超微型便携式海水淡化装置，其特征在于：所述底座组件(5)上还设有反渗透压测试接口(55)。
10.如权利要求1所述的一种超微型便携式海水淡化装置，其特征在于：所述壳体(1)为圆筒型结构；所述装置的长度为150～200毫米，外径为50～65毫米，重量为500～1000克。
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