CN112174241A - 一种工质循环驱动的多孔材料热蒸馏净水系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于水处理技术领域，涉及一种基于工质循环驱动的多孔材料热蒸馏净水系统。所述系统主要包括卡诺循环装置，多孔材料，和密闭腔体。所述卡诺循环装置由压缩机、冷凝放热片、膨胀阀以及蒸发制冷片组成。多孔材料、冷凝放热片与蒸发制冷片放置在密闭腔体中。该系统可以同步实现对于废水的热蒸馏浓缩以及清洁水制取，系统工作时，待处理的废水导向多孔材料，由多孔材料吸附废水并进行蒸发，同时由卡诺循环装置的冷凝放热端加热吸水后的多孔材料以增强蒸发效果，而卡诺循环装置的蒸发制冷片作为低温冷凝端增强对水蒸气的冷凝回流效果。所述系统对于紧凑高效的清洁水制取应用具有重要意义，同时易用于大规模并联式的工厂化清洁水处理。

Description

一种工质循环驱动的多孔材料热蒸馏净水系统

技术领域

本发明属于水处理技术领域，涉及一种基于工质循环驱动的多孔材料热蒸馏净水系统。

背景技术

当前，全球面临着清洁水资源不足的严峻挑战。研究分析表明，到2050年，全球将有至少一半人口面临淡水资源短缺。现有的清洁水制取技术包括反渗透、电渗析、热蒸馏等，仍存在着高效产率能耗比与占地面积互相矛盾问题。具体到热蒸馏技术，包括了多效蒸馏、多级闪蒸、膜蒸馏、太阳能热蒸馏等具体技术原理，也同样面对着高效设备不灵活、灵活设备不高效的问题。

多孔材料具备低密度、高比表面积等优秀特性，使用多孔材料吸附废水进行蒸发过程具备非常快速的效果，然而通过单单的蒸发冷凝过程获取清洁水是耗能的过程，需要有效地把冷凝热完全回收起来。通过引入工质循环驱动的冷热温差，可以直接给热蒸馏中的蒸发过程提供热能以及冷凝过程吸收热能，产生高效的能量回用。

发明内容

本发明的目的是提出一种工质循环驱动的多孔材料热蒸馏净水系统，利用多孔材料的特点，通过引入工质循环驱动的冷热温差，直接给热蒸馏中的蒸发过程提供热能以及冷凝过程吸收热能，产生高效的能量回用。

本发明提出的工质循环驱动的多孔材料热蒸馏净水系统，包括多孔材料、冷凝放热片、蒸发制冷片、密闭腔体、膨胀阀和压缩机；所述的多孔材料、冷凝放热片和蒸发制冷片放置于密闭腔体中，多孔材料和冷凝放热片相互贴合；所述的压缩机、冷凝放热片、膨胀阀和蒸发制冷片依次头尾连接成为一个封闭的卡诺循环回路。

上述多孔材料热蒸馏净水系统中，所述的多孔材料与冷凝放热片的贴合方式为背靠背贴合，或为多孔材料包覆在冷凝放热片外面。

上述多孔材料热蒸馏净水系统中，所述的多孔材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)使功能材料溶解于水，得到功能材料的水溶液，功能材料的质量百分比浓度为0.01％～10％，所述的功能材料为氧化石墨烯、碳纳米管或聚乙烯醇；

(2)将功能材料水溶液置于低温冷阱中冷冻为冰晶块体；

(3)将冰晶块体置于低温真空干燥机中，进行冷冻干燥处理，冷冻干燥温度为-100～-10℃,真空压力为0.1～20Pa，干燥时间为0.5～10d，得到功能材料构筑的多孔材料。

上述多孔材料热蒸馏净水系统中，所述的多孔材料的孔隙率为10～99％，多孔材料的平均孔径为10纳米～10厘米。

本发明提出的工质循环驱动的多孔材料热蒸馏净水系统，其优点是：

1、本发明的工质循环驱动的多孔材料热蒸馏净水系统中，使用了多孔材料进行吸热吸水蒸发，具备高效的蒸发传热传质性能；结合卡诺循环装置，保证了多孔材料的蒸发冷凝过程能量的高效回用；其中单机的卡诺循环结合多孔材料热蒸馏，具备在紧凑小空间内实现大通量、高能效比的废水淡化技术；多孔材料的在浸润蒸发过程中不容易结垢和堵塞，可以长时间工作，应用于多种废水的淡化、浓缩处理。

2、本发明的工质循环驱动的多孔材料热蒸馏净水系统所述系统，具备出色的清洁水制取速率，高效的能效比，以及紧凑的系统占地面积。可以紧凑化且高效能地、长时间进行废水淡化以及浓缩工作。

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，并可依照说明书的内容予以实施。

附图说明

图1为本发明提出的工质循环驱动的多孔材料热蒸馏净水系统的结构示意图。

图2为本发明的多孔材料热蒸馏净水系统的应用状态图。

图1和图2中，1为多孔材料，2为冷凝放热片，3为蒸发制冷片；4为密闭腔体，5为膨胀阀，6为压缩机，7为废水存储箱，8为净水存储箱，9为废水循环给水泵，10为废水循环回流泵，11为净水收集泵。

具体实施方式

本发明提出的工质循环驱动的多孔材料热蒸馏净水系统，其结构如图1所示，包括多孔材料1、冷凝放热片2、蒸发制冷片3、密闭腔体4、膨胀阀5和压缩机6；所述的多孔材料1、冷凝放热片2和蒸发制冷片3放置于密闭腔体4中，多孔材料1和冷凝放热片2相互贴合；所述的压缩机6、冷凝放热片2、膨胀阀5和蒸发制冷片3依次头尾连接成为一个封闭的卡诺循环回路。

上述多孔材料热蒸馏净水系统中，所述的多孔材料与冷凝放热片的贴合方式为背靠背贴合，或为多孔材料包覆在冷凝放热片外面。

上述多孔材料热蒸馏净水系统中，所述的多孔材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)使功能材料溶解于水，得到功能材料的水溶液，功能材料的质量百分比浓度为0.01％～10％，所述的功能材料为氧化石墨烯、碳纳米管或聚乙烯醇；

(2)将功能材料水溶液置于低温冷阱中冷冻为冰晶块体；

(3)将冰晶块体置于低温真空干燥机中，进行冷冻干燥处理，冷冻干燥温度为-100～-10℃,真空压力为0.1～20Pa，干燥时间为0.5～10d，得到功能材料构筑的多孔材料。

上述多孔材料热蒸馏净水系统中的多孔材料，其孔隙率为10～99％，多孔材料的平均孔径为10纳米～10厘米。

下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

本发明的一个应用实施例中，多孔材料热蒸馏净水系统的结构如图2所示，由多孔材料1，冷凝放热片2，蒸发制冷片3；密闭腔体4，膨胀阀5，压缩机6，废水存储箱7，净水存储箱8，废水循环给水泵9，废水循环回流泵10，净水收集泵11组成。压缩机6、冷凝放热片2、膨胀阀5和蒸发制冷片3头尾连接为一个封闭回路，组成所述的卡诺循环装置。多孔材料1、冷凝放热片2以及蒸发制冷片3放置于密闭腔体4中，同时，多孔材料1与冷凝放热片2相贴合。废水存储箱7连接废水入口、浓缩出口、废水循环给水泵9和废水循环回流泵10。废水循环给水泵9的管路开孔于密闭腔体4的上方，同时接触多孔材料1的上端。废水循环回流泵10的管路开孔于密闭腔体4的下方。净水存储箱8连接净水出口和净水收集泵11。

系统工作时，由废水入口导入废水至废水存储箱7，废水循环给水泵9从废水存储箱7中泵送废水至多孔材料1上端，多孔材料1自发吸附废水，并蒸发出清洁水蒸气，蒸发后的浓缩废水从多孔材料1的下端流向废水循环回流泵10，并泵送回废水存储箱7。由多孔材料1蒸发出来的清洁水蒸气在蒸发制冷片3上冷凝成净水液滴并滴落回流至净水收集泵11，由净水收集泵11将净水泵送至净水存储箱8中，净水存储箱8中的净水可以由净水出口传输给下级供饮用、灌溉等用途使用。卡诺循环装置起到的作用，是增强水的蒸发过程热量供给和冷凝过程中的热量抽取，具体而言，通电压缩机6工作，带动内部的工质气体压缩为高温高压状态，工质气体流向冷凝放热片2中，在冷凝放热片2的内部管道中冷凝并放出大量热量，外部放出的热量加热相贴合的多孔材料1，增强了多孔材料1的蒸发；同时，冷凝放热后的低温高压工质液体流经膨胀阀，转换为低温低压的液体状态，并在蒸发制冷片3内部蒸发为气体并吸收大量热量，外部吸收的热量表现为吸收了冷凝水滴放出的热量，从而在蒸发制冷片3表面保持了低温高效的冷凝结水能力。

本发明系统中使用的多孔材料，其制备过程中使用的功能材料，可以选取氧化石墨烯、碳纳米管或聚乙烯醇等；制备多孔结构的工艺过程可以是冷冻干燥、热发泡、刻蚀和3D打印等等。

本发明的实施例中，当使用氧化石墨烯作为制备多孔材料的功能材料时，氧化石墨烯的质量百分比浓度为1.5％，溶液总量为100g，进行冷冻干燥处理时是温度为-47℃，真空压力为10Pa，干燥时间为3天，得到的多孔材料的孔隙率为99％，多孔材料的平均孔径为100微米。

本发明的实施例中，当使用碳纳米管作为制备多孔材料的功能材料时，碳纳米管的质量百分比浓度为0.5％，溶液总量为50g，进行冷冻干燥处理时是温度为-55℃，真空压力为6Pa，干燥时间为2天，得到的多孔材料的孔隙率为99.3％，多孔材料的平均孔径为30微米。

本发明的实施例中，当使用聚乙烯醇作为制备多孔材料的功能材料时，聚乙烯醇的质量百分比浓度为5％，溶液总量为200g，进行冷冻干燥处理时是温度为-45℃，真空压力为15Pa，干燥时间为5天，得到的多孔材料的孔隙率为91％，多孔材料的平均孔径为300微米。

本发明的实施例中，卡诺循环装置内部的压缩工质可以依据功率、环保和安全性多方面需求选定，可以采用R404A(五氟乙烷/三氟乙烷/四氟乙烷混合物)，R410A(二氟甲烷/五氟乙烷混合物)，R134a(四氟乙烷)等，制冷剂的供应公司可选杜邦、霍尼韦尔、浙江巨化等(制冷剂的型号就是它的简称,如R134a)。卡诺循环装置中压缩机的选型应依据系统的设计的冷凝功率进行匹配，从市售压缩机中选择。卡诺循环装置中的冷凝散热片与蒸发制冷片的选型应依据压缩机的设计功率，例如，针对制冷量为500W的压缩机，应选取标称散热功率等于或稍大于500W的冷凝散热片与蒸发散热片，两者可以选取相同型号，如排浪科技公司的CP26240型号。封闭腔体的制备工艺主要根据选材确定，可以按照行业一般原则选取。

本发明的多孔材料热蒸馏净水系统中，水蒸气的蒸发冷凝过程中不能逃散到大气中，所以需要对于系统包含的密闭腔体及其它组件和管道之间的连接进行密封。

本发明的工质循环驱动的多孔材料热蒸馏净水系统，多孔材料1与冷凝放热片2的贴合，可以是多孔材料1和冷凝放热片2的表面接触，也可以是多孔材料1整体包覆冷凝放热片2的物理接触方式。整体包覆的过程是多孔材料1直接在冷凝放热片2表面制备成型，例如针对冷冻干燥方式制备多孔材料1，首先将功能材料水溶液浸没冷凝放热片2或涂敷在冷凝放热片2表面，然后将表面附着有功能材料水溶液的冷凝放热片2置入低温冷冻干燥机中，进行冷冻干燥处理合适的时间，便可以得到整体包覆多孔材料1的冷凝放热片2。

Claims (4)

1.一种工质循环驱动的多孔材料热蒸馏净水系统，其特征在于，该多孔材料热蒸馏净水系统包括多孔材料、冷凝放热片、蒸发制冷片、密闭腔体、膨胀阀和压缩机；所述的多孔材料、冷凝放热片和蒸发制冷片放置于密闭腔体中，多孔材料和冷凝放热片相互贴合；所述的压缩机、冷凝放热片、膨胀阀和蒸发制冷片依次头尾连接成为一个封闭的卡诺循环回路。

2.如权利要求1所述的多孔材料热蒸馏净水系统，其特征在于，其中所述的多孔材料与冷凝放热片的贴合方式为背靠背贴合，或为多孔材料包覆在冷凝放热片外面。

3.如权利要求1所述的多孔材料热蒸馏净水系统，其特征在于，其中所述的多孔材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)使功能材料溶解于水，得到功能材料的水溶液，功能材料的质量百分比浓度为0.01～10％，所述的功能材料为氧化石墨烯、碳纳米管或聚乙烯醇；

(2)将功能材料水溶液置于低温冷阱中冷冻为冰晶块体；

(3)将冰晶块体置于低温真空干燥机中，进行冷冻干燥处理，冷冻干燥温度为-100～-10℃,真空压力为0.1～20Pa，干燥时间为0.5～10d，得到功能材料构筑的多孔材料。

4.如权利要求1所述的多孔材料热蒸馏净水系统，其特征在于，其中所述的多孔材料的孔隙率为10～99％，多孔材料的平均孔径为10纳米～10厘米。

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