CN112723640A - 清洁能源海水淡化耦合盐差能发电装置的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种清洁能源海水淡化耦合盐差能发电装置的系统及方法，本发明的系统主要由供电系统模块、海水淡化模块以及盐差能发电模块构成，利用反渗透技术完成海水淡化，利用盐差能进行发电，本发明利用稳定的清洁能源进行反渗透膜法海水淡化，同时通过反向电渗析盐差能发电消纳海水淡化所产生的高盐度副产品，提高整个海水淡化过程的环保性，节省了能源消耗，减少碳排放，提高海水处理的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及清洁能源海水淡化以及盐差能发电技术，也涉及到废水的处理；特别是涉及一种利用风光互补发电进行反渗透膜法海水淡化系统与反向电渗析盐差能发电系统的耦合。
背景技术
水资源的逐步匮乏，导致许多国家对海水淡化形成了严重的依赖。但是从成本和其对环境的影响来看，海水淡化的可持续性仍是一个问题。
目前海水淡化较为成熟的技术主要分为两类：蒸馏法(热法)和膜法。绝大多数在运营的海水淡化工厂所采用的技术是多级闪蒸(MSF)、多效蒸发(MDF)和反渗透法(RO)。其中，多级闪蒸和多效蒸发都属于蒸馏法的一种，两者均为能源密集型加工方式。反渗透膜法是膜法的一种，其原理是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜，将海水与淡水分隔开。反渗透技术的最大优点是节能，以海上风电、太阳能等清洁能源为能量供给，有助于大幅度降低海水淡化的生产成本，实现水资源部门的高效、可持续发展目标。
海水淡化过程，特别是反渗透技术，会产生高盐度的废料，这些废料往往会被注回水源池，这不仅降低了海水淡化的长期可行性，还会威胁到海洋生态系统，制造出一个潜在代价更为高昂的负外部性问题。因此，研究解决高盐度副产品的消纳和处理技术是一个关键问题。
反向电渗析技术是盐差能发电技术之一，其利用离子交换膜的选择性透过，将不同浓度盐溶液混合的化学能直接转换为电能，具有清洁、可持续、无污染、能量密度高等优点。其应用场景不仅限于河海交汇处，还可以与海水淡化装置进行耦合，可以捕捉浓缩海水与一般海水之间的盐差能，从而实现海水淡化高盐度副产品的消纳和再利用，提高海水淡化的经济性和环保性，从而利于海水淡化的可持续性。
在反向电渗析盐差能发电过程中，溶液的浓度对于发电的输出功率有较大影响，例如，稀溶液的浓度太低时，虽然可以增大离子膜两侧的电化学电势差，但是也会导致膜堆的电阻迅速增加，功率密度反而下降。世界大洋的平均盐度为35‰，即每千克海水中的盐含量大约为35克。其电导率约为30000μS/m，比一般的湖水、河水大千倍以上，即海水的电导率比一般的淡水高很多，以海水为稀溶液可以保证膜组的电阻较低。对于反渗透膜法海水淡化，其脱盐率较高，可达99％，实际回收率一般均在75％以上，有时甚至可以达到90％，因此，反渗透膜法海水淡化产生的淡水纯度较高；得到的浓缩海水的浓度约为普通海水的4倍(按回收率为75％计算)，该浓度的海水直接排入海洋之中会对海洋生态系统造成危害，而利用浓缩海水与普通海水之间的盐差能进行发电不仅可以实现资源利用率，同时可以起到稀释浓缩海水的作用，降低其对海洋环境的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用清洁能源进行海水淡化并利用盐差能发电消纳海水淡化高盐度副产品的系统及方法。通过风电、光伏互补发电为反渗透膜法海水淡化供能，然后将海水淡化系统与反向电渗析盐差能发电系统耦合，利用海水和海水淡化的副产品浓缩海水之间的盐差能，实现海水淡化高盐度副产品的消纳，同时，产生电能为海水淡化的设备或其他负载供电。
本发明的目的是这样实现的：一种清洁能源海水淡化耦合盐差能发电装置的系统，包括供电模块，系统还包括海水淡化模块和盐差能发电模块，所述的海水淡化模块包括反渗透装置，反渗透装置一端与超滤器连接，另一端分别与淡水回收箱以及浓水储罐连接；浓水储罐通过第三泵体与盐差能发电模块相连通；所述的盐差能发电模块主要由反向电渗析装置、第二泵体、第三泵体、第一三通阀和第二三通阀以及外接负载组成；反向电渗析装置内设有阴离子交换膜和阳离子交换膜，交替排列的阴离子交换膜和阳离子交换膜形成若干浓水室以及淡水室。
所述的所述阴离子交换膜以及阳离子交换膜的制备方法为：分别将两种离聚物树脂溶液均匀涂覆在膨体聚四氟乙烯薄膜上，待离聚物溶液缓慢渗入到膨体聚四氟乙烯的微孔中，再取少量离聚物溶液均匀涂覆在膨体聚四氟乙烯薄膜上，待离聚物溶液缓慢渗入到膨体聚四氟乙烯的微孔中，多次重复该操作，直至聚四氟乙烯微孔被离聚物溶液充满，然后等待溶剂挥发；待溶剂挥发完之后，先进行真空恒温热处理，热处理之后，对膜进行热压处理。
所述的离聚物树脂溶液的浓度为10-20％；，待溶剂挥发完之后，先进行真空恒温热处理，热处理温度为80-100℃，热处理的时间为8-20h；热处理之后，对膜进行热压处理，热压温度为90-120℃，一方面促进离聚物与聚四氟乙烯的有效复合，另一方面控制薄膜的厚度在100-120μm之间；
所述的溶剂为极性非质子化溶剂，具体选用N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或N,N-二甲基乙酰胺中的一种或几种。
所述的供电模块电力来源为风电、光伏以及其他可再生能源中的一种或几种。
在供电模块中，设有储能装置，以保证供电稳定，所述的储能装置为锂电池、纳电池等中的一种或几种。
利用本系统进行海水淡化及发电的方法，包括以下步骤：
S1：电力模块供电：通过风力发电系统1、光伏发电系统2或其他可再生能源中的一种或几种取得电力，得到的电力通过风光互补控制器3调节后电力部分通过第二DC/AC转换器7调节后为海水淡化模块供电；部分电力由储能装置5存储，并通过第一DC/AC转换器6调节后为海水淡化模块供电；
S2：海水淡化：
S21：初滤：抽取海水，将经过沉淀、调pH、杀菌处理、软化等步骤处理过后的一部分海水通入超滤器中进一步过滤掉海水中的悬浮物等，然后再将超滤后的海水通入到反渗透装置中；
S22：反渗透处理：超滤后的海水通入反渗透装置中并经第一高压泵加压，促进海水脱盐，得到淡水与浓缩海水，淡水通入的淡水回收箱中，得到的浓缩海水通入到浓水储罐中；
S3：盐差能发电：得到的淡水及浓缩海水进入盐差能发电模块，利用阴、阳离子膜的两侧海水的浓度不同，导致阴阳离子的定向迁移从而产生电势差发电。
本系统中，盐差能发电模块中的反向电渗析装置浓水出口处设置有浓度传感器，用于检测出口处浓缩海水的浓度，当浓缩海水浓度在较高水平时，调节三通阀，将其循环至浓水入口处再次利用；当浓缩海水浓度较低时，调节三通阀，将其直接排入海中；反向电渗析装置淡水出口处的海水可直接排入海中。
系统在处理废水中的应用。
本系统在处理工业废时，用废水替代海水进入到海水淡化模块中。
本发明提供的清洁能源海水淡化耦合盐差能发电装置的系统及方法具有以下有益效果：
1)有利用环境保护：本发明利用稳定的清洁能源进行反渗透膜法海水淡化，同时通过反向电渗析盐差能发电消纳海水淡化所产生的高盐度副产品，提高整个海水淡化过程的环保性。
2)节省能源：本发明所采用反渗透膜法海水淡化相对于其他海水淡化法最节能，与目前最成熟的多级闪蒸(总能耗约为10-16kWh/m3)相比，反渗透膜法的总能耗(约为3-4kWh/m3)大概是其1/4至1/3。
3)减少碳排放，提高经济效益：随着未来新能源装机容量的上升，以及电价的进一步下降，使用清洁能源进行海水淡化不仅可以减少碳排放，按照清洁能源电价与目前电价持平的价格(0.55元/度)计算，反渗透膜海水淡化的价格为1.65-2.2元/立方米，该价格低于目前的居民自来水价(2.8元/立方米)，有利于提高海水淡化的经济性。
4)输出稳定：本发明利用盐差能发电在消纳海水淡化高盐度副产品的同时还可以产生稳定电能，反哺海水淡化，而所使用的复合增强离子交换膜可以提高整个装置的输出功率，在提高环保性的同时，也提高了整个过程的经济效益。
5)降低环境污染：本发明利用了海水淡化模块来进行废水的处理，实现了一套装置两种用途，可根据不同的使用工况进行调整。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明清洁能源海水淡化耦合盐差能发电装置及系统示意图；
图2是本发明进行废水处理等耦合盐差能发电装置及系统示意图。
图中：1、风力发电系统，2、光伏发电系统，3、风光互补控制器，4、DC/AC转换器，5、储能装置，6、第一DC/AC转换器，7、第二DC/AC转换器，8、超滤器，9、第一高压泵，10、反渗透装置，11、反渗透装置淡水出口，12、反渗透装置浓水出口，13、淡水回收箱，14、浓水储罐，15、第一变频泵，16、第二变频泵，17、第一三通阀，18、第二三通阀，19、浓度传感器，20、浓水入口，21、淡水入口，22、阴极板，23、阳离子交换膜，24、阳极板，25、阴离子交换膜，26、淡水室，27、浓水室，28、浓水出口，29、淡水出口，30、外接负载，31、过滤装置。
具体实施方式
实施例1：以海水淡化为例进行具体实施方案来阐述本发明。
整个系统分为三个模块，分别为供电系统模块、海水淡化模块以及盐差能发电模块。
其中，供电系统模块主要为海水淡化系统供能，其主要由风力发电系统1、光伏发电系统2、储能装置5、DC/AC转换器4、第一DC/AC转换器6以及风光互补控制器3组成。
本发明中的光伏发电系统2所产生的为直流电，因此，在其输出端加DC/AC转换器4，具体比例通过风光互补控制器3控制；由于风光资源具有一定的间歇性、波动性，为保证供电稳定性，添加储能装置5进行调峰，在风光发电过剩时可对储能装置充电，发电不足时，通过储能装置对外供电。储能装置可以是电化学储能装置中的锂电池、纳电池等中的一种或几种，其容量根据海水淡化厂的规模进行确定。
本发明中的海水淡化模块主要由超滤器8、第一高压泵9、反渗透装置10、反渗透装置淡水出口11、反渗透装置浓水出口12、淡水回收箱13以及浓水储罐14等组成。反渗透装置10一端与超滤器8连接，另一端分别与淡水回收箱13以及浓水储罐14连接；浓水储罐14通过第三泵体16与盐差能发电模块相连通。
盐差能发电模块主要由反向电渗析装置、第一变频泵15、第二变频泵16、第一三通阀17、第二三通阀18以外接负载30等组成；其中反向电渗析装置由阴离子交换膜25和阳离子交换膜23组成的膜组、阴极板22、阳极板24、浓水入口20、浓水出口28、淡水入口21、淡水出口29、浓水室27、淡水室26、浓水流道以及淡水流道、浓度传感器19等组成。
阴离子交换膜23和阳离子交换膜25设置在反向电渗析装置内，交替排列的阴离子交换膜23和阳离子交换膜25形成若干浓水室27以及淡水室26。浓缩海水经第二变频泵16通过浓水入口20流入浓水流道进入浓水室27，过滤后的海水经第一变频泵15驱动通过淡水入口21流入淡水流道进入淡水室26，由于离子交换膜两侧盐浓度的差异，离子会通过交换膜发生迁移，从而产生电势差，通过阴极板22、阳极板24输出到负载30；阴离子交换膜和阳离子交换膜膜组的数量以及膜的面积大小根据海水淡化厂的规模进行确定。
所述反向电渗析装置的输出功率，其计算公式由Kirchhoff规律得到：
式中，I为电流；Rload为外部电阻；U表示势能差；Rstack为膜堆电阻。
其中，U主要与膜两侧盐溶液的浓度差有关，由公式可知，降低膜堆电阻可提高反向电渗析装置的输出功率。
所述反向电渗析装置的欧姆电阻是由膜电阻、浓/淡室(HC/LC)溶液电阻和电极电阻共同组成，若忽略非欧姆电阻，膜堆电阻计算公式如下：
其中，N表示膜对数；A表示膜电极；RAEM、RCEM分别为阴、阳离子交换膜电阻；dHC、dLC分别表示浓、淡室厚度；κHC、κLC分别表示浓、淡室电导率；Rel为电极反应产生的电阻，膜对数足够多时该电阻可忽略不计。
由式中可知，降低膜电阻和溶液电阻可以降低膜堆电阻，从而提高装置的输出功率。
本发明中的阴离子交换膜25和阳离子交换膜23的制备方法为，分别将两种离聚物树脂溶液均匀涂覆在膨体聚四氟乙烯薄膜上，待离聚物溶液缓慢渗入到膨体聚四氟乙烯的微孔中，再取少量离聚物溶液均匀涂覆在膨体聚四氟乙烯薄膜上，待离聚物溶液缓慢渗入到膨体聚四氟乙烯的微孔中，多次重复该操作，直至聚四氟乙烯微孔被离聚物溶液充满，然后等待溶剂挥发；其中，离聚物树脂溶液的浓度为10％～20％，所选极性非质子化溶剂为DMF、NMP、DMAc中的一种或几种，待溶剂挥发完之后，先进行真空恒温热处理，热处理温度为80-100℃，热处理的时间为8-20h，优先的热处理温度为91℃，热处理的时间为13h。
用于制备阳离子交换膜的离聚物树脂为磺化的聚醚醚酮类或磺化的聚酰亚胺类等树脂；用于制备阴离子交换膜的离聚物树脂为季铵化的聚芳醚类或聚芳基哌啶型等树脂。
热处理之后，对膜进行热压处理，热压温度为90-120℃，优选温度为105℃；一方面促进离聚物与聚四氟乙烯的有效复合，另一方面控制薄膜的厚度在100-120μm之间，在保证膜具有相当离子交换容量的条件下，降低膜的厚度，从而降低其电阻；通过与膨体聚四氟乙烯骨架的复合，可以抑制膜的膨胀，提高膜的选择透过性，从而提高反渗透装置的功率密度；以人工配制的氯化钠溶液为试验：浓水浓度为3-6mol/L，稀溶液的浓度为0.3-0.6mol/L，膜的面积为30×30cm2-60×60cm2，得到功率密度约为2-6W/cm2。
反向电渗析装置的淡水出口29排出淡水的浓度较低，可直接排入海洋中；浓水出口28水流再返回到浓水入口20处；通过调节反渗透装置浓水出口与反向电渗析装置浓水入口管道上的流量调节阀来调控通入反向电渗析装置中的浓水的浓度，经浓度传感器19监测，当反向电渗析装置浓水出口处的浓度较低时排入海洋中。如此，可以保证用于反向电渗析装置发电的浓水和海水始终保证相对较大的浓度差，利于使整个反向电渗析装置具有较高功率密度。
利用本系统进行海水淡化及发电的方法，主要包括以下步骤：
S1：电力模块供电：通过风力发电系统1、光伏发电系统2或其他可再生能源中的一种或几种取得电力，得到的电力通过风光互补控制器3调节后电力部分通过第二DC/AC转换器7调节后为海水淡化模块供电；部分电力由储能装置5存储，并通过第一DC/AC转换器6调节后为海水淡化模块供电；
S2：海水淡化：
S21：初滤：抽取海水，将经过沉淀、调pH、杀菌处理、软化等步骤处理过后的一部分海水通入超滤器8中进一步过滤掉海水中的悬浮物等，然后再将超滤后的海水通入到反渗透装置中；在本步骤中，海水通过砂滤、絮凝沉淀、杀菌、过滤、超滤等环节去除海水中的海藻、微生物等悬浮颗粒或物质，提升海水的品质，从而减小反渗透以及电渗析过程中对膜的污染以及堵塞概率，从而延长其使用寿命；
S22：反渗透处理：超滤后的海水部分通入反渗透装置10中并经第一高压泵9加压，促进海水脱盐，得到淡水与浓缩海水，淡水通入的淡水回收箱中，得到的浓缩海水通入到浓水储罐中；
S3：盐差能发电：得到的淡水及浓缩海水进入盐差能发电模块，利用阴、阳离子膜的两侧海水的浓度不同，导致阴阳离子的定向迁移从而产生电势差发电。
实施例2：以废水为例进行具体实施方案来阐述本发明。本方案不仅适用于海水淡化，还适用于废水处理等场景，对于废水处理场景，废水为无机类工业废水或者生活污水，其通入反向电渗析装置的浓水为废水经过过滤装置31以及反渗透装置分离得到的浓水，通入反向电渗析装置的淡水为经过过滤等预处理的雨水或江河水的一种或几种。
Claims (10)
1.一种清洁能源海水淡化耦合盐差能发电装置的系统，包括供电模块，其特征在于：系统还包括海水淡化模块和盐差能发电模块，所述的海水淡化模块包括反渗透装置（10），反渗透装置（10）一端与超滤器（8）连接，另一端分别与淡水回收箱（13）以及浓水储罐（14）连接；浓水储罐（14）通过第三泵体（16）与盐差能发电模块相连通；所述的盐差能发电模块主要由反向电渗析装置、第二泵体（15）、第三泵体（16）、第一三通阀（17）和第二三通阀（18）以及外接负载（30）组成；反向电渗析装置内设有阴离子交换膜（23）和阳离子交换膜（25），交替排列的阴离子交换膜（23）和阳离子交换膜（25）形成若干浓水室（27）以及淡水室（26）。
2.根据权利要求1所述的清洁能源海水淡化耦合盐差能发电装置的系统，其特征在于：所述的所述阴离子交换膜（23）以及阳离子交换膜（25）的制备方法为：分别将两种离聚物树脂溶液均匀涂覆在膨体聚四氟乙烯薄膜上，待离聚物溶液缓慢渗入到膨体聚四氟乙烯的微孔中，再取少量离聚物溶液均匀涂覆在膨体聚四氟乙烯薄膜上，待离聚物溶液缓慢渗入到膨体聚四氟乙烯的微孔中，多次重复该操作，直至聚四氟乙烯微孔被离聚物溶液充满，然后等待溶剂挥发；待溶剂挥发完之后，先进行真空恒温热处理，热处理之后，对膜进行热压处理。
3.根据权利要求2所述的清洁能源海水淡化耦合盐差能发电装置的系统，其特征在于：所述的离聚物树脂溶液的浓度为10-20%；，待溶剂挥发完之后，先进行真空恒温热处理，热处理温度为80-100℃ ，热处理的时间为8-20 h；热处理之后，对膜进行热压处理，热压温度为90-120 ℃，一方面促进离聚物与聚四氟乙烯的有效复合，另一方面控制薄膜的厚度在100-120μm之间。
4.根据权利要求3所述的清洁能源海水淡化耦合盐差能发电装置的系统，其特征在于：所述的溶剂为极性非质子化溶剂，具体选用N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或N,N-二甲基乙酰胺中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的清洁能源海水淡化耦合盐差能发电装置的系统，其特征在于：所述的供电模块电力来源为风电、光伏以及其他可再生能源中的一种或几种。
6.根据权利要求1或5所述的清洁能源海水淡化耦合盐差能发电装置的系统，其特征在于：在供电模块中，设有储能装置，以保证供电稳定，所述的储能装置为锂电池、纳电池等中的一种或几种。
7.权利要求1-6任一权利要求所述的系统进行海水淡化及发电的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：电力模块供电：通过风力发电系统（1）、光伏发电系统（2）或其他可再生能源中的一种或几种取得电力，得到的电力通过风光互补控制器（3）调节后电力部分通过第二DC/AC转换器（7）调节后为海水淡化模块供电；部分电力由储能装置（5）存储，并通过第一DC/AC转换器（6）调节后为海水淡化模块供电；
S2：海水淡化：
S21：初滤：抽取海水，将经过沉淀、调pH、杀菌处理、软化等步骤处理过后的一部分海水通入超滤器（8）中进一步过滤掉海水中的悬浮物等，然后再将超滤后的海水通入到反渗透装置中；
S22：反渗透处理：超滤后的海水通入反渗透装置（10）中并经第一高压泵（9）加压，促进海水脱盐，得到淡水与浓缩海水，淡水通入的淡水回收箱中，得到的浓缩海水通入到浓水储罐中；
S3：盐差能发电：得到的淡水及浓缩海水进入盐差能发电模块，利用阴、阳离子膜的两侧海水的浓度不同，导致阴阳离子的定向迁移从而产生电势差发电。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：盐差能发电模块中的反向电渗析装置浓水出口处设置有浓度传感器，用于检测出口处浓缩海水的浓度，当浓缩海水浓度在较高水平时，调节三通阀，将其循环至浓水入口处再次利用；当浓缩海水浓度较低时，调节三通阀，将其直接排入海中；反向电渗析装置淡水出口处的海水可直接排入海中。
9.权利要求1所述的系统在处理废水中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：用废水替代海水进入到海水淡化模块中。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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