CN113072133A - 一种无相变海水淡化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海水淡化技术领域，具体涉及一种无相变海水淡化装置及方法。该装置包括：淡化机构、温敏水凝胶和换水机构。淡化机构浸泡在海水内，淡化机构包括：内支撑和外支撑。内支撑的内侧形成储水腔，内支撑上设有过水孔；外支撑上设有过水孔和半渗透膜，并与内支撑之间形成容纳腔；温敏水凝胶用于设在容纳腔内，温敏水凝胶在小于第一温度时可经过半渗透膜从外支撑外侧吸收淡水，在大于第一温度时可排出淡水至储水腔；换水机构与储水腔连通，在储水腔内的淡水降低至第二温度时，将储水腔内的淡水排出，并在温敏水凝胶吸水至设定饱和程度时，使储水腔吸入大于第二温度的淡水。能够解决现有的海水淡化工艺功耗高，导致成本高的问题。

Description

一种无相变海水淡化装置及方法

技术领域

本发明涉及海水淡化技术领域，具体涉及一种无相变海水淡化装置及方法。

背景技术

海水淡化即利用海水脱盐生产淡水。是实现水资源利用的开源增量技术，可以增加淡水总量，且不受时空和气候影响，可以保障沿海居民饮用水和工业锅炉补水等稳定供水。

传统的海水淡化方法主要分成两大类：膜法和热法。其中，膜法以反渗透法(Reverse Osmosis)为代表，把海水压过“只能过水不能过盐”的半透膜，克服渗透压做功，实现盐水分离，该方法需要耗能很高的压力能。热法以多级闪蒸(Multi-Stage Flash)和多效蒸馏(Multi-Effect Distillation)为主，是一种把海水加热蒸发，利用蒸汽与盐分分离的淡化法。然而，无论是多级闪蒸还是多效蒸馏，热源均为温度较高的蒸汽，仍然是以消耗高品位能源作为代价来换取淡水，而且在蒸发腔中实现低压主要依靠外力(电力驱动泵功)实现，还需要设置庞大的冷凝系统将蒸汽冷凝为淡水。

目前的海水淡化产业仍属于能源密集型产业，淡化成本高被视为海水淡化难以大规模推广应用的主要障碍。目前海水淡化吨水成本中接近一半是能耗成本，如何进一步降低海水淡化的能耗，是破解海水淡化技术瓶颈的突破口。对于膜法海水淡化技术就是要降低高压泵功的消耗，而对于热法则要大幅度减少“蒸发-冷凝”相变过程消耗的能源成本。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种无相变海水淡化装置及方法，能够解决现有的海水淡化工艺功耗高，导致成本高的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一方面，本发明提供一种无相变海水淡化装置，其特征在于，包括：

淡化机构，其用于浸泡在海水内，所述淡化机构包括：

-内支撑，其内侧形成储水腔，所述内支撑上设有过水孔；

-外支撑，所述外支撑上设有过水孔和半渗透膜，并与内支撑之间形成容纳腔；

温敏水凝胶，所述温敏水凝胶用于设在所述容纳腔内，所述温敏水凝胶在小于第一温度时可经过所述半渗透膜从所述外支撑外侧吸收淡水，在大于第一温度时可排出淡水至储水腔；

换水机构，其与所述储水腔连通，用于在所述储水腔内的淡水降低至第二温度或温敏水凝胶排出淡水达到设定空隙程度时，将所述储水腔内的淡水排出并收集，并在所述温敏水凝胶吸水至设定饱和程度时，使所述储水腔吸入大于第二温度的淡水。

一些可选的方案中，所述换水机构包括：

储水箱；

换水管路，其一端与所述储水箱连通，另一端与所述储水腔的端部连接；

加热器，其设在所述换水管路上，用于加热换水管路内的淡水至大于第二温度；

活塞，其设于所述储水腔内，用于在所述储水腔内的淡水降低至第二温度或温敏水凝胶排出淡水达到设定空隙程度时，排出所述储水腔内的淡水并收集，并在所述温敏水凝胶吸水至设定饱和程度时，使所述储水腔吸入第二温度的淡水。

一些可选的方案中，所述换水管路包括：

回水管路，其一端与所述储水箱连通，另一端与所述储水腔的端部连通，所述回水管路上设有第一阀门，所述第一阀门在排出所述储水腔的淡水时打开，在吸入加热至大于第二温度的淡水时关闭；

热水供水管路，其一端与所述储水箱连通，另一端和回水管路并联后与所述储水腔的端部连通，所述热水供水管路上设有第二阀门，所述第二阀门在排出所述储水腔里的淡水时关闭，在吸入加热至大于第二温度的淡水时打开。

一些可选的方案中，所述第一阀门和第二阀门均为电动阀。

一些可选的方案中，所述加热器包括加热管路，所述加热管路缠绕在所述热水供水管路上。

一些可选的方案中，所述加热器为太阳能加热器、地热能加热器、工业烟气加热器或者工业热排水加热器。

一些可选的方案中，还包括驱动装置，其与所述活塞连接，用于驱动所述活塞在储水腔内移动。

一些可选的方案中，所述内支撑和外支撑均为圆筒状，所述容纳腔的两端密封。

一些可选的方案中，还包括海水池，其用于容纳海水，以浸泡所述淡化机构。

另一方面，本发明提供一种无相变海水淡化方法，包括以下步骤：

S1：利用位于低于第一温度的海水中的温敏水凝胶吸入经半渗透膜过滤后的淡水；

S2：在所述温敏水凝胶吸水至设定饱和程度时，输入大于第二温度的淡水至储水腔，以将所述温敏水凝胶内的淡水排出至所述储水腔；

S3：当所述储水腔内的淡水的温度低于第二温度或温敏水凝胶排出淡水后达到设定空隙程度时，排出所述储水腔内的淡水并收集，返回步骤S1。

与现有技术相比，本发明的优点在于：使用时，将淡化机构置于温度低于第一温度的海水中，使置于容纳腔内的温敏水凝胶经过半渗透膜从外支撑的外侧吸淡水。吸入加热到大于第二温度的淡水至储水腔，使温敏水凝胶排出淡水至储水腔内，并且可以使多余的淡水溢流出储水腔。当储水腔内的淡水降低至低于第二温度或温敏水凝胶排出淡水达到设定空隙程度时，将储水腔内的淡水排出并收集，并在温敏水凝胶吸水至设定饱和程度时，使储水腔吸入大于第二温度的淡水，并重复执行该步骤，可以不断的从海水中转化淡水。不同于热法海水淡化工艺中复杂的蒸发、冷凝方式，本发明采用无相变的吸水-吐水结构，无相变过程。不同于膜法高压力驱动反渗透技术，本发明利用温敏水凝胶低温时强大的抽吸力，实现从海水中抽取淡水的功能，将大幅度降低泵功消耗。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中无相变海水淡化装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中无相变海水淡化方法的流程图。

图中：1、海水池；2、淡化机构；21、内支撑；22、外支撑；23、储水腔；24、容纳腔；25、半渗透膜；3、温敏水凝胶；4、换水机构；41、储水箱；42、换水管路；421、回水管路；422、热水供水管路；423、第一阀门；424、第二阀门；43、加热器；44、活塞。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

图1为本发明实施例中无相变海水淡化装置的结构示意图，如图1所示，本发明提供一种无相变海水淡化装置，包括：淡化机构2、温敏水凝胶3和换水机构4。

其中，淡化机构2，其用于浸泡在海水内，淡化机构2包括：内支撑21和外支撑22。内支撑21的内侧形成储水腔23，内支撑21上设有过水孔；外支撑22上设有过水孔和半渗透膜25，并与内支撑21之间形成容纳腔24；温敏水凝胶3用于设在容纳腔24内，温敏水凝胶3在小于第一温度时可经过半渗透膜25从外支撑22外侧吸收淡水，在大于第一温度时可排出淡水至储水腔23；换水机构4与储水腔23连通，用于在储水腔23内的淡水降低至第二温度或温敏水凝胶3排出淡水达到设定空隙程度时，将储水腔23内的淡水排出，并在温敏水凝胶3吸水至设定饱和程度时，使储水腔23吸入大于第二温度的淡水。

通过在外支撑22上设置过水孔和半渗透膜25，并在外支撑22和内支撑21之间的容纳腔24内设置温敏水凝胶3，使淡化机构2在浸泡海水内时，温敏水凝胶3可在小于第一温度时经过半渗透膜25从外支撑22外侧吸收淡水。

使用时，将淡化机构2置于温度低于第一温度的海水中，使置于容纳腔24内的温敏水凝胶3经过半渗透膜25从外支撑22的外侧吸入淡水。吸入加热到大于第二温度的淡水至储水腔23，使温敏水凝胶3排出淡水至储水腔23内，并且可以使多余的淡水溢流出储水腔23。

当储水腔23内的淡水降低至低于第二温度或温敏水凝胶3排出淡水达到设定空隙程度时，将储水腔23内的淡水排出并收集，并在温敏水凝胶3吸水至设定饱和程度时，使储水腔23吸入大于第二温度的淡水，并重复执行该步骤，可以不断的从海水中转化淡水。不同于热法海水淡化工艺中复杂的蒸发、冷凝方式，本发明采用低温低压无相变的吸水-吐水结构，无相变过程。不同于膜法高压力驱动反渗透技术，本发明利用温敏水凝胶低温时强大的抽吸力，实现从海水中抽取淡水的功能，将大幅度降低泵功消耗。

温敏性材料内部一般同时具有亲水性和疏水性基团，当外界温度发生变化时，材料内部亲疏水平衡发生改变，宏观上表现为材料的吸水与失水状态的转变，使得温敏材料的渗透压具有温度敏感的特性。例如专利号109943002A“一种自吸湿水凝胶、制备方法以及基于其的热管理方法”，提出的吸湿盐溶液型水凝胶。

在本实施例中，温敏水凝胶3的转变温度设计为40℃，即本例中的第一温度，第二温度要大于或者等于第一温度。因为当第二温度接近于第一温度时，温敏水凝胶3的吐水已经很慢了，此时可以将储水腔23里面的水排出。使温敏水凝胶3转入吸水阶段，当温敏水凝胶3吸水达到设定饱和程度，即再使温敏水凝胶3转入吐水阶段。一般不会使温敏水凝胶3完全吸水饱和，或者吐水完全，这样会降低淡化机构2的利用率。具体的，温敏水凝胶3快要到达吸水饱和以及吐水完全的程度，由温敏水凝胶3的性质决定。低于第二温度或温敏水凝胶3排出淡水达到设定空隙程度以及设定饱和程度，可以通过前期的试验与时间对应，以时间来对应温敏水凝胶3吸水和吐水的调整时机。

本例中，半渗透膜25是一种选择性透过膜，设置在外支撑22的内侧或者外侧，只允许淡水通过，盐分被阻隔。内支撑21和外支撑22均开设有微孔道，便于海水或淡水的传输，。

在一些可选的实施例中，换水机构4包括：储水箱41、换水管路42、加热器43和活塞44。

其中，换水管路42一端与储水箱41连通，另一端与储水腔23的端部连接；加热器43设在换水管路42上，用于加热换水管路42内的淡水至大于第二温度；活塞44设于储水腔23内，用于在储水腔23内的淡水降低至第二温度或温敏水凝胶3排出淡水达到设定空隙程度时，排出储水腔23内的淡水后，吸入加热器43加热至大于第二温度的淡水。

在本实施例中，储水腔23为圆柱形腔式，其内置有活塞44，可用于在储水腔23内的淡水降低至第二温度或温敏水凝胶3排出淡水达到设定空隙程度时，排出储水腔23内的淡水后，吸入加热器43加热至大于第二温度的淡水。其中，排出储水腔23内的淡水经过换水管路42排入储水箱41，储水箱41可以与居民用水或者工业用水管道连通，直接向外供水；加热器43设在换水管路42上将换水管路42内的淡水加热至大于第二温度后吸入储水腔23内，以便使温敏水凝胶3在合适的温度进行吐水和吸水，完成从海水中吸取淡水。

在一些可选的实施例中，换水管路42包括：回水管路421和热水供水管路422。

其中，回水管路421一端与储水箱41连通，另一端与储水腔23的端部连通，回水管路421上设有第一阀门423，第一阀门423在排出储水腔23的淡水时打开，在吸入加热至大于第二温度的淡水时关闭；热水供水管路422一端与储水箱41连通，另一端和回水管路421并联后与储水腔23的端部连通，热水供水管路422上设有第二阀门424，第二阀门424在排出储水腔23里的淡水时关闭，在吸入加热至大于第二温度的淡水时打开。

在本实施例中，回水管路421和热水供水管路422的一端并联后与储水腔23连通，回水管路421和热水供水管路422的另一端分别与储水箱41连通，在其他实施例中，也将回水管路421和热水供水管路422的另一端并联后与储水箱41连通。通过打开和关闭第一阀门423和第二阀门424配合活塞44的运作，实现在储水腔23内的淡水降低至第二温度或温敏水凝胶3排出淡水达到设定空隙程度时，排出储水腔23内的淡水并收集后，吸入加热器43加热至大于第二温度的淡水。

具体地，在排出储水腔23内的淡水时，第二阀门424关闭，第一阀门423打开，使活塞44向右移动。在向储水腔23内吸入淡水时，第二阀门424打开，第一阀门423关闭，使活塞44向左移动。

在一些可选的实施例中，第一阀门423和第二阀门424均为电动阀。

在本实施例中，第一阀门423和第二阀门424均采用电动阀，可以实现远程控制，与活塞44的驱动机构通过控制系统结合起来，就可使该海水淡化装置实现自动化至淡水。

在一些可选的实施例中，加热器43包括加热管路，加热管路缠绕在热水供水管路422上。在本实施例中，加热管路通过缠绕在热水供水管路422上，来给热水供水管路422内的淡水加热，使热水供水管路422内的淡水温度加热至大于第二温度。

在一些可选的实施例中，加热器43为太阳能加热器、地热能加热器、工业烟气加热器或者工业热排水加热器。在本实施例中，采用的工业热排水加热器，这样可以回收工业余热，避免能源的浪费。

在一些可选的实施例中，该淡化装置还包括驱动装置，其与活塞44连接，用于驱动活塞44在储水腔23内移动。在本实施例中，活塞44通过驱动装置驱动，本例中驱动装置为液压伸缩缸。在其他实施例中也可以为曲柄滑块机构。

在一些可选的实施例中，内支撑21和外支撑22均为圆筒状，容纳腔24的两端密封。在本实施例中，内支撑21和外支撑22之间形成的容纳腔24两端密封，只用在外支撑22的外侧设置半渗透膜25即可，这样设置起来更加的方便。

在一些可选的实施例中，该淡化装置还包括海水池1，其用于容纳海水，以浸泡淡化机构2。在本实施例中，设置海水池1可方便，海水的管理，当然在条件合适的状况下，之间可直接将淡化机构2浸泡在与海洋连接的储水空间内。

图2为本发明实施例中无相变海水淡化方法的流程图，结合图1和图2所示，另一方面，本发明还提供一种无相变海水淡化方法，包括以下步骤：

S1：利用位于低于第一温度的海水中的温敏水凝胶3吸入经半渗透膜25过滤后的淡水。

在本实施例中，将淡化机构2置于海水池1中，其中海水的温度低于第一温度。

S2：在温敏水凝胶3吸水至设定饱和程度时，输入大于第二温度的淡水至储水腔23，以将温敏水凝胶3内的淡水排出至所述储水腔23。

S3：当储水腔23内的淡水的温度低于第二温度或温敏水凝胶3排出淡水后达到设定空隙程度时，排出所述储水腔23内的淡水并收集，返回步骤S1。

利用位于低于第一温度的海水中的温敏水凝胶3吸入经半渗透膜25过滤后的淡水；并在温敏水凝胶3吸水至设定饱和程度时，使储水腔23吸入大于第二温度的淡水，以将温敏水凝胶3内的淡水排出至所述储水腔23，当储水腔23内的淡水降低至低于第二温度或温敏水凝胶3排出淡水后达到设定空隙程度时，将储水腔23内的淡水排出并收集，并重复执行上述步骤，可以不断的从海水中转化淡水。不同于热法海水淡化工艺中复杂的蒸发、冷凝方式，本发明采用无相变的吸水-吐水结构，无相变过程。不同于膜法高压力驱动反渗透技术，本发明利用温敏水凝胶低温时强大的抽吸力，实现从海水中抽取淡水的功能，将大幅度降低泵功消耗。

温敏水凝胶3排出淡水后达到设定空隙程度，即温敏水凝胶3的排水能力达到一定程度，排水能力很小了，为了提高效率，可将空隙程度设置到合适的范围，可先通过实验确定在特定温度下吸水达到饱和的时间和排水达到设定空隙程度的时间，通过时间控制吸水和排水的过程。

下面结合该海水淡化装置及方法的原理，给出一个具体的实施例：

本例中，海水淡化装置及方法实现在60℃工业废热水和20℃海水之间进行海水淡化。

吸水过程：第一阀门423开和第二阀门424关；活塞44冲程到图中的最右侧，储水腔23中淡水被压入储水箱41中；受海水池1的温度仅20℃影响，温敏水凝胶3温度从60℃下降，当温敏水凝胶3温度低于40℃时，表现为吸水特性，并温度越低吸水能力越强；温敏水凝胶3通过外支撑22和半渗透膜25从海水中吸水，当温敏水凝胶3吸收到饱和态时(通过时间判断)，第一阀门423关和第二阀门424开；

吐水过程：第一阀门423关和第二阀门424开，活塞44回程到图中的最右侧，储水箱41中的淡水经过加热器43后升温至60℃，然后被吸入储水腔23中；受储水腔23中填充淡水60℃影响，温敏水凝胶3温度开始上升，当温敏水凝胶3温度高于40℃时，表现为吐水特性，并温度越高吐水能力越强；温敏水凝胶3通过内支撑21向储水腔23中吐水。当当温敏水凝胶3吐水到平衡态时(通过时间判断)，第一阀门423开和第二阀门424关；即为一个循环，实现海水淡化过程。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种无相变海水淡化装置，其特征在于，包括：

淡化机构(2)，其用于浸泡在海水内，所述淡化机构(2)包括：

-内支撑(21)，其内侧形成储水腔(23)，所述内支撑(21)上设有过水孔；

-外支撑(22)，所述外支撑(22)上设有过水孔和半渗透膜(25)，并与内支撑(21)之间形成容纳腔(24)；

温敏水凝胶(3)，所述温敏水凝胶(3)用于设在所述容纳腔(24)内，所述温敏水凝胶(3)在小于第一温度时可经过所述半渗透膜(25)从所述外支撑(22)外侧吸收淡水，在大于第一温度时可排出淡水至储水腔(23)；

换水机构(4)，其与所述储水腔(23)连通，用于在所述储水腔(23)内的淡水降低至第二温度或温敏水凝胶(3)排出淡水后达到设定空隙程度时，将所述储水腔(23)内的淡水排出并收集，并在所述温敏水凝胶(3)吸水至设定饱和程度时，使所述储水腔(23)吸入大于第二温度的淡水。

2.如权利要求1所述的无相变海水淡化装置，其特征在于，所述换水机构(4)包括：

储水箱(41)；

换水管路(42)，其一端与所述储水箱(41)连通，另一端与所述储水腔(23)的端部连接；

加热器(43)，其设在所述换水管路(42)上，用于加热换水管路(42)内的淡水至大于第二温度；

活塞(44)，其设于所述储水腔(23)内，用于在所述储水腔(23)内的淡水降低至第二温度或温敏水凝胶(3)排出淡水达到设定空隙程度时，排出所述储水腔(23)内的淡水并收集，并在所述温敏水凝胶(3)吸水至设定饱和程度时，使所述储水腔(23)吸入第二温度的淡水。

3.如权利要求2所述的无相变海水淡化装置，其特征在于，所述换水管路(42)包括：

回水管路(421)，其一端与所述储水箱(41)连通，另一端与所述储水腔(23)的端部连通，所述回水管路(421)上设有第一阀门(423)，所述第一阀门(423)在排出所述储水腔(23)的淡水时打开，在吸入加热至大于第二温度的淡水时关闭；

热水供水管路(422)，其一端与所述储水箱(41)连通，另一端和回水管路(421)并联后与所述储水腔(23)的端部连通，所述热水供水管路(422)上设有第二阀门(424)，所述第二阀门(424)在排出所述储水腔(23)里的淡水时关闭，在吸入加热至大于第二温度的淡水时打开。

4.如权利要求3所述的无相变海水淡化装置，其特征在于，所述第一阀门(423)和第二阀门(424)均为电动阀。

5.如权利要求3所述的无相变海水淡化装置，其特征在于，所述加热器(43)包括加热管路，所述加热管路缠绕在所述热水供水管路(422)上。

6.如权利要求2所述的无相变海水淡化装置，其特征在于，所述加热器(43)为太阳能加热器、地热能加热器、工业烟气加热器或者工业热排水加热器。

7.如权利要求2所述的无相变海水淡化装置，其特征在于，还包括驱动装置，其与所述活塞(44)连接，用于驱动所述活塞(44)在储水腔(23)内移动。

8.如权利要求1所述的无相变海水淡化装置，其特征在于，所述内支撑(21)和外支撑(22)均为圆筒状，所述容纳腔(24)的两端密封。

9.如权利要求1所述的无相变海水淡化装置，其特征在于，还包括海水池(1)，其用于容纳海水，以浸泡所述淡化机构(2)。

10.一种无相变海水淡化方法，其特征在于，该方法采用如权利要求1所述的无相变海水淡化装置实施，包括以下步骤：

S1：利用位于低于第一温度的海水中的温敏水凝胶(3)吸入经半渗透膜(25)过滤后的淡水；

S2：在所述温敏水凝胶(3)吸水至设定饱和程度时，输入大于第二温度的淡水至储水腔(23)，以将所述温敏水凝胶(3)内的淡水排出至所述储水腔(23)；

S3：当所述储水腔(23)内的淡水的温度低于第二温度或温敏水凝胶(3)排出淡水后达到设定空隙程度时，排出所述储水腔(23)内的淡水并收集，返回步骤S1。

Images