CN114132981B - 一种基于太阳能分光-辐射冷却的脱盐系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于太阳光分光‑辐射冷却的脱盐系统及方法，该系统由盐水增压增温段、盐水分离仓、太阳能聚光及分光部、排盐传送带和辐射冷却段组成；盐水增压增温段包括盐水管路、太阳能集热器和增压泵；盐水分离仓包括分离仓墙壁、喷嘴和太阳光谱吸收薄膜；太阳能聚光及分光部包括太阳能聚光器和分光装置；排盐传送带包括凹形传送带；辐射冷却段包括冷却段墙壁、辐射冷却薄膜、淡水池、淡水管路和控制阀门。本发明提出一种能利用太阳光谱强度会随波长变化的特性对盐溶液进行深度脱盐的新系统及方法，该系统及方法高效、环保、无污染，还能够减弱高浓度盐水的腐蚀性且能够达到深度脱盐，实现盐水分离。

Description

一种基于太阳能分光-辐射冷却的脱盐系统及方法
技术领域
本发明涉及太阳能分波段利用技术领域，具体涉及一种利用太阳光谱强度会随波长变化的特性对盐溶液进行深度脱盐的系统及方法。
背景技术
淡水危机和水污染是制约我国国民经济可持续发展的突出矛盾之一。我国在人均淡水资源匮乏的同时却在工业生产中产生巨量的含盐废水。若能对含盐废水进行深度脱盐处理，不仅能减少环境污染，还能最大程度的回收水分，实现绿色可持续发展。
传统的脱盐方法有膜法和热法两大类。膜法是通过设置适当孔径的滤膜，利用反渗透原理截留盐溶液中无机盐离子实现脱盐。热法则是通过加热盐溶液使溶剂水蒸发而实现脱盐。近几年来，喷射闪蒸法成为热法脱盐的代表方法之一。喷射闪蒸是指将一定温度的液体喷入低于该温度所对应的饱和压力空间后，液相迅速破碎成液滴群，并骤然蒸发的现象。因其无需加热面、蒸发表面积大等优点，成为较为普遍应用的脱盐方法。
发明内容
考虑到喷射闪蒸法应用成本高、工作环境苛刻和热法的相关局限性，本发明的目的是提供一种基于太阳光分光-辐射冷却的脱盐系统及方法，该系统及方法高效、环保、无污染，还能够减弱高浓度盐水的腐蚀性且能够实现盐溶液的深度脱盐。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于太阳光分光-辐射冷却的脱盐系统，该系统由盐水增压增温段、盐水分离仓、太阳能聚光及分光部、排盐传送带和辐射冷却段组成；
所述盐水增压增温段包括盐水管路1、太阳能集热器2和增压泵3，其中盐水管路1穿过太阳能集热器2与增压泵3连接；
所述的盐水分离仓包括分离仓墙壁4-1、喷嘴5和太阳光谱吸收薄膜9，增压泵3的出口穿过分离仓墙壁4-1与喷嘴5相连，在分离仓墙壁4-1内侧覆盖太阳光谱吸收薄膜9；
所述的太阳能聚光及分光部包括太阳能聚光器8和分光装置7，分光装置7内嵌于分离仓墙壁4-1中，太阳能聚光器8位于分离仓墙壁4-1外，垂直分光装置7的表面布置；
所述的排盐传送带包括凹形传送带6，凹形传送带6布置于盐水分离仓底部；
所述的辐射冷却段包括冷却段墙壁4-2、辐射冷却薄膜10、淡水池11、淡水管路12和控制阀门13，冷却段墙壁4-2与盐水分离仓顶部的分离仓墙壁4-1相连，且冷却段墙壁4-2外侧覆盖辐射冷却薄膜10，淡水池11位于冷却段墙壁4-2末端，且底部设置淡水管路12，控制阀门13位于淡水管路12上。
一种基于太阳光分光-辐射冷却的脱盐方法，具体包括如下步骤：
步骤1，盐水溶液的加热和增压：首先由盐水管路1引入盐溶液，经过太阳能集热器2对盐溶液进行加热，经过增压泵3对盐溶液进行增压，产生高温高压的盐溶液，并输送至盐水分离仓之内；
步骤2，盐溶液的雾化：高温高压的盐溶液通过喷嘴5之后，在盐水分离仓内部形成圆锥状水雾；水雾中的液滴尺寸沿轴向、径向方向递减；
步骤3，太阳能的聚光及分光：太阳光经过太阳能聚光及分光部，产生与水雾中液滴尺寸相匹配的光场；即液滴尺寸大的区域，光谱强度高；液滴尺寸小的区域，光谱强度低；未被液滴吸收的太阳光束，会被盐水分离仓内壁的太阳光谱吸收薄膜9吸收，借此提高环境温度；
步骤4，盐晶粒的排出：在蒸发过程中析出的盐晶粒在重力的作用下会落入排盐传送带上，启动凹形传送带6即能将析出的盐晶粒排出；
步骤5，水蒸气的液化：在蒸发过程中产生的水蒸气会沿着管路进入辐射冷却段，并在辐射冷却段液化，产生能够再次利用的淡水，进入淡水池11。
所述的喷嘴5能够将高温高压盐溶液雾化为液滴和液滴尺寸分布均匀的圆锥状水雾。
所述的太阳能聚光及分光部中太阳能聚光器8产生的光斑与分光装置7表面大小相符。
所述的太阳能聚光器8包括上抛物面镜和下抛物面镜，上抛物面镜和下抛物面镜共焦点布置；太阳光经过下抛物面镜的聚光反射作用后，被上抛物面镜反射形成平行高能光束；能够根据水雾中液滴的蒸发程度改变太阳能聚光器8的聚光比。
所述的分光装置7内部由多个透明棱柱玻璃组成，通过改变内部透明棱柱玻璃数量、透明棱柱玻璃的棱数以及棱柱的排列方式，利用太阳光在介质内折射率随波长变化的特性和太阳光光谱强度会随波长变化的特性，形成与液滴尺寸相匹配的光场。
所述的太阳光谱吸收薄膜9采用Al-N-O薄膜，在可见光和近红外波长范围内吸收率可达0.96，用以吸收未被液滴所吸收的太阳光，提升蒸发环境温度。
所述的辐射冷却薄膜10采用Ag-SiO2纳米复合材料，在可见光和近红外波长范围内对太阳光的吸收率仅为0.2，且在大气窗口波长范围内，自身发射率可达0.95，利用对外界辐射吸收率和自身发射率的辐射能量差使薄膜表面温度降低，用以冷却进入辐射冷却段的水蒸气。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
本发明采用太阳能分光-辐射冷却效应对盐溶液进行脱盐处理，充分利用了太阳光光谱强度会随波长变化的特性。该系统及方法能够实现盐溶液的深度脱盐，并降低在脱盐过程中产生的高浓度盐溶液的腐蚀性，高效、节能、环保。
附图说明
图1为基于太阳能分光-辐射冷却的脱盐系统图。
图2为太阳能聚光器8结构简图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明是一种基于太阳光分光-辐射冷却的脱盐系统，该系统由盐水增压增温段、盐水分离仓、太阳能聚光及分光部、排盐传送带和辐射冷却段组成；所述盐水增压增温段包括盐水管路1、太阳能集热器2和增压泵3，其中盐水管路1穿过太阳能集热器2与增压泵3连接；所述的盐水分离仓包括分离仓墙壁4-1、喷嘴5和太阳光谱吸收薄膜9，增压泵3的出口穿过分离仓墙壁4-1与喷嘴5相连，在分离仓墙壁4-1内侧覆盖太阳光谱吸收薄膜9；所述的太阳能聚光及分光部包括太阳能聚光器8和分光装置7，分光装置7内嵌于墙壁4-1中，太阳能聚光器8位于分离仓墙壁4-1外，垂直分光装置7的表面布置；所述的排盐传送带包括凹形传送带6，凹形传送带6布置于盐水分离仓底部；所述的辐射冷却段包括冷却段墙壁4-2、辐射冷却薄膜10、淡水池11、淡水管路12和控制阀门13，冷却段墙壁4-2与盐水分离仓顶部分离仓墙壁4-1相连，且冷却段墙壁4-2外侧覆盖辐射冷却薄膜10，淡水池11位于墙壁4-2末端，且底部设置淡水管路12，控制阀门13位于淡水管路12上。
如图2所示，所述的太阳能聚光器8包括上抛物面镜和下抛物面镜，上抛物面镜和下抛物面镜共焦点布置；太阳光经过下抛物面镜的聚光反射作用后，被上抛物面镜反射形成平行高能光束；能够根据水雾中液滴的蒸发程度改变太阳能聚光器8的聚光比。
实施例一：氯化钠(NaCl)溶液的盐水分离：
(1)如图1所示，盐水溶液的加热和增压：由盐水管路1引入1.0m3·s-1的氯化钠(NaCl)溶液，经过太阳能集热器2对盐溶液加热至60℃，经过增压泵3对盐溶液增压至0.2mpa，产生高温高压的氯化钠(NaCl)溶液，并输送至盐水分离仓之内；
(2)如图1所示，盐溶液的雾化：高温高压的氯化钠(NaCl)溶液通过喷嘴5之后，在盐水分离仓内部形成圆锥状水雾；水雾中的液滴尺寸沿轴向、径向方向递减；
(3)如图1所示，太阳能的聚光及分光：太阳光经过太阳能聚光及分光部，产生与水雾中液滴尺寸相匹配的光场；即液滴尺寸大的区域，光谱强度高；液滴尺寸小的区域，光谱强度低；未被液滴吸收的太阳光束，会被盐水分离仓内壁的太阳光谱吸收薄膜9吸收，借此提高环境温度；
(4)如图1所示，盐晶粒的排出：在蒸发过程中析出的氯化钠(NaCl)晶粒在重力的作用下会落入排盐传送带上，启动凹形传送带6即能将析出的氯化钠(NaCl)晶粒排出；
(5)如图1所示，水蒸气的液化：在蒸发过程中产生的水蒸气会沿着管路进入辐射冷却段，并在辐射冷却段液化，产生能够再次利用的淡水，进入淡水池11。
实施例二：含盐废水的盐水分离
(1)如图1所示，盐水溶液的加热和增压：由盐水管路1引入2.0m3·s-1的含盐废水，经过太阳能集热器2对盐溶液加热至70℃，经过增压泵3对盐溶液增压至0.4mpa，产生高温高压的盐溶液，并输送至盐水分离仓之内；
(2)如图1所示，盐溶液的雾化：高温高压的盐溶液通过喷嘴5之后，在盐水分离仓内部形成圆锥状水雾。水雾中的液滴尺寸沿轴向、径向方向递减；
(3)如图1所示，太阳能的聚光及分光：太阳光经过太阳能聚光及分光部，产生与水雾中液滴尺寸相匹配的光场；即液滴尺寸大的区域，光谱强度高；液滴尺寸小的区域，光谱强度低；未被液滴吸收的太阳光束，会被盐水分离仓内壁的太阳光谱吸收薄膜9吸收，借此提高环境温度；
(4)如图1所示，盐晶粒的排出：在蒸发过程中析出的盐晶粒在重力的作用下会落入排盐传送带上，启动凹形传送带6即能将析出的盐晶粒排出；
(5)如图1所示，水蒸气的液化：在蒸发过程中产生的水蒸气会沿着管路进入辐射冷却段，并在辐射冷却段液化，产生能够再次利用的淡水，进入淡水池11。

Claims (6)

1.一种基于太阳光分光-辐射冷却的脱盐系统，其特征在于：所述系统由盐水增压增温段、盐水分离仓、太阳能聚光及分光部、排盐传送带和辐射冷却段组成；
所述的盐水增压增温段包括盐水管路（1）、太阳能集热器（2）和增压泵（3），其中盐水管路（1）穿过太阳能集热器（2）与增压泵（3）连接；
所述的盐水分离仓包括分离仓墙壁（4-1）、喷嘴（5）和太阳光谱吸收薄膜（9），增压泵（3）的出口穿过分离仓墙壁（4-1）与喷嘴（5）相连，在分离仓墙壁（4-1）内侧覆盖太阳光谱吸收薄膜（9）；
所述的太阳能聚光及分光部包括太阳能聚光器（8）和分光装置（7），分光装置（7）内嵌于分离仓墙壁（4-1）中，太阳能聚光器（8）位于分离仓墙壁（4-1）外，垂直于分光装置（7）的表面布置；
所述的排盐传送带包括凹形传送带（6），凹形传送带（6）布置于盐水分离仓底部；
所述的辐射冷却段包括冷却段墙壁（4-2）、辐射冷却薄膜（10）、淡水池（11）、淡水管路（12）和控制阀门（13），冷却段墙壁（4-2）与盐水分离仓顶部的分离仓墙壁（4-1）相连，且冷却段墙壁（4-2）外侧覆盖辐射冷却薄膜（10），淡水池（11）位于冷却段墙壁（4-2）末端，且底部设置淡水管路（12），控制阀门（13）位于淡水管路（12）上；
所述的分光装置（7）内部由多个透明棱柱玻璃组成，通过改变内部透明棱柱玻璃数量、透明棱柱玻璃的棱数以及棱柱的排列方式，利用太阳光在介质内折射率随波长变化的特性和太阳光光谱强度会随波长变化的特性，形成与液滴尺寸相匹配的光场；
所述的一种基于太阳光分光-辐射冷却的脱盐系统的工作方法，包括以下步骤：
步骤1，盐水溶液的加热和增压：首先由盐水管路（1）引入盐溶液，经过太阳能集热器（2）对盐溶液进行加热，经过增压泵（3）对盐溶液进行增压，产生高温高压的盐溶液，并输送至盐水分离仓之内；
步骤2，盐溶液的雾化：高温高压的盐溶液通过喷嘴（5）之后，在盐水分离仓内部形成圆锥状水雾；水雾中的液滴尺寸沿轴向、径向方向递减；
步骤3，太阳能的聚光及分光：太阳光经过太阳能聚光及分光部，产生与水雾中液滴尺寸相匹配的光场；即液滴尺寸大的区域，光谱强度高；液滴尺寸小的区域，光谱强度低；未被液滴吸收的太阳光束，会被盐水分离仓内壁的太阳光谱吸收薄膜（9）吸收，借此提高环境温度；
步骤4，盐晶粒的排出：在蒸发过程中析出的盐晶粒在重力的作用下会落入排盐传送带上，启动凹形传送带（6）即能够将析出的盐晶粒排出；
步骤5，水蒸气的液化：在蒸发过程中产生的水蒸气会沿着管路进入辐射冷却段，并在辐射冷却段中液化，产生能够再次利用的淡水，进入淡水池（11）。
2.根据权利要求1所述的一种基于太阳光分光-辐射冷却的脱盐系统，其特征在于：所述的喷嘴（5）能够将高温高压盐溶液雾化为液滴和液滴尺寸分布均匀的圆锥状水雾。
3.根据权利要求1所述的一种基于太阳光分光-辐射冷却的脱盐系统，其特征在于：所述的太阳能聚光及分光部中太阳能聚光器（8）产生的光斑与分光装置（7）表面大小相符。
4.根据权利要求1所述的一种基于太阳光分光-辐射冷却的脱盐系统，其特征在于：所述的太阳能聚光器（8）包括上抛物面镜和下抛物面镜，上抛物面镜和下抛物面镜共焦点布置；太阳光经过下抛物面镜的聚光反射作用后，被上抛物面镜反射形成平行高能光束；能够根据水雾中液滴的蒸发程度改变太阳能聚光器（8）的聚光比。
5.根据权利要求1所述的一种基于太阳光分光-辐射冷却的脱盐系统，其特征在于：所述的太阳光谱吸收薄膜（9）采用Al-N-O薄膜，在可见光和近红外波长范围内吸收率能够达到0.96，用以吸收未被液滴所吸收的太阳光，提升蒸发环境温度。
6.根据权利要求1所述的一种基于太阳光分光-辐射冷却的脱盐系统，其特征在于：所述的辐射冷却薄膜（10）采用Ag-SiO2纳米复合材料，在可见光和近红外波长范围内对太阳光的吸收率仅为0.2，且在大气窗口波长范围内，自身发射率能够达到0.95，利用对外界辐射吸收率和自身发射率的辐射能量差使薄膜表面温度降低，用以冷却进入辐射冷却段的水蒸气。
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