CN115784390A - 一种光热蒸发耦合电容去离子的海水淡化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种光热蒸发耦合电容去离子的装置及方法。本发明所述装置通过光热/电容耦合电极将光热蒸发脱盐作用与电容离子电吸附作用进行耦合，将吸收的太阳能转换为局部热能，提高电容脱盐电极吸附离子的速率和容量。

Description

一种光热蒸发耦合电容去离子的海水淡化装置及方法

技术领域

本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种光热蒸发耦合电容去离子的海水淡化装置及方法。

背景技术

近十年来，由于人口增加和环境污染导致淡水水质下降，淡水危机已成为人类社会亟待解决的一项挑战。盐水淡化是从海水或苦咸水中获得清洁水的一项绿色可持续技术。当前的盐水脱盐方法包括热蒸馏，反渗透和电渗析。但是，这些技术能源消耗大且会造成二次污染，不满足可持续性发展的目标。近年来兴起的电容法脱盐(Capacitivedeionization,CDI)技术是一种基于双电层理论的电化学技术，充电时水中的阴、阳离子由于静电作用分别在正、负电极上吸附并形成双电层而从水溶液中除去，放电(电极短路或反极)时阴、阳离子从正、负电极表面返回到洗脱水中而生成浓盐水，可实现电极再生。该技术具有运行能耗低、脱盐速率和水资源利用率高、在盐离子吸附和脱附过程分离时能有效避免结垢的发生、脱附过程能量可收集(脱附过程中所吸附的离子回到盐水中，与离子电中和的电子流经外电路形成电流，该部分电能可收集利用)等技术优点。但是，由于电极是CDI中最重要的组成部分，其性能优劣对CDI装置的脱盐能力具有决定性影响，受限于现有的电极材料本身吸附容量的限制，CDI技术的应用场景也受到了限制。

光热蒸发是另外一种近年来兴起的不消耗电能的近零能耗海水淡化技术，这项技术是利用光热转换材料将太阳光转换成热能用于水体的蒸发，并设置冷凝部件对蒸发产生的蒸汽进行收集。实际上，照射到地球表面的太阳光的功率密度仅为1kW m^-2，与其他形式的能源相比相对较低，同时太阳能的供给受天气条件制约不够稳定，因此这项技术受限于太阳光输入品质较低导致其在真实应用场景中的实际淡化海水的效率偏低。

综上所述，有必要提出一种新的盐水淡化解决方案在一定程度上弥补现有技术的不足。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光热蒸发耦合电容去离子的装置及方法，具体技术方案如下。

一种光热蒸发耦合电容去离子的装置，所述装置通过光热/电容耦合电极(6)将光热蒸发脱盐作用与电容离子电吸附作用进行耦合；所述装置从顶部到底部依次设置冷凝罩(1)、上端板(3)、光热/电容耦合电极(6)、隔板(7)、电容脱盐电极(8)和下端板(11)；所述冷凝罩(1)底部设置有至少一个光热蒸发出水口(2)，并与底部具有至少一个电容脱盐出水口(4)的上端板(3)紧邻设置；所述光热/电容耦合电极(6)与所述电容脱盐电极(8)通过所述隔板(7)间隔设置；所述下端板(11)位于于所述装置的底部，其上具有至少一个电容脱盐进水口(10)。

进一步，所述上端板(3)上设置有面积可选地约为20-60mm×20-60mm的蒸汽逸散孔区域；所述上端板(3)的厚度可选地约为5-15mm。

优选的，所述上端板(3)上可选地设置有面积为20mm×20mm、40mm×40mm或60mm×60mm的蒸汽逸散孔区域。逸散孔面积太小不利于水蒸气的逸散，且光热/电容耦合电极的吸光面积也会相应减小，导致其脱盐性能下降；但逸散孔面积太大会使流经电容脱盐电极的水从逸散孔流出。

优选的，所述上端板(3)的厚度可选地设置为5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、11mm、12mm、13mm、14mm或15mm，其作用用于对耦合器件起到固定作用，但不影响水蒸气的逸散为宜。

进一步，所述隔板(7)上设置有蛇形流道，其厚度可选地约为2-5mm。

优选的，所述隔板(7)的厚度可选地设置为2mm、3mm、4mm或5mm，其作用用于起到隔断效果，但不影响电容脱盐性能为宜。

进一步，所述光热/电容耦合电极(6)与直流稳压电源相连，其材质为负载碳纳米针阵列的碳纤维材料；所述光热/电容耦合电极(6)通过硅胶垫片(5)与所述上端板(3)间隔设置。

优选的，所述光热/电容耦合电极(6)的材质为负载碳纳米针阵列的的碳毡。这种材料又可以称为负载碳纳米针阵列的多级结构碳基电极。用于增大电极比表面积，增强电容离子电吸附容量，实现更好的脱盐效果。

进一步，所述电容脱盐电极(8)的材质为负载碳纳米针阵列的碳纤维材料；所述电容脱盐电极(8)通过硅胶垫片(9)与所述下端板(11)间隔设置。

优选的，所述电容脱盐电极(8)的材质为负载碳纳米针阵列的的碳毡。

进一步，所述冷凝罩(1)、上端板(3)、隔板(7)和下端板(11)的材质均为聚甲基丙烯酸甲酯(亚克力)。

进一步，所述装置上可选地设置至少一个氙灯正对所述上端板(3)照射，所述氙灯的光强可选择地调节为1～5kWm^-2。

优选的，所述氙灯的光强可调节为1kWm^-2、2kWm^-2、3kWm^-2、4kWm^-2或5kWm^-2。

采用上述装置进行盐水(包括海水)脱盐的方法，包括如下步骤：

1)待处理原盐水从装置下端板(11)的电容脱盐进水口(10)进入装置，流经电容脱盐电极(8)和光热/电容耦合电极(6)后从上端板(3)底部的电容脱盐出水口(4)流出，得到生活淡水；

2)利用氙灯(可选地配置有滤光片)，模拟太阳光照，调整光强为1～5kW m^-2，正对装置上端板(3)照射，所述光热/电容耦合电极(6)将吸收的太阳能转换为局部热后使所述原水蒸发，蒸发得到的水蒸气通过上端板(3)上设置的蒸汽逸散孔逸散到冷凝罩(1)内，在所述冷凝罩(1)内壁面发生气液相变冷凝为水珠，水珠在自身重力作用下汇集到冷凝罩(1)底部后经光热蒸发出水口(2)排出，得到直饮生活淡水。

进一步，所述光热/电容耦合电极(6)将吸收的太阳能转换为局部热能，促进电容脱盐电极(8)在固相电容电极-液相电解液界面双电层厚度，提高离子电吸附速率，并最终提高电容脱盐电极(8)吸附盐离子的容量。

进一步，所述原水可选地采用蠕动泵从装置下端板(11)的电容脱盐进水口(10)泵入装置，设定蠕动泵的流速可选地约为10-20mL min^-1。

有益技术效果

1.与现有技术相比，本发明采用光热/电容耦合电极将光热能与电能进行结合，一方面通过光热能促进电容脱盐电极在固相电容电极-液相电解液界面的双电层厚度，有效加速了电容电吸附盐离子过程的效率和吸附盐离子的容量；另一方面又通过电场作用促进了盐水蒸发，提高了通过光热蒸发获得高质量淡水的速率，实现了光热法脱盐和电容法脱盐的协同作用。

2.基于光热能与电能的协同作用，本发明的技术方案不但在一定程度上降低了对电极材料的要求，同时也可以降低对光源品质的依赖，有利于降低盐水淡化的成本，适合更多元的盐水淡化需求，应用场景更加广泛。针对要求较高的应用需求，则可以选择负载碳纳米针阵列的多级结构碳基电极和/或可以模拟太阳光的人工光源来进一步提升本发明技术方案的盐水淡化效率。

3.另外，本发明的技术方案有效实现了光热盐水淡化和电容去离子盐水淡化过程的同时发生：既可以通过光热蒸发端获得可直接饮用的高品质直饮淡水，又可以同时通过电容脱盐端获得可供工农业生产和日常生活所需的次一级品质淡水，使本发明的装置可以应用于存在多种淡水需求的应用场景。

4.进一步地，本发明的装置还可以串联构成多级脱盐装置，在通过光热能提升电容脱盐的效率基础上，再通过多级、多次电容脱盐过程进一步提升通过电容脱盐端获得的淡水品质。这样的技术方案既能在第一程度上弥补现有技术中电极材料受其自身盐离子吸附容量上限的制约问题，又可以控制多级脱盐装置所需要设置的级数，避免整个盐水淡化系统过于复杂庞大、不利于在某些应用场景(例如，占地空间有限)中实施运行的制约问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明提供的光热蒸发耦合电容去离子的装置的结构示意图；

图2为本发明提供的光热蒸发耦合电容去离子的装置多模块组装示意图；

图3为本发明提供的光热蒸发耦合电容去离子的装置中上端板的俯视结构示意图；

图4为本发明提供的光热蒸发耦合电容去离子的装置中设置有蛇形流道的隔板的俯视结构示意图；

图5为本发明提供的光热蒸发耦合电容去离子的装置中光热/电容耦合电极和电容脱盐电极的材料的SEM图(比例尺：2μm)；

图6为本发明方法涉及的光热产水蒸发速率和淡化前后水质评估统计图；

图7为本发明方法涉及的电容脱盐过程盐离子吸附容量示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本文中，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、物品或者装置不仅包括那些要素，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、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

如在本说明书中使用的，术语“大约”，典型地表示为所述值的+/-5％，更典型的是所述值的+/-4％，更典型的是所述值的+/-3％，更典型的是所述值的+/-2％，甚至更典型的是所述值的+/-1％，甚至更典型的是所述值的+/-0.5％。

在本说明书中，某些实施方式可能以一种处于某个范围的格式公开。应该理解，这种“处于某个范围”的描述仅仅是为了方便和简洁，且不应该被解释为对所公开范围的僵化限制。因此，范围的描述应该被认为是已经具体地公开了所有可能的子范围以及在此范围内的独立数字值。例如，范围1～6的描述应该被看作已经具体地公开了子范围如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，以及此范围内的单独数字，例如1，2，3，4，5和6。无论该范围的广度如何，均适用以上规则。

本发明的附图标记汇总：

冷凝罩：1；光热蒸发出水口：2；上端板：3；电容脱盐出水口：4；硅胶垫片：5；光热/电容耦合电极：6；隔板：7；电容脱盐电极：8；硅胶垫片：9；电容脱盐进水口：10；下端板：11。

实施例1

本发明装置完整的工作过程。

将所述的光热/电容去离子耦合装置的电极与直流稳压电源(型号为)相连，施加的电信号为直流恒压信号，电压设定为1.2V。

利用配置有AM 1.5G滤光片的氙灯，提供模拟太阳光照，调整光强至1kW m^-2，正对装置上端板照射。

采用蠕动泵将待处理原水(浓度为500mg L^-1)泵入耦合装置下端的电容脱盐进水孔10，蠕动泵设定流速为10mL min^-1，流经电容脱盐电极8和光热/电容脱盐电极6后从上端板的电容脱盐出水孔4排出。

光热/电容脱盐电极6吸收太阳光，并将吸收的太阳能转换为局部热能，实现界面蒸发，蒸发得到的水蒸气通过上端板3中间的排气孔逸散到冷凝罩内，在冷凝罩内壁面发生气液相变，冷凝为水珠，水珠在自身重力作用下汇集到冷凝罩底部经光热出水孔2排出。此外，光热作用促进电容脱盐电极8在固相电容电极-液相电解液界面双电层厚度，提高离子电吸附速率，并最终提高电容脱盐电极8吸附盐离子的容量。

本实施例中光热/电容脱盐电极6和电容脱盐电极8的材料为负载碳纳米针阵列的碳纤维材料，碳纳米针垂直生长在μm级别的碳纤维上，单根碳纳米针直径约为30nm，长度在200～300nm，如图5所示。

实施例2

可以理解的是，本发明的光热蒸发耦合电容去离子的装置还可以串联成多级脱盐装置，工作原理如下。

在实施例1的基础上，单个耦合装置进行串联组装：原水从第1个装置中电容脱盐出水口4中排出，然后送入第2个装置的电容脱盐进水口10中，经过第一次脱盐处理后的原水再流经第2个装置，最后从第2个装置的电容脱盐出水口4中再排出，依次类推，通过多级脱盐处理，直至达到要求的出水品质。

对于电容脱盐模块而言，现有的电极材料受其自身盐离子吸附容量上限的制约，在高浓度盐水淡化过程中仅通过一次电吸附所产生的淡水实际上仍然有较高的盐离子浓度，不能满足生产生活的需要，因此通过多器件的串联来进行多次电容脱盐，可以实现高效的盐水淡化质量。而光热蒸发得到的淡水品质很高无需再额外进行处理。

实施例3

原盐水经过实施例1的装置处理，利用配置有AM 1.5G滤光片的氙灯照以1kW m^-2的强度直射上端板3上1h。将装置放置在分析天平托盘中，采集1h内的质量变化，得到光热淡化过程的蒸发速率。同时，用电导率仪测定盐溶液的电导率，以确定电极盐离子吸附容量。

电极充电时对盐溶液进行吸附脱盐，最大充电吸附时间为30min，电极吸附饱和后进行电容放电，排出含有高浓度盐分的水，然后进行交替充放电测试。

实验得到的检测结果如下所示。

表1光热蒸发前后淡水品质对比

对比项	Na<sup>+</sup>(mg/L)	K<sup>+</sup>(mg/L)	Mg<sup>+</sup>(mg/L)	Ca<sup>+</sup>(mg/L)
					光热蒸发前	6231	298	421	311
光热蒸发后	2.8	1.7	0.6	0.9

表2光热蒸发得到的淡水量

表3电容脱盐过程中盐离子吸附容量

时间(min)	0	5	10	15	20	25
							SAC(mg/g)	0	11	23	31	36	40

实验结论：

1)通过本发明的光热/电容去离子耦合装置对海水进行处理，经过1h，从光热蒸发模块部分得到了高品质的直饮淡水。从表1数据中可以直观看到，其中钠离子、钾离子、镁离子和钙离子的浓度显著下降，达到了世界卫生组织推荐饮用水标准中对钙离子和钠离子的要求。

2)通过本发明的光热/电容去离子耦合装置对海水进行处理，经过1h，从光热蒸发模块部分得到高品质的直饮淡水的速率/效率为1.21kg m^-2h^-1值。

3)本发明的光热/电容去离子耦合装置在1h内进行了电容脱盐模块的充放电验证，证明了电容去离子脱盐的可行性。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种光热蒸发耦合电容去离子的装置，其特征在于，所述装置通过光热/电容耦合电极(6)将光热蒸发脱盐作用与电容离子电吸附作用进行耦合；所述装置从顶部到底部依次设置冷凝罩(1)、上端板(3)、光热/电容耦合电极(6)、隔板(7)、电容脱盐电极(8)和下端板(11)；所述冷凝罩(1)底部设置有至少一个光热蒸发出水口(2)，并与底部具有至少一个电容脱盐出水口(4)的上端板(3)紧邻设置；所述光热/电容耦合电极(6)与所述电容脱盐电极(8)通过所述隔板(7)间隔设置；所述下端板(11)位于于所述装置的底部，其上具有至少一个电容脱盐进水口(10)。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上端板(3)上设置有面积可选地约为20-60mm×20-60mm的蒸汽逸散孔区域；所述上端板(3)的厚度可选地约为5-15mm。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述隔板(7)上设置有蛇形流道，所述隔板的厚度可选地约为2-5mm。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光热/电容耦合电极(6)与直流稳压电源相连，其材质为负载碳纳米针阵列的碳纤维材料；所述光热/电容耦合电极(6)通过硅胶垫片(5)与所述上端板(3)间隔设置。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电容脱盐电极(8)的材质为负载碳纳米针阵列的碳纤维材料；所述电容脱盐电极(8)通过硅胶垫片(9)与所述下端板(11)间隔设置。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冷凝罩(1)、上端板(3)、隔板(7)和下端板(11)的材质均为聚甲基丙烯酸甲酯。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置上可选地设置至少一个氙灯正对所述上端板(3)照射，所述氙灯的光强可选择地调节为1～5kWm^-2。

8.采用权利要求1-7任一项所述的装置进行盐水脱盐的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)待处理原盐水从装置下端板(11)的电容脱盐进水口(10)进入装置，流经电容脱盐电极(8)和光热/电容耦合电极(6)后从上端板(3)底部的电容脱盐出水口(4)流出，得到生活淡水；

2)利用氙灯，模拟太阳光照，调整光强为1～5kW m^-2，正对装置上端板(3)照射，所述光热/电容耦合电极(6)将吸收的太阳能转换为局部热后使所述原水蒸发，蒸发得到的水蒸气通过上端板(3)上设置的蒸汽逸散孔逸散到冷凝罩(1)内，在所述冷凝罩(1)内壁面发生气液相变冷凝为水珠，水珠在自身重力作用下汇集到冷凝罩(1)底部后经光热蒸发出水口(2)排出，得到直饮生活淡水。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述光热/电容耦合电极(6)将吸收的太阳能转换为局部热能，提高电容脱盐电极(8)吸附离子的速率，并提高电容脱盐电极(8)吸附盐离子的容量。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述原盐水可选地采用蠕动泵从装置下端板(11)的电容脱盐进水口(10)泵入装置，蠕动泵的流速可选地设定为10-20mL min^-1。

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