CN116062922B - 一种纳滤多膜—太阳光热处理盐碱水方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳滤多膜—太阳光热处理盐碱水方法及系统。本发明先基于纳滤多膜，从盐碱水中分离获得一价Na⁺盐水，再将获得的一价Na⁺盐水排入蒸发区中，利用太阳光进行逐级蒸发，其中以纳滤膜为核心的膜分离方法处理盐碱水，使一价离子盐水与高价离子盐水相分离，进而用NF分离一价Na⁺盐水与一价K⁺盐水，最后用NF‑RO组件提取一价Na⁺盐水中淡水；同时还可以使用肥料配制方法处理高价离子盐水、K⁺盐水与淡水获取液体肥料或土壤改良剂；使用KCl药料提取方法处理步骤S1的K⁺盐水获取补钾药品原液等。本发明为干旱区盐碱水资源化利用提供了经济绿色环保的全物理方法，能有效改善干旱区生态环境，应用前景良好。

Description

一种纳滤多膜—太阳光热处理盐碱水方法及系统

技术领域

本发明属于水处理领域，涉及一种纳滤多膜—太阳光热集成的盐碱水综合处理方法。

背景技术

水资源短缺、土壤盐碱化和生态环境恶劣是阻碍干旱地区经济社会发展的主要因素。干旱地种植需通过大量淡水对土壤进行洗盐，由此产生大量的盐碱水，不仅造成水资源浪费，而且盐碱水排入塔里木河造成河流生态环境退化。因此，对盐碱水进行资源化利用是缓解水资源短缺、改善生态环境和土壤盐碱化的有效途径。

盐碱水中含有碳化物、氯化物和硫化物，具有矿化度和pH值较高的特点。盐碱水中含有的NaCl对植物生长有重要影响，高浓度NaCl会对植物生长起抑制作用。然而盐碱水中KCl对植物生长起有益作用，CaCO₃对土壤有改良作用，高浓度NaCl可通过晒盐为人类提供高品质盐产品。因此，将盐碱水中不同离子进行分离并加以资源化利用，对干旱区经济社会发展十分有利。

海水淡化方法主要分为膜法，也有少部分为热法。膜法处理主要利用反渗透膜处理海水来获取大量淡水，剩余高浓度咸水一般排入海中。该方法效率高，但是成本较高和对海洋环境有一定的不利影响。热法将海水加热汽化再冷凝成淡水，根据热源分为人工热法和太阳光热法，前者效率高、成本高且污染环境，后者成本低但效率也低。传统海水处理方式各有不足，不宜直接用于干旱区盐碱水处理。

发明内容

为改进现有的盐碱水处理技术，本发明将纳滤膜法和太阳光热法相结合，提出了一种纳滤多膜—太阳光热处理盐碱水方法及系统，适合干旱区盐碱水处理。

本发明所采用的技术方案具体如下：

一种纳滤多膜—太阳光热处理盐碱水方法，由以下步骤构成：

S1、基于纳滤多膜，从盐碱水中提取获得一价Na⁺盐水；

S2、将获得的一价Na⁺盐水排入蒸发区中，利用太阳光进行逐级蒸发，其中，所述蒸发区由N个依次排列的网格状水池组成，一价Na⁺盐水依次流经每个网格状水池，每个网格状水池出口按照测得的盐度与设定的盐度对比来控制出流流量，使最后一个网格状水池盐度达到饱和；所述一价Na⁺盐水在第n个网格状水池的出流流速v_n通过以下公式计算得到：

其中，n≤N-1，Q为一价Na⁺盐水初始流量；C₀为一价Na⁺盐水初始盐度；C_n为第n个网格状水池出口处测得的盐度，当C_n≤C_sn时，令式中C_n取值为C_sn；C_sn为第n个网格状水池出口处设定盐度；W_n为第n个网格状水池蒸发宽度；k为蒸发系数；Δh_n为第n个网格状水池蒸发掉的水层厚度，通过如下关系式进行确定：

为第n个网格实测水深变化，/>是流经第n个网格状水池时一价Na⁺盐水的流量的边界条件，利用边界条件/>得第N个网格状水池的出流流速v_N：

进一步地，所述步骤S1与步骤S2之间还包括：

先将步骤S1获得的一价Na⁺盐水通入太阳光集热设备进行蒸馏，提高一价Na⁺盐水的浓度，形成的水蒸气在冷凝器内凝结成淡水。

进一步地，所述太阳光集热设备由多个依次连接的蒸发器、多个依次连接的冷凝器组成，其中，多个依次连接的蒸发器对一价Na⁺盐水进行梯度升温ΔT_i蒸馏处理，多个依次连接的冷凝器对水蒸气进行梯度降温ΔT_k冷凝处理。

进一步地，所述步骤S1中，纳滤多膜包括微滤膜、纳滤膜和反渗透膜，通过纳滤多膜结合的多重使用，用以分离不同价位的离子和同价位不同性质的离子，具体为：

a、利用微滤膜过滤盐碱水中的悬浮物、大分子和有害物质；

b、将微滤膜过滤后的盐碱水送入纳滤膜组件1中，使Na⁺、K⁺、Cl^-和大量H₂O组成的一价离子盐水与Mg²⁺、Ca²⁺、CO₃ ^2-、SO₄ ^2-和少量H₂O组成的高价离子盐水相分离；

将一价离子盐水送入纳滤膜组件2中，使一价离子盐水的Na⁺和K⁺相分离，形成一价Na⁺盐水和一价K⁺盐水；

c、将一价Na⁺盐水送入纳滤膜-反渗透膜组件中，使一价Na⁺盐水的NaCl与H₂O分子相分离以获取淡水H₂O和形成较高浓度的一价Na⁺盐水。

本发明通过太阳光集热法的纳滤膜、反渗透膜和太阳能蒸馏结合等的方法来获取低价位不同溶液中的淡水。

进一步地，所述步骤b中，还包括领用肥料配制方法处理步骤S1的高价离子盐水、K⁺盐水与淡水获取液体肥料或土壤改良剂：

依据采集的土壤中的离子浓度，获取土壤中高价离子与K⁺浓度之比，并依据土壤中高价离子与K⁺浓度之比将获得的高价离子盐水和一价K⁺盐水进行混合配置成液体肥料或土壤改良剂。具体地：

将高价离子盐水与一价K⁺盐水分别排入不同储水箱，在土壤不同区域安装有若干个浓度探测仪，将浓度探测仪采集到的土壤离子浓度数据输入控制单元，控制单元通过分析关键离子浓度比(高价离子与K⁺浓度之比)来控制储水箱的出水阀流量，使适量的高价离子盐水与一价K⁺盐水一同排入储水罐，在储水罐上底部安装有若干个喷水管，控制喷水管射流规模对储水罐中的高价离子盐水与一价K⁺盐水进行充分混合稀释，在储水罐壁上不同区域安装有若干个浓度探测仪，采集到不同区域的浓度数据输入控制单元，控制单元通过分析关键离子浓度来控制喷水管射流流量，从而形成合适浓度的液体肥料或土壤改良剂，以此合理灌溉农作物和改良土壤。

上述配制过程中，包括离子浓度比、出水阀流量、离子浓度和射流规模的不同组合。

进一步地，所述步骤b中，还包括：将一价K⁺盐水根据国家相关标准配制成给定KCl浓度的原液，作为补钾药剂。

进一步地，所述蒸发区中，网格状水池底部高程按顺序依次降低。

一种纳滤多膜—太阳光热处理盐碱水系统，用于实现上述一种纳滤多膜—太阳光热处理盐碱水方法，包括：

膜分离系统，用于基于纳滤多膜，从盐碱水中提取获得一价Na⁺盐水；

蒸发区，所述蒸发区由N个依次排列的网格状水池组成，将获得的一价Na⁺盐水排入蒸发区中，一价Na⁺盐水依次流经每个网格状水池，每个网格状水池出口按照测得的盐度与设定的盐度对比来控制出流流量，使最后一个网格状水池盐度达到饱和。

由于采用了上述的技术方案，本发明的有益效果是：经济有效地提供了淡水资源，提取液体肥料和KCl药料，获得高品质NaCl结晶，CaCO₃可作为土壤改良剂，在水资源利用和改良盐碱地同时实现无害化排放，绿色环保，对改善干旱区生态环境和人居环境有利，应用前景良好。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明的一种纳滤多膜—太阳光热处理盐碱水方法，主要由以下步骤构成：

S1、基于纳滤多膜为核心的膜分离方法处理盐碱水，从盐碱水中提取获得一价Na⁺盐水。示例性地，首先使一价离子盐水与高价离子盐水相分离，进而用NF分离一价Na⁺盐水与一价K⁺盐水，最后用NF-RO组件提取一价Na⁺盐水中淡水，具体包括以下子步骤：

a、利用微滤膜过滤盐碱水中的悬浮物、大分子和有害物质：在装有盐碱水的水箱侧面距底部3cm设置出水孔，出水孔内安装有规格22cm直径的圆形微滤膜，重力作用下使盐碱水通过出水孔内的微滤膜以过滤水体中的悬浮物、大分子和有害物质。

b、微滤膜过滤后的盐碱水流入纳滤膜分离系统，所述的纳滤膜分离系统由若干个不同纳滤膜组件组成，使一价离子盐水与高价离子盐水相分离：

纳滤膜组件1采用能分离一价和高价离子的专用纳滤膜，使Na⁺、K⁺、Cl^-和大量H₂O组成的一价离子盐水与Mg²⁺、Ca²⁺、CO₃ ^2-、SO₄ ^2-和少量H₂O组成的高价离子盐水相分离。

纳滤膜组件2采用具有分离Na⁺和K⁺性能的专用纳滤膜，使一价离子盐水的Na⁺和K⁺相分离，形成一价Na⁺盐水和一价K⁺盐水。

c、将一价Na⁺盐水送入纳滤膜-反渗透膜组件中，纳滤膜-反渗透膜(NF-RO)组件使一价Na⁺盐水的NaCl与H₂O分子相分离以获取淡水H₂O和形成较高浓度的一价Na⁺盐水。

S2、采用网格化精准晒盐方法处理步骤S1的高浓度Na⁺盐水获取食盐；具体地，把蒸发区分成N个大小相等或不相等、依次排列的矩形网格状水池，上述的高浓度一价Na⁺盐水(盐度为C₀)输入蒸发区，一价Na⁺盐水依次流经每个网格状水池，在各网格状水池出口位置安装电导率仪采集电导率数据，并输入控制单元分析获得盐度数据。前N-1个网格状水池出口按照测得盐度与设定盐度对比来控制出流流量，使最后一个网格状水池盐度达到饱和，以此实现精准晒盐。

所述网格化精准晒盐方法根据盐田工艺计算的基础上，添加网格化和出流流速的控制方程，能根据每个网格状水池出口处测得盐度与设定盐度对比来控制一价Na⁺盐水出流流速。

进一步地，所述一价Na+盐水在第n(n≤N-1)个网格状水池的出流流速v_n通过以下公式计算得到：

首先根据盐度守恒得到：

其中，Q为一价Na⁺盐水初始流量；C₀为一价Na⁺盐水初始盐度；C_n为第n个网格状水池出口处测得盐度，当C_n≤C_sn，令式中C_n取值为C_sn；C_sn为第n个网格状水池出口处设定盐度；W_n为第n个网格状水池蒸发宽度；k为蒸发系数；Δh_n为第n个网格状水池蒸发掉的水层厚度。

其中Δh_n本身是无法直接观测的物理量，但有关系式。

为第n个网格实测水深变化，可为正值或负值。进而利用边界条件得第N个网格状水池的出流流速v_N：

作为一优选方案，网格状水池底部高程依次降低Δh，使蒸发区如阶梯状结构，在重力作用下，在蒸发区内的一价Na⁺盐水形成自流并逐级蒸发。

作为一优选方案，所述步骤S1与步骤S2之间还包括利用太阳光集热方法处理步骤S1的Na⁺盐水形成高浓度Na⁺盐水和淡水，具体地：将上述步骤S1所述的较高浓度一价Na⁺盐水集中收集到储水箱，盐水通过管道排入到太阳光集热设备中，所述太阳光集热设备由多个依次连接的蒸发器、多个依次连接的冷凝器组成，盐水依次通过每个蒸发器，蒸发器以太阳光为热源，多个依次连接的蒸发器对盐水进行梯度升温ΔT_i蒸馏处理，形成的水蒸气排入到集热设备的冷凝器中，冷凝器以低温冷水为冷源，多个依次连接的冷凝器对水蒸气进行梯度降温ΔT_k冷凝处理，使水蒸气在冷凝器内凝结成淡水，剩余得到高浓度的一价Na⁺盐水；

作为一优选方案，还包括使用肥料配制方法处理步骤S1的高价离子盐水、K⁺盐水与淡水获取液体肥料或土壤改良剂。具体地：使上述步骤S1的高价离子盐水与一价K⁺盐水分别排入不同储水箱，在土壤不同区域安装有若干个浓度探测仪，采集到土壤离子浓度数据输入控制单元，控制单元通过分析关键离子浓度比(高价离子与K⁺浓度之比)来控制储水箱的出水阀流量，如24L/min，使适量的高价离子盐水与一价K⁺盐水排入储水罐，在储水罐上底部安装有多个如4个喷水管，控制喷水管射流规模，如6L/min对储水罐中的高价离子盐水与一价K⁺盐水进行充分混合稀释，在储水罐壁上不同区域安装有若干个浓度探测仪，采集到不同区域的浓度数据输入控制单元，控制单元通过分析关键离子浓度来控制喷水管射流流量，从而形成含一定浓度K⁺的液体肥料，以及含有CaCO₃的土壤改良剂，以此合理灌溉农作物和改良土壤。

作为一优选方案，还包括使用KCl药料提取方法处理步骤S1的K⁺盐水获取补钾药品原液。具体地：使上述步骤S1所述的较高浓度一价K⁺盐水汇集到储水箱，根据国家相关标准配制给定KCl浓度的原液，为后续补钾药剂制作提供原材料。

本发明通过上述各步骤相互结合，共同完成对所述盐碱水的资源化利用。

与前述一种纳滤多膜—太阳光热处理盐碱水方法的实施例相对应，本发明还提供了一种纳滤多膜—太阳光热处理盐碱水系统的实施例。

本发明实施例提供的一种纳滤多膜—太阳光热处理盐碱水系统，包括：

膜分离系统，用于基于纳滤多膜，从盐碱水中提取获得一价Na⁺盐水；

蒸发区，所述蒸发区由N个依次排列的网格状水池组成，将获得的一价Na⁺盐水排入蒸发区中，一价Na⁺盐水依次流经每个网格状水池，每个网格状水池出口按照测得的盐度与设定的盐度对比来控制出流流量，使最后一个网格状水池盐度达到饱和。

对于系统实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

本发明以纳滤膜为核心的膜分离方法可以有效地提纯盐碱水的不同价位的离子，用以分离不同价位的离子和同价位不同性质的离子；膜分离方法和太阳光集热法的纳滤膜、反渗透膜和太阳能蒸馏结合的方法可以有效获取低价位不同溶液中的淡水；肥料配制方法可以有效地配制液体肥料或土壤改良剂，促使植物茁壮生长；网格化精准晒盐方法可以有效地获取食盐；KCl药料提取方法可以有效获取补钾药品原液。本发明的有益效果是：经济有效地提供淡水资源，提取液体肥料和KCl药料，获得高品质NaCl结晶，CaCO₃可作为土壤改良剂，在水资源利用和改良盐碱地同时实现无害化排放，绿色环保，对改善干旱区生态环境和人居环境有利，应用前景良好。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种纳滤多膜—太阳光热处理盐碱水方法，其特征在于：由以下步骤构成：

S1、基于纳滤多膜，从盐碱水中分离获得一价Na⁺盐水；所述步骤S1具体为：

a、利用微滤膜过滤盐碱水中的悬浮物、大分子和有害物质；

b、将微滤膜过滤后的盐碱水送入纳滤膜组件1中，使Na⁺、K⁺、Cl^-和大量H₂O组成的一价离子盐水与Mg²⁺、Ca²⁺、CO₃ ^2-、SO₄ ^2-和少量H₂O组成的高价离子盐水相分离；

将一价离子盐水送入纳滤膜组件2中，使一价离子盐水的Na⁺和K⁺相分离，形成一价Na⁺盐水和一价K⁺盐水；

c、一价Na⁺盐水送入纳滤膜-反渗透膜组件中，使一价Na⁺盐水的NaCl与H₂O相分离以获取淡水和形成较高浓度的一价Na⁺盐水；

S2、将获得的一价Na⁺盐水排入蒸发区中，利用太阳光进行逐级蒸发，其中，所述蒸发区由N个依次排列的网格状水池组成，一价Na⁺盐水依次流经每个网格状水池，每个网格状水池出口按照测得的盐度与设定的盐度对比来控制出流流量，使最后一个网格状水池盐度达到饱和；所述一价Na⁺盐水在第n个网格状水池的出流流速v_n通过以下公式计算得到：

其中，n≤N-1，Q为一价Na⁺盐水初始流量；C₀为一价Na⁺盐水初始盐度；C_n为第n个网格状水池出口处测得的盐度，当C_n≤C_sn，令式中C_n取值为C_sn；C_sn为第n个网格状水池出口处设定盐度；W_n为第n个网格状水池蒸发宽度；k为蒸发系数；Δh_n为第n个网格状水池蒸发掉的水层厚度，通过如下关系式进行确定：

为第n个网格实测水深变化，/>是流经第n个网格状水池时一价Na⁺盐水的流量的边界条件，利用边界条件/>得第N个网格状水池的出流流速v_N：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S1与步骤S2之间还包括：

先将步骤S1获得的一价Na⁺盐水通入太阳光集热设备进行蒸馏，提高一价Na⁺盐水的浓度，形成的水蒸气凝结成淡水。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述太阳光集热设备由多个依次连接的蒸发器、多个依次连接的冷凝器组成，其中，多个依次连接的蒸发器对一价Na⁺盐水进行梯度升温ΔT_i蒸馏处理，多个依次连接的冷凝器对水蒸气进行梯度降温ΔT_k冷凝处理。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤b中，还包括：

依据采集的土壤中的离子浓度，获取土壤中高价离子与K⁺浓度之比，并依据土壤中高价离子与K⁺浓度之比将获得的高价离子盐水和一价K⁺盐水进行混合配置成液体肥料或土壤改良剂。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤b中，还包括：将一价K⁺盐水配制成给定KCl浓度的原液，作为补钾药剂。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述蒸发区中，网格状水池底部高程按顺序依次降低。

7.一种纳滤多膜—太阳光热处理盐碱水系统，其特征在于：用于实现权利要求1-6任一项所述一种纳滤多膜—太阳光热处理盐碱水方法，包括：

膜分离系统，用于基于纳滤多膜，从盐碱水中分离获得一价Na⁺盐水；

蒸发区，所述蒸发区由N个依次排列的网格状水池组成，将获得的一价Na⁺盐水排入蒸发区中，一价Na⁺盐水依次流经每个网格状水池，每个网格状水池出口按照测得的盐度与设定的盐度对比来控制出流流量，使最后一个网格状水池盐度达到饱和。