CN117185516A - 免药剂、低维护的海水制取制氢用超纯水的系统和工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于海水淡化技术领域，特别涉及一种免药剂、低维护的海水制取制氢用超纯水的系统和工艺。该系统包括进水单元，预处理单元、脱盐单元以及化学清洗、冲洗单元；所述进水单元包括用于储存原海水的原水箱；所述预处理单元包括依进水顺序连接的紫外线杀菌器，一、二级砂滤过滤器和保安过滤器；所述原水箱中的原海水通过取水泵依次进入预处理单元进行逐级过滤；所述脱盐单元包括三级反渗透单元和电容去离子EDI单元；海水经过高压泵能量回收一体机升压后，进入三级反渗透单元脱盐，产出的淡水进入EDI单元脱盐，最终进入产水箱；最终可得到电导率≤0.2μS/cm、出水浊度≤0.01NTU的制氢用超纯水。

Description

免药剂、低维护的海水制取制氢用超纯水的系统和工艺

技术领域

本发明属于水处理技术领域，特别涉及一种免药剂、低维护的海水制取制氢用超纯水的系统和工艺。

背景技术

“氢岛”概念是在远离大陆的海岛上，通过风力发电、光伏发电等方式发电提供电能，以海水为原水，采用海水淡化技术制取制氢用水，再电解淡化水产生氢气。而目前电解水制氢一方面需要水质满足电导率≤0.2μS/cm，常规的海水淡化技术无法达到该要求；另一方面，现有海水淡化技术及装置在运行时，需要添加杀菌剂、还原剂、阻垢剂等药剂，并且需要技术操作人员值班维护。

发明内容

针对上述问题，本专利提供一种免药剂、低维护的海水制取制氢用超纯水的系统和工艺，应对电解制氢对高纯去矿化水的需求以及离岛偏远和少人或无人值守的特点。

本发明首先公开了一种免药剂、低维护的海水制取制氢用超纯水的系统，包括进水单元，预处理单元、脱盐单元以及化学清洗、冲洗单元；

所述进水单元包括用于储存原海水的原水箱；

所述预处理单元包括依进水顺序连接的紫外线杀菌器，一、二级砂滤过滤器、精密过滤器和保安过滤器；所述原水箱中的原海水通过取水泵依次进入预处理单元进行逐级过滤；

所述脱盐单元包括三级反渗透单元和EDI单元；海水经过高压泵能量回收一体机升压后，进入三级反渗透单元脱盐，产出的淡水进入EDI单元脱盐，最终进入产水箱；

所述化学清洗冲洗单元包括化学清洗水箱和清洗水泵；清洗时：清洗水箱内用反渗透产水调配化学清洗药剂，用清洗水泵将药剂通过保安过滤器过滤打入三级反渗透单元，通过化学清洗回流管道回到化学清洗水箱；

冲洗时：清洗水箱装反渗透产水，在反渗透关机冲洗时，通过清洗水泵经保安过滤器过滤打入三级反渗透单元，冲洗反渗透膜附着污染物或堆积物，冲洗水直接排放。

作为优选的技术方案，所述三级反渗透单元包括一级、二级和三级反渗透膜组件；一级反渗透膜组件产出的水进入二级反渗透膜组件进一步脱盐，脱盐后的淡水再进入三级反渗透膜组件再次脱盐，产出的淡水进入EDI单元深度脱盐，最终进入产水箱。

作为优选的技术方案，所述紫外线杀菌器为中压紫外灯，灯管内气压为10～1000kPa，紫外线有效剂量≥44mJ/cm²，紫外辐射强度30000μW/cm²。

作为优选的技术方案，两级砂滤过滤器之间设置自动多路阀，实现全自动运行；多路阀对预处理介质过滤的控制可采用以下方式进行：首先，每隔24h，由过滤位置自动切换至反洗位置；其次，根据压力提示，当系统进出口压差＞1bar时，由过滤位置自动切换至反洗位置；再次，根据累计流量提示，当系统累计产水＞一定流量，由过滤位置自动切换至反洗位置；通过自动反洗，使设备性能恢复。

作为优选的技术方案，所述一级反渗透膜组件采用耐污染海水反渗透膜元件，型号为8040或4040海水膜，采用一段式或多段式排列方式，包括多支压力容器，每支压力容器中装有1～7支海水反渗透膜；整个一级反渗透膜组件的进膜压力4.5-6.0MPa，产水电导率≤500μS/cm。

作为优选的技术方案，所述二级反渗透膜组件采用一段式或多段式排列方式，采用8040、4040或2540低压反渗透膜元件，包括多支压力容器，每支压力容器中装有1～7支低压反渗透膜；整个二级反渗透膜组件的进膜压力0.5-2MPa，产水电导率≤50μS/cm。

作为优选的技术方案，本发明的三级反渗透膜组件9采用8040、4040或2540超低压节能反渗透膜元件，采用一段式或多段式排列方式，包括多支压力容器，每支压力容器中装有1～7支的超低压反渗透膜；整个三级反渗透膜组件的进膜压力0.5MPa，产水电导率≤10μS/cm。

作为优选的技术方案，所述三级反渗透单元泄压后的浓水分为以下途径进行处理：一级反渗透膜组件产生的部分低压浓水排至大海，二、三级反渗透膜组件产生的低压浓水均返回原水箱再次利用；其余部分均作为化学清洗浓回水回收至清洗水箱。

所述三级反渗透单元产生的淡水有一部分作为化学清洗淡回水回收至清洗水箱，其余部分如果水质检测不合格要进行排放，如果水质合格则进入下一程序。

作为优选的技术方案，所述EDI单元包括纯水箱和EDI装置；反渗透产水分别通过EDI装置的淡水进口和浓水进口进入淡水室和浓水室，利用两端电极高压使水中带电离子移动，配合离子交换树脂及选择性树脂膜以加速离子移动去除，纯化后的水通过淡水出口管道进入纯水箱。

本发明还公开了一种利用上述海水淡化技术制取制氢用超纯水的系统的工艺方法，包括如下步骤：

首先，原海水由取水泵取出，经物理辐射杀菌器后进入两级砂滤过滤器初步过滤，去除原水中胶体、悬浮物等杂质；

其次，初步过滤后的海水进入保安过滤器，经高压泵能量回收一体机泵端加压；

最后，升压后的海水进入一级反渗透膜组件，带压浓水进入高压泵能量回收一体机的能量回收端，回收浓水余压后，低压浓水排海；一级反渗透系统产水依次进入二、三级反渗透系统进一步脱盐，浓水返回原水箱，产出的水进入EDI单元深度脱盐，产生的水进入纯水箱，浓水返回原水箱。

本发明的有益效果为：

本发明通过设置物理辐射杀菌、两级砂滤过滤器和保安过滤器对海水进行预处理，再经过三级反渗透单元过滤海水中的盐分，最后经EDI单元深度脱盐，最终处理浊度≤25NTU，电导率≤50000μS/cm的海水可处理到电导率≤0.2μS/cm、出水浊度≤0.01NTU的制氢用超纯水。

在结构设置方面：

1)设计紫外线免药剂杀菌工艺，在三级反渗透单元进水端采用物理杀菌方式去除微生物，杀菌高效、彻底，杀菌过程在瞬间完成，且不向水中增加任何物质，不产生有害的副产物，对反渗透膜无风险。整个系统运行中与原淡化厂相比，节省了杀生剂和还原剂的投加。

2)预处理系统设置自动多路阀组，可根据时间/压差/累计流量进行自动清洗及间歇性药洗，解决预处理系统有机污染和微生物污染问题。

3)一级反渗透膜组件回收率≤35％，免去阻垢剂的添加；

4)在化学清洗、冲洗单元设计智能冲洗设置，实现膜系统无阻垢药剂的运行。

附图说明

图1为本发明中制取制氢用超纯水系统的管线图；

图2为本发明中化学清洗、冲洗单元的管线图；

图3为本发明中EDI单元的管线图；

图4为本发明的工艺路线图。

其中，1、原水箱；2、取水泵；3、一级砂滤过滤器；4、二级砂滤过滤器；5、精密过滤器；6、保安过滤器；7、一级反渗透膜组件；8、二级反渗透膜组件；9、三级反渗透膜组件；10、EDI装置；11、紫外线杀菌器；12、清洗水箱；13、清洗水泵；14、清洗保安过滤器；15、纯水箱。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1至3所示，本发明公开了一种免药剂、低维护的海水制取制氢用超纯水的系统，具体包括进水单元，预处理单元、脱盐单元以及化学清洗、冲洗单元；

所述进水单元包括用于储存原海水的原水箱1；

所述预处理单元包括依进水顺序连接的原水箱1、取水泵2、紫外线杀菌器11、一级砂滤过滤器3、二级砂滤过滤器4、精密过滤器5和保安过滤器6；所述原水箱1中的原海水通过取水泵2依次进入所述预处理单元中的一级和二级砂滤过滤器4进行初步过滤，去除原水中胶体、悬浮物、大颗粒杂质等，有效降低水的浊度及悬浮物含量，延长膜的化学清洗周期及使用寿命。原海水出水浊度≤25NTU，电导率≤50000μS/cm。原海水经过预处理后出水浊度≤0.01NTU。保安过滤器6，用以去除浊度1度以上的细小微粒，来满足后续工序对进水的要求。紫外线杀菌器11为中压紫外灯，灯管内气压为10～1000kPa，紫外线有效剂量≥44mJ/cm²，紫外辐射强度30000μW/cm²。在三级反渗透单元进水端采用物理杀菌方式去除微生物，杀菌高效、彻底，杀菌过程在瞬间完成，且不向水中增加任何物质，不产生有害的副产物，对反渗透膜无风险。整个系统运行中与原淡化厂相比，节省了杀生剂和还原剂的投加。

所述预处理单元与进水单元之间设置水质自动识别系统，水质自动识别系统包括配置浊度计、电导率仪、流量计、压力表等在线仪表，实时监测原水及预处理产水水质指标。

优选的，两级砂滤过滤器作为主体预处理设备，每级过滤器处理规模为1.9m3/h，直径600mm，罐体为玻璃钢材质，两级砂滤过滤器设置自动多路阀，实现全自动运行，可根据时间/压差/累计出水流量进行砂滤过滤器的自动反洗。具体的，多路阀对预处理介质过滤的控制可采用以下方式进行：(1)每隔24h，由“过滤”位置自动切换至“反洗”位置；(2)根据压力提示，当系统进出口压差＞1bar时，由“过滤”位置自动切换至“反洗”位置；(3)根据累计流量提示，当系统累计产水＞一定流量(例如，处理规模10m³/h的设备，累计流量达200m³/h时)，由“过滤”位置自动切换至“反洗”位置；通过自动反洗，使设备性能恢复。

所述脱盐单元包括三级反渗透单元和EDI单元；

所述三级反渗透单元包括一级、二级和三级反渗透膜组件9，保安过滤器6过滤后的海水压力≤0.6MPa，海水经过高压泵能量回收一体机后升压至6MPa，进入一级反渗透膜组件7，浓水回收率29％，一级反渗透膜组件7产出的水进入二级反渗透膜组件8进一步脱盐，脱盐后的淡水再进入三级反渗透膜组件9再次脱盐，产出的淡水进入EDI单元深度脱盐，EDI单元产生的最终水其水质电导率达到0.2μS/cm，最终进入纯水箱15。

现进一步对本发明的三级反渗透单元进行说明。反渗透又称逆渗透，是一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作。对膜一侧的料液施加压力，当压力超过它的渗透压时，溶剂会逆着自然渗透的方向作反向渗透。从而在膜的低压侧得到透过的溶剂，即渗透液；高压侧得到浓缩的溶液，即浓缩液。若用反渗透处理海水，在膜的低压侧得到淡水，在高压侧得到卤水。

本发明的一级反渗透膜组件7采用耐污染海水反渗透膜元件，型号为8040或4040海水膜，脱盐率≥99％，主要是去除水中的离子、有机物、微生物、病毒等。一级反渗透产水规模1～1000m³/d或者更高。一级反渗透膜组件7采用一段式或多段式排列方式，包括多支压力容器，每支压力容器中装有1～7支海水反渗透膜；整个一级反渗透膜组件7的进膜压力4.5-6.0MPa，产水电导率≤500μS/cm。

本发明的二级反渗透膜组件8采用8040、4040或2540低压反渗透膜元件，主要是进一步去除水中的离子物质等。二级反渗透产水规模0.5～1000m³/d，或者可以更高。二级反渗透膜组件8采用一段式或多段式排列方式，包括多支压力容器，每支压力容器中装有1～7支低压反渗透膜；整个二级反渗透膜组件8的进膜压力0.5-2MPa，产水电导率≤50μS/cm。

本发明的三级反渗透膜组件9采用8040、4040或2540超低压节能反渗透膜元件，主要是进一步去除水中的离子物质等，实现深度脱盐。三级反渗透膜组件9产水规模0.5～1000m³/d，或者可以更高。三级反渗透膜组件9采用一段式或多段式排列方式，包括多支压力容器，每支压力容器中装有1～7支的超低压反渗透膜；整个三级反渗透膜组件9的进膜压力0.5MPa，产水电导率≤10μS/cm。

接着对本发明的高压泵能量回收一体机进行说明。本发明的高压泵能量回收一体机通过柱塞泵将海水加压腔内的海水加压，使海水进入高压海水室；高压海水室中的一部分海水通过三级反渗透膜单元的膜组件产生淡水，没有通过反渗透膜的高压浓水被回收用于辅助柱塞泵向海水加压；进一步的，所述三级反渗透单元泄压后的浓水分为以下途径进行处理：一级反渗透膜组件产生的部分低压浓水排至大海，二、三级反渗透膜组件产生的低压浓水均返回原水箱再次利用，进而提高整个装置的水回收率；其余部分均作为化学清洗浓回水回收至清洗水箱。所述三级反渗透单元产生的淡水有一部分作为化学清洗淡回水，其余部分如果水质检测不合格要进行排放，如果水质合格则进入下一程序。

本发明中采用1台或多台高压泵能量回收一体机，进水流量为0.5-10m³/h，或者可以更高，出口压力为6MPa，过流材质为2205双相不锈钢及以上。高压泵能量回收一体机的高压管路加工采用一体成型弯管制造技术，可有效避免管路漏水问题，延长使用寿命。

接着，说明本发明中使用的EDI单元的工作流程，所述EDI单元包括纯水箱和EDI装置10；反渗透产水分别通过EDI装置10的淡水进口和浓水进口进入淡水室和浓水室，利用两端电极高压使水中带电离子移动，配合离子交换树脂及选择性树脂膜以加速离子移动去除，纯化后的水通过淡水出口管道进入纯水箱。也就是说EDI单元是利用传统的离子交换树脂将水中的污染离子去除，其作用在于：通过阳、阴离子膜对阳、阴离子的选择透过作用以及离子交换树脂对水中离子的交换作用，在电场的作用下实现水中离子的定向迁移，从而达到水的深度净化除盐，并通过水电解产生的氢离子和氢氧根离子对装填树脂进行连续再生，可连续制取高品质制氢用超纯水。

本发明中，EDI装置10的进水压力为0.2-0.3MPa，产水电导≤0.1μS/cm。

接着，说明本发明中使用的化学清洗、冲洗单元的清洗工作流程：所述化学清洗、冲洗单元包括化学清洗水箱12和清洗水泵；清洗水箱内用反渗透产水调配化学清洗药剂，用清洗水泵13将药液通过清洗保安过滤器14过滤打入三级反渗透单元，通过化学清洗回流管道回到化学清洗水箱。在化学清洗、冲洗单元通过在管路上设计阀门和前端仪表配合实现智能冲洗，实现膜系统无阻垢药剂的运行。

清洗的作用在于：当反渗透系统长期运行后，不可避免的将发生膜污染，系统产水量将会下降，系统能耗增加，反渗透系统必须进行定期的清洗恢复产水能力。

化学清洗、冲洗单元的冲洗工作流程：清洗水箱装反渗透产水，在反渗透关机冲洗时，通过清洗水泵13经清洗保安过滤器14过滤打入三级反渗透单元，冲洗反渗透膜附着污染物或堆积物，冲洗水直接排放。

冲洗是作用在于：冲洗是采用低压大流量的进水冲洗膜元件，冲洗掉附着在膜表面的污染物或堆积物。

如图4所示，本发明中免药剂、低维护的海水制取制氢用超纯水的系统的工艺方法，包括如下步骤：

首先，原海水由取水泵2取出，进入两级砂滤过滤器初步过滤，去除原水中胶体、悬浮物等杂质；

其次，初步过滤后的海水进入保安过滤器6，经高压泵能量回收一体机泵端加压；

最后，升压后的海水进入一级反渗透膜组件7，带压浓水进入高压泵能量回收一体机的能量回收端，回收浓水余压后，低压浓水排海；一级反渗透系统产水依次进入二、三级反渗透系统进一步脱盐，浓水返回原水箱1，产出的水进入EDI单元深度脱盐，产生的水进入纯水箱15，浓水返回原水箱1。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种免药剂、低维护的海水制取制氢用超纯水的系统，其特征在于：包括进水单元，预处理单元、脱盐单元以及化学清洗、冲洗单元；

所述进水单元包括用于储存原海水的原水箱；

所述预处理单元包括依进水顺序连接的紫外线杀菌器，一、二级砂滤过滤器、精密过滤器和保安过滤器；所述原水箱中的原海水通过取水泵依次进入预处理单元进行逐级过滤；

所述脱盐单元包括三级反渗透单元和EDI单元；海水经过高压泵能量回收一体机升压后，进入三级反渗透单元脱盐，产出的淡水进入EDI单元脱盐，最终进入产水箱；

所述化学清洗冲洗单元包括化学清洗水箱和清洗水泵；清洗时：清洗水箱内用反渗透产水调配化学清洗药剂，用清洗水泵将药剂通过保安过滤器过滤打入三级反渗透单元，通过化学清洗回流管道回到化学清洗水箱；

冲洗时：清洗水箱装反渗透产水，在反渗透关机冲洗时，通过清洗水泵经保安过滤器过滤打入三级反渗透单元，冲洗反渗透膜附着污染物或堆积物，冲洗水直接排放。

2.如权利要求1所述的免药剂、低维护的海水制取制氢用超纯水的系统，其特征在于：所述三级反渗透单元包括一级、二级和三级反渗透膜组件；一级反渗透膜组件产出的水进入二级反渗透膜组件进一步脱盐，脱盐后的淡水再进入三级反渗透膜组件再次脱盐，产出的淡水进入EDI单元深度脱盐，最终进入产水箱。

3.如权利要求1所述的免药剂、低维护的海水制取制氢用超纯水的系统，其特征在于：所述紫外线杀菌器为中压紫外灯，灯管内气压为10～1000kPa，紫外线有效剂量≥44mJ/cm²，紫外辐射强度30000μW/cm²。

4.如权利要求1所述的免药剂、低维护的海水制取制氢用超纯水的系统，其特征在于：两级砂滤过滤器之间设置自动多路阀，实现全自动运行；多路阀对预处理介质过滤的控制可采用以下方式进行：首先，每隔24h，由过滤位置自动切换至反洗位置；其次，根据压力提示，当系统进出口压差＞1bar时，由过滤位置自动切换至反洗位置；再次，根据累计流量提示，当系统累计产水＞一定流量，由过滤位置自动切换至反洗位置；通过自动反洗，使设备性能恢复。

5.如权利要求2所述的免药剂、低维护的海水制取制氢用超纯水的系统，其特征在于：所述一级反渗透膜组件采用耐污染海水反渗透膜元件，型号为8040或4040海水膜，采用一段式或多段式排列方式，包括多支压力容器，每支压力容器中装有1～7支海水反渗透膜；整个一级反渗透膜组件的进膜压力4.5-6.0MPa，产水电导率≤500μS/cm。

6.如权利要求2所述的免药剂、低维护的海水制取制氢用超纯水的系统，其特征在于：所述二级反渗透膜组件采用一段式或多段式排列方式，采用8040、4040或2540低压反渗透膜元件，包括多支压力容器，每支压力容器中装有1～7支低压反渗透膜；整个二级反渗透膜组件的进膜压力0.5-2MPa，产水电导率≤50μS/cm。

7.如权利要求2所述的免药剂、低维护的海水制取制氢用超纯水的系统，其特征在于：本发明的三级反渗透膜组件9采用8040、4040或2540超低压节能反渗透膜元件，采用一段式或多段式排列方式，包括多支压力容器，每支压力容器中装有1～7支的超低压反渗透膜；整个三级反渗透膜组件的进膜压力0.5MPa，产水电导率≤10μS/cm。

8.如权利要求2所述的免药剂、低维护的海水制取制氢用超纯水的系统，其特征在于：所述三级反渗透单元泄压后的浓水分为以下途径进行处理：一级反渗透膜组件产生的部分低压浓水排至大海，二、三级反渗透膜组件产生的低压浓水均返回原水箱再次利用；其余部分均作为化学清洗浓回水回收至清洗水箱。

所述三级反渗透单元产生的淡水有一部分作为化学清洗淡回水回收至清洗水箱，其余部分如果水质检测不合格要进行排放，如果水质合格则进入下一程序。

9.如权利要求1所述的免药剂、低维护的海水制取制氢用超纯水的系统，其特征在于：所述EDI单元包括纯水箱和EDI装置；反渗透产水分别通过EDI装置的淡水进口和浓水进口进入淡水室和浓水室，利用两端电极高压使水中带电离子移动，配合离子交换树脂及选择性树脂膜以加速离子移动去除，纯化后的水通过淡水出口管道进入纯水箱。

10.如权利要求1所述的免药剂、低维护的海水制取制氢用超纯水的系统的工艺，其特征在于，包括如下步骤：

首先，原海水由取水泵取出，经物理辐射杀菌器后进入两级砂滤过滤器初步过滤，去除原水中胶体、悬浮物等杂质；

其次，初步过滤后的海水进入保安过滤器，经高压泵能量回收一体机泵端加压；

最后，升压后的海水进入一级反渗透膜组件，带压浓水进入高压泵能量回收一体机的能量回收端，回收浓水余压后，低压浓水排海；一级反渗透系统产水依次进入二、三级反渗透系统进一步脱盐，浓水返回原水箱，产出的水进入EDI单元深度脱盐，产生的水进入纯水箱，浓水返回原水箱。