CN117561110A - 水净化及用于净化水的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于净化水的净水器(1)，该净水器包括压缩机回路(50)，该压缩机回路设置有压缩机(4)、第一热交换器(2)、第二热交换器(7)和布置在第一热交换器(2)与第二热交换器(7)之间的膨胀阀(12)，其中，压缩机回路(50)布置成通过第一热交换器(2)加热第一水回路(51)，其中，压缩机回路(50)布置成通过第二热交换器(7)冷凝第二水回路(52)中的水蒸气，并且净水器(1)还包括膜组件(13)，该膜组件具有：入口室(31)，连接到第一水回路(51)；膜(30)，适于使水蒸气穿过膜(30)；以及蒸发室(32)，连接到第二水回路(52)，其中，第二水回路(52)包括排空泵(17)，该排空泵布置成在第二水回路(52)中和蒸发室(32)中产生负压。

Description

水净化及用于净化水的方法

技术领域

本发明涉及一种用于水净化的装置和方法。本发明的装置和方法适用于净化含有不同可溶物质的水，诸如受污染的淡水、盐水或自来水。

背景技术

已知用于净化在水中含有不同物质的不干净水或者用于使盐水脱盐的多种不同的技术。根据所含物质的类型，一种或多种技术可以单独地或组合地使用。当例如在污水系统中处理包含悬浮在水中的颗粒的不干净水时，该系统可能包括不同的机械过滤器类型、一种或多种生物处理步骤以及一种或多种化学处理步骤。

在废液和生活污水二者的污水系统中，要从废水和家庭污水中去除污染物。该系统包括用于去除物理污染物、化学污染物和生物污染物的物理过程、化学过程和生物过程。主要目的是产生环境安全的废液流，该废液在一定程度上含有可以在自然界中(例如在河流、湿地或湖泊中)排放的干净水，以及可以处理或再利用的污泥形式的固体废物。

污水系统的废水可能在一定程度上是干净的。当已从受污染的水中去除不需要的化学物质、材料和生物污染物时，水被定义为是净化后的并且可以用于特定目的，例如饮用水或其他目的，包括满足医学、药理学、化学和工业应用的要求。通常，用于净化水的方法包括物理过程(诸如过滤和沉淀)、生物过程(诸如慢砂过滤器或活性污泥)以及化学过程(诸如絮凝作用和氯化作用)。

一种用于净化水的方法是使用膜蒸馏。存在多种众所周知的不同的膜技术。在这种系统中，水蒸气被迫使穿过膜，随后蒸气冷凝。所使用的膜类型通常是疏水性的，这种膜仅允许水蒸气分子穿过膜，而阻止液态水和其他类型的污染物穿过膜。在水蒸气冷凝成冷凝物之后，结果是只有纯净水存在于膜的另一侧上。

各种膜蒸馏技术需要大量的能量，并且通常具有低生产量水平(通量，净化后水的升数/平方米膜和小时)。它们在促进所需的加热装置和冷却装置方面的设计还使得应用复杂并且需要大量的部件。

WO 9915463A1公开了一种从原水中获得纯净水的设备，该设备包括蒸发器装置，该蒸发器装置具有：第一回路，用于使原水循环；第二回路，用于使液体冷却剂循环；以及膜元件，用于将循环的液体冷却剂与循环的原水分隔，并且用于借助于通过膜元件的介质进行的膜蒸馏从原水中获得纯净水。该设备增加了能量效率，但是净化后水的产出率仍然低。

这种膜蒸馏系统在净化水时工作良好。然而，已知的系统具有低生产量、能耗高并且复杂且相对较大。因此，需要一种改进的净水器。

发明内容

因此，本发明的一目标是提供一种改进的净水器。本发明的另一目标是提供一种改进的用于净化水的方法。

根据本发明的问题解决方案在权利要求1中的特征部分中描述。本发明的用于净化水的方法在权利要求12中描述。其他权利要求包含本发明的装置和方法的有利的其他改进。

在用于净化水的净水器中，该净水器包括压缩机回路，该压缩机回路设置有压缩机、第一热交换器、第二热交换器和布置在第一热交换器与第二热交换器之间的膨胀阀，其中，压缩机回路布置成通过第一热交换器加热第一水回路，本发明的目标通过以下特征来实现：压缩机回路布置成通过第二热交换器冷凝第二水回路中的水蒸气，并且净水器还包括膜组件，该膜组件具有：入口室，连接到第一水回路；膜，适于使水蒸气穿过该膜；以及蒸发室，连接到第二水回路，其中，第二水回路包括排空泵(evacuation pump)，该排空泵布置成在位于第二水回路中的蒸发室中产生负压。

通过根据本发明的净水器的第一实施方式，获得了一种复杂性低、占用空间小且能耗低的净水器。该净水器可以用于含有不同可溶物质的水或者用于盐水，并且主要用于有颗粒度低和颗粒浓度低的水。该净水器适于净化淡水和使盐水脱盐。在净水器中，用于在第一水回路中加热水的热能从第二水回路中的水蒸气回收。这增加了净水器的效率。

在本发明的净水器的一有利改进中，净水器还设置有可以将净化水冷却到较低的温度的附加的过冷却器，使得在随后的过程步骤中不需要附加的水冷却器。

在本发明的净水器的一有利改进中，净水器包括并排布置的多个膜组件。这将增加该系统的水净化生产能力，并且将允许净水器的生产能力适应各种需求。为了保持净水器的效率，重要的是通过膜组件的水流量不要太低。通过使用并联的多个膜组件，可以在需要较低生产能力时关闭一个或多个膜组件，从而使通过其余膜组件的水流量保持在限度范围内。

在本发明的净水器的一有利改进中，膜组件包括具有共用的入口开口和出口开口的并排布置的多个膜。这类似于板式热交换器，并且将增加该系统的水净化生产能力。膜并排布置以形成用于输入水和水蒸气的相邻的通道。膜组件可以由塑料材料制成，其中，每个膜板都是注塑模制的并且包括分布模式。这将有助于水在水通道中的分布。

本发明的方法提供了一种简单的、具成本效益的且简练的水净化方法。此外，该净化过程不需要额外的化学添加剂。

附图说明

下面将参考所附附图更详细地描述本发明，在附图中：

图1示出了根据本发明的净水器的示意图。

具体实施方式

下面描述的进一步改进的本发明的实施方式仅被视为实例，并且不以任何方式限制由权利要求所提供的保护范围。给出的数字(例如温度、压力和机械尺寸)仅作为实例给出，并且可能根据所选择的设计而变化。

图1示出了根据本发明的净水器1的视图。该净水器适于在不需要额外的添加剂或其他过程的情况下净化水。水可以是例如受污染的淡水或受污染的盐水。水可以来自不同的源头，并且可以包括例如工业、农业或医院废水，只要该水中所含颗粒的量低。水可以是生水、来自废物处理场的渗滤液水、在淡水和盐水中进行鱼类饲养所产生的废水、或其他生产用水。净水器例如非常适于去除废水中的可溶物质(诸如微量的不同药物、氡或镉)。净水器还适于净化含有例如使得自来水不适合饮用的细菌或其他物质的自来水。净水器的尺寸和容量可以根据需求而调整。

净水器1包括压缩机回路50、第一水回路51和第二水回路52。该压缩机回路包括利用管道互联的压缩机4、第一热交换器2中的第一通道、膨胀阀12以及第二热交换器7中的第一通道，并且提供闭合的制冷剂系统。压缩机回路填充有在压缩机回路中压缩和减压的制冷剂。制冷剂可以是例如氨、二氧化碳、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷或氯氟烃。

压缩机回路包括压缩机4，该压缩机将制冷剂压缩到相对较高的温度例如，取决于压缩机和所选择的制冷剂，该温度在70℃至90℃之间的范围内。压缩机在所示出的实例中通过电力供能，但是也可以由任何其他旋转力(诸如内燃机)驱动。压缩机回路还可以包括绝热过程，在该绝热过程中，制冷剂通过化学工艺而不是压缩机循环。在正常操作中，压缩机是气冷式的，但是在需要的情况下可以为压缩机供应额外的冷却器。

加热并加压后的制冷剂通过第一管道33供给到第一热交换器2并且通过第一入口3进入第一热交换器的第一通道。热交换器优选地是板式热交换器，但是也可以使用其他类型的热交换器。制冷剂加热在第一热交换器中的第二通道流动的第一水回路51的水。制冷剂通过第一出口4离开第一热交换器的第一通道，并且温度稍低的该制冷剂进入第二管道34。第二管道连接到膨胀阀12，在该膨胀阀中，加压后的制冷剂减压到较低的压力，这同时大大降低了制冷剂的温度。在经过膨胀阀之后，根据所选择的制冷剂，制冷剂的温度可以在0℃至20℃之间的范围内。

减压后的制冷剂通过第三管道35到达第二热交换器7的第一通道的第一入口8。在第一通道中，制冷剂将通过来自第二通道中的水蒸气的热而蒸发。同时，第二水回路52的水蒸气通过第一通道中的制冷剂在第二热交换器中的第二通道中冷凝成水。制冷剂作为气体通过第一出口9离开第二热交换器的第二通道并且进入第四管道36。制冷剂通过第四管道返回到压缩机4，在该压缩机中再次压缩该制冷剂。

待净化的水容纳在第一水回路51中。第一水回路51包括利用管道互联的第一热交换器2中的第二通道、膜组件13中的入口室31、保持水供应的蓄水池23、入口阀28和入口泵29。水通过第二入口5进入第一热交换器2中的第二通道，并且该水在第二通道中通过第一热交换器的第一通道中的制冷剂而被加热。加热后的水通过第一热交换器的第二出口6离开第二通道，并且继续通过第五管道37，然后通过膜组件的第一入口14到达膜组件13的入口室31。

在一个实例中，膜组件13包括设置有支撑构件的矩形膜。膜组件还可以具有其他形状和设计，并且可以例如包括圆形膜。也可以将多个膜以并联布置的方式放置在同一壳体中。在膜组件的入口室中，例如通过在入口室中布置在入口室的后侧上或者保持膜30的板上的脊，水均匀地分布在整个膜表面上。这对于保持净水器的效率是重要的。在入口室中，一部分水蒸发并穿过膜30，到达膜组件的蒸发室32，并且同时，水发散了一些热。膜可以是疏水性的并且将仅允许水蒸气通过。在经过入口室之后，其余的水通过膜组件的第一出口15离开膜组件，到达第六管道38。在必要的情况下，可以为第一出口15提供可控的减压阀48，以便控制通过入口室的流量。第六管道经由蓄水池的第一入口24连接到蓄水池23，水循环通过该蓄水池并且与其他水混合。

由于一部分水转化成了蒸发室32中的水蒸气，蓄水池中的水连续地或分批地用额外的水(例如受污染的淡水或受污染的盐水)补充，该额外的水通过第一入口阀27、第九管道41和蓄水池的第二入口26且具有与作为净化水从该系统中提取的量对应的量。在蓄水池中，当水被净化时，可溶物质的浓度将上升。这一较高的浓度使得可溶物质形成下沉到蓄水池的底部的固体盐颗粒。这些盐颗粒可以例如通过布置在蓄水池的底部处的第九管道41从蓄水池中去除。水通过蓄水池的第一出口25离开蓄水池，到达与第二入口阀28和入口泵29连接的第七管道39。该入口泵产生用于使水到达第一热交换器的第二通道和膜组件的入口室的压力和流量。水通过第八管道40从入口泵到达第一热交换器2的第二入口5。

通过入口泵29在第一水回路51中产生的压力不是很高，并且入口泵的目的比起产生高压注重于产生通过第一水回路的流量。该压力可以是例如约1巴。进入膜组件的入口室的水的温度优选地在60℃至80℃之间的范围内，并且入口室中的温度可能下降约5℃。在经过蓄水池23之后，水温度更低然后通过制冷剂在第一热交换器2中的第二通道中被加热到所需的温度。在膜组件中，1％至2％的水转化成进入膜组件的蒸发室32的水蒸气。在一个实例中，净水器的生产能力高于每平方米每小时产出20升。

水蒸气在第二水回路52中冷凝成净化水。第二水回路52包括利用管道互联的膜组件13中的蒸发室32、第二热交换器7中的第二通道以及排空泵17。水蒸气穿过膜组件的膜30进入蒸发室。水蒸气通过膜组件的第二出口16离开蒸发室，通过第十管道42，然后通过第二热交换器7的第二入口10到第二热交换器7的第二通道。在一个实例中，水蒸气的温度为约70℃。在热交换器的第二通道中，水蒸气冷凝成水并且通过第二热交换器的第二出口11流出第二通道。在第二通道中，水蒸气使第一通道的制冷剂蒸发。同时，水蒸气在第二通道中冷凝成水。净化水从第二热交换器的第二出口11流经第十一管道43到达排空泵17，该排空泵使第二水回路52的净化水通过第十三管道45排出。由排空泵排出的水现在是完全净化的且还是冷却的，并且可以例如用作饮用水或其他目的。

在膜组件13中产生的水蒸气是通过入口室31与蒸发室32之间的温差产生的。入口室中的较高的温度通过第一水回路51中的加热后的水产生。蒸发室中的较低的温度通过真空泵17产生，该排空泵通过在第二水回路52中产生负压，并因此在蒸发室32中产生负压来降低压力。第二水回路52中的负压的范围优选地在0.9巴至0.1巴之间。

蒸发室32中的压力通过排空泵17从正常大气压降低到负压，例如从略低于1巴降低到0.2巴。这使得蒸发室32中的水蒸气从蒸发室32中的膜表面输送到充当单独的蒸发器的第二热交换器，在第二热交换器中，水蒸气将使第一通道中的制冷剂蒸发。水蒸气将同时冷凝成冷凝水。第二热交换器在所示出的实例中充当单独的蒸发器并且是板式热交换器，但是其他热交换器当然也是可行的。膜30的两侧之间的温度梯度可以为约5℃或更高。由于压力较低，即使蒸发室中的温度可能在例如60℃至70℃之间，水蒸气也不会在蒸发室中冷凝。水蒸气在第二热交换器7中的第二通道中冷凝，并且同时进一步冷却到在例如10℃至30℃之间的温度。

第二水回路52还可以包括呈第三热交换器18形式的附加的冷却器功能，该第三热交换器可以用于将净化水的温度降低到更低的温度(例如降低到例如在5℃至10℃之间的温度)，使得该净化水可以直接用作家庭用水。在该实例中，第三热交换器18通过第三热交换器的第一入口19连接到第十一管道43。净化水通过第三热交换器中的第一通道并且通过第三热交换器的第一出口20离开，经过第十二管道44到达排空泵17。外部冷却水流经第十四管道46，到达第三热交换器的第二入口，通过第三热交换器的第二通道，然后通过第三热交换器的第二出口22离开，到达第十五管道47。

与现有的膜蒸馏系统相比，本发明的净水器可以制成相对紧凑型的并且具有较少的部件。由于净水器仅包括用于加热和冷却的一个压缩机回路，而不是包括单独的加热回路和单独的冷却回路，从而所需部件的量显著减少。这使得紧凑型净水器成为可能。此外，由压缩机产生的用于加热第一水回路中的水的热通过制冷剂的蒸发在第二热交换器中回收。这样，净水器是非常节能的。

净水器的压缩机回路是闭合的系统，在该系统中，水蒸气被转移到单独的蒸发器，这使得净水器适用于低重力环境和零重力环境。净水器还可以用于对压力较低的环境(诸如飞机座舱)中的空气除湿。

本发明不应视为局限于上面描述的实施方式，在所附权利要求的范围内，多个附加变型和修改也是可行的。

参考标号

1：净水器

2：第一热交换器

3：第一入口

4：第一出口

5：第二入口

6：第二出口

7：第二热交换器

8：第一入口

9：第一出口

10：第二入口

11：第二出口

12：膨胀阀

13：膜组件

14：第一入口

15：第一出口

16：第二出口

17：排空泵

18：第三热交换器

19：第一入口

20：第一出口

21：第二入口

22：第二出口

23：蓄水池

24：第一入口

25：第一出口

26：第二入口

27：第一入口阀

28：第二入口阀

29：入口泵

30：膜

31：入口室

32：蒸发室

33：第一管道

34：第二管道

35：第三管道

36：第四管道

37：第五管道

38：第六管道

39：第七管道

40：第八管道

41：第九管道

42：第十管道

43：第十一管道

44：第十二管道

45：第十三管道

46：第十四管道

47：第十五管道

48：减压阀

50：压缩机回路

51：第一水回路

52：第二水回路

Claims (15)

1.一种用于净化水的净水器(1)，所述净水器包括压缩机回路(50)，所述压缩机回路设置有压缩机(4)、第一热交换器(2)、第二热交换器(7)和布置在所述第一热交换器(2)与所述第二热交换器(7)之间的膨胀阀(12)，其中，所述压缩机回路(50)布置成通过所述第一热交换器(2)加热第一水回路(51)，其特征在于，所述压缩机回路(50)布置成通过所述第二热交换器(7)冷凝第二水回路(52)中的水蒸气，并且所述净水器(1)还包括膜组件(13)，所述膜组件具有：入口室(31)，连接到所述第一水回路(51)；膜(30)，适于使水蒸气穿过所述膜(30)；以及蒸发室(32)，连接到所述第二水回路(52)，其中，所述第二水回路(52)包括排空泵(17)，所述排空泵布置成在位于所述第二水回路(52)中的所述蒸发室(32)中产生负压。

2.根据权利要求1所述的净水器，其中，所述排空泵(17)适于使水蒸气从所述蒸发室(32)输送到所述第二热交换器(7)，其中，所述第二热交换器(7)适于冷凝水蒸气。

3.根据权利要求1或2所述的净水器，其中，所述排空泵(17)适于在所述第二水回路中产生在0.9巴至0.1巴之间的范围内的压力。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的净水器，其中，所述第一热交换器适于将所述第一水回路加热到在60℃至80℃之间的范围内的温度。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的净水器，其中，所述净水器(1)包括并联布置的多个膜组件(13)。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的净水器，其中，所述膜组件(13)包括并排布置的多个膜(30)。

7.根据权利要求6所述的净水器，其中，所述膜(30)被提供有所述入口室(31)的共用的入口(14)和共用的出口(15)，以及用于所述蒸发室(32)的共用的出口(16)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的净水器，其中，所述膜组件(13)由塑料材料制成。

9.根据前述权利要求中任一项所述的净水器，其中，所述第二水回路(52)包括布置成冷却净化后的水的附加的热交换器(18)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的净水器，其中，所述入口室(31)的所述出口(15)设置有可控式减压阀(48)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的净水器，其中，所述压缩机(4)是电动压缩机。

12.一种用于净化水的方法，所述方法包括以下步骤：

-使压缩机回路的压缩后的制冷剂移动通过第一热交换器，

-利用所述第一热交换器加热第一水回路，

-使所述第一水回路的加热后的水运送到膜组件的入口室，

-使制冷剂移动通过膨胀阀，

-使膨胀后的制冷剂移动通过第二热交换器，

-利用排空泵在第二水回路中产生负压，从而在所述膜组件的蒸发室中产生负压，使得水蒸气穿过膜，从所述膜组件的已加热的所述入口室到达低压的所述蒸发室，

-利用所述第二热交换器使在所述第二水回路中的水蒸气冷凝，

-通过所述排空泵将净化后的水从所述第二水回路排出。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，通过所述排空泵使水蒸气从所述蒸发室输送到所述第二热交换器。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，通过所述排空泵产生的负压在0.9巴至0.1巴之间的范围内。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，所述第一水回路被加热到在60℃至80℃之间的范围内的温度。