CN1396120A - 利用太阳能或废热的膜蒸馏式水处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于热能利用、水处理以及环保技术领域，包括膜组件、太阳能集热器或废热集热器、一个以上的循环泵及其驱动装置以及连接各部件的管路；分别构成了原料液的回路，蒸馏液侧的回路，以及原料液的补充管路。本发明可以连续地处理原料液，源源不断地得到生活及饮用水；还可以省去电加热，无需任何电耗；并且可以利用换热器回收冷凝潜热，大大减小所需太阳能集热器的规模。
Description
技术领域：
本发明属于热能利用、水处理以及环保技术领域，特别涉及一种有效利用太阳能或废热的膜蒸馏式水处理装置。
背景技术：
在工业生产以及人们的日常生活、工作中都要用到水处理装置。目前，已有许多种水处理装置的发明。这些装置可以大致分为四类：①工厂对水进行集中处理，然后分散至各需水点，如目前常饮用的纯净水就属于这一类；②自来水经过一定的过滤消毒后，即可饮用，这类装置体积小、寿命长，基本无需电能，使用在家庭以及办公等场所十分方便；③通过电加热的方法加热水至100℃左右，这种水处理装置的种类以及生产厂家较多，但这类装置需要消耗大量的电能；④一些工业以及生活废水在污水厂中集中处理，这种水处理设备，工艺流程较为复杂，需要一定的电耗。以上这些水处理装置不适合用于海岛、沙漠等地区处理海水、苦咸水以获取所需的生活以及饮用水。第一类水处理装置不适合处理海水、苦咸水，且向偏远海岛补给已制备好的纯净水的费用相当高；第二类水处理装置虽然使用方便，且无需消耗电能，但却不能处理海水、苦咸水；第三类装置虽然能够处理海水等，电加热生产蒸馏水以供生活及饮用水之用，但需消耗大量的电能，这在海岛以及沙漠等电力缺乏的地区也是不太适用的；第四类装置不仅不适用于处理海水、苦咸水等，且需要消耗一定的电能，设备庞大，占地面积大。目前，中国的海岛基本上还是依赖于远洋补给船补给淡水，费用高，且对于非常偏远的海岛，费用就更加昂贵，且补给周期长，遇到战争等非常时期，淡水补给线容易被切断，使得海岛国防、生产及生活等极为被动。纵深地带的沙漠地区淡水的需求也同样依赖于补给，费用高且不方便。另外，在中国的一些偏远干旱且电力不充足的地区，长期连续的饮用水和生活用水的供应也十分困难。但在海岛(如中国的南沙群岛)、沙漠以及干旱地区，太阳能资源非常丰富。若能有效地利用太阳能来处理海水、苦咸水等，这样即能省去远途补给的费用，又可以不依赖于电能而解决生活以及饮用水的问题。
目前也有许多种直接利用太阳能蒸馏淡化海水的方法，如盘形蒸馏器、倾斜蒸馏器等，这些蒸馏器实际上是一个密闭的温室，其顶盖是透明的，温室底部是涂黑的浅槽，浅槽中装了薄薄的一层海水。太阳光穿过透明顶盖后，大部分被水和涂黑的底面吸收，从而使部分水蒸发，因顶盖吸收的太阳能很少，且直接向大气散热，故顶盖的温度低于温室中水的温度，于是，蒸发的水蒸汽会在顶盖的下表面凝结，顶盖有一定的倾角，凝结水滴就会顺顶盖下流，汇集后流出蒸馏器。这些太阳能蒸馏器虽然结构简单、运行和维护都比较容易，但在实际应用时都存在一些问题，例如水蒸汽的泄漏损失，已凝结的水滴再次蒸发或滴落到水槽中形成的损失，还有为了保持蒸馏器内盐分的平衡而必须进行的排放浓缩而带来的显热损失等。最重要的是这类蒸馏方法的产量太小，产量一般在0.1-1.5kg/(m2·d)，效率最高的蒸馏器的淡水产量也不超过5.0kg/(m2·d)且在夜间等太阳能不充足的时间段内基本上无法工作生产，不能够连续地进行太阳能蒸馏。
此外，在一些工厂中，如石化企业等，工业废热非常多，大多都排放至大气中，而生产、生活中的废水处理又需要消耗大量的电能，不能有效的利用这些废热，增加了生产的成本。
发明内容：
本发明的目的是设计一种可以有效利用太阳能或废热的膜蒸馏式水处理装置。该装置以非挥发性物质的水溶液(如海水、苦咸水等)为蒸馏处理对象，有效地利用太阳能或者废热，使用疏水性膜，通过膜蒸馏过程，以获取所需要的生活与饮用淡水。该装置可以连续地处理原料液，源源不断地得到生活及饮用水；还可以省去电加热，无需任何电耗；并且可以利用换热器回收冷凝潜热，大大减小所需太阳能集热器的规模。
本发明设计的一种利用太阳能或废热的膜蒸馏式水处理装置，其特征在于，包括膜组件、太阳能集热器或废热集热器、一个以上的循环泵及其驱动装置以及连接各部件的管路；所说的膜组件原料液侧的进口、出口分别与太阳能集热器或废热集热器的出口与进口相连接，构成了原料液的回路，该原料液回路中装有循环泵，膜组件蒸馏液侧的进口、出口分别与循环泵的出口、进口相连接，构成了蒸馏液侧的回路，装置还包括与原料液的回路相连的原料液的补充管路。
所说的原料液的回路中的泵可以装在膜组件的进口侧，也可以装在膜组件出口侧；
所说的膜组件采用疏水性膜组件，可以由聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚四氟乙烯(PTFE)等疏水性膜制成。
所说的太阳能集热器可以是平板型或真空管式等形式的集热器。
所说的废热集热器可以是一个能够完成热量传递的设备或组件，如换热器，废热流通过换热器的一侧，原料液通过换热器的另一侧，通过换热器将热量传给原料液。
所说的循环泵是能输送液体的任何形式的泵，但最好是能够耐腐蚀的输水泵。该循环泵的驱动装置可用太阳能热电系统或太阳能电池驱动，也可以由电网电力直接驱动。
在所说的原料液的回路与蒸馏液的回路中可连接有一级换热器。
在所说的原料液的补充管路与蒸馏液的回路中还可连接有二级换热器。
在所说的原料液的回路中的膜组件原料液侧的进口处还可连接有过滤器。
本发明利用膜蒸馏原理，由于采用疏水性膜组件，液体不润湿膜，由于表面张力的作用，膜两侧的水溶液都不能通过膜孔进入另一侧。膜一侧原料相温度高于另一侧渗透相温度，温差导致蒸汽分压差，因此蒸汽分子通过膜孔，从高蒸汽压侧向低蒸汽压侧运动，低蒸汽压侧的蒸汽冷凝成纯净水，部分蒸馏液在循环泵的作用下重新回到膜组件的蒸馏液侧。原料液从膜组件出来后，进入到太阳能集热器(或废热集热器)中，太阳能集热器(或者废热集热器)加热原料液，使进入膜组件的原料液维持在一较高的温度水平，从而使膜蒸馏过程可以连续的进行。这一过程使用集热器充分地利用了太阳能(或者废热)，节省了大量的电加热能耗。本发明由于利用太阳能给循环泵供电，可以无需任何电能。
本发明设计的水处理装置，可用在海岛、沙漠等地区，这些地方电力缺乏，但太阳能充足，利用这套装置处理海水、苦咸水等可以得到所需的生活及饮用水；也可以用在偏远的干旱地区，这里常常远离集中的电力供应，缺乏充足的电力，但太阳能较充足，利用该装置可以解决家庭等饮用水的问题。该装置也可以用在一些工业废热较多，且能够利用膜蒸馏的方法能够处理该地方的工业及生活废水的地区。
本发明的产水率主要取决于膜自身的蒸发面积、原料液流量以及太阳能集热器(或者废热集热器)的性能，可在0.2kg/h～200kg/h之间；处理后净水的电导率＜30μs/cm。
附图说明：
图1是本发明实施例的工艺流程图。
具体实施方式：
下面结合实施例及附图，详细说明本发明的结构及工作过程。
本实施例由膜组件1、太阳能集热器或废热集热器6、过滤器7、蒸馏液罐4、储液罐5、一级换热器2、二级换热器3、多个循环泵8、9、10、14及其太阳能热电系统或太阳能光电池13，阀门12、13，以及将各部件相连通的管路组成。其中，膜组件1原料液侧的进口、出口分别与太阳能集热器或废热集热器6、储液罐5、的出口与进口相连接，构成了原料液的回路(图中以实线示出)，原料液回路中还装有过滤器7、循环泵8、14、10和阀门11、12；膜组件蒸馏液侧的进口、出口分别与循环泵9、蒸馏液罐4的出口、进口相连接，构成了蒸馏液的回路(图中以虚线示出)；在原料液的回路与蒸馏液的回路中连接有一级换热器2，在原料液的补充管路与蒸馏液的回路中连接有二级换热器3；各循环泵8、9、14、10均与太阳能热电系统或太阳能光电池13相连(图中点划线为供电线路)。
本实施例的工作过程为：温度较高的原料液和温度较低的蒸馏液逆流经过膜组件1，由于温度差导致的蒸汽压差作用，原料液中的一部分水分子会穿过膜的微孔以蒸汽状态进入蒸馏液一侧。未蒸馏的原料液和蒸馏液、水蒸汽的混合物再次逆流经过一级换热器2进行热交换，一部分蒸汽冷凝成纯净水，未冷凝的蒸汽连同蒸馏液一起进入二级换热器3，与向该装置补给的原料液进行换热，加热补给的原料液；在该换热器中，蒸汽进一步冷凝成纯净水，然后进入蒸馏液罐4。当蒸馏液积累至一定高度后，会自动溢出，这就是净水产品。蒸馏液罐4中的一部分液体在循环泵9的作用下，回到膜组件1中，进行下一次循环，如此周而复始。从一级换热器2出来的原料液在循环泵14的驱动下进入储液罐5，与补给原料液混合。一部分原料液经过太阳能集热器(或者废热集热器)6，在其中原料液被加热后再次进入储液罐5。原料液从储液罐5出来后，经过膜组件1，这样就完成了一个循环，如此周而复始。在该装置的循环过程中，太阳能集热器(或者废热集热器)6加热原料液，维持了膜进口原料液的工作温度，而一级与二级换热器两次冷凝了蒸馏出来的蒸汽，保持了蒸馏液再次进入膜组件的温度，同时又回收了大量的冷凝潜热，减小了集热器的规模。
在上述工作过程中，可以视情况不使用二级换热器3，补给的原料液直接进入储液罐5，而从一级换热器2出来的蒸汽和冷凝水混合物直接进入蒸馏液罐4。在太阳能非常充足的地区，也可以同时省去一级换热器2和二级换热器3，完全依靠太阳能集热器加热原料液，维持膜组件入口原料液温度，使膜蒸馏过程得以持续地进行下去；管路中的阀门用来调节流量，有些时候也可以省去。补给液可以直接补给进入原料液侧的管路，这样可以省去储液罐5。在电力较为充足的地区，循环泵8、9、10、14可以直接由电力驱动；而在电力缺乏或根本无电力的地区，这些泵可以由太阳能驱动，用太阳能热电系统或太阳能光电池13驱动。循环泵14可以省去，依靠太阳能集热器(或废热集热器)6加热原料液而产生的温差驱动原料液经过集热器，然后流回储液罐中。这样这套水处理装置可以在完全没有电力供应的情况下进行工作。太阳能集热器(或废热集热器)6起到了加热原料液的作用，维持了储液罐内原料液的温度，同时保证了进入膜组件的原料液温度。装置中的管路、换热器、膜组件以及储液罐要保温良好，这样可以减少散失到周围大气的热量。在太阳光照十分充足的情况下，储液罐的容积应尽可能的大。这样可以充分利用白天的太阳光照，使储液罐中的原料液维持在膜蒸馏所需要的温度水平，在进入傍晚或夜间，太阳能供应不充足的情况下，由于保温层的保温作用，此时该装置仍可运行，源源不断地生产出净水以供使用。
在本实施例中，该装置的热回收率可达到80％，使用了如下组件：膜组件1：聚丙烯中空纤维微孔膜组件，膜管长约300mm，孔隙率25％，微孔为长方形(0.8×0.2μm)，内径0.3mm，蒸馏面积约为2.6m2。原料液：质量浓度2％的盐水溶液循环泵：塑料离心泵一级换热器2：锯齿型板翅式换热器，材料为铝合金，两侧各一层翅片，原料液侧采用的是25Jc1402型锯齿式翅片，翅片高2.5mm、节距1.4mm、厚度0.15mm；蒸馏液侧采用65DK1402型多孔式翅片，高6.5mm、节距1.4mm、厚0.15mm；换热面积0.98m2二级换热器3：锯齿型板翅式换热器，材料及翅片形式同换热器1，换热面积0.03m2过滤器7：标准ABS材料滤桶配长度5英寸、直径90mm、孔径0.1μm塑料滤芯太阳能集热器6：采用太阳能真空管式集热器，集热面积约为2m2阀门：普通球阀太阳电池13：单晶硅光伏电池阵列，2m2，电功率250.0W原料液流量：120.0kg/hr蒸馏液流量：24.0kg/hr膜组件原料液侧进口温度：70.0℃蒸馏液进口温度：54.0℃产水率：1.8kg/hr处理后的水质：电导率：10～30μs/cm
Claims (10)
1、一种利用太阳能或废热的膜蒸馏式水处理装置，其特征在于，包括膜组件、太阳能集热器或废热集热器、一个以上的循环泵及其驱动装置以及连接各部件的管路；所说的膜组件原料液侧的进口、出口分别与太阳能集热器或废热集热器的出口与进口相连接，构成了原料液的回路，该原料液回路中装有循环泵，膜组件蒸馏液侧的进口、出口分别与循环泵的出口、进口相连接，构成了蒸馏液侧的回路，装置还包括与原料液的回路相连的原料液的补充管路。
2、如权利要求1所述的利用太阳能或废热的膜蒸馏式水处理装置，其特征在于，所说的膜组件采用疏水性膜组件。
3、如权利要求1所述的利用太阳能或废热的膜蒸馏式水处理装置，其特征在于，所说的太阳能集热器是平板型或真空管式等形式的集热器。
4、如权利要求1所述的利用太阳能或废热的膜蒸馏式水处理装置，其特征在于，所说的废热集热器是一个换热器，通过该换热器将热量传给原料液。
5、如权利要求1所述的利用太阳能或废热的膜蒸馏式水处理装置，其特征在于，所说的循环泵是能够耐腐蚀的输水泵。
6、如权利要求1所述的利用太阳能或废热的膜蒸馏式水处理装置，其特征在于，所说的循环泵的驱动装置采用太阳能热电系统。
7、如权利要求1所述的利用太阳能或废热的膜蒸馏式水处理装置，其特征在于，所说的循环泵的驱动装置采用太阳能电池。
8、如权利要求1所述的利用太阳能或废热的膜蒸馏式水处理装置，其特征在于，在所说的原料液的回路与蒸馏液的回路中可连接有一级换热器。
9、如权利要求1或6所述的利用太阳能或废热的膜蒸馏式水处理装置，其特征在于，在所说的原料液的补充管路与蒸馏液的回路中连接有二级换热器3。
10、如权利要求1所述的利用太阳能或废热的膜蒸馏式水处理装置，其特征在于，在所说的原料液的回路中的膜组件原料液侧的进口处还可连接有过滤器。
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