CN209974374U

CN209974374U - 一种海岛海水淡化处理装置

Info

Publication number: CN209974374U
Application number: CN201920437429.5U
Authority: CN
Inventors: 刘磊; 杨照贤; 毛克路; 胡晓丽; 刘亮
Original assignee: Changchun University of Science and Technology
Current assignee: Changchun University of Science and Technology
Priority date: 2019-04-02
Filing date: 2019-04-02
Publication date: 2020-01-21
Anticipated expiration: 2029-04-02

Abstract

本实用新型涉及一种海岛海水淡化处理装置，包括一级预处理单元、二级预处理单元、压力辅助渗透压差驱动单元及电驱动膜堆单元，海水经两级预处理单元截留有机物、胶体、微生物、粒径大于0.1μm的微粒。创新利用压力辅助渗透压差驱动单元及电驱动膜堆单元，可在低压和低能耗下生产淡水，与现有的海水淡化工艺组合装置相比，汲取液经电驱动膜堆淡化室产淡水，浓缩室浓缩后反复利用，整个过程不损耗汲取液组分，汲取液组分回收利用使正渗透膜两侧始终维持较高渗透压，且廉价的Na₂SO₄作为汲取液组分保证了系统的经济高效运行。有效解决海岛或沿海地区以及淡水需求量较小用户群体淡水需求问题的海岛海水淡化处理装置。

Description

一种海岛海水淡化处理装置

技术领域

本实用新型属于海水淡化领域，涉及海水淡化处理装置技术，尤其是一种海岛海水淡化处理装置。

背景技术

海岛是拓展海洋经济空间的重要基础，海岛的开发利用和保护离不开淡水资源，但海岛远离大陆，受地形、地貌及地表水、地下水供给有限等条件影响，淡水资源短缺严重制约了海岛经济的发展和岛上居民生活水平的提高。有效解决海岛淡水资源短缺的方法主要有岛外调水和海水淡化两种方式，岛外调水技术复杂、耗资巨大、受天气等因素影响，此外，调水受水源区水资源量的制约，岛外调水量远不能满足海岛居民需求，且调水过程中水质易受污染，不能从根本上解决海岛淡水短缺问题。因此，持续长效的海水淡化模式更适用于海岛。与大陆沿海地区相比，海岛区域海水受污染程度低，水质好，海水淡化预处理工艺简单，降低了海水淡化处理能耗和成本。现有海水淡化装置具有集成度高、供水水量水质稳定、维护方便等优势，在国内外一些海岛地区得到广泛应用，并逐渐发展成为解决海岛地区水资源短缺重要途径。

目前海水淡化技术主要分为两种，一种为蒸馏法，另一种为膜法。蒸馏法以多效蒸馏 (MED)和多级闪蒸(MSF)为主，膜法的主流是电渗析法(ED)和反渗透法(RO)。多效蒸馏(MED)通过控制蒸发室内压力，实现海水在较低温度条件下的蒸发和冷循环。多级闪蒸(MSF)通过调控闪蒸室内压力低于海水饱和蒸气压，使海水迅速形成蒸汽，蒸汽在冷凝管束表面冷凝，收集后即可得到淡水。总体来说蒸馏法技术成熟，但是多效蒸馏及多级闪蒸占地面积大，投资及能耗高，不适合海岛或沿海地区淡水需求量较小的用户群体。

电渗析(ED)是以电位差为驱动力，在直流电场作用下实现离定向迁移，借助离子交换膜对阴阳离子的选择性从淡化室获取淡水的膜分离过程。反渗透法(RO)是在原料液一侧施加大于海水渗透压的压力，利用反渗透膜的选择透过性截留水分子之外的其他溶质获取淡水的膜分离过程。但电渗析淡化海水过程中，高浓度钙镁等离子易在离子交换膜表面结垢；反渗透过程所需能耗高，进水水质要求严苛，反渗透膜易污染，水回收率低等因素影响其产水效率，且反渗透法所产淡水需经pH调节后方可使用。

虽然膜法相较蒸馏法具有出水水质稳定、设备投资少、装置集成度高、操作维护简便等优点，但上述电渗析及反渗透过程的缺点极大限制其在海水淡化领域的推广和应用。一种仅靠膜两侧渗透压差驱动的正渗透技术(FO)近些年被用于海水淡化及污水处理等领域，由于这种新型膜分离过程自发进行，相较上述反渗透过程，能耗大大降低，但传统正渗透过程存在浓差极化和汲取液组分反向渗透问题，导致正渗透膜两侧有效渗透压差降低，驱动效率下降，限制其产水效率。压力辅助渗透压差驱动过程在传统正渗透基础上，通过在正渗透进水端施加较低的外加压力，提高正渗透膜过程驱动力的同时，有效克服传统正渗透的上述缺点，保证出水水量和水质，但无论正渗透过程还是压力辅助渗透压差驱动过程都无法实现直接生产淡水。

为克服膜法淡化海水的缺陷，一项相关的专利申请(公开号CN105217854)公开了一种小型一体化海水淡化设备，通过将微滤、活性炭吸附、电渗析技术、紫外消毒等工艺耦联淡化海水，实现海水中悬浮物、微生物等有效去除，保证了海水淡化产水水质。但是微滤膜和活性炭吸附不能有效去除海水中的钙镁离子，增加了后置电渗析中阴阳离子交换膜结垢的风险，进而影响产水效率。

第二项相关专利申请(公开号CN103288290)提出了一种海水预处理-反渗透海水淡化的方法及系统，其特征在于，海水预处理单元包括有机物同化处理单元，生物活性处理单元，抗菌处理单元。有机物同化处理单元对原水中含有的有机物进行微细化；生物活性处理单元利用微生物的活性使海水中有机物减少；抗菌处理单元对海水中微生物浓度进行调整。反渗透处理单元，对预处理海水进行淡化。此发明能够降低反渗透膜微生物污染及有机污染，但装置预处理采用生物法，生物活性易受较多环境因素影响；该方法及装置中沸石层中担载银易释放游离，使抗菌处理单元抗菌效果逐渐降低，影响后置反渗透过程的长期运行。此外，反渗透过程能耗偏高，且反渗透进水端盐浓度升高造成的膜两侧驱动力下降将制约水回收率的提高。

第三项相关专利申请(公开号CN107555555)提出了一种电渗析-正渗透技术高盐高COD 废水处理方法及其装置。该方法包括预处理单元、电渗析单元、正渗透单元和汲取液再生单元。预处理单元去除高盐高COD废水中固体颗粒；电渗析单元将预处理单元出水脱盐，同时将稀释的汲取液回收并浓缩；正渗透单元将电渗析单元脱盐室出水作为原料液，将电渗析单元浓缩室出水作为汲取液，当正渗透膜组件原料液侧溶液浓度与正渗透膜组件汲取液侧溶液浓度相近时，将一部分稀释的汲取液输送到电渗析单元浓缩室，另一部分输送到汲取液再生单元浓缩再生。此装置将正渗透单元后置于电渗析单元，汲取液侧不能直接产生淡水，且预处理单元仅去除废水中固体颗粒，废水中的高盐易在电渗析单元膜表面结垢，影响装置运行效率及稳定性。

目前专利公开的海水淡化装置从配置组成及能耗角度不适合长期稳定产水，对有效缓解海岛或沿海地区淡水紧张及淡水需求量较小的用户群体也不适用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种可在低压和低能耗下生产淡水，有效解决海岛或沿海地区以及淡水需求量较小用户群体淡水需求问题的海岛海水淡化处理装置。

本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种海岛海水淡化处理装置，包括一级预处理单元、二级预处理单元、压力辅助渗透压差驱动单元及电驱动膜堆单元，一级预处理单元包括提升泵、海水输送管、石英砂过滤器、活性炭过滤器及一级预处理水出水管，提升泵连通海水输送管，海水输送管直连至所述石英砂过滤器，石英砂过滤器与活性炭过滤器相连，一级预处理水出水管一端连接活性炭过滤器，另一端连接至二级预处理单元，所述二级预处理单元包括中空纤维超滤膜组件及二级预处理水出水管，所述一级预处理水出水管连接至中空纤维超滤膜组件，二级预处理水出水管布置在中空纤维超滤膜组件顶端，二级预处理水出水管连接所述压力辅助渗透压差驱动单元，压力辅助渗透压差驱动单元包括隔膜泵、卷式正渗透膜组件、一号汲取泵与汲取液罐，二级预处理水出水管经隔膜泵连接至卷式正渗透膜组件进水侧，在汲取液罐上设置有汲取液回收管，汲取液回收管另一端连接至电驱动膜堆单元。

而且，所述的电驱动膜堆单元包括二号汲取泵、电驱动膜堆及直流电源，电驱动膜堆两端为极室，极室两端为正、负电极，正、负电极与直流电源连接，电驱动膜堆中间自上而下有阴、阳离子交换膜及隔板重复叠加，形成了若干个浓缩室和淡化室交替排列，浓缩室连通浓缩汲取液输入管，浓缩汲取液输入管经二号汲取泵连接至正渗透中心管，淡化室连通有淡水产水管。

而且，在所述卷式正渗透膜组件中设置有正渗透中心管，该正渗透中心管一端连通浓缩汲取液输入管，一端连通稀释汲取液输出管，稀释汲取液输出管经一号汲取泵连接至汲取液罐。

本实用新型的优点和积极效果是：

1、本装置与单独正渗透装置相比，当汲取液浓度下降导致渗透压差减小时，在保证产水水质的前提下，通过隔膜泵提供额外辅助压力，保证了装置的产水效率。

2、本装置与反渗透装置相比，不需要380V的交流电驱动，可利用100-250V直流电压驱动且该直流电可由太阳能、风能、潮汐能、核能等清洁能源产生，电能来源广泛。

3、本装置淡化海水产水与反渗透装置产水相比，可不经过pH调节直接使用，与单独电渗析装置相比，前置压力辅助渗透压差驱动单元有效截留海水中的钙镁离子，从而极大降低阴阳离子交换膜结垢风险，保证后置电驱动膜堆稳定运行。

4、本装置设计科学合理、结构简单，与海水淡化工艺组合装置相比，汲取液经电驱动膜堆淡化室产淡水，浓缩室浓缩后反复利用，整个过程不损耗汲取液组分，汲取液组分回收利用使正渗透膜两侧始终维持较高渗透压，且廉价的Na₂SO₄作为汲取液组分保证了系统的经济高效运行。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为图1中电驱动膜堆的结构示意图。

附图标记说明：1-提升泵，2-海水输送管，3-石英砂过滤器，4-活性炭过滤器，5-一级预处理水出水管，6-中空纤维超滤膜组件，7-二级预处理水出水管，8-隔膜泵，9-卷式正渗透膜组件，10-正渗透中心管，11-正渗透膜，12-稀释汲取液输出管，13-一号汲取泵，14-汲取液罐，15-汲取液回收管，16-电驱动膜堆，17-直流电源，18-淡水产水管，19-二号汲取泵，20-浓缩汲取液输入管，21-废水管，22-正电极，23-负电极，24-极室，25-阳离子交换膜，26-浓缩室，27-阴离子交换膜，28-淡化室。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本实用新型作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本实用新型的保护范围。

一种海岛海水淡化处理装置，如图1所示，包括一级预处理单元、二级预处理单元、压力辅助渗透压差驱动单元及电驱动膜堆单元，一级预处理单元包括提升泵1、海水输送管2、石英砂过滤器3、活性炭过滤器4及一级预处理水出水管5，提升泵1连通海水输送管2，海水输送管2直连至所述石英砂过滤器3，石英砂过滤器3与活性炭过滤器4相连，一级预处理水出水管5一端连接活性炭过滤器4，另一端连接至二级预处理单元，该单元用于截留海水中的泥沙、悬浮物、大分子有机物、胶体等，一级预处理单元产水为一级预处理水。

二级预处理单元包括中空纤维超滤膜组件6及二级预处理水出水管7，所述一级预处理水出水管5连接至中空纤维超滤膜组件6，二级预处理水出水管7布置在中空纤维超滤膜组件6顶端，二级预处理水出水管7连接所述压力辅助渗透压差驱动单元，该单元截留一级预处理水中微生物、粒径大于0.1μm的微粒等，二级预处理单元产水为二级预处理水。

压力辅助渗透压差驱动单元包括隔膜泵8、卷式正渗透膜组件9、一号汲取泵13与汲取液罐14，二级预处理水出水管7经隔膜泵8连接至卷式正渗透膜组件9左端进水侧，从二级预处理水中汲取净水，其中隔膜泵8提供辅助压力，二级预处理水经隔膜泵8从左侧进入卷式正渗透膜组件9，在所述卷式正渗透膜组件中设置有正渗透中心管10，该正渗透中心管10 右侧连通有浓缩汲取液输入管20，左侧连通有稀释汲取液输出管12，稀释汲取液输出管12 经一号汲取泵13连接至汲取液罐14。在汲取液罐14上设置有汲取液回收管15，汲取液回收管15另一端连接至电驱动膜堆单元。在所述正渗透中心管内流动高浓度Na₂SO₄汲取液，由于二级预处理水与汲取液存在盐浓度差，导致膜两侧形成渗透压差，在辅助压力和渗透压差的联合作用下，二级预处理水中净水向汲取液渗透进入正渗透中心管10 中完成收集，最终正渗透中心管10中稀释的汲取液借由一号汲取泵13进入汲取液罐14。

电驱动膜堆单元包括二号汲取泵19、电驱动膜堆16及直流电源17，作用为汲取液回收及淡水制备，如图2所示，电驱动膜堆16两端为极室24，极室24内流动Na₂SO₄溶液，极室两端为正22、负23电极，正22负23电极与直流电源17连接，电驱动膜堆16中间自上而下有阴27、阳离子交换膜25及隔板重复叠加，形成了若干个浓缩室26和淡化室28交替排列，浓缩室26连通浓缩汲取液输入管20，浓缩汲取液输入管20经二号汲取泵19连接至正渗透中心管10右端，淡化室28连通有淡水产水管18。汲取液罐14中稀释的汲取液进入电驱动膜堆16，在直流电场的驱动下实现离子定向迁移，浓缩室26回收及浓缩汲取液，浓缩的汲取液借由二号汲取泵19进入正渗透中心管10循环，淡化室28最终完成淡水的生产。

具体工作过程如下：

海水在提升泵1的作用下经海水输送管2进入石英砂过滤器3和活性炭过滤器4，石英砂过滤器3和活性炭过滤器4组成一级预处理单元，该单元截留海水中的泥沙、悬浮物、大分子有机物、胶体等，一级预处理单元产水为一级预处理水。一级预处理水经活性炭过滤器4上的一级预处理水出水管5进入中空纤维超滤膜组件6，中空纤维超滤膜组件6组成二级预处理单元，该单元通过中空纤维超滤膜截留一级预处理水中微生物、粒径大于0.1μm的微粒等，二级预处理单元产水为二级预处理水。隔膜泵8提供辅助压力，装置可在正渗透模式下运行(辅助压力＝0bar)，亦可在压力辅助模式下运行(辅助压力>0bar)。

二级预处理水在隔膜泵8的作用下经二级预处理水出水管7从左侧进入卷式正渗透膜组件9。卷式正渗透膜组件9中间为正渗透中心管10，正渗透中心管10上布置有进水孔，正渗透中心管10缠绕有正渗透膜11，高浓度的Na₂SO₄汲取液在中心管10中流动，与进入卷式正渗透膜组件9的二级预处理水形成渗透压差。在隔膜泵8产生的辅助压力以及渗透压差的联合作用下，二级处理水的净水扩散到正渗透中心管10的汲取液中，二级处理水中其他组分被有效地截留并通过废水管21导出。由于上述过程导致汲取液浓度降低，稀释的汲取液经一号汲取泵13的抽吸作用由稀释汲取液输出管12进入汲取液罐14。

汲取液罐14中的汲取液经汲取液回收管15进入电驱动膜堆16，电驱动膜堆16的两端为正22负23电极，正22负23电极与极室相邻，极室中充满Na₂SO₄溶液，正22负23电极与直流电源17连接，在膜堆中间自上而下有n层阳25、阴离子交换膜27及隔板重复叠加，形成了浓缩室26和淡化室28交替排列。在外加直流电驱动下，进入膜堆Na₂SO₄汲取液中的Na⁺和SO₄ ^2-通过阴阳离子交换膜选择性进行定向迁移，其中Na⁺向电极负极方向运动，SO₄ ^2-向电极正极方向运动。浓缩室26中由于Na⁺和SO₄ ^2-的迁入导致汲取液浓度升高，生产浓缩的汲取液；淡化室28由于Na⁺和SO₄ ^2-的迁出生产淡水。每个浓缩室26连通有浓缩汲取液输入管20，浓缩的Na₂SO₄汲取液经二号汲取泵19的抽吸作用重新回到卷式正渗透膜组件9的正渗透中心管10中，重复上述压力辅助渗透压差驱动过程。每个淡化室28都连通有淡水产水管17，淡水经淡水产水管18输送，最终被收集利用。

基于上述，通过石英砂过滤器和活性炭过滤器、中空纤维超滤膜组件、隔膜泵、卷式正渗透膜组件、汲取泵、汲取液罐、电驱动膜堆、直流电源的布置，实现了海水淡化生产淡水。当汲取液浓度下降导致渗透压差减小时，在保证产水水质的前提下，通过隔膜泵提供的额外辅助压力，保证了装置的产水效率。本发明装置与反渗透装置相比，不需要380V的交流电驱动，可利用100-250V直流电压驱动且该直流电可由太阳能、风能、潮汐能、核能等清洁能源产生，电能来源广泛。本发明装置淡化海水产水与反渗透装置产水相比，可不经过pH调节直接使用。本发明装置与单独电渗析装置相比，前置压力辅助渗透压差驱动单元有效截留海水中的钙镁离子，从而极大降低了阴阳离子交换膜结垢风险，保证后置电驱动膜堆稳定运行。本发明装置与海水淡化工艺组合装置相比，汲取液经电驱动膜堆淡化室产淡水，浓缩室浓缩后反复利用，整个过程不损耗汲取液组分，汲取液组分回收利用使正渗透膜两侧始终维持较高渗透压，且廉价的Na₂SO₄作为汲取液组分保证了系统的经济高效运行。

本发明除了淡化海水，亦可将湖水、河水等地表水及地下水作为水源生产淡水。通过上述说明内容,本领域技术人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内,进行多样的变更以及修改都在本发明的保护范围之内。本发明的未尽事宜,属于本领域技术人员的公知常识。

Claims

1.一种海岛海水淡化处理装置，其特征在于：包括一级预处理单元、二级预处理单元、压力辅助渗透压差驱动单元及电驱动膜堆单元，一级预处理单元包括提升泵、海水输送管、石英砂过滤器、活性炭过滤器及一级预处理水出水管，提升泵连通海水输送管，海水输送管直连至所述石英砂过滤器，石英砂过滤器与活性炭过滤器相连，一级预处理水出水管一端连接活性炭过滤器，另一端连接至二级预处理单元，所述二级预处理单元包括中空纤维超滤膜组件及二级预处理水出水管，所述一级预处理水出水管连接至中空纤维超滤膜组件，二级预处理水出水管布置在中空纤维超滤膜组件顶端，二级预处理水出水管连接所述压力辅助渗透压差驱动单元，压力辅助渗透压差驱动单元包括隔膜泵、卷式正渗透膜组件、一号汲取泵与汲取液罐，二级预处理水出水管经隔膜泵连接至卷式正渗透膜组件进水侧，在汲取液罐上设置有汲取液回收管，汲取液回收管另一端连接至电驱动膜堆单元。

2.根据权利要求1所述的一种海岛海水淡化处理装置，其特征在于：所述的电驱动膜堆单元包括二号汲取泵、电驱动膜堆及直流电源，电驱动膜堆两端为极室，极室两端为正、负电极，正、负电极与直流电源连接，电驱动膜堆中间自上而下有阴、阳离子交换膜及隔板重复叠加，形成了若干个浓缩室和淡化室交替排列，浓缩室连通浓缩汲取液输入管，浓缩汲取液输入管经二号汲取泵连接至正渗透中心管，淡化室连通有淡水产水管。

3.根据权利要求1所述的一种海岛海水淡化处理装置，其特征在于：在所述卷式正渗透膜组件中设置有正渗透中心管，该正渗透中心管一端连通浓缩汲取液输入管，一端连通稀释汲取液输出管，稀释汲取液输出管经一号汲取泵连接至汲取液罐。