TWI537037B - 水回收系統及應用其進行水回收的方法 - Google Patents

Description

水回收系統及應用其進行水回收的方法

本發明是有關於一種水回收系統及應用其進行水回收的方法，且特別是有關於一種具有矽凝膠中空纖維之水回收系統及應用其進行水回收的方法。

吸附式水回收技術為利用吸附劑吸附廢(污)水所蒸發之水蒸氣，之後將水蒸氣自吸附劑脫附，予以冷凝成液態後回收。由於吸附式水回收技術所使用之吸附劑不與廢(污)水直接接觸，無材料受污染堵塞問題，且可節省原生性能源消耗，屬一低能耗、操作維護簡便之水回收技術。

然而，傳統的吸附式水回收系統所採用之吸附劑為顆粒狀，質傳與熱傳速率較慢，影響吸、脫附模式切換的頻率，進而影響系統產水量，因此，需要較大之土地面積，限制了其於水再生領域之應用。

本發明係有關於一種具有矽凝膠中空纖維之水回收系統及應用其進行水回收的方法，藉由將矽凝膠粉末以高分子黏著劑編織成中空纖維型態的矽凝膠，相較於傳統顆粒狀之吸附劑具有更低的吸附阻力與更快速的吸附/脫附速率。

根據本發明，提出一種水回收系統，包括一吸附裝置、一蒸發裝置、一冷凝裝置以及一熱交換器。吸附裝置具有一第一端與一第二端，且包括一第一殼體及至少一矽凝膠中空纖維，矽凝膠中空纖維設置於該第一殼體中。蒸發裝置連接於第一端。冷凝裝置連接於第二端。熱交換器連接冷凝裝置與蒸發裝置或第一殼體。

根據本發明，提出一種水回收系統進行水回收的方法。水回收系統包括一吸附裝置、一蒸發裝置、一冷凝裝置以及一熱交換器。吸附裝置具有一第一端與一第二端，且包括一第一殼體及至少一矽凝膠中空纖維，矽凝膠中空纖維設置於該第一殼體中。蒸發裝置連接於第一端。冷凝裝置連接於第二端。熱交換器連接冷凝裝置與蒸發裝置或第一殼體。水回收的方法包括以下步驟。將廢水或海水置於蒸發裝置中。蒸發裝置提供一真空環境，使廢水或海水形成一第一蒸氣並進入吸附裝置中。吸附裝置中的矽凝膠中空纖維吸附第一蒸氣。加熱吸附裝置以形成一第二蒸氣。吸附裝置脫附第二蒸氣，使第二蒸氣進入冷凝裝置中。冷凝裝置冷凝第二蒸氣，使第二蒸氣形成純水。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

1、2‧‧‧水回收系統

10、10’‧‧‧吸附裝置

101‧‧‧第一端

102‧‧‧第二端

11、11-1‧‧‧第一殼體

11-2‧‧‧第二殼體

11-3‧‧‧第三殼體

11-4‧‧‧第四殼體

111‧‧‧入口

112‧‧‧出口

12‧‧‧矽凝膠中空纖維

121‧‧‧矽凝膠

122‧‧‧黏著劑

15‧‧‧顆粒狀矽凝膠

18‧‧‧玻璃雙套管

20‧‧‧蒸發裝置

30‧‧‧冷凝裝置

40‧‧‧熱交換器

C1、C2、C3、C4、C5、C6‧‧‧曲線

T‧‧‧溫度計

第1圖繪示本發明實施例之水回收系統的示意圖。

第2圖繪示本發明另一實施例之水回收系統的示意圖。

第3A圖繪示本發明實施例之吸附劑裝填於玻璃雙套管的示意圖。

第3B圖繪示比較例之吸附劑裝填於玻璃雙套管的示意圖。

第4圖繪示本發明實施例之吸附劑與比較例之吸附劑於95℃熱水加熱條件下之溫度變化。

第5圖繪示本發明實施例之吸附劑與比較例之吸附劑於室溫(約25℃)自來水降溫條件下之溫度變化。

第6圖繪示實施例一之吸附劑與實施例二之吸附劑於不同的相對濕度條件下的含水率。

以下係參照所附圖式詳細敘述本發明之實施例。圖式中相同的標號係用以標示相同或類似之部分。需注意的是，圖式係已簡化以利清楚說明實施例之內容，圖式上的尺寸比例並非按照實際產品等比例繪製，因此並非作為限縮本發明保護範圍之用。

在一般的吸附式水回收系統中，常使用矽凝膠(silicon gel) 作為水回收系統中的吸附劑。粉末狀之矽凝膠因易飄散且填充密度高(孔隙度低)，難以直接應用於吸附式水回收系統，故傳統的吸附式水回收系統多使用顆粒狀矽凝膠進行水蒸氣吸/脫附。然而，水蒸氣傳輸至顆粒狀矽凝膠內部所需行經路徑遠大於粉末狀，對其吸脫附速率產生明顯的影響，且顆粒狀矽凝膠具高孔隙率，熱流傳遞狀態不佳，不利於須反覆進行溫度變化以切換吸/脫附狀態之固定床操作模式。

本發明實施例之水回收系統可透過至少一矽凝膠中空纖維的設置，有效解決傳統吸附式水回收系統產生的問題。

第1圖繪示本發明實施例之水回收系統1的示意圖。如第1圖所示，本發明實施例之水回收系統1包括一吸附裝置10、一蒸發裝置20、一冷凝裝置30以及一熱交換器40。吸附裝置10具有一第一端101與一第二端102，且吸附裝置包括一第一殼體11及至少一矽凝膠中空纖維12，矽凝膠中空纖維12係設置於第一殼體11中。蒸發裝置20與冷凝裝置30可分別連接吸附裝置10之第一端101與第二端102。熱交換器40連接冷凝裝置30與第一殼體11。

在本實施例中，矽凝膠中空纖維12呈一管狀，且複數個矽凝膠中空纖維12係具結成束，設置於第一殼體11中。矽凝膠中空纖維12可包括一矽凝膠121與一黏著劑(binder)122。舉例來說，可選用孔徑2~4nm，粒徑小於40μm之粉末狀矽凝膠121與15~30wt%之黏著劑(binder)122混合後製備。管狀之矽凝膠中空纖維12的內徑可例如為1.2mm，外徑可例如為2.79mm。

在此，黏著劑122係指連結矽凝膠121之材料或是形成管狀 中空纖維之基質的材料。在一實施例中，黏著劑122包括聚合物黏著劑，例如：聚醚碸(polyether sulfone,PESF)、聚碸(polysulfone)、聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)、聚苯碸(polyphenylsulfone,PPSU)、聚丙烯腈(polyacrylonitrile)、醋酸纖維素、二醋酸纖維素、聚亞醯胺、聚醚醯亞胺、聚醯胺(芳香族)、聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙醇酸、聚(乳酸-乙醇酸)(poly(lactic-co-glycolic acid))、聚幾內酯、聚乙烯氫吡咯酮(polyvinyl pyrrolidone)、伸乙基乙烯醇(ethylene vinyl alcohol)、聚二甲基矽氧烷及上述材料之組合。

此外，在矽凝膠中空纖維12中，矽凝膠121與黏著劑122的重量比例可例如介於6：1至3：1。在一實施例中，矽凝膠121的重量比例可介於70至85%，黏著劑122的重量比例可介於15至30%。矽凝膠121的粒徑可例如介於1至40μm，且矽凝膠121包括複數個孔洞(未繪示)，孔洞的孔徑可例如介於2至4nm。要注意的是，雖然本發明圖式中係以立方體繪示矽凝膠121，但此形狀僅為矽凝膠121之示意，並非用以限制矽凝膠121的形狀。

如第1圖所示，水回收系統1之吸附裝置10也可包括一入口111、一出口112及一控制器(未繪示於圖中)。入口111與出口112分別設置於吸附裝置10之第一端101與第二端102。控制器可連接入口111與出口112，用以控制入口111與出口112開啟或關閉。

要注意的是，雖然在第1圖所繪示之實施例中，熱交換器40係連接冷凝裝置30與第一殼體11，但本發明並未限定於此。在其他實施例中，熱交換器40也可連接冷凝裝置30與蒸發裝置20。熱交換器40可 於連接的各元件間進行熱交換，有效地利用並回收水回收系統1中產生的熱能與冷流。

以下係簡單描述利用本發明實施例之水回收系統進行水回收的方法。在此，水回收系統例如是第1圖所繪示之水回收系統1。

首先，將廢(污)水或海水置於蒸發裝置20中，進行蒸發。一般來說，水回收系統可用於將汙染之廢水淨化，或者將海水淡化。

在一實施例中，蒸發裝置可提供一真空環境，使廢水或海水形成一第一蒸氣並進入吸附裝置10中。在此，提供真空環境係為了使廢水或海水可在一般常溫(例如攝氏15至35度)下，快速地蒸發，不需要額外提供熱能，因此能有效地降低能源消耗。

接著，吸附裝置10中的矽凝膠中空纖維12可吸附第一蒸氣。在此，複數個矽凝膠中空纖維12係具結成束，且保有粉末狀矽凝膠高質傳等特性，因而可維持良好的吸附速率。

要注意的是，至目前的步驟為止，吸附裝置10之控制器係控制入口111為開啟狀態，出口112為關閉狀態，以避免第一蒸氣自出口112排出離開吸附裝置10。

接著，加熱吸附裝置10以形成一第二蒸氣。在一實施例中，加熱溫度例如介於攝氏55至140度，加熱的方式可例如將熱水通過第一殼體11，以增加吸附裝置10的整體溫度。此時，吸附裝置10之控制器係控制入口111為關閉狀態，以避免產生之第二蒸氣自入口111排出離開吸附裝置10。

吸附裝置10脫附第二蒸氣，使第二蒸氣進入冷凝裝置30 中。此時，吸附裝置10之控制器係控制入口111為關閉狀態，出口112為開啟狀態，使產生之第二蒸氣自出口離開吸附裝置10並進入冷凝裝置30中。

當第二蒸氣進入冷凝裝置30後，冷凝裝置30係冷凝第二蒸氣，使第二蒸氣形成純水。舉例來說，可使用冰水降低冷凝裝置30內的溫度，使進入冷凝裝置30中的第二蒸氣可凝結形水。

雖然前述實施例係以吸附裝置10具有一個第一殼體11進行說明，但本發明並未限定於此。

第2圖繪示本發明另一實施例之水回收系統2的示意圖。類似於第1圖所繪示之水回收系統1，本發明實施例之水回收系統2也可包括包括一吸附裝置10’、一蒸發裝置20、一冷凝裝置30以及一熱交換器(未繪示於第2圖中)。

在本實施例中，吸附裝置10’包括複數個殼體，例如第一殼體11-1、第二殼體11-2、第三殼體11-3及第四殼體11-4，第一殼體11-1、第二殼體11-2、第三殼體11-3及第四殼體11-4彼此平行排列。此外，第一殼體11-1、第二殼體11-2、第三殼體11-3及第四殼體11-4皆包括複數個具結成束的矽凝膠中空纖維12，設置於各個殼體中。

在本實施例中，吸附裝置10’可具有四個入口111與四個出口112，藉由控制器(未繪示)可分別控制四個入口111與四個出口112的開啟/關閉狀態，使第一殼體11-1、第二殼體11-2、第三殼體11-3及第四殼體11-4內之矽凝膠中空纖維12可分別進行吸附/脫附作用。

舉例來說，當第一殼體11-1內之矽凝膠中空纖維12進行吸 附作用時，連接第一殼體11-1內之矽凝膠中空纖維12的入口111係開啟，連接第一殼體11-1內之矽凝膠中空纖維12的出口112係關閉。此時，第二殼體11-2內之矽凝膠中空纖維12係進行脫附作用，也就是說，連接第二殼體11-2內之矽凝膠中空纖維12的入口111係關閉，連接第二殼體11-2內之矽凝膠中空纖維12的出口112係開啟。

當第一殼體11-1內之矽凝膠中空纖維12進行脫附作用時，連接第一殼體11-1內之矽凝膠中空纖維12的入口111係關閉，連接第一殼體11-1內之矽凝膠中空纖維12的出口112係開啟。此時，第二殼體11-2內之矽凝膠中空纖維12係進行吸附作用，也就是說，連接第二殼體11-2內之矽凝膠中空纖維12的入口111係開啟，連接第二殼體11-2內之矽凝膠中空纖維12的出口112係關閉。

因此，第一殼體11-1內之矽凝膠中空纖維12與第二殼體111內之矽凝膠中空纖維12可交替地進行吸附/脫附作用，以提升水回收的效率。

此外，第三殼體11-3內之矽凝膠中空纖維12可與第一殼體11-1內之矽凝膠中空纖維12同步進行吸附/脫附作用，第四殼體11-4內之矽凝膠中空纖維12可與第二殼體111內之矽凝膠中空纖維12同步進行吸附/脫附作用，依此類推，在此不多加贅述。

然而，本發明實施例之水回收系統中的殼體數量，以及各入口與出口的開啟/關閉狀態並未限定於前述實施例。任何能有效提升水回收效率之殼體配置與各入口與出口的狀態，皆可應用於本發明之水回收系統中。

再者，本發明實施例之熱交換器(如第1圖所繪示之熱交換器40)可連接於本發明之水回收系統中的各元件。舉例來說，當冷凝裝置30提供冰水以降低第二蒸氣的溫度，使第二蒸氣凝結成水後，由吸收第二蒸氣之熱量而溫度上升的冷凝水可藉由熱交換器40將熱量傳遞給第一殼體11或蒸發裝置20。

或者，蒸發裝置20蒸發水分時會帶走熱，使廢(污)水或海水的溫度降低，可利用熱交換器40將此一低溫廢(污)水或海水回收成冷流(冰水)，應用於水回收系統1之冷凝裝置30，以冷卻第二蒸氣，或者也可應用於其他的冷凍空調系統。

此外，當吸附裝置包括複數個殼體(如第2圖所繪示之第一殼體11-1、第二殼體11-2、第三殼體11-3及第四殼體11-4)，熱交換器也可於各個殼體間進行熱交換，以提供各個殼體內之矽凝膠中空纖維12熱量進行脫附作用。

在本發明實施例中，加熱吸附裝置使第二蒸氣脫附之溫度例如介於攝氏55至140度，此加熱溫度較低，藉由工廠廢熱或太陽能即可驅動脫附程序，可有效節省原生性能源消耗，屬一低能耗、操作維護簡便之水回收技術。

此外，本發明實施例將矽凝膠中空纖維12具結成束後，置入殼體中，其與殼體接觸面積較高，由熱傳公式Q=U×A×ln△T可知，熱傳量(Q,kcal)受熱傳面積(A,m²)、熱傳係數(U,kcal/m²hC)與對數溫度差(ln△T,℃)等參數影響，在相同溫度差條件下，相較於傳統的顆粒狀吸附劑，本發明實施例可提升熱傳面積及傳熱係數，矽凝膠121與流 體間的熱傳狀態可獲得改善。

以下係以本發明實施例之吸附劑與一比較例之吸附劑進行熱傳速率測試。第3A圖繪示本發明實施例之吸附劑裝填於玻璃雙套管18的示意圖。第3B圖繪示比較例之吸附劑裝填於玻璃雙套管18的示意圖。在此，本發明實施例之吸附劑例如為矽凝膠中空纖維12，比較例之吸附劑例如為顆粒狀矽凝膠15。

測試裝置為玻璃雙套管18，內管裝填吸附劑，導流冷、熱水通過玻璃雙套管18，藉以改變裝填其中之吸附劑的溫度，溫度計T埋設於吸附劑中間位置，並將升溫/降溫的結果分別繪示於第4、5圖。兩實驗裝填吸附劑重量相同，兩吸附劑材料特性如下表一所示。

第4圖繪示本發明實施例之吸附劑與比較例之吸附劑於95℃熱水加熱條件下之溫度變化，其中曲線C1代表本發明實施例之吸附劑的實驗結果，曲線C2代表比較例之吸附劑的實驗結果。第5圖繪示本發明實施例之吸附劑與比較例之吸附劑於室溫(約25℃)自來水降溫條件下之溫 度變化，其中曲線C3代表本發明實施例之吸附劑的實驗結果，曲線C4代表比較例之吸附劑的實驗結果。

由第4、5圖可明顯看出，無論是進行升溫(第4圖)或降溫(第5圖)，本發明實施例之吸附劑(矽凝膠中空纖維12，對應於曲線C1、C3)相較於比較例之吸附劑(顆粒狀矽凝膠15，對應於曲線C2、C4)，皆可在短時間內有較大的溫度變化。也就是說，本發明實施例之吸附劑(矽凝膠中空纖維12)的熱傳效果，明顯優於比較例之吸附劑(顆粒狀矽凝膠15)的熱傳效果。

接著，係以相似粒徑、孔洞尺寸不同之矽凝膠121，於相同黏著劑122混合比例下進行比較。下表二為實施例一、二之材料特性。

第6圖繪示實施例一之吸附劑與實施例二之吸附劑於不同的相對濕度(relative humidity,RH)條件下的含水率，其中曲線C5代表實施例一之吸附劑的實驗結果，曲線C6代表實施例二之吸附劑的實驗結果。

由第6圖可知，在相同的黏著劑122混合比例下，小孔徑(孔 洞體積較小，即實施例一，對應於曲線C5)相較於大孔徑(孔洞體積較大，即實施例二，對應於曲線C6)，於低水蒸氣壓的條件下，具有較高之吸附量，更適合提供水回收系統使用。

承上述各實施例與實驗，本發明之水回收系統及應用其進行水回收的方法，藉由將矽凝膠粉末以高分子黏著劑編織成中空纖維型態的矽凝膠，相較於傳統顆粒狀之吸附劑具有更低的吸附阻力與更快速的吸附/脫附速率，可提升產水效率、降低土地空間需求，並擴大其於水產業的應用。

綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧水回收系統

10‧‧‧吸附裝置

101‧‧‧第一端

102‧‧‧第二端

11‧‧‧第一殼體

111‧‧‧入口

112‧‧‧出口

12‧‧‧矽凝膠中空纖維

121‧‧‧矽凝膠

122‧‧‧黏著劑

20‧‧‧蒸發裝置

30‧‧‧冷凝裝置

40‧‧‧熱交換器

Claims (9)

1. 一種水回收系統，包括：一吸附裝置，具有一第一端與一第二端，該吸附裝置包括：一第一殼體；至少一矽凝膠中空纖維，設置於該第一殼體中；一入口開關，設置於該第一端；一出口開關，設置於該第二端；及一控制器，連接該入口開關與該出口開關，用以控制該入口開關與該出口開關開啟或關閉；一蒸發裝置，連接於該第一端；一冷凝裝置，連接於該第二端；以及一熱交換器，連接該冷凝裝置與該蒸發裝置或該第一殼體。
2. 如申請專利範圍第1項所述之水回收系統，其中該矽凝膠中空纖維包括一矽凝膠與一黏著劑。
3. 如申請專利範圍第2項所述之水回收系統，其中該矽凝膠與該黏著劑的重量比例介於6：1至3：1。
4. 如申請專利範圍第2項所述之水回收系統，其中該矽凝膠的重量比例介於70至85%。
5. 如申請專利範圍第2項所述之水回收系統，其中該矽凝膠的粒徑介於1至40μm。
6. 如申請專利範圍第2項所述之水回收系統，其中該矽凝膠包括複數個孔洞，該些孔洞的孔徑介於2至4nm。
7. 如申請專利範圍第2項所述之水回收系統，其中該黏著劑的重量比例介於15至30%。
8. 如申請專利範圍第1項所述之水回收系統，其中該吸附裝置更包括：一第二殼體，與該第一殼體平行排列，且該矽凝膠中空纖維設置於該第二殼體中。
9. 一種利用一水回收系統進行水回收的方法，該水回收系統包括：一吸附裝置，具有一第一端與一第二端，該吸附裝置包括：一第一殼體；至少一矽凝膠中空纖維，設置於該第一殼體中；一入口開關，設置於該第一端；一出口開關，設置於該第二端；及一控制器，連接該入口開關與該出口開關，用以控制該入口開關與該出口開關開啟或關閉；一蒸發裝置，連接於該第一端；一冷凝裝置，連接於該第二端；以及一熱交換器，連接該冷凝裝置與該蒸發裝置或該第一殼體。 該水回收的方法包括：將廢水或海水置於該蒸發裝置中；該蒸發裝置提供一真空環境，使該廢水或海水形成一第一蒸氣並進入該吸附裝置中； 該吸附裝置中的該矽凝膠中空纖維吸附該第一蒸氣，其中該入口開關係開啟，該出口開關係關閉；加熱該吸附裝置以形成一第二蒸氣；該吸附裝置脫附該第二蒸氣，使該第二蒸氣進入該冷凝裝置中，其中該入口開關係關閉，該出口開關係開啟；該冷凝裝置冷凝該第二蒸氣，使該第二蒸氣形成純水。