一种基于压力延滞渗透与反渗透的海水淡化装置及其方法

一种基于压力延滞渗透与反渗透的海水淡化装置及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于压力延滞渗透与反渗透的海水淡化装置，包括浓度差动力单元、海水淡化单元以及位于两个单元间的压力传递元件。浓度差动力单元包括中空的一号海水腔和与之相邻的中空的浓海水腔以及位于两腔室间的渗透膜，该单元用于将不同浓度的海水间的盐差能转化为静压力。海水淡化单元包括中空的二号海水腔和与之相邻的中空的淡水腔以及位于两腔室间只允许水分子透过的反渗透膜，在静压力下反渗透膜只允许水分子透过，从而进行海水淡化。压力传递元件可以移动或者变形，通过自身的位移或者变形而将静压力传递给二号海水腔。该装置结构紧凑，仅利用海水盐差能进行海水淡化，不消耗高品位能源，绿色环保。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明属于海水淡化【技术领域】，具体涉及一种利用盐差能的基于压力延滞渗透与 反渗透的海水淡化装置及其方法。 一种基于压力延滞渗透与反渗透的海水淡化装置及其方法

【背景技术】
[0002] 目前，大量的海上岛屿和岩礁淡水资源稀缺，迫切需要利用海水淡化技术制备淡 水，传统海水淡化的技术主要有：海水冻结法、电渗析法、蒸馏法、反渗透膜法。其中，蒸馏法 和反渗透膜法是主要的淡化方法，两者都依赖电能，传统用于发电的煤石油天然气资源面 临枯竭，并且电能无法传送至偏远岛屿，因此利用电能的海水淡化技术不能适应偏远岛屿， 利用电能的海水淡化技术中需要使用泵等动力辅助设备，致使其装置的结构复杂，占地面 积大、维护与运行成本高。
[0003] 盐差能是海水和淡水之间或两种不同浓度的海水之间的化学电位差能，是海洋能 中能量密度最大的一种可再生能源，据估算，我国沿海盐差能资源蕴藏量约为3. 9X1015J。 基于半透膜的压力延滞渗透（简称为PRO)系统是目前提取盐差能的方式之一，反渗透（简 称R0)是与PRO相对的技术，其在外界提供的压力下通过离子膜将浓度较高海水中的溶剂 反向渗透到离子膜的另一侧，可以用于海水淡化。
[0004] 目前，R0已经发展成为一种海水（和苦咸水）淡化技术，但是该反渗透系统工作 过程需要外界加压设备提供压力，传统方法中该压力是通过电能提供，需要消耗大量的高 品位能源，成本高且污染环境，不利于人类的可持续发展。


【发明内容】

[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用盐差能的基于压力 延滞渗透与反渗透的海水淡化装置及其方法，其目的在于将基于半透膜的压力延滞渗透技 术（简称PRO)和反渗透技术（简称R0)巧妙的结合起来，利用PRO系统获得静压力为R0 系统提供动力源，再利用R0技术进行海水淡化。由此解决传统方法中利用R0技术进行海 水淡化需要消耗高品位能源的问题。
[0006] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于压力延滞渗透与反渗 透的海水淡化装置，用于利用海水的盐差能对海水进行淡化，其特征在于，包括浓度差动力 单元和海水淡化单元，以及位于两个单元间用于分隔两个单元且将所述浓度差动力单元压 力传递给所述海水淡化单元的压力传递元件，其中，
[0007] 浓度差动力单元，其包括中空的一号海水腔和与之相邻的中空的浓海水腔以及位 于两腔室间以用于分隔两腔室且只允许水分子通过的的渗透膜，所述浓度差动力单元用于 将不同浓度的海水间的盐差能转化为静压力；
[0008] 海水淡化单元，其包括中空的二号海水腔和与之相邻的中空的淡水腔以及位于两 腔室间以用于分隔两腔室且只允许水分子通过的反渗透膜，所述海水淡化单元在静压力下 利用反渗透膜将水与杂质分离，进行海水淡化；
[0009] 压力传递元件，其位于所述浓海水腔和所述二号海水腔间，可以移动或者变形，以 用于分隔所述的浓海水腔和二号海水腔且将浓海水腔内的静压力通过自身的位移或者变 形而传递给所述二号海水腔；
[0010] 一号海水腔和浓海水腔内分别充满不同浓度的海水且浓海水腔内海水浓度高于 一号海水腔内海水浓度时，在渗透压的作用下，一号海水腔内水分子透过渗透膜进入浓海 水腔内，浓海水腔内体积增大而形成静压力，通过使压力传递元件移向海水淡化单元的二 号海水腔，使得二号海水腔内受静压力作用而完成海水淡化。
[0011] 进一步的，所述的压力传递元件与浓海水腔和二号海水腔之间的壁面紧密接触以 形成密封，用于防止浓海水腔和二号海水腔间形成泄漏，其优选为可变移动的活塞或可变 形的娃胶膜。
[0012] 进一步的，所述一号海水腔与浓海水腔间的渗透膜被第一多孔抗变形固定板固定 和支撑，以防止所述渗透膜在不同浓度海水的盐差能作用下破裂；所述二号海水腔与淡水 腔间的反渗透膜被第二多孔抗变形固定板固定和支撑，以防止所述反渗透膜在二号海水腔 内的压力作用下变形移动。
[0013] 进一步的，第一多孔抗变形板被固定在一号海水腔和浓海水腔间的壁面上，以防 止其在浓海水腔内海水作用下移动而消耗静压力；第二多孔抗变形板被固定在二号海水腔 和淡水腔间的壁面上，以防止其在二号海水腔内海水作用下移动而消耗压力能，从而保证 由浓度差动力单元提供的静压力全部作用于海水淡化单元。
[0014] 进一步的，所述一号海水腔、所述浓海水腔以及所述二号海水腔均在各自腔室的 相对的两个壁面的管道上分别安装有入口阀门、出口阀门，以分别用于海水的进入和排出， 所示淡水腔仅在其一个壁面管道上安装有出口阀门，以用于获得的淡水的排出。
[0015] 按照本发明的另一方面，提供了一种海水淡化系统，其包括至少二个如上所述的 装置进行相互串联，其中，下一级所述装置的二号海水腔入口阀门所在的管道连通上一级 所述装置淡水腔出口阀门所在的管道，以用于对海水进行多级淡化得到纯度更高的淡水。
[0016] 按照本发明的第三方面，提供了一种应用如上所述装置进行海水淡化的方法。
[0017] 进一步的，进行海水淡化时，向所述装置的一号海水腔、浓海水腔以及二号海水腔 内分别充入海水、浓海水以及淡海水，所述浓海水溶质浓度大于所述海水，所述淡海水溶质 浓度小于所述海水。
[0018] 进一步的，所述海水与浓海水形成的渗透压差大于所述淡海水和所述淡水腔中得 到的淡水间形成的渗透压差。
[0019] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有 益效果：
[0020] 1、本发明装置仅利用不同浓度海水间的盐差能进行海水淡化，与现有的海水淡化 系统相比，它无需借用电能等高品位的能源，其制取淡水的原料都取自于自然，不存在任何 污染环境的问题，绿色环保，经济适用。
[0021] 2、本发明装置的结构紧凑，无需外加电机和泵等驱动设备，可长期稳定的运行，无 高压原件，不存在爆炸和泄露等安全问题。
[0022] 3、本发明中海水淡化方法，由于仅仅利用不同浓度海水的盐差能，对于缺乏能源 供应的偏远海岛，其不受恶劣地域条件的限制即可进行海水淡化，从而能为人们的海上活 动扩展空间。
[0023] 4、本发明方法中将盐差能通过渗透膜转化为静压力能，同时将静压力能转化为淡 化海水的动力，最大限度的利用了盐差能，与现有技术中利用盐差能发电等利用方式相比， 本发明方法大大提高了盐差能能源的利用效率。

【专利附图】

【附图说明】
[0024] 图1是本实施例中压力传递元件为活塞的海水淡化装置结构示意图；
[0025] 图2是本实施例中压力传递元件为硅胶膜的海水淡化装置结构示意图。
[0026] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
[0027] 1-左侧固定环 2-渗透膜 3-第一多孔抗变形板
[0028] 4-左侧法兰 5-左侧法兰螺栓 6-左侧端盖
[0029] 7-海水入口阀门 8-浓海水入口阀门 9-淡海水入口阀门
[0030] 10-压力传递元件 11-箱体 12-右侧端盖
[0031] 13-右侧法兰螺栓 14-反渗透膜 15-第二多孔抗变形板
[0032] 16-右侧固定环 17-管道与箱体焊缝18-淡水出口阀门
[0033] 19-淡海水出口阀门 20-浓海水出口阀门21-海水出口阀门。

【具体实施方式】
[0034] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0035] 如图1和图2是本发明实施例的海水淡化装置，不同的是图1中压力传递元件为 活塞，图2中压力传递元件为硅胶膜。图1和图2中的水平方向的箭头表示溶剂的渗透方 向，在此，溶剂即为水。
[0036] 图1和图2中均具有四个腔室，分别为作为一号海水腔的腔室A、作为浓海水腔的 腔室B、作为二号海水腔的腔室C以及作为淡水腔的腔室D，四个腔室组成了箱体11的内部 空间，腔室A和腔室B以及两者之间设置的渗透膜2组成浓度差动力单元，腔室C和腔室D 以及两者之间设置的反渗透膜14组成海水淡化单元。其中，第一多孔抗变形板3用于支撑 渗透膜2,左侧固定环1用于将第一多孔抗变形板3固定在箱体11的左边壁上。同样的，第 二多孔抗变形板15用于支撑反渗透膜14,右侧固定环16用于将第二多孔抗变形板15固定 在箱体11的右边壁上。左右两侧支架固定环1和16的数量分别为两个，两个相同的支架 固定环卡在箱体的凹槽内，图中没有画出凹槽，但本发明并不限定其为凹槽，还可以是其他 的固定方式，通过卡在凹槽内而分别用于将左右两侧的第一、第二多孔抗变形板的两端固 定在箱体的上下壁上，从而使左右两侧的多孔抗变形板牢固固定在箱体11上。
[0037] 浓度差动力单元和海水淡化单元之间设置有压力传递元件10,以用于将浓度差动 力单元利用盐差能获得的静压力传递给海水淡化单元，从而使利用R0技术使海水淡化单 元在外界压力作用下进行海水淡化。压力传递元件10优选为可移动的活塞或者硅胶膜，但 是本发明对压力传递元件的材料、结构形式以及与箱体的固定方式不进行限制，只要其可 以传递压力且与箱体的密封性较好即可。
[0038] 左侧焊接法兰4是焊接在箱体壁用于密封连接的连接板，其与左侧端盖6通过左 侧法兰螺栓5紧固，为了保证密封性这两者间夹有密封圈（密封圈并没有在图中画出），即 完成了箱体的左侧的密封。同样的，右侧焊接法兰是焊接在箱体11壁用于密封连接的连接 板，其与右侧端盖6通过右侧法兰螺栓13紧固，为了保证密封性这两者间夹有密封圈（密 封圈并没有在图中画出），即完成了箱体右侧的密封。
[0039] 腔室A处箱体的两侧的壁上分别装置有海水入口管道和海水出口管道，以用于海 水的进入腔室A和排出腔室A，在海水入口管道和出口管道上分别装有海水入口阀7和海水 出口阀21，以分别控制各自管道的开闭。同样的，腔室B处的箱体的两侧壁上分别装置有浓 海水入口管道和浓海水出口管道，以用于浓海水的进入腔室B和排出腔室B，在浓海水入口 管道和浓海水出口管道上分别装有浓海水入口阀8和浓海水出口阀20,以分别控制各自管 道的开闭。同样的，腔室C处箱体的两侧的壁上分别装置有淡海水入口管道和淡海水出口 管道，以用于淡海水的进入腔室C和排出腔室C，在淡海水入口管道和淡海水出口管道上分 别装有淡海水入口阀9和淡海水出口阀19,以分别控制各自管道的开闭。与前三个腔室不 同的是，腔室D仅在箱体一侧的壁上开有淡水出口管道，在该管道上设置有淡水出口阀18， 用于排出获得的淡水。本发明中，海水入口阀7与淡水出口阀18是常开阀门，其他阀门根 据需要开闭。
[0040] 本实施例中，17为管道与箱体焊缝，即箱壁上的入口管道以及出口管通过焊接与 箱体实现连接，但本发明中不对其固定方式进行限定。
[0041] 本发明装置的工作原理为：
[0042] 当腔室A和腔室B中分别充满海水、浓海水时，当两者浓度存在浓度差时，在腔室A 和腔室B之间的渗透膜作用下，溶质浓度较低的腔室A内的溶剂（本实施例中溶剂即为水 分子）通过渗透膜进入溶质浓度较高的腔室B内，进腔室B内的溶剂增多，结果是腔室B内 部压力增大，浓度变低。
[0043] 一方面，腔室B内压力增大后致使与其内部海水挤压压力传递元件使其向海水淡 化单元的方向移动，同时使位于压力传递元件另一侧并与之接触的腔室C内的淡海水受 压，淡海水在压差能作用下水分子透过反渗透膜到达腔室D，完成了海水淡化。
[0044] 另一方面，由于腔室B内的溶剂不断增加，其浓度逐渐下降，当腔室B内海水的浓 度下降到与腔室A内的海水的浓度相平衡时，腔室A内溶剂不再进入腔室B内，腔室B内的 体积不再增大，也不能推动压力传递元件向海水淡化单元移动，海水淡化单元失去压力作 用，无法进行反渗透过程。此时，需要更换腔室B内的海水或者采用其他方式增加腔室B内 海水浓度使其恢复为浓度较高的海水。
[0045] 本发明中，为使生产的淡水更加纯净，可将图1所示的装置逐级串联起来，即上一 级的淡水出口与下一级的淡海水入口相连接，如此可提高淡水的纯度。本实施例中，只给出 了一级海水淡化装置，但本发明中不对淡化装置的级数进行限制，其串联生产更纯净的淡 水的装置和方法都属于本发明的保护范围之内。
[0046] 本发明中，海水为由当地海水浓度确定，浓海水是比海水中溶质浓度更高的海水， 淡海水是比海水浓度低的海水。本发明中，海水的浓度高低是相对而言的，并没有具体规 定，可根据实际情况确定，本发明中不进行具体限定。
[0047] 本发明中，进入装置内的海水和淡海水首先经过预处理去除其中的泥沙及其他的 颗粒杂质保证渗透膜与反渗透膜的正常工作。本发明中，海水、浓海水、淡海水预处理设备 均未给出，可以根据需要选择既节能经济性又好的前处理设备。
[0048] 本发明实施例中，高浓度海水可通过添加 NaCl (即盐）来调整浓度差，但此方法只 作为调整海水高低浓差的一种方法，并不是本发明的唯一方案，本发明对调整高低浓度差 的方法不进行具体限定。
[0049] 本发明中，高低浓度海水各自浓度的确定决定了两者之间的浓度差，而浓度差的 高低直接影响着海水淡化的效果，理论上浓度差越大，浓度差动力单元提供的压力差越大， 海水淡化的效果越好。根据实际使用中渗透膜的性质，确定该膜使用寿命较长时候对应的 浓度差，具体情况根据生产实际综合衡量和选择，本发明中不进行具体限定。
[0050] 本发明中，高低浓度海水各自对应腔室的容积大小根据海水淡化所需的压力差、 高低浓度海水通过渗透后最终平衡的体积比来确定，本发明中不进行具体限定。
[0051] 本发明中渗透膜、反渗透膜根据各自两侧海水的浓度选取，本发明中不进行具体 限定。
[0052] 本发明中支撑架优先选用抗变形能力强的，不易被海水腐蚀的材料，本发明不进 行具体限定。
[0053] 本发明方法中，更换海水的时间根据海水的浓度、浓海水的浓度、淡海水的浓度及 腔室A、腔室B的体积计算确定。为了提高生产淡水的效率可设置海水更换的时间略小于计 算的平衡时间，但考虑经济性更换海水的时间不能设置的过小。
[0054] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种基于压力延滞渗透与反渗透的海水淡化装置，利用海水的盐差能进行海水淡 化，其特征在于，其包括浓度差动力单元和海水淡化单元，以及位于两个单元间用于分隔两 个单元且将所述浓度差动力单元获取的压力能传递给所述海水淡化单元的压力传递元件， 其中， 浓度差动力单元，其包括中空的一号海水腔和与之相邻的中空的浓海水腔以及位于两 腔室间以用于分隔两腔室的渗透膜，由于该渗透膜存在，盐度较小的一号海水腔中海水中 水分子可在盐差能作用下渗透到盐度较大的浓海水腔中，并由于液体的可压缩性差，使得 浓海水腔压力增大，实现将盐差能渗透压转化为静压力； 压力传递元件，其可在浓海水腔的静压力增大时移动或者变形，从而将所述静压力传 递给所述海水淡化单元； 海水淡化单元，其包括中空的二号海水腔和与之相邻的中空的淡水腔以及位于两腔室 间用于分隔两腔室且只允许二号海水腔内海水中的水分子渗透到淡水腔的反渗透膜，所述 二号海水腔受所述静压力作用从而使二号海水腔中的海水中水分子通过所述反渗透膜进 入淡水腔，实现海水淡化。
2. 如权利要求1所述的一种基于压力延滞渗透与反渗透的海水淡化装置，其特征在 于，所述的压力传递元件优选为可移动的活塞或可变形硅胶膜，其位于浓海水腔和二号海 水腔之间以用于传递压力。
3. 如权利要求1或2所述的一种基于压力延滞渗透与反渗透的海水淡化装置，其特征 在于， 所述一号海水腔与浓海水腔间的渗透膜被第一多孔抗变形固定板固定和支撑，以防止 所述渗透膜在不同浓度海水的盐差能作用下移动或者破裂； 所述第一多孔抗变形固定板被固定在一号海水腔和浓海水腔之间，以防止其在浓海水 腔内海水作用下移动而消耗静压力。
4. 如权利要求1-3之一所述的一种基于压力延滞渗透与反渗透的海水淡化装置，其特 征在于， 所述二号海水腔与淡水腔间的反渗透膜被第二多孔抗变形固定板固定和支撑，以防止 所述反渗透膜在二号海水腔内的压力作用下移动或者破裂； 所述第二多孔抗变形板被固定在二号海水腔和淡水腔间，以防止其在二号海水腔内海 水作用下移动而消耗静压力，从而保证由浓度差动力单元提供的静压力全部作用于海水淡 化。
5. 如权利要求1-4之一所述的一种基于压力延滞渗透与反渗透的海水淡化装置，其特 征在于，所述一号海水腔、所述浓海水腔以及所述二号海水腔均在各自腔室的相对的两个 壁面上安装有管道，且相对两个壁面的管道上分别安装有入口阀门、出口阀门，以分别用于 海水的进入和排出，所述淡水腔仅在其一个壁面安装有管道，且该管道上安装有出口阀门， 以用于海水淡化获得的淡水的排出。
6. -种海水淡化系统，其包括至少2个如权利要求1-5之一所述的海水淡化装置进行 相互串联，其中，串联形成的下一级所述的装置的二号海水腔入口阀门所在的管道连通上 一级所述装置的淡水腔出口阀门所在的管道，以用于进行多级海水淡化得到纯度更高的淡 水。
7. -种应用如权利要求1-6之一所述装置进行海水淡化的方法。
8. 如权利要求7所述的一种海水淡化方法，其特征在于，进行海水淡化时，向所述装置 的一号海水腔、浓海水腔以及二号海水腔内分别充入海水、浓海水以及淡海水，所述浓海水 溶质浓度大于所述海水，所述淡海水溶质浓度小于所述海水。
9. 如权利要求7或8所述的一种海水淡化方法，其特征在于，进行海水淡化时，所述海 水与浓海水形成的渗透压差大于所述淡海水与所述淡水腔中得到的淡水间形成的渗透压 差。
【文档编号】C02F103/08GK104098158SQ201410314434
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月2日 优先权日:2014年7月2日
【发明者】舒良锁, 靳世平, 黄素逸, 郭少博, 谭凯, 丁文武, 王喜云, 梁鑫, 谭景艺, 周宇, 刘小康, 杨洪雷, 曾志东 申请人:华中科技大学