一种电场作用下水合物法海水淡化的方法及实现该方法的装置与流程

本发明属于水合物法海水淡化技术领域，具体涉及一种电场作用下水合物法海水淡化的方法及实现该方法的装置。

背景技术：

随着世界人口增长、现代工业的高速发展，淡水资源匮乏已经成为当今世界面临的非常严峻的全球性问题。目前为止，海水淡化技术已有20多种。其中，主要有热法(如med、msf等)和膜法(如ro)。传统技术方法存在着能耗大、成本高和结垢严重等缺点，需要开发更加经济环保的方法。水合物法海水淡化是利用较易生成水合物的小分子物质与海水中的水分子生成笼状水合物晶体，固液分离后，固体水合物分解即可得到淡水。水合物法海水淡化技术以工艺简单、能耗成本低等特点作为一种解决淡水资源紧缺的有效手段，越来越受到沿海地方政府的广泛关注。本技术的关键：一是需要水合剂在较温和条件下快速形成水合物，；二是固液分离，即水合后的水合物固相与剩余盐水的分离。

而目前的困境是，生成条件较温和的c3clf、ch3br、chcl2f等水合剂毒性较大，不适合淡化饮用水；而相对清洁的co2、c3h8等水合剂生成条件较高，需要添加水合物促进剂，而水合物促进剂一般都是有毒有污染的。同时剩余盐水中的各种离子会包裹或吸附在水合物固相，从而降低水合物法海水淡化效率。上述两个关键问题已经成为水合物法海水淡化技术推广与应用的瓶颈。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电场作用下水合物法海水淡化的方法及实现该方法的装置。本发明在外加电场作用下，海水中的淡水与水合剂快速形成固态水合物，而残余的阴、阳离子分别在阴、阳两室富集，从而提高高效的水合过程提高海水淡化效率和产量；本技术不需要添加任何水合物促进剂，清洁环保，可应用于海水淡化、溶液脱盐等技术领域。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

本发明的目的是提供一种电场作用下水合物法海水淡化的方法，包括以下步骤：

(1)海水经澄清预处理后，经第一离心泵通过海水供给管路输送到水合物生成容器，同时水合剂由水合剂容器经减压阀和混合阀通过第一水合剂输送管路输送进入水合物生成容器；

(2)在水合物生成容器内设置有外加电场，海水和水合剂充分搅拌混合，在外加电场作用下，海水中的淡水与水合剂快速形成固态水合物，海水中的残余的阴离子和阳离子分别在阳室和阴室富集；阴室和阳室内富集的盐水经盐水排出管路排出，水合物浆相经第二离心泵通过水合物浆相输出管路进入水合物分解容器；

(3)在水合物分解容器内，水合物浆相在经搅拌充分分解获得淡化水和不溶于水的水合剂，淡化水通过淡化水输送管路进入淡水收集容器，收集的水合剂通过第二水合剂输送管路与通过所述第一水合剂输送管路输送的水合剂经混合阀混合后，进入所述水合物生成容器再次和海水生成水合物，如此形成一个海水淡化循环工艺。水合物浆相在常温常压下经搅拌充分分解获得淡化水和不溶于水的水合剂。

本发明在外加电场的约束作用下，海水体系中的阴、阳离子分别在电场的正、负两级富集，从而减少离子在水合物形成区域的浓度，并避免离子在水合物相吸附；同时，外加电场会强化海水的水合过程。简而言之，本技术特征是以外加电场从约束海水离子分布和强化海水水合过程两个关键环节来提高水合法海水淡化技术的有效性和可靠性。本技术工艺简单可行、无添加无二次污染、淡化效率高、能耗成本低，可广泛应用于海水、苦盐水的淡化过程。

优选地，步骤(1)中所述水合剂选自co2或c3h8。co2或c3h8易于与水反应形成水合物晶体、生成水合物的水合数较大、难溶于水或对水质无污染的清洁物质。

优选地，步骤(2)中所述阳离子包括na⁺、ca²⁺、mg²⁺或k⁺中的至少一种，所述阴离子包括cl^-、so4^2-或hco3^-中的至少一种。

优选地，所述外加电场为直流电源电场，所述直流电源电场的电压为1～110v。

进一步的，所述外加电场的电压为1～36v。外加电场为在水合物形成区域外围设置的的直流电场，其电压为1～36v，优选直流电场为水平方向。在本发明中外加电场只是约束离子分布，无需较高电压电场，从而使能耗成本降低。

本发明的另一个目的是提出一种实现电场作用下水合物法海水淡化的方法的装置，包括海水输入模块、水合剂供给模块、水合物生成模块、水合物分解模块、淡水收集模块和外电场模块，所述水合物生成模块包括水合物生成容器和水合物浆相输出管路，所述水合物生成容器顶部设置有水合剂入口，所述水合剂供给模块包括水合剂容器和第一水合剂输送管路，所述水合剂容器顶部设置有水合剂出口，所述水合剂出口与所述水合剂入口通过第一水合剂输送管路连通，所述水合物生成容器上设置有海水输入口，所述海水输入模块包括海水澄清池和海水供给管路，海水经所述海水澄清池后通过海水供给管路与所述海水输入口连通；所述水合物生成容器上还设置有水合物浆相输出口，所述水合物分解模块包括水合物分解容器和第二水合剂输送管路，所述水合物分解容器上设置有水合物浆相输入口，所述水合物浆相输出口通过水合物浆相输出管路与所述水合物浆相输入口连通，所述水合物分解容器顶部设置有水合剂输出口，所述水合剂输出口通过第二水合剂输送管路与所述第一水合剂输送管路中的混合阀连接，所述淡水收集模块包括淡化水输送管路和淡水收集容器，所述水合物分解容器中的淡水通过淡水收集模块中的淡化水输送管路与所述淡水收集容器连通；所述外电场模块包括直流电源和与所述直流电源通过导线连接的阴电极板和阳电极板，所述阳电极板和所述阴电极板设置于所述水合物生成容器内部，所述外电场模块给所述水合物生成容器提供恒定电场。

与现有技术水合物法淡化海水的工艺相比，现有技术基本停留在对水合剂或水合促进剂选择以及工艺联产或节能等优化和设计，而无一能从本质上解决水合过程中的离子在水合物晶体的吸附及其去除难题；现有的去除离子方法也局限于或离心脱除或水洗等或工艺复杂或需要消耗额外淡水或能耗能耗成本高或淡化效率低。本发明提供一种外电场强化水合物法海水淡化的方法与装置，其技术特征是以外加电场来强化水合物形成过程；同时以外加电场约束离子分布从本质上解决离子吸附难题，无需后续的离子脱除过程。

与现有技术公开的电场海水淡化的工艺相比:一是本技术采用电场的本质只是约束离子分布，技术核心是通过水合过程来获得淡水，而现有技术是通过电场的极化反应或加速作用直接获得阴阳离子产品；二是本技术采用弱电场(只需要1～36v电压)，而已有专利技术的淡化效率和能力高度依赖于电场电压，需采用较高电压电场，且淡化效率较低(一般不到60％)；三是采用电场的技术作用和技术目的是强化水合物法海水淡化的形成分解过程。

优选地，所述水合物生成模块还包括将电场作用下富集的盐水排出的盐水排出管路。

优选地，所述水合物生成容器为耐高压的反应釜，所述釜体内腔通过阴室隔板和阳室隔板分割为阴室、水合物相室和阳室，所述海水和所述水合剂在外加电场作用下在所述水合相室中反应形成水合物。在本发明中，高压为0～10mpa。反应釜釜体为圆柱体，中间是圆的，圆柱体两侧拉长，两侧拉长即狭长区域用来放置外加电场的电极。

进一步的，所述阳室隔板和所述阴室隔板上均设置有便于离子通过而阻碍水合物颗粒通过的微孔，所述微孔直径为0.1～1mm。微孔尺寸的设计可使离子从水合物相侧进入阴室和阳室，而水合物颗粒却不能通过。

优选地，所述阳室隔板和所述阴室隔板的材质为聚四氟乙烯。

本发明的有益效果是：

(1)直接利用外加电场对海水体系中的阴阳离子进行约束，从而解决离子在水合物相吸附、淡化效率低等问题；

(2)在电场促进作用下水合物可快速形成，因而不需要添加任何水合物添加剂，整个工艺无添加无污染，淡化速率快；

(3)系统结构合理紧凑，满足工业生产要求，运行过程稳定可靠，成本低廉，节能环保，可应用于海水淡化、苦盐水淡化、溶液脱盐等技术领域。

附图说明

图1为本发明一种外电场作用下水合物法海水淡化装置及方法工作流程示意图；

图2为本发明外电场作用下水合物法海水淡化装置及方法的釜体与外加电场布置示意图；

附图标记：1、水合剂罐；2、第一水合剂输送管路；3、减压阀；4、混合阀；5、水合物生成罐；51、阴电极板；52、阳电极板、53、阴室隔板、54、阳室隔板；55、阴室；56、水合物相室；57、阳室；6、搅拌器；7、直流电源；8、海水澄清池；9、第一离心泵；10、第二离心泵；11、水合物分解罐；12、淡水收集罐；13、海水供给管路；14、水合物浆相输出管路；15、盐水排出管路；16、第二水合剂输送管路；17、淡化水输送管路。

具体实施方式

下面结合具体实例，进一步阐明本发明。应该理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的保护范围。在实际应用中技术人员根据本发明做出的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

除特别说明，本发明使用的设备和试剂为本技术领域常规市购产品。图1中箭头方向表示水合剂的流动方向。

一种电场作用下水合物法海水淡化的方法，包括以下步骤：

(1)海水经澄清预处理后，经第一离心泵通过海水供给管路输送到水合物生成容器，同时水合剂由水合剂容器经减压阀和混合阀通过第一水合剂输送管路输送进入水合物生成容器；

(2)在水合物生成容器内设置有外加电场，海水和水合剂充分搅拌混合，在直流电源电场作用下，海水中的淡水和水合剂进行水合反应形成固态水合物，而残余的阳离子(na⁺、ca²⁺、mg²⁺或k⁺等阳离子)和阴离子(cl^-、so4^2-或hco3^-等阴离子)分别在阳室和阴室富集。然后，阴室和阳室内富集的盐水经盐水排出管路排出，水合物浆相经第二离心泵通过水合物浆相输出管路进入水合物分解容器；

(3)在水合物分解容器内，水合物浆相在一定条件下经搅拌充分分解获得淡化水和不溶于水的水合剂，淡化水通过淡化水输送管路进入淡水收集容器，收集的水合剂通过第二水合剂输送管路与通过所述第一水合剂输送管路输送的水合剂经混合阀混合后，进入所述水合物生成容器再次和海水生成水合物，如此形成一个海水淡化循环工艺。

在本发明中，水合剂是易于与水反应形成水合物晶体，生成水合物的水合数较大，难溶于水或对水质无污染的物质，步骤(1)中水合剂选自co2或c3h8。直流电源电场的电压为1～110v，本发明人在实际试验中发现，外加电场的电压为1～36v时，其淡化效果最好。在本发明中外加电场只是对阴阳离子加以约束，无需较高电压电场，从而使能耗成本降低，优选直流电源为水平方向。

实现电场作用下水合物法海水淡化的方法的装置中的各个容器其可以选择设备、塔、储罐或者任何可以实现本发明的方法的储存容器均可，在下述实施例中，各个容器选用储罐。

实施例

一种实现电场作用下水合物法海水淡化的方法的装置，包括海水输入模块、水合剂供给模块、水合物生成模块、水合物分解模块、淡水收集模块和外电场模块，所述水合物生成模块包括水合物生成罐5、水合物浆相输出管路14和将电场作用下富集的盐水排出的盐水排出管路15，水合物生成罐5顶部设置有水合剂入口，水合剂供给模块包括水合剂罐1和第一水合剂输送管路2，水合剂罐顶部设置有水合剂出口，水合剂出口与水合剂入口通过第一水合剂输送管路2连通，水合物生成罐5上设置有海水输入口，海水输入模块包括海水澄清池8和海水供给管路13，海水经海水澄清池8后通过海水供给管路13与海水输入口连通；水合物生成罐5上还设置有水合物浆相输出口，水合物分解模块包括水合物分解罐11和第二水合剂输送管路16，水合物分解罐11上设置有水合物浆相输入口，水合物浆相输出口通过水合物浆相输出管路14与水合物浆相输入口连通，水合物分解罐11顶部设置有水合剂输出口，水合剂输出口通过第二水合剂输送管路16与第一水合剂输送管路2中的混合阀4连接，淡水收集模块包括淡化水输送管路17和淡水收集罐12，水合物分解罐11中的淡水通过淡水收集模块中的淡化水输送管路17与淡水收集罐12连通；外电场模块包括直流电源7和与直流电源7通过导线连接的阴电极板51和阳电极板52，阴电极板51和阳电极板52设置于水合物生成罐11内部，外电场模块给水合物生成罐11提供恒定电场。

水合物生成罐5为耐高压的反应釜，釜体内腔通过阴室隔板53和阳室隔板54分割为阴室55、水合物相室56和阳室57，海水和水合剂在外加电场作用下在所述水合相室中反应形成水合物。在本实施例中，水合剂选择co2和c3h8。在电场作用下，co2和c3h8其海水淡化效率分别达88％和90％，明显优于现有技术水平60％～70％。在本实施例中，高压为0～10mpa。反应釜釜体为圆柱体，中间是圆的，圆柱体两侧拉长，两侧拉长即狭长区域用来放置外加电场的电极。

在本实施例中，水合剂是易于与水反应形成水合物晶体，生成水合物的水合数较大，难溶于水或对水质无污染的物质，步骤(1)中水合剂选自co2或c3h8。直流电源电场的电压为1～110v，本发明人在实际试验中发现，外加电场的电压为1～36v时，其淡化效果最好。在本实施例中外加电场只是约束离子分布，无需较高电压电场，从而使能耗成本降低，优选直流电源为水平方向。

阳室隔板和阴室隔板上均设置有用于离子通过而阻碍水合物颗粒通过的的微孔，微孔直径为0.1～1mm。阳室隔板和所述阴室隔板的材质为聚四氟乙烯。

该装置的工艺流程是：

(1)海水经海水澄清池8预处理后，经第一离心泵9通过海水供给管路13输送到水合物生成罐5，同时水合剂由水合剂罐1先后经第一水合剂输送管路2中的减压阀3和混合阀4后输送进入水合物生成罐5；

(2)在水合物生成罐5内设置有直流电源电场，海水和水合剂经搅拌器6充分搅拌混合，在直流电源电场作用下，海水中的淡水和水合剂进行水合反应形成固态水合物，而残余的阳离子(na⁺、ca²⁺、mg²⁺或k⁺等阳离子)和阴离子(cl^-、so4^2-或hco3^-等阴离子)分别在阳室和阴室富集。水合物浆相经第二离心泵10通过水合物浆相输出管路14进入水合物分解罐11，然后，阴室和阳室内富集的盐水经盐水排出管路15排出，；

(3)在水合物分解罐11内，水合物浆相在常温常压下经搅拌器6搅拌充分分解获得淡化水和不溶于水的水合剂，淡化水通过淡化水输送管路17进入淡水收集罐，收集的水合剂通过第二水合剂输送管路16与通过第一水合剂输送管路2输送的水合剂经混合阀4混合后，进入水合物生成罐再次和海水生成水合物，如此形成一个海水淡化循环工艺。

以上对本发明提供的一种电场作用下水合物法海水淡化的方法及实现该方法的装置进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。