自清洁海水脱盐装置及方法与流程

本发明涉及海水脱盐处理系统及方法，尤其涉及一种自清洁海水脱盐装置及方法。

背景技术：

随着经济的迅速发展和人口的急剧增加，人们对淡水资源的需求越来越大，导致出现了严重的用水危机。水资源短缺、水资源分布不均匀、水资源污染问题成为21世纪一大难题。在整个水圈中，淡水资源仅占水资源总量的3％，在这3％的淡水资源中，能够被人类直接利用的淡水资源只占0.00768％，而海水占97％，储量巨大，获取成本低，因此海水淡化技术成为人们解决水资源短缺问题的关键。

当前海水淡化技术主要有蒸馏法、反渗透法、电渗析法等。但是蒸馏法易结垢结构、易腐蚀，反渗透法需要在高压的条件下才能完成，而MD海水脱盐技术可以摆脱盐浓度极限的问题，在海水脱盐领域存在很大的优势。MD膜理论脱盐率可达99.99％以上，海水中存在的有机污染物会对膜产生污堵，从而引起渗透通量下。

技术实现要素：

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种适用于沿海城市家庭或沿海工厂使用的效果好、成本低、寿命长的海水脱盐装置和方法，可以对海水进行脱盐处理，并自动清洁，方便沿海家庭日常使用，从而解决用水紧张等问题，实现节约水资源的目的。

技术方案：本发明所述的自清洁海水脱盐装置包括：

进水模块，用于将海水中的Ca2+离子和Mg2+离子去除，并将去除离子后的海水引入膜处理模块；

膜处理模块，内设有若干膜处理单元和加热单元，所述膜处理单元包括涂有纳米光催化剂活性层的PVDF疏水微孔膜和由PVDF疏水微孔膜构成的空腔，空腔内为冷侧，空腔外为热侧，所述加热单元设置于热侧底部，所述膜处理模块用于使用加热单元对进水模块引入至热侧的海水进行加热，形成水蒸气，使水蒸气以冷热侧温度差为驱动力进入冷侧，再冷凝液化后形成淡水；

集水模块，用于收集膜处理单元内的淡水；

冷凝模块，用于将从膜处理模块引入的淡水进行制冷后形成冷水；

水循环模块，用于将膜处理单元内的淡水输送至集水模块进行收集，以及将膜处理模块的水输送至冷凝模块进行制冷，还用于将冷凝模块的冷水输送至膜处理模块的冷侧以冷凝水蒸气。

进一步的，所述进水模块具体包括海水池、进水泵和离子去除设备，进水泵通过管道连接海水池和离子去除设备，离子去除设备通过管道连接至膜处理模块的热侧。

进一步的，所述膜处理单元具体为板装结构，横截面为大致矩形或大致扁圆形。

进一步的，所述膜处理单元成辐射式摆放在所述膜处理模块内。

进一步的，所述纳米光催化剂为ZnO纳米光催化剂、TiO₂纳米光催化剂和Al₂O₃纳米光催化剂中的一种。

进一步的，所述冷凝模块具体包括冷水池和位于冷水池内的制冷设备。

进一步的，所述水循环模块具体包括：

第一管道，用于将膜处理单元内的淡水输送至集水模块进行收集；

第二管道，用于将集水模块的水输送至冷凝模块进行制冷；

第三管道，用于将冷凝模块的冷水输送至膜处理模块的冷侧以冷凝水蒸气。

进一步的，所述膜处理模块内还设有液位控制器，用于在膜处理模块的海水液位低于预设水位时，控制进水泵自动补给海水。

进一步的，所述膜处理模块内还设有可见光灯和太阳能电池板，太阳能电池板连接加热单元和可见光灯，进行供电。

本发明所述的基于上述自清洁海水脱盐装置的脱盐方法，包括以下步骤：

(1)打开进水泵，将海水池里的海水经过离子去除设备去除Ca2+、Mg2+离子后，引入膜处理模块；

(2)制冷设备对冷水池内的水进行制冷，并输送至膜处理模块的冷侧，使冷侧水温维持在20℃～35℃；

(3)加热单元对膜处理模块的热侧进行加热，使热侧温度维持在50℃～85℃；

(4)热侧海水受热后生成水蒸气，透过PVDF疏水微孔膜的微孔进入冷侧，冷侧在冷水作用下冷凝液化为淡水；

(5)集水模块将液化的淡水进行收集，还将一部分输送至冷凝模块进行冷凝；

(6)运行预设时间段后，采用光照照射PVDF疏水微孔膜，使表面的纳米光催化剂活性层发生光催化反应，降解微孔内的有机物；

(7)当检测到热侧的海水盐浓度高于预设浓度时，采用进水模块将热侧的海水进行更换。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明兼具自清洁技术和海水低成本脱盐技术的优点，是海水脱盐处理的有效手段。涂有纳米光催化剂活性层的PVDF疏水微孔膜只允许水蒸气通过，实现了海水中盐和水的分离，当疏水膜受到太阳光照射后，掺杂在PVDF疏水微孔膜上的纳米光催化剂可以对疏水膜表面上膜孔里堵塞的有机物进行光催化降解，达到自清洁的目的，延长纳米光催化剂掺杂PVDF疏水微孔膜的使用寿命，使膜能在长时间内保持较高的膜通量。PVDFPTFE等高分子材料制备的MD膜具有耐紫外、可见光辐射，稳定性高等优点。本发明方法对海水的脱盐效果极佳，且可供沿海家庭长期使用而不需要清洗，并且整套装置均为太阳能供能，符合当前节能减排的要求，从而具有较强的实用性和广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明提供的自清洁海水脱盐装置的一个实施例的系统框图；

图2是图1中膜处理单元的一个实施方式的结构示意图；

图3是图1中膜处理单元的另一实施方式的结构示意图；

图4是图1中膜处理模块的横截面示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种自清洁海水脱盐装置，如图1所示，包括进水模块1、膜处理模块2、集水模块3、冷凝模块4和水循环模块。

如图1所示，进水模块1具体包括海水池101、进水泵102和离子去除设备103，进水泵102通过管道连接海水池101和离子去除设备103，离子去除设备103通过管道连接至膜处理模块2的热侧，离子去除设备103可以去除海水中的Ca2+、Mg2+离子，防止形成水垢堵塞PVDF疏水微孔膜中的微孔。

如图1所示，膜处理模块2内设有若干膜处理单元201和加热单元202，膜处理单元201包括涂有纳米光催化剂活性层的PVDF疏水微孔膜201a和由PVDF疏水微孔膜201a构成的空腔201b，具体为板装结构，图2和图3是膜处理单元201的两种可选形状，图2膜处理单元201的横截面为大致矩形，图3膜处理单元201的横截面为大致扁圆形。如图4所示，膜处理单元201成辐射式摆放在膜处理模块2内，可以理解的，膜处理单元201也可以是其他摆放形式，例如成排列的形式，交错布置的形式等等。空腔201b内定义为冷侧，空腔201b定义外为热侧，加热单元202设置于热侧底部。PVDF疏水微孔膜201a上涂的纳米光催化剂为ZnO纳米光催化剂、TiO₂纳米光催化剂和Al₂O₃纳米光催化剂中的一种，当然也可以是其他能够进行光催化的纳米光催化剂。作为膜处理模块2的优选设置，膜处理模块2还可以设置液位控制器、可见光灯和太阳能电池板，太阳能电池板连接加热单元和可见光灯，进行供电，液位控制器用于在膜处理模块的海水液位低于预设水位时，控制进水泵自动补给海水，可见光灯用于发射可见光。

如图1所示，集水模块3具体为集水池。冷凝模块4具体包括冷水池401和位于冷水池401内的制冷设备402。水循环模块具体包括：第一管道501、第二管道502和第三管道503，第一管道501用于将膜处理单元201内的淡水输送至集水模块3进行收集；第二管道502用于将膜处理单元201的水输送至冷凝模块4进行制冷；第三管道503用于将冷凝模块4的冷水输送至膜处理模块2的冷侧以冷凝水蒸气。

该装置的工作原理为：海水进入膜处理模块后，加热单元对热侧的海水进行加热，在温度传感器的控制下下，当水温达到一定温度后，海水生成水蒸气进入涂有纳米光催化剂活性层的PVDF疏水膜微孔进入冷侧，冷侧有来源于泠凝模块的冷水，可以对进入的水蒸气进行冷凝液化，形成淡水，淡水进入收集池，还有一部分淡水通过冷凝模块冷凝后返回进入冷水池，冷水池里多出的水还定期排向集水池3。运行一段时间后，PVDF疏水微孔膜上涂有纳米光催化剂活性层接受太阳光照后，可对堵塞在微孔内的有机物进行光催化降解，保证微孔膜在长时间内保持较高的膜通量。另外，当膜处理模块中的海水中盐浓度较高时，为保证一定的膜通量，所述进水模块会将膜处理模块中的海水更换。

实施例2

本实施例为基于实施例1的装置的脱盐方法，采用涂有ZnO纳米光催化剂的20cm*30cm的PVDF疏水微孔膜，膜处理模块里安装4个膜处理单元，呈“十”字排列，本实施例包括步骤：

(1)打开进水泵，将海水池里的海水以7kg/h的流量经过离子去除设备去除Ca2+、Mg2+离子后，引入膜处理模块；

(2)制冷设备对冷水池内的水进行制冷，并输送至膜处理模块的冷侧，使冷侧水温维持在20℃～35℃；

(3)加热单元对膜处理模块的热侧进行加热，使热侧温度维持在50℃～85℃；

(4)热侧海水受热后生成水蒸气，透过PVDF疏水微孔膜的微孔进入冷侧，冷侧在冷水作用下冷凝液化为淡水；

(5)集水模块将液化的淡水进行收集，还将一部分输送至冷凝模块进行冷凝；

(6)运行预设时间段后，采用光照照射PVDF疏水微孔膜，使表面的ZnO光催化剂活性层发生光催化反应，降解微孔内的有机物，保证疏水膜长期保持较大的通透率，达到自清洁；

(7)当检测到热侧的海水盐浓度高于预设浓度时，采用进水模块将热侧的海水进行更换。

最终每小时可以获得7.5kg的脱盐海水，若每天运行20小时，城市居民人均用水以120L/d计算，该装置可提供城市居民一人一天的用水量。

实施例3

本实施例为基于实施例1的装置的脱盐方法，采用涂有TiO₂纳米光催化剂的20cm*30cm的PVDF疏水微孔膜，膜处理模块里安装90个膜处理单元，如图3呈辐射状方式排列，本实施例包括步骤：

(1)打开进水泵，将海水池里的海水以160kg/h的流量经过离子去除设备去除Ca2+、Mg2+离子后，引入膜处理模块；

(2)制冷设备对冷水池内的水进行制冷，并输送至膜处理模块的冷侧，使冷侧水温维持在20℃～35℃；

(3)加热单元对膜处理模块的热侧进行加热，使热侧温度维持在50℃～85℃；

(4)热侧海水受热后生成水蒸气，透过PVDF疏水微孔膜的微孔进入冷侧，冷侧在冷水作用下冷凝液化为淡水；

(5)集水模块将液化的淡水进行收集，还将一部分输送至冷凝模块进行冷凝；

(6)运行预设时间段后，采用光照照射PVDF疏水微孔膜，使表面的TiO₂光催化剂活性层发生光催化反应，降解微孔内的有机物，保证疏水膜长期保持较大的通透率，达到自清洁；

(7)当检测到热侧的海水盐浓度高于预设浓度时，采用进水模块将热侧的海水进行更换。

装置每天运行10个小时，太阳光对膜处理模块照射2～4个小时，对堵塞在微孔膜内的有机物进行光催化降解，辐射状的排列方式，方便太阳光照射。涂有纳米TiO₂光催化剂活性层的PVDF疏水微孔膜连续使用一年后微孔膜的通透性没有明显的降低。每天工作10个小时可以产生大约1500kg的淡水，可供一个沿海城市5口之家的一天用水量，并且操作简单，无需消耗能源。

实施例4

本实施例为基于实施例1的装置的脱盐方法，采用涂有Al₂O₃纳米光催化剂的20cm*30cm的PVDF疏水微孔膜，膜处理模块里安装40个膜处理单元，如图3呈辐射状方式排列，则本发明实施例包括步骤：

(1)打开进水泵，将海水池里的海水经过离子去除设备去除Ca2+、Mg2+离子后，引入膜处理模块；

(2)制冷设备对冷水池内的水进行制冷，并输送至膜处理模块的冷侧，使冷侧水温维持在20℃～35℃；

(3)加热单元对膜处理模块的热侧进行加热，使热侧温度维持在50℃～85℃；

(4)热侧海水受热后生成水蒸气，透过PVDF疏水微孔膜的微孔进入冷侧，冷侧在冷水作用下冷凝液化为淡水；

(5)集水模块将液化的淡水进行收集，还将一部分输送至冷凝模块进行冷凝；

(6)运行预设时间段后，采用光照照射PVDF疏水微孔膜，使表面的Al₂O₃纳米光催化剂活性层发生光催化反应，降解微孔内的有机物；

(7)当检测到热侧的海水盐浓度高于预设浓度时，采用进水模块将热侧的海水进行更换。更换时间为2天一次。

装置每天工作24小时，在太阳光辐射下纳米光催化剂可对海水中以膜表面有机物进行降解，生成30多吨淡水，足够沿海工厂一天的使用量。

以上所揭露的仅为本发明几种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。