专利名称：一种低压海水淡化装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种低压海水淡化装置，具体地说涉及一种将正渗透过程和膜蒸馏过程结合起来实现在低压下进行海水淡化的装置。
背景技术：
随着世界人口和经济的飞速发展，地球上的水资源呈现出日益匮乏的趋势，水资源危机成为制约社会发展进步的重要因素。目前地球上可直接使用的淡水资源仅占所有水资源的0.77%，而地球上的海水资源非常丰富，海洋占地球总面积的75%以上，因此对海水进行淡化处理以得到日常生活所需的淡水资源具有重要的意义。目前，常用的海水淡化方法主要有热法和膜法两大类。热法主要是通过传统加热蒸馏的方式对海水进行淡化处理，其过程中能耗较大，环境热效应较严重，逐渐被膜法所取代。在膜法海水淡化中，反渗透是目前技术发展较为成熟、应用最为广泛的膜法水处理技术，但是反渗透过程需要较高的外压、对膜污染较为严重、淡化副产物一浓盐水的排放对环境影响严重等方面制约着反渗透技术的进一步发展。相对于传统的压力驱动型膜法水处理过程，正渗透膜法水处理技术是近些年开始研究的一种新型膜法水处理技术，过程中主要是利用膜两侧溶液的渗透压差使得水分子从渗透压较低的一侧透过膜扩散到渗透压较高的一侧，其中具有较低渗透压的一侧溶液为原料液，具有较高渗透压的溶液为汲取液。正渗透过程不需要外加压力，对膜的污染较少，过程简单易于实现，因此受到了人们的重视。但是正渗透膜法水处理技术还不能直接得到淡水，且还需要对稀释的汲取液进行分离，因此尚需提供一种新型的技术对海水进行淡化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低压海水淡化装置，实现在低压下进行海水淡化。本发明的第一方面，提供一种低压海水淡化装置，包括:原料液罐，用于盛装需要淡化的原料液；透过液罐，用于盛装经淡化后得到的淡水；正渗透膜装置，包括正渗透膜，且在所述正渗透膜的低渗透压侧所述正渗透装置通过第一进液管、第一出液管与所述原料液罐相连； 汲取液罐，用于盛装汲取液，所述汲取液罐在所述正渗透膜的高渗透压侧通过第二进液管、第二出液管与所述正渗透装置相连，使得按所述的原料液和汲取液在所述的正渗透膜的两侧以错流的方式循环流动；膜蒸馏装置，在膜的一侧通过第三进液管、第三出液管与所述汲取液罐相连，且在所述第三进液管上设置加热器，在膜的另一侧通过第四进液管、第四出液管与所述透过液罐相连，且在所述第四出液管上设置冷凝器，使得所述的汲取液和所述的透过液在膜的两侧以错流的方式循环流动。
根据本发明，所述原料液经第一进液管进入正渗透膜装置，经第一出液管流出正渗透膜装置；所述汲取液流出所述汲取液罐通过第二出液管进入所述正渗透膜装置，流出正渗透膜装置经第二进液管进入所述汲取液罐；所述汲取液流出所述汲取液罐通过第三进液管进入所述膜蒸馏装置，流出所述膜蒸馏装置经第三出液管进入所述汲取液罐；所述透过液经所述第四进液管进入所述膜蒸馏装置，经第四出液管流出所述膜蒸馏装置。根据本发明，所述需要淡化的原料液为海水或者苦咸水。根据本发明，所述正渗透膜是用于正渗透过程中的只允许水分子通过而对其它离子均具有较高截留能力的高分子分离膜。根据本发明，所述汲取液是单一溶质溶液，渗透压大于所述需要淡化的原料液的渗透压。在另一优选例中，所述汲取液指一种渗透压较所需淡化的海水或者苦咸水高的单一溶质溶液，如接近饱和度的高浓度盐溶液(包括钠盐溶液、钾盐溶液、镁盐溶液等盐溶液)、接近饱和度的糖类大分子溶液(包括葡萄糖溶液、蔗糖溶液、乳糖溶液、麦芽糖溶液等)等。在另一优选例中，所述汲取液为接近饱和度的3-5M的KCl盐溶液、3-6M的KBr溶液、3-6M的MgC12溶液等盐溶液、或3-5M的葡萄糖溶液、3-6M的蔗糖溶液等糖类溶液。根据本发明，所述正渗透装置为密闭装置，包括两个膜室，位于所述正渗透膜的两侧。所述两个膜室分别允许原料液、汲取液在其中流动。
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根据本发明，所述膜蒸馏装置是用于膜蒸馏过程的、一侧允许所述汲取液循环，一侧允许水于室温下循环的装置。根据本发明，所述第一进液管上设置泵；和/或所述第二进液管上设置泵；和/或所述第三出液管上设置泵；和/或所述第四进液管上设置泵。所述的第一进液管和第二进液管上设置的泵是指一种能够使原料液、汲取液在正渗透装置中循环流动的动力装置，如蠕动泵。所述第三出液管和第四进液管上设置的泵是指一种能够使汲取液和透过液在膜蒸馏装置中循环流动的动力装置，如循环泵。本发明的第二方面，提供低压海水淡化装置的使用方法，包括:(a)将所需淡化的原料液如海水或苦咸水装入原料液罐中，将高浓度单一溶质的溶液装入汲取液罐中，两种溶液在泵的带动下以错流的方式在正渗透装置中的正渗透膜两侧循环流动；(b)在渗透压差的作用下，原料液中的水分子透过正渗透膜扩散到汲取液中使得汲取液得到稀释；(C)稀释后的汲取液在泵的带动下通过膜蒸馏装置，在蒸汽压差的作用下，汲取液中的水分子通过膜蒸馏膜在透过液罐中得到淡水，而同时稀释的汲取液得到浓缩，返回到正渗透过程中得到循环使用。本发明的第三方面，提供一种低压海水淡化方法，包括:
(a)将海水或苦咸水经正渗透处理，得到稀释的汲取液；(b)将步骤(a)得到稀释的汲取液经膜蒸馏处理，得到淡水。本发明将正渗透过程与膜蒸馏过程进行结合，通过正渗透过程将原料液中的水分子透过正渗透膜扩散到汲取液中使得汲取液得到稀释，利用膜蒸馏对稀释的汲取液进行处理，一方面可以得到所需的淡水，盐脱出率达到99%以上，另一方面可以使正渗透过程中稀释的汲取液在膜蒸馏规程得到浓缩使其得以循环使用。本发明的膜联用系统具有更高的分离性能、操作更简便、能耗更低、更易产业化。应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在
此不再一一累述。
图1为低压海水淡化装置的示意图。
具体实施例方式发明人经过广泛而深入的研究，意外发现:将正渗透膜装置与膜蒸馏装置进行联用、对海水进行淡化处理，能够实现在低压的条件下对海水进行淡化处理，对海水中盐的脱除率达到99%以上。在此基础上，完成了本发明。除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。正渗透(ForwardOsmosis, F0)“渗透”在海水淡化、脱盐、水处理领域，又称正渗透，是与反渗透互逆的一对方法。利用膜两侧溶液的渗透压差使得水分子从渗透压较低的一侧透过膜扩散到渗透压较高的一侧，其中具有较低渗透压的一侧溶液为原料液，具有较高渗透压的溶液为汲取液。膜蒸懼(MembraneDistillation, MD)膜蒸馏过程是利用膜两侧溶液的蒸气压差进行分离的膜过程，在蒸气压差的作用下，料液中的挥发性组分以蒸汽形式透过膜使得物质得到分离，在膜的另一侧水蒸汽分子冷凝得到所需的淡水。单独采用膜蒸馏过程进行水处理，由于其过程中能量利用率较低、对膜污染较为严重等缺点使得与其它水处理过程相比膜蒸馏过程竞争力不大。下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。低压海水淡化装置如图1所示，本发明提供的低压海水淡化装置，包括:原料液罐1，用于盛装需要淡化的原料液；透过液罐5，用于盛装经淡化后得到的淡水；正渗透膜装置2，包括正渗透膜20，且在所述正渗透膜20的低渗透压侧所述正渗透装置2通过第一进液管21、第一出液管31与所述原料液罐I相连； 汲取液罐3，用于盛装汲取液，所述汲取液罐3在所述正渗透膜20的高渗透压侧通过第二进液管22、第二出液管32与所述正渗透装置2相连，使得所述的原料液和汲取液在所述的正渗透膜20的两侧以错流的方式循环流动；膜蒸馏装置4，在膜的一侧通过第三进液管23、第三出液管33与所述汲取液罐3相连，且在所述第三进液管23上设置冷凝器8，在膜的另一侧通过第四进液管24、第四出液管34与所述透过液罐5相连，且在所述第四出液管34上设置加热器7，使得所述的汲取液和所述的透过液在膜的两侧以错流的方式循环流动。所述原料液经第一进液管21进入正渗透膜装置2，经第一出液管31流出正渗透膜装置2 ;所述汲取液流出所述汲取液罐3通过第二出液管32进入所述正渗透膜装置2，流出正渗透膜装置2的所述汲取液经第二进液管22进入所述汲取液罐3 ;所述汲取液流出所述汲取液罐3通过第三进液管23进入所述膜蒸馏装置4，流出所述膜蒸馏装置4的所述汲取液经第三出液管33进入所述汲取液罐3 ;所述透过液经所述第四进液管24进入所述膜蒸馏装置4，经第四出液管34流出所述膜蒸馏装置4。其中，所述需要淡化的原料液为海水或者苦咸水。所述正渗透膜20是用于正渗透过程中的只允许水分子通过而对其它离子均具有较高截留能力的高分子分离膜，如醋酸纤维素正渗透膜、聚酰胺复合正渗透膜以及商品纳滤膜等一系列对盐和大分子有较高截留率的分离膜。所述汲取液是单一溶质溶液，渗透压大于所述需要淡化的原料液的渗透压。在另一优选例中，所述汲取液指一种渗透压较所需淡化的海水或者苦咸水大得多的高浓度单一溶质溶液，如高浓度盐溶液(如钠盐、钾盐、镁盐、锂盐等)、糖类大分子溶液(如葡萄糖、蔗糖、乳糖、麦芽糖等)等。所述正渗透装置2为密闭装置，包括两个膜室30、40，位于所述正渗透膜的两侧。所述两个膜室30、40分别允许原料液、汲取液在其中流动，以错流的方式。所述膜蒸馏装置是用于膜蒸馏过程的、一侧允许所述汲取液循环，一侧允许水于室温下循环的装置。在本发明的低压海水淡化装置中，所述第一进液管21上设置泵6，将所述原料液由原料液罐I经第一进液管21输送进入正渗透膜装置2 ；所述第二进液管22上设置泵6，将流出正渗透膜装置2的所述汲取液经第二进液管22输送进入所述汲取液罐3 ；所述第三出液管33上设置泵9，将流出所述膜蒸馏装置4的所述汲取液经第三出液管33输送进入所述汲取液罐3 ；所述第四进液管24上设置泵9，将所述透过液经所述第四进液管24输送进入所述膜蒸馏装置4。其中，所述的泵6是指一种能够使原料液、汲取液在正渗透装置中循环流动的动力装置，如蠕动泵； 泵9是指一种能够使得汲取液和透过液在膜蒸馏装置中循环流动的动力装置，如循环泵。低压海水淡化装置的使用方法本发明的装置的原料液罐中所需淡化的海水通过正渗透装置，海水中的水分子在渗透压差的作用下经过正渗透膜扩散到汲取液罐中一种浓度较高的单一溶质的溶液中，然后该汲取液作为膜蒸馏过程的原料液进入到膜蒸馏装置中进行处理，经过膜蒸馏过程在透过液罐中得到所需淡水同时汲取液得到浓缩在正渗透过程中得以循环使用。具体的，本发明提供低压海水淡化装置的使用方法，包括:(a)将所需淡化的原料液如海水或苦咸水装入原料液罐I中，将高浓度单一溶质的溶液装入汲取液罐2中，两种溶液在泵6的带动下以错流的方式在正渗透装置2中的正渗透膜20两侧循环流动；(b)在渗透压差的作用下，原料液中的水分子透过正渗透膜20扩散到汲取液中使得汲取液得到稀释；(c)稀释后的汲取液在泵9的带动下通过膜蒸馏装置4，在蒸汽压差的作用下，汲取液中的水分子通过膜蒸馏膜在透过液罐5中得到淡水，而同时稀释的汲取液得到浓缩，返回到正渗透装置2中得到循环使 用。低压海水淡化方法本发明提供的低压海水淡化方法，包括步骤:(a)将海水或苦咸水经正渗透处理，得到稀释的汲取液；(b)将步骤(a)得到稀释的汲取液经膜蒸馏处理，得到淡水。本发明提供一种将正渗透过程与膜蒸馏过程进行联用对海水进行淡化的装置，实现在低压的条件下对海水进行淡化处理，通过正渗透过程将海水中的水分子转移到另一种单一溶质的溶液中，而海水中的有机物质及无机盐类可以达到较高程度的截留，然后通过膜蒸馏过程对单一溶质溶液进行处理得到淡水。经过本发明的装置处理海水或苦咸水可以得到较高标准的高品质淡水，脱盐率达到99%以上，而仅采用正渗透，脱盐率约95%，难以进一步提闻脱盐率。正渗透过程主要利用正渗透膜两侧溶液的渗透压差进行物质分离，膜蒸馏过程主要利用膜两侧溶液的蒸气压差进行分离，两种过程均不需要外加压力或者只需要很低的压力就可以运行。本发明的装置通过将正渗透过程和膜蒸馏过程联用，实现在低压的条件下对海水、苦咸水进行淡化处理，过程能耗低、淡化成本低、出水水质好、过程对膜的污染少、易于产业化。本发明提到的上述特征，或实施例提到的特征可以任意组合。本案说明书所揭示的所有特征可与任何组合物形式并用，说明书中所揭示的各个特征，可以任何提供相同、均等或相似目的的替代性特征取代。因此除有特别说明，所揭示的特征仅为均等或相似特征的一般性例子。在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
权利要求
1.一种低压海水淡化装置，其特征在于，所述装置包括: 原料液罐，用于盛装需要淡化的原料液； 透过液罐，用于盛装经淡化后得到的淡水； 正渗透膜装置，包括正渗透膜，且在所述正渗透膜的低渗透压侧所述正渗透装置通过第一进液管、第一出液管与所述原料液罐相连； 汲取液罐，用于盛装汲取液，所述汲取液罐在所述正渗透膜的高渗透压侧通过第二进液管、第二出液管与所述正渗透装置相连，使得所述的原料液和汲取液在所述的正渗透膜的两侧以错流的方式循环流动； 膜蒸馏装置，在膜的一侧通过第三进液管、第三出液管与所述汲取液罐相连，且在所述第三进液管上设置加热器，在膜的另一侧通过第四进液管、第四出液管与所述透过液罐相连，且在所述第四出液管上设置冷凝器，使得所述的汲取液和所述的透过液在膜的两侧以错流的方式循环流动。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述原料液经第一进液管进入正渗透膜装置，经第一出液管流出正渗透膜装置； 所述汲取液流出所述汲取液罐通过第二出液管进入所述正渗透膜装置，流出正渗透膜装置经第二进液管进入所述汲取液罐； 所述汲取液流出所述汲取液罐通过第三进液管进入所述膜蒸馏装置，流出所述膜蒸馏装置经第三出液管进入所述汲取液罐； 所述透过液经所述第四进液管进入所述膜蒸馏装置，经第四出液管流出所述膜蒸馏装置。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述需要淡化的原料液为海水或者苦咸水。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述正渗透膜是用于正渗透过程中的只允许水分子通过而对其它离子均具有较高截留能力的高分子分离膜。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述汲取液是单一溶质溶液，渗透压大于所述需要淡化的原料液的渗透压。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述正渗透装置为密闭装置，包括两个膜室，位于所述正渗透膜的两侧。
所述两个膜室分别允许原料液、汲取液在其中流动。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述膜蒸馏装置是用于膜蒸馏过程的、一侧允许所述汲取液循环，一侧允许水于室温下循环的装置。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一进液管上设置泵；和/或 所述第二进液管上设置泵；和/或 所述第三出液管上设置泵；和/或 所述第四进液管上设置泵。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一进液管、第二进液管上设置的泵为螺动栗。
10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第三出液管、第四进液管上设置的泵为循环泵。
全文摘要
本发明公开了一种低压海水淡化装置，包括原料液罐；透过液罐；汲取液罐；正渗透膜装置，在通过第一进液管、第一出液管与所述原料液罐低渗透压侧相连、在高渗透压侧通过第二进液管、第二出液管与汲取液罐相连；膜蒸馏装置，在膜的一侧通过第三进液管、第三出液管与所述汲取液罐相连，且在所述进液管上设置加热器，在膜的另一侧通过第四进液管、第四出液管与所述透过液罐相连，且在第四出液管上设置冷凝器。本发明的装置可以用于低压海水和苦咸水的淡化过程，盐的脱出率达到99％以上，且能耗低，可大大降低淡化成本。
文档编号C02F103/08GK103102031SQ201110353059
公开日2013年5月15日 申请日期2011年11月9日 优先权日2011年11月9日
发明者薛立新, 纪晓声, 黄燕, 朱红芳 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所