一种淡化海水的方法及装置与流程

本发明涉及海水淡化技术领域，具体涉及一种淡化海水的方法及装置。

背景技术：

水是生命的摇篮，是人类生存必不可少的基本物质。水资源匮乏正日益影响全球的生态平衡和经济发展。水和土壤是粮食安全的基础。在可预见的将来，水和土壤一样，将成为世界上最严重的资源问题和环境问题。为了保持粮食供应，水资源问题很可有能导致国家之间的冲突和地区动荡。因此，如何解决水资源供应不足的问题，将成为一个世界性的难题。

现代国家的边界建立在土地的边界之上，但是水和气候是没有国家边界的。气候资源的全球性已经得到公认，在此基础上建立了联合国气候变化的框架公约。相对来说，水资源的“公共性”是区域性的。世界上有很多大江大河跨越了多个国家。当土地的生产能力受到肥料供应的限制时，对水资源的争夺将会加剧。以喜马拉雅山为例，起源于中国西藏的雅鲁藏布江流入印度和孟加拉国，是这两个国家最重要的水资源。流经巴基斯坦的印度河也起源于西藏的阿里地区。哈萨克斯坦的巴尔喀什湖其水源来自中国新疆的伊犁河。如果中国在这些河流的上河截流，这些国家的农业生产和人民生活将会受到严重威胁。

但是，中国本身也是一个严重缺水的国家，约有三分之二的国土面积因为缺水而农业生产力低下。1935年，地理学家胡焕庸提出黑河(爱辉)—腾冲线即胡焕庸线，首次揭示了中国人口分布规律。在中国黑龙江瑷珲至云南腾冲画一条直线(约为45°)，线东南半壁36％的土地供养了全国96％的人口；西北半壁64％的土地仅供养4％的人口。二者平均人口密度比为42.6∶1。胡焕庸线与400毫米等降水量线重合，线东南方以平原、水网、丘陵、喀斯特和丹霞地貌为主，自古以农耕为经济基础；线西北方的地貌以草原、沙漠和雪域高原为主，是游牧民族的家园。

2000年中国第5次人口普查发现，“胡焕庸线”两侧的人口分布比例，与70年前相差不到2％。但是，线之东南生存的人口已经远不是当年的四亿三千万，而是十二亿两千万。虽然中国拥有960万平方公里的国土，但真正适合人们生存的空间，却只是这300多万平方公里。

土壤和水资源的短缺和污染不仅制约了工业和农业的发展，还引发了严重的社会问题：贫富不均。富人的资金找不到投资的方向，没有出路；穷人没有创业机会，就业严重不足。长此以往，将引发国土安全问题。现在，94％的人口分布在中国东部约43％的国土上。这样的发展是不可持续性的。由于西部人口稀少，投资和就业严重不足，资金在这些地方流动不起来。年轻一代的西部人都流向东部。几代人以后，中国西部在政治、经济、文化和环境方面都将更为脆弱。中国经济经过几十年的高速发展，已经进入瓶颈期。今后，中国的经济发展将主要依靠内需来拉动。这样，就面临着城市化模式和生产力空间布局的改善。我国西部具有极大的生产力发展空间，只是因为受水资源短缺的制约，一直裹足不前。只要解决了海水淡化问题，西部开发就能迈上新台阶。

据百度资料，2010年11月5日，“陆海统筹海水西调高峰论坛”在新疆乌鲁木齐市召开。论坛上关于“海水西调引渤入新”的建议引发广泛讨论。此设想是通过大量海水填充沙漠中的干盐湖、咸水湖和封闭的构造盆地，形成人造的海水河、湖，从而镇压沙漠。

这个设想的提出，引发了广泛的争议。反对者对这个设想可行性的质疑之一是：海水怎么淡化？工程效益如何？这是化学和材料领域工程师要解决的技术问题。本项发明将从根本上解决海水淡化的难题，从而使引渤入疆工程具有可操作性。通过本项发明制备的苦咸水和淡水将为西部的工业、农业、林业和居民生活提供用水。

地球上的水资源总量，淡水仅占2.5％，海水占97.5％。从某种意义上来说，海水才是取之不尽、用之不竭的水资源。因此，发展海水淡化技术，向海洋要淡水是解决淡水资源供需矛盾最有效的途径。海水淡化的方法主要有两类。一类是从海水中取出水，另一类是从海水中取出盐。前者有蒸馏法、反渗透法、冰冻法、水合物法和溶剂萃取法等，后者有离子交换法、电渗析法、电容吸附法和压渗法等。但到目前为止，实际规模应用的仅有蒸馏法、反渗透法和电渗析法。在中东地区，以蒸馏法为主。在美国，欧洲和澳大利亚等地以反渗透法(又称膜法)为主。海水淡化技术经过半个多世纪的发展，已有一定规模。2014年世界淡化水日产量8500万立方米/天。根据世界供水协会的有关资料，国际海水淡化的产水成本相当于人民币5.4～17.0元/t。可见，不同海水淡化技术的生产和运营成本相差悬殊。今后，人类如果向海洋要更多的淡水资源，最大的挑战是如何大规模淡化海水，并降低生产成本。

技术实现要素：

为了克服现有的缺陷，本发明的目的是提供一种淡化海水的方法，该方法运行成本低，淡水生产效率高，易于推广应用，经济价值高。

同时，本发明还在于提供一种实施本发明淡化海水方法的装置。

为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种淡化海水的方法，包括以下操作步骤：

1)将待淡化的海水装入由陶土制成的容器中，容器两端密封后，将容器置于光照条件下，容器内的海水由容器壁向外蒸发，收集向外蒸发出的水分，得淡水；

2)当容器内的海水蒸发至设定的体积后，取出容器内剩余的海水，称为苦咸水，对苦咸水进行进一步淡化。

可选的，所述陶土制成的容器表面无陶釉，具有粗糙的表面。

可选的，步骤2)中采用反渗透膜法对苦咸水进行进一步淡化，制成淡水。

可选的，步骤2)中依次采用制冰冷凝法、反渗透膜法对苦咸水进行进一步淡化，制成淡水。

可选的，步骤1)中所述陶土制成的容器的体积可大可小，形状可以为任意形状，可以是圆柱形的，也可以是立方柱形状的，尺寸可长可短，视安装要求和装置的场所而定。优选的，当步骤1)中所述陶土制成的容器为管状，步骤1)中所述陶土制成的容器为内径≤10cm，表面积/体积≥20，淡化海水的效率更高。

陶土具有大量的毛细管孔隙，具有“吸盐”和排盐的作用，本发明淡化海水的方法采用陶器析盐的原理，将海水装在由陶土制成的容器中，两端密封，利用光照对海水进行蒸馏，海水在蒸发的过程中海水中的盐份随着水蒸气的蒸发通过陶土中的毛细管孔隙向容器壁转移，最终固结在陶土容器的外表面上，析出海水中的盐份，回收气态水即为淡水；

进一步的，本发明根据需要对蒸发后的海水即苦咸水采用反渗透膜法或者冰冻法结合反渗透膜法的方式对苦咸水进行进一步的淡化。将盐析法与反渗透膜法和/或制冰冷凝法相结合，大大提高淡化海水的生产效率，降低生产成本。

本发明淡化海水的方法，可以利用太阳能和自然条件下的温差，耗能极低，陶土制成的容器本身可以就地取材，成本非常低廉，大大降低海水淡化的生产成本，并极大地扩展海水淡化工厂的规模。粗略估计，本项发明可将海水淡化的成本降低至0.5美元/t以下。因此，这项发明在实际应用中将有价廉物美的优势，很容易得到推广并迅速占领市场。

我国西部有丰富的煤炭资源，山西、陕西和内蒙都是煤炭生产的大省。煤炭主要用来炼钢和火力发电，火力发电需要大量的冷却水。由于产煤的西部省份水资源严重短缺，只能将原煤运往东部。如果解决了海水淡化的问题，可在原煤生产基地建立火力发电厂。运用本发明制备的苦咸水将为火力发电厂提供冷却水。将电力通过高压线路输送到东部省份，其成本比煤炭运输的成本要低得多。这样，东西部都可以得到更便宜的电力，从而降低工业生产成本。将会在一定程度上改变东部和西部的工业生产布局，为西部的工业发展提供原动力。同时，运用本发明可以制备成本低廉的苦咸水，用于沙漠造林和农田灌溉。

在日常生活中，由于地质环境受到了工业加工等各种的污染影响，导致地下水或者湖水等受到不同程度的污染，含盐量增加，通常需要对其进行降低含盐量等的净化处理才能进一步应用于工业生产或者饮用水。本发明方法还可应用于工业用水软化处理、制备纯水和超纯水，或对饮用水进行消毒处理。

一种实施上述淡化海水方法的装置，包括至少一个用于盛装待淡化海水的由陶土制成的容器、用于安装所述容器的架子、用于收集向外蒸发出的水分的冷凝池、用于贮存淡水的淡水池和用于储存苦咸水的咸水池；所述容器通过所述架子安装在日光温室中，所述日光温室由四面透光玻璃围墙和透光玻璃房顶构成；所述日光温室与冷凝池之间还设置有用于将蒸发出的水分收集至冷凝池的抽风装置。

可选的，上述冷凝池中放置冰块，采用降温冷凝的方式收集蒸发出的淡水水蒸气，高温湿气被冷凝池中的冰致冷，凝结成淡水掉落池中，当水温大于4℃时，冷凝过程没有达到最佳状态。当水温低于4℃时，水容易结冰，释放出更多热量。淡水温度在4℃左右时，水分子的密度最大，要及时把冷凝池中的淡水抽送到淡水池中。

可选的，所述咸水池与淡水池之间还设置有用于进一步淡化苦咸水的反渗透膜装置。

可选的，所述咸水池与冷凝池之间还设置有地下贮冰室。实际操作过程中，在冬季完成苦咸水结冰淡化处理后，可以将冰存储在地下贮冰室中，在夏季来临时防止冰块融化和水分蒸发；同时储存的冰块还可以用于冷凝池中，用于冷凝蒸发的淡水水蒸气。

可选的，当采用的陶土制成的容器为管状体，陶土制成的容器为内径≤10cm，表面积/体积≥20；容器的个数视需要处理的海水量、以及每批海水需要处理的时间而定，假设每个容器的体积为0.05立方米，一个平均日处理海水量为1万吨的海水淡化工厂，每批次海水需要在容器中停留5天，那么这个工厂需要100万个容器。各个容器并列同向安装在架子上，所述相邻容器之间采用塑料软管连接。

可选的，架子的个数为至少两个，安装容器的架子的数量视容器总量和每个架子上所安装的容器数量而定，假设每个架子安装50个容器，100万个容器需要2万个架子；所述相邻架子之间采用塑料软管实现相邻架子之间的容器首尾相接。可以实现对待淡化的海水进行至少两级陶器析盐操作，可以满足对不同海水淡化程度的需求。

可选的，还包括用于清洗所述陶土制成的容器的清洗装置，所述清洗装置包括电机，所述电机的输出轴上连接有滚筒，所述滚筒包括间隔相对设置的用于固定待清洗的容器的两个支撑架；所述待清洗的容器的延伸方向垂直于滚筒的转动方向。

本发明是采用陶土析盐的原理实现将海水中的盐份析出。盐份析出后固结在陶土容器的外壁表面。因此需要对陶土容器定期进行清洗。本发明采用的清洗装置模拟洗衣机滚筒的工作原理，将待清洗的容器固定在滚筒上，滚筒安装在水槽上，水中溶解清洁剂和活化剂，滚筒转动同时带动待清洗的容器转动，转动过程中容器表面固结的盐份被冲刷掉。

同时，连接相邻容器的塑料软管也需要定期拆下清洗，清除海水中所含的泥沙或其他固体物质。

附图说明

图1是实施例1淡化海水方法的整体工艺流程图；

图2是实施例2淡化海水方法的整体工艺流程图；

图3是析盐装置的整体结构示意图；

图4是清洗装置的整体结构示意图；

其中1为海水入口；2为析盐装置；3为日光温室；4为抽风装置；5为冷凝池；6：清洗装置；7为咸水池；8为反渗透膜装置；9为淡水池；10为地下贮冰室；11为海水入料管；12为塑料软管；13为接口；14为陶土制容器；15为一级苦咸水入料管；16为二级苦咸水收集排放管；17为水槽；18为滚筒。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施下述实施例所述淡化海水的方法所用的装置如下：

一种淡化海水的装置，如图1～4所示，包括由四面透光玻璃围墙和透明玻璃房顶构成的日光温室，所述日光温室中安装有析盐装置，所述析盐装置包括盛装待淡化海水的由陶土制成的容器和用于安装所述容器的架子，所述相邻容器之间通过塑料软管连接，塑料软管与容器之间采用防腐接口固定连接；还包括用于收集向外蒸发出的水分的冷凝池、用于贮存淡水的淡水池和用于储存苦咸水的咸水池；所述日光温室与冷凝池之间还设置有用于将蒸发出的水分收集至冷凝池的抽风装置；所述咸水池与淡水池之间还设置有用于进一步淡化苦咸水的反渗透膜装置；所述咸水池与冷凝池之间还设置有地下贮冰室。

所述陶土制成的容器为内径≤10cm，表面积/体积≥20，长度为150～300cm的两端开口的管状体。容器内径越小，表面积越大，海水在管中停留时间缩短，析盐的效率提高，另外，小体积的容器易于搬运和清洗水垢。

如图3所示，可以设置至少两个安装所述陶土制成的容器的架子，两个相邻架子上的容器首尾相接，最上端连接有海水入料管或，每个架子的下端连接有每级苦咸水的收集排放管，第二个架子的上端连接有一级咸水入料管，可以实现对待淡化海水至少两级蒸发析盐操作，提升淡化海水的效率，同时也能满足对淡化海水不同品质的需求。

如图4所示，下述实施例中海水淡化过程中还使用到清洗装置，所述清洗装置包括电机，所述电机的输出轴上连接有滚筒，所述滚筒包括间隔相对设置的用于固定待清洗的容器的两个支撑架；所述待清洗的容器的延伸方向垂直与滚筒的转动方向。

采用陶土析盐的原理实现将海水中的盐份析出，盐份析出后固结在陶土容器的外壁表面，因此需要对陶土容器定期进行清洗上述清洗装置模拟洗衣机辊筒的工作原理，将待清洗的容器固定在滚筒上，滚筒安装在水槽上，水中溶解清洁剂和活化剂，滚筒转动同时带动待清洗的容器转动，转动过程中容器表面固结的盐份被冲刷掉。

同时，连接相邻容器的塑料软管也需要定期拆下清洗，清除海水中所含的泥沙或其他固体物质。

在不同的气候条件下，采用自然太阳光照实施本发明淡化海水的方法的工艺过程不同，大致分为沙漠地区和沿海地区，其中沙漠地区冬夏二季的巨大温差，几乎不耗电能，需要少量辅助的机械能，气候条件：年日照时数≧3000h；日照百分率:60％～70％或≧70％；日平均气温稳定≧10℃的日数：100～170天；积温：1600～3400℃；一月平均气温：-30～-6℃；七月平均气温：≧24℃；年降雨量：<50～250mm；海水条件：海水酸碱度：ph值7.5～8.2；海水含盐量≥3％(平均值＝3.47％)；海水温度>0℃；

沿海岛屿或船舰、海上作业平台，气候条件：年日照时数：1000h～3000h；日照百分率:30％～60％；日平均气温稳定≧10℃的日数：170～365天；积温：3400～8000℃；一月平均气温：0～15℃；七月平均气温：20～28℃或≧28℃；年降雨量：400～800mm或≥800mm；海水条件：海水酸碱度：ph值7.5～8.2；海水含盐量≥3％(平均值＝3.47％)；海水温度>0℃。

实施例1

以干旱的沙漠地区新疆为例，如图1所示，淡化海水的装置包括：由四面透光玻璃围墙和透光的玻璃房顶构成的日光温室，房顶有巨大的可开启和关闭的进风口，围墙有巨大的可开启和关闭的鼓风机和排风口，并配有太阳能发电装置；陶土制的容器置于日光温室内，让阳光直射在容器上，室内场地平坦，路面硬化，便于运输车辆和辅助机械的进入；还包括清洗装置、露天咸水池、地下冷凝池、地下贮冰室、反渗透膜装置和淡水库。另外，还有水管、抽水泵和其他辅助机械。

本实施例淡化海水的方法，具体操作步骤为：

1)将待淡化海水通过水泵泵入陶土制的容器中，在夏秋季自然光照条件下海水在容器中停留1～2周的时间，经过多级析盐处理，海水量蒸发掉1/3，通过抽风装置将蒸发出的海水收集至地下冷凝池中，并及时排放至淡水库中，贮存为淡水；将容器内的苦咸水排放至露天咸水池中，并盖上塑料膜，防止水分继续蒸发，此时苦咸水中的含盐量低于2.3％；

2)在冬季，掀掉露天咸水池上的塑料膜，放上格子式的挡板，苦咸水在格子内结冰，水与盐进一步分离；用机械刨冰和拖冰的方式将冰贮存在地下贮冰室中，夏季来临时，防止冰块融化和水分蒸发；露天咸水池表面的冰刨走后，下层的水又会结冰，多次反复结冰完成对苦咸水的多级制冰淡化，海水的淡化率可达到80％；

3)经过制冰淡化后露天咸水池中剩余的苦咸水用反渗透膜法进一步进行淡化，总的海水淡化率提高至90％以上。

采用清洗装置对设备进行日常维护：将结垢的容器固定在滚筒上，滚筒安装在水槽的架子上，水槽内的淡水有溶解的清洁剂(弱酸性物质)和活化剂，滚筒带着陶管转动，被水槽中的溶液冲刷，可将陶管外表面的盐垢清洗干净；

另外，连接陶管之间的塑料软管也要定期拆下清洗，清除海水中所含的泥沙或其他固体物质。

在我国干旱的沙漠地区，太阳能充足。冬季寒冷，有天然结冰的条件。但是，这些地区远离海洋，获取海水的成本较高。因此，要尽管提高水的回收率，即海水淡化的效率。以我国新疆为例，首先将渤海湾的海水提升至蒙古高原，用玻璃钢管长距离运输至南疆塔里木盆地，储存在罗布泊，从罗布泊分出很多水渠，将海水运送到盆地的各个地方。然后，在运送海水渠的终端，按照上述实施例建海水淡化工厂，利用太阳能和陶土制容器制备苦咸水(含盐量低于2.3％)

实施例2

以沿海地区为例，如图2所示，淡化海水的装置包括：由四面透光玻璃围墙和透光的玻璃房顶构成的日光温室，房顶有巨大的可开启和关闭的进风口，围墙有巨大的可开启和关闭的鼓风机和排风口，并配有太阳能发电装置；陶土制的容器置于日光温室内，让阳光直射在容器上，室内场地平坦，路面硬化，便于运输车辆和辅助机械的进入；还包括清洗装置、露天咸水池、地下冷凝池、反渗透膜装置和淡水库。另外，还有水管、抽水泵和其他辅助机械。

本实施例淡化海水的方法，具体操作步骤为：

1)将待淡化海水通过水泵泵入陶土制的容器中，在自然光照条件下海水在容器中停留2周以上的时间，经过多级析盐处理，海水量蒸发掉2/3～3/4，通过抽风装置将蒸发出的淡水收集至地下冷凝池中，并及时排放至淡水库中，贮存为淡水；将容器内的苦咸水排放至露天咸水池中，并盖上塑料膜，防止水分继续蒸发，此时苦咸水中的含盐量低于1.0％。

苦咸水可直接用于工业(如冷却水)、农田灌溉和园林绿化，也可用于城市的道路清扫、消防和景观娱乐等。

在干旱或湿润的沿海地区，获得海水的成本很低，但是，冬天气候不够寒冷，不容易靠自然条件制冰。因此，在这些地区，只能用陶器析盐法将海水制成苦咸水，去除海水中的大部分盐份。或者由于反渗透膜法在耗电的同时，还要消耗渗透膜材料。可以预见，反渗透膜法的运行成本会高于冷凝法。所以，在海水易获得地区不必用反渗透膜法对苦咸水进一步淡化，可将苦咸水直接用于工业、农业和景观娱乐。

应当可以理解的是，上述以淡化海水为例，仅仅是用于对本发明方法进行举例说明，并不构成对本发明的具体限定，本发明方法还可以应用于工业用水的软化处理、制备纯水和超纯水，或对饮用水进行消毒处理，降低工业用水或饮用水中的含盐量。