专利名称：海水淡化工程的工艺技术的制作方法
技术领域：
本发明属于海水淡化工艺技术领域。
背景技术：
海水淡化技术是人类最终解决干旱、荒漠化和水资源在各个生产、消费领域的短缺现象，从而彻底解决人类发展问题的重要的战略技术，有人预言21世纪是水的世纪，是新的、争夺水资源的战争导火索。
海水淡化领域已经具备生产规模的办法有膜渗透法，包括反渗透膜、纳滤膜和功能性陶瓷材料制成的脱盐膜；蒸发法，包括低温多效蒸发和真空闪蒸技术；另外还有研究中的冷冻法、水合法、电渗析和来自电渗析、电磁效应所进行的办法。没有一个固定的生产工艺和技术路线，更没有一个系统的综合利用这个过程的能量消耗、回收和海水中所有同时产生的资源进行整合利用的工艺路线。而完善这一路线是实现产业化所必须的。
从人类已经获得的淡水资源的生产成本和能耗指标来说，目前海水淡化领域的所有技术获得的淡水，综合成本都高于采集地下水。仅利用降水和地表水的现有资源，这就为人类利用水资源发展经济带来了不少困难。实际上海水淡化所获得的淡水价格和能源消耗，应该不高于原有淡水的供应价格。而要做到这一步，必须对海水淡化技术路线进行重新设计，对工艺过程进行优化。
海水淡化过程有其固定的能量循环和资源利用的规律，只有合理的运用自然能源，如太阳能和风能资源、在海水预处理过程中引进可以有效降低海水中溶质含量的生物代谢和地质过滤(无机离子交换)技术，使海水中的电导率大幅度降低，总固含量大幅度降低，才能使海水淡化真正产业化，才能保证淡水资源的实际代价同采集地下水的价格相同，才能真正克服人类面临的荒漠化和干旱的威胁。本工艺路线正是这样一种海水淡化过程的整体设计思想的体现。
发明内容
为解决现有海水淡化领域技术的不足，本发明采用海水中溶质和水结合时氢键缔合过程的力学分析，引导溶质离子脱离氢键作用力的控制，使溶质离子和溶质分子(如硼的化合物)在一个力学场内脱离水分子氢键的缔合力的束缚，在离心力的作用下，同淡水分离，然后通过分流解决淡水和溶质的异路收集路线，并分别进行淡水的功能改造，如按照要求生产工农业用水、纯净水、矿化矿泉水、阳离子水等。同时把海水中占99％左右的12种含量可以达到利用水平的溶质进行综合利用，获得联动的经济效益。提取原盐、金属镁和镁的化合物，钙的化合物，溴素和溴制剂等。这种生产技术路线，保证了海水淡化的经济效益，保证了淡水的低成本，甚至负成本的运行模式，是海水淡化领域必须综合评价的一个技术问题。
以往的海水淡化技术只考虑技术本身的运行条件，忽略了这一行业的系统化处理的特点，如反渗透法生产淡水，姑且不说这种方法生产的淡水是一种基本上无营养可言的非饮用水，也不去说这种淡水在工业上利用的成本会有多高，只从生产过程产生的污染来看，就应该引起行业内的重视。这种技术投加的化学药剂使得综合利用很难实现，使得浓水形成的浓缩液无法按照原有的组成获得原盐。必然造成生产综合成本的升高。影响了对海水淡化行业的重视。
本发明从海水淡化技术应用的实际效果出发，强调了最佳方案和溶质脱除的最小能耗、最低投资和溶质综合利用的可能性，减少了环境污染，杜绝了整个海水淡化过程中任何一种不合理的设置。
本发明海水淡化工程的工艺技术由四个阶段组成，具体如下一、水预处理工艺本工艺设置的目标是利用海水在采用多介质过滤、分子筛吸附、耐盐植物的代谢过程，以及利用溶质离子本身的絮凝、灭菌等方法对海水进行预处理的过程，最大限度地降低海水中溶质含量，降低电导率，为溶质和溶剂的分离作好准备工作。如海水电导率测定为25600微西门子，如果立即进入电渗析就会导致无法正常工作，电渗析一般要求固含量在5000毫克/升以下的海水进入，而固含量超过10000毫克的海水进入纳滤、电渗析或反渗透都将使得脱盐过程复杂化。因此本发明对预处理过程提出的要求是海水通过预处理后，脱除40％左右的钠、氯、镁、钙、溴、硫酸根(包括亚硫酸根)、碳酸根(包括碳酸氢根)、钾、锶、氟离子以及硼酸或氢氧化硼，获得电导率10000微西门子/厘米左右的水质的初级产品的水平，以进入下一个处理环节，为一次性达到淡水的世界通用标准做好准备工作。
本发明具体的工艺要求是(1)利用物理吸附的工艺除掉海水中的生物物质、色素、尘埃、悬浮物、胶质等影响淡水物理性质的有害成分，采用多介质过滤和过滤层进行第一道过滤；(2)利用分子筛—沸石无机离子交换系统对已经初滤的海水进行离子交换，骨架结构有利于进行碱金属和碱土金属离子的交换，主要是碱金属的钾、钠离子和碱土金属的钙、镁离子，这四种离子占海水中溶质的比例较高，如钠占1.07％，镁占0.129％。海水中总固含量为3.45％，如果可以通过无机离子交换脱除这部分溶质，只这两种离子就脱除了总溶质的34.75％；(3)利用对前两步处理已经脱去部分溶质的半成品进行动态去离子化的工艺处理，使用磁控技术，利用梯级磁场的磁塞的斥力和吸引力分别在海水预处理的特定的容器内进行海水中离子的排斥和吸引两种过程，然后将产生的浓水进入原盐生产系统，将淡水或去离子水进入海水溶质分离系统。
二、海水溶质和溶剂分离系统本系统主要工艺技术目标是在海水进行预处理的基础上，将海水中的溶质同淡水溶剂彻底分离，成为符合各种标准的淡水资源。
本发明中海水中溶质的分离是通过以下工艺依次实现的。
在进入分离系统时按照预处理过程产生的水样化验的结果，确定采取溶质分离的工艺。
测定电导率在15000微西门子/厘米以上时，将半成品淡水进入磁力离心分离机或者离心膜分离机进行溶质分离。
磁力离心分离机是利用磁力和离心力两种动力，对海水中的溶质进行精确和彻底的分离。在预处理已经将部分溶质，特别是碱金属和碱土金属离子处理到总量底50％左右，其他溶质的存在可以在重复预处理阶段的工艺中除去，但是使用离心磁力强制分离海水中剩余的溶质，有助于降低成本，提高淡水产率。
磁力离心分离机是利用静磁场或者电磁场形成的旋转能量，通过离心机的高速加速运转，使溶质中带电离子以相当快的速度向电性相反的一个电极、或者一个磁极运动，完成海水中所有溶质的分向流动。并通过不同的路径排出。因为要求水的纯度不同，还可以使用离心—膜处理机分离海水中的溶质，同反渗透相比，后者的能耗因为只发生在液体的一侧，而大大降低。
磁力离心分离设施，可以采用磁场磁极的吸引和排斥作用，在离心过程中增加溶质脱离海水的动力，也可以采用阴阳电极板辅助吸引和排斥离子的办法来提高分离速度和质量。
通常采取的具体工艺是高速磁力离心设备中设置一个安装在转鼓上的纳滤膜，转鼓外面接受处理过的纯水，在高速离心力的作用下，海水通过纳滤膜或低压反渗透膜进入转鼓外的空腔内，收集成为淡水产品；或者离心机四壁装有阴阳磁极，在离心力的推动下，沿着切线位置实现一个旋转磁场，阳离子如钠、钾、钙、镁离子，在旋转中被阴磁极所吸附，阴离子被阳极所吸附，而未被吸附的淡水则从溢流口排出。这样一个过程可以陆续进行，因为离心机转速可以达到很高，因此离心分离过程很快。淡水产出速度也很快，通常流量可以达到每小时40吨左右，而且不象反渗透那样，产生大量的浓水。
三、溶质浓缩系统本系统设立的目标是对溶质进行处理，获得综合经济效益，实现无污染排放。实现全过程的低成本甚至负成本的目的。
海水被分离的溶质中含有约80种元素，其中12种占据总量的99％，处于主导地位，它们是钠、钾、钙、镁、锶、硼、氯、溴、硫酸根、碳酸根、氟、硅。另有营养性物质也应该引起足够的重视，如磷、氮等。这些溶质是资源的一部分，也是海水淡化过程中必须收集处理的一部分。按照本发明所采用的技术和工艺过程处理这些占海水中3.45％左右的溶质不但实现了资源回归，而且可以获得可观的副产品收入，特别是原盐和镁、钙、溴、钾等基本化工原料的生产回收，使得整个工程可以实现淡水成本的零价位甚至负价位。
本发明利用太阳能相变贮能技术将海水淡化形成的浓缩过程变成全天候操作的原盐生产和盐化工生产的固定系列生产方式。
在预处理和溶质分离过程形成的浓水，被全部保留在原盐生产和盐化工生产的基地上，其溶质总含量约8％-13％，其中主要成分是海水中的最重要的溶质。
采用磁分离技术，使这部分浓水浓缩到可以进行结晶析出的浓度，实现全天候对浓缩液进行结晶和蒸发，蒸发产生的水蒸气重新收集成为淡水，当浓缩液中溶质含量超过15-20％时，投入晶种，原盐不断结晶出来。所产生的浓缩液在6波美度时首先析出氧化铁，16波美度时析出硫酸钙结晶，28波美度时析出主产品氯化钠，维持这个过程到浓水中的大部分氯化钠分离后，继续浓缩到32波美度析出硫酸镁，35波美度时，氯化钾和氯化镁的混合物析出，由于两个产品的溶解度不同，加入部分淡水可以顺利除去氯化镁，保留氯化钾的粗品，再精制可以得到氯化钾的工业品。与此同时，浓水中的溴含量从0.008％富集到0.65-0.75％，主要以溴化钠和溴化镁的形式存在，使用通入氯气的办法可以得到溴素。
这个过程获得的淡水是通过蒸发—冷凝过程产生的，其电导率可以达到1000微西门子以内，通常可以达到20微西门子，因此可以直接进入淡水产品的贮存池内。
这个过程的收益包括原盐、溴素和氯化钾、氯化镁是比较好的选择。
四、淡水纯化过程使用本技术产生的淡水，需要根据不同的水质标准进行纯化或专业化再处理，可生产不同用途的淡水。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种海水淡化工程的工艺技术路线的工艺过程是由海水预处理工艺、海水溶质和溶剂分离系统、溶质浓缩结晶系统、淡水纯化过程四个工艺流程组成，其特征是海水预处理工艺是对海水进行过滤、吸附和絮凝、灭菌等预处理；海水溶质和溶剂分离系统是利用海水溶质带电离子在一个磁塞串联系统形成的力学场内，被磁约束力所反射，使带电分子和离子在弱场区聚集，而淡水在梯度磁场强场区聚集，在离心力的推动下，实现浓水和淡水的分流，依靠导流技术将比重、受力形式各不相同的两种液体，分别排出；溶质浓缩结晶系统是对溶质浓缩后再对浓缩液进行蒸发结晶，获得各种海洋化工产品，蒸发产生的水蒸气重新收集成为淡水；淡水纯化过程是对本技术产生的淡水，需要根据不同的水质标准进行纯化或专业化再处理。
本发明具备以下有益效果1、海水淡化技术发展到今天，一个重要的指标就是成本和效益，对于膜分离法、电渗析、纳滤、冷冻法、水合法等技术的综合评议表明，对国民经济发展带来实惠的淡水资源来自综合生产成本低于目前采集地下水的价格，北京从密云水库采集库区淡水每立方米0.68元，天津采集潘家口水库的淡水也在0.8元以下，所有已有的技术都无法达到这个价位，而水的成本直接关系到中国国民经济发展的质量，因此必须推出这种先进的综合利用方案，把淡水成本降低到地下水采集的价格，本工艺技术路线的淡水综合成本，应该是负成本。也就是说，免费提供淡水资源，还应该有盈余，这主要是同工艺路线不可分割的海水中所有同时出现的产品的产出有关，应该尽量提供推广这种技术路线的平台，抛弃耗能高、占地大、成本贵、水质不适宜饮用的一些生产办法。
2.由于上述的原因，我国应该考虑东部发达地区水资源短缺的改善着眼点可以转移到海水淡化方面。“东水西补”而不完全采用“南水北调”是可能的，大海的水取之不尽、用之不竭，是彻底解决我国人均水资源不足的水资源库。
3.利用本发明所表明的技术和工艺路线，可以安定沿海和内陆食用咸苦水的居民，维护国家团结、和谐、稳定；可以避免国际上因为水资源而引发的战争。扩大我国在世界范围内水工程项目的竞争力。
4.本工艺技术路线可根据需要可以依次生产纯净水、矿化水、碱性水和磁性水，分别用于饮用、工农业生产使用、各种生活用水。对于提高工业企业、农业的效益，提高人民生活质量有很大好处。
5.本技术路线占地面积小、投资小、能耗低，符合中国国情。
图1是利用海水淡化技术全天候生产原盐和淡水的工艺技术路线的工艺流程示意图。
图2是图1的海水预处理工艺的工艺流程示意图。
图3是图1的海水溶质和溶剂分离系统的工艺流程示意图。
图4是图1的溶质浓缩结晶系统的工艺流程示意图。
图5是图1的淡水纯化过程的工艺流程示意图。
具体实施例方式
按照上述的工艺技术，海水通过三种方法进入工作面，一是通过潮水涨落的位差，利用橡胶坝拦住退潮的海水，使其进入预处理系统；二是通过风力提水机在海边完成机械运动式提取海水的过程；三是通过近海陆地上挖掘渗水井采集海水，通过管网进入预处理池，然后经过多介质过滤，并通过消毒手段杀死藻类及其他有害于海水淡化过程的海洋微生物活体组织、细菌等，使海水淡化的处理过程规范化。
1海水预处理工艺(图2所示)采用多介质过滤、分子筛(分子筛，Zeolite是钠、钾、钙、钡的硅铝酸盐)吸附使海水的电导率降低、絮凝、灭菌等方法对海水进行预处理除去悬浮物、藻类、微生物、色素和采用磁镜构成的约束离子的不均匀磁场脱除2价碱土金属离子、部分1价碱金属离子，使进入溶质分离系统的溶质总含量降低到60％左右。
2海水溶质和溶剂分离系统(图3所示)海水中的溶质离子分别带有正电荷和负电荷，在一个磁镜串联的反向力学场内，溶质离子被磁镜的反射作用排斥，远离磁镜组合，成为浓水，而淡水则进入靠近磁镜的区域，显示两种位差的分离，这种受控状态决定了，海水中连接水分子氢键缔合位置的溶质离子和带电的分子在不均匀磁场中处于底部。或者比重发生变化。在离心强制加速分离的作用下，溶质彻底被分离，淡水脱离溶质成为从上部排出的水产品，而下部则将分离出来的溶质和水的混合液体排出来进入溶质浓缩结晶系统。如果显示淡水电导率偏高，电磁阀接受指令会限制淡水出口的流速，这样带电分子或离子将会更快的进入弱场区。或者把仍含有部分溶质的淡水导流往下一个磁镜分离溶质系统。在分离状态不明显时，可以启动离心机使离子的分离加速进行。
3溶质浓缩结晶系统(图4所示)浓水是含溶质成分富集的液体，在比重、表面张力、黏度，特别是电化学特征上具有自己的特点，采用聚焦太阳能相变贮能技术和太阳池贮能技术进行即原盐的生产。该系统使用聚焦太阳能是利用菲涅尔折射聚焦太阳光实现光热转换形成的。同时利用的能源还有太阳池高浓度盐卤造成的贮能效应通过热管超导热交换系统完成浓水的浓缩和结晶过程。当浓缩液中溶质含量超过15-20％时，投入晶种，原盐不断结晶出来。然后进行优势分离，把原盐单独处理，其他海洋盐化工产品另行生产处理。
4淡水纯化过程(图5所示)使用本技术产生的淡水，需要根据不同的水质标准进行纯化或专业化再处理，以适应不同的消费群体。纳滤设备可以使用低压反渗透膜将已经达到各类水资源标准的淡水进行纯化，生产纯净水，用于锅炉运行、医药工业、蓄电池工业及需要高纯水的工业过程；矿化设备将已经达标的饮用水通过石英沙、麦饭石、天青石石屑构成的滤层获得矿化矿泉水，一般属于锶矿泉水和偏硅酸型矿泉水；碱性水发生器通过电解后的两个电极的不同电性的分流，获得碱性水用于饮用，获得酸性水用于皮肤清洁；磁化装置通过旋转磁场对淡水进行磁化处理获得适合饮用和工农业生产使用的磁化水。
预处理过程是进一步降低海水中溶质的过程，同膜法不同，反渗透、纳滤等膜交换法必须把全部去离子过程放到通过反渗透膜或纳滤膜中进行，微滤、超滤都无法完成这个过程。采用磁塞建立的对离子有强烈约束力的反向场磁塞(磁镜)的力量，使海水中的离子反射到容器的底部，成为富集盐分的浓缩混合液排出到浓缩原盐和盐化工部分的生产线，而磁镜附近获得的是失去离子的淡水，这样在海水淡化的准备阶段就产生了大量分离出离子或溶质的混合淡水，使这部分混合水中的溶质总量降低35-40％。电导率达到10000-15000微西门子左右。
溶质分离过程使用永磁稀土高磁通量的材料，建立梯级磁镜(磁塞)的场系统，在这个系统中，经过串联的磁镜的连续约束离子的作用，使离子远离磁镜，聚集在容器的底部，通过离心作用，很容易地脱离溶剂，进入原盐生产和盐化工生产的过程。排出的淡水可以重复这一过程，最后按照水质要求结束操作，加工成为纯净水、矿化矿泉水、磁性水(磁化水)、碱性水等产品，分别供应各种用途使用。
浓水经过太阳能相变贮能和太阳池浓盐卤吸热贮能所接受的太阳能量，全天候对浓缩液进行蒸发、浓缩，并从6波美度开始，分离氧化铁，16波美度时分离析出碳酸钙，20波美度时分离出硫酸钙。此时要经过固液分离，把液体部分滤去已经结晶的上述成分，继续浓缩到28波美度，就开始析出氯化钠，控制波美度到32度时硫酸镁析出，35度时氯化钾和氯化镁联合析出，由于二者溶解度不同，加入部分淡水可以分离出氯化镁，获得氯化钾的粗品。与此同时，浓水中的溴含量从0.008％富集到0.65-0.75％，主要以溴化钠和溴化镁的混合物的形式存在，使用通入氯气的办法可以获得溴素粗品，精制后后纯度可以达到99％以上。整个浓水利用后折合成淡水生产的副产品计算，可以获得近10元的纯收入/吨淡水产出。淡水生产成本不高于1元/立方米。
权利要求
1.一种海水淡化工程的工艺技术，是由海水预处理工艺、海水溶质和溶剂分离系统、溶质浓缩结晶系统、淡水纯化过程四个工艺流程组成，其特征是海水预处理工艺是通过对海水进行过滤、吸附、絮凝、灭菌和去离子化等方法对海水进行予处理；海水溶质和溶剂分离系统是利用海水溶质带电离子在一个磁塞串联系统形成的力学场内，被磁约束力所反射，使带电分子和离子在弱场区聚集，而淡水在梯度磁场强场区聚集，在离心力的推动下，实现浓水和淡水的分流，依靠导流技术将比重、受力形式各不相同的两种液体，分别排出；溶质浓缩结晶系统是对溶质浓缩后再对浓缩液进行蒸发结晶，获得海洋化工产品，蒸发产生的水蒸气重新收集成为淡水；淡水纯化过程是对本技术产生的淡水，需要根据不同的水质标准进行纯化或专业化再处理。
2.根据权利要求1所述的海水淡化工程的工艺技术，其特征是海水预处理工艺是采用多介质过滤、分子筛吸附和絮凝、灭菌和利用磁镜的反射离子及带电分子的作用等方法对海水进行预处理，对海水溶质进行予分离。
3.根据权利要求1所述的海水淡化工程的工艺技术，其特征是海水溶质和溶剂分离系统是利用磁塞串联的对称反射离子和带电分子的梯度磁场的约束力，反射溶质中的离子和带电分子，而水分子因为不带电，不被反射而同溶质分离；系统中形成两个区域，离磁塞较近的区域吸收淡水分子，排斥溶质带电离子，发生沿着离心力方向的分流；形成淡水和浓水两种产品，依靠导流技术将比重、受力形式各不相同的两种液体，分别排出。
4.根据权利要求1所述的海水淡化工程的工艺技术，其特征是溶质浓缩结晶系统是浓水经过聚焦太阳能相变贮能和太阳池贮能产生的自然能量，对不同浓度和波美度的浓水分别进行浓缩、结晶，回收原盐和以氯化钾、氯化镁、溴素、氯化钠为主的盐化工产品，使得海水淡化过程获得最低价位的淡水。
5.根据权利要求1所述的海水淡化工程的工艺技术，其特征是淡水纯化过程是需要根据不同的水质标准进行纯化或专业化再处理，以生产供不同使用需求的各种淡水。
全文摘要
本发明是一种磁约束力、磁塞反射离子和带电分子为主要能量的海水淡化技术形成的一套完整的技术，它同时利用自然能源，主要是太阳能和风能的贮能技术实现海水在淡化过程中的能量来源。具有生产成本低、工艺过程的能量循环互补性强、投资小，效益好的特点。本工艺过程由海水预处理工艺、海水溶质和溶剂分离系统、溶质浓缩结晶系统和淡水纯化过程四个工艺流程组成。本技术可以广泛使用于海水和苦咸水淡化，分质供水，处理中水和完成溶质浓缩和重结晶的全过程，生产各种淡水产品和各种海洋化工产品。本发明可实现海水淡化淡水低于地下水和水库水的价格完成工程供水，甚至实现负成本。
文档编号B01D9/00GK1721338SQ20051004327
公开日2006年1月18日 申请日期2005年4月29日 优先权日2005年4月29日
发明者孙伯鲁 申请人:孙伯鲁