專利名稱：利用太陽能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熱能利用、水處理以及環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種有效利用太陽能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置。
背景技術(shù)：
在工業(yè)生產(chǎn)以及人們的日常生活、工作中都要用到水處理裝置。目前，已有許多種水處理裝置的發(fā)明。這些裝置可以大致分為四類①工廠對水進行集中處理，然后分散至各需水點，如目前常飲用的純凈水就屬于這一類；②自來水經(jīng)過一定的過濾消毒后，即可飲用，這類裝置體積小、壽命長，基本無需電能，使用在家庭以及辦公等場所十分方便；③通過電加熱的方法加熱水至100℃左右，這種水處理裝置的種類以及生產(chǎn)廠家較多，但這類裝置需要消耗大量的電能；④一些工業(yè)以及生活廢水在污水廠中集中處理，這種水處理設(shè)備，工藝流程較為復(fù)雜，需要一定的電耗。以上這些水處理裝置不適合用于海島、沙漠等地區(qū)處理海水、苦咸水以獲取所需的生活以及飲用水。第一類水處理裝置不適合處理海水、苦咸水，且向偏遠(yuǎn)海島補給已制備好的純凈水的費用相當(dāng)高；第二類水處理裝置雖然使用方便，且無需消耗電能，但卻不能處理海水、苦咸水；第三類裝置雖然能夠處理海水等，電加熱生產(chǎn)蒸餾水以供生活及飲用水之用，但需消耗大量的電能，這在海島以及沙漠等電力缺乏的地區(qū)也是不太適用的；第四類裝置不僅不適用于處理海水、苦咸水等，且需要消耗一定的電能，設(shè)備龐大，占地面積大。目前，中國的海島基本上還是依賴于遠(yuǎn)洋補給船補給淡水，費用高，且對于非常偏遠(yuǎn)的海島，費用就更加昂貴，且補給周期長，遇到戰(zhàn)爭等非常時期，淡水補給線容易被切斷，使得海島國防、生產(chǎn)及生活等極為被動?？v深地帶的沙漠地區(qū)淡水的需求也同樣依賴于補給，費用高且不方便。另外，在中國的一些偏遠(yuǎn)干旱且電力不充足的地區(qū)，長期連續(xù)的飲用水和生活用水的供應(yīng)也十分困難。但在海島(如中國的南沙群島)、沙漠以及干旱地區(qū)，太陽能資源非常豐富。若能有效地利用太陽能來處理海水、苦咸水等，這樣即能省去遠(yuǎn)途補給的費用，又可以不依賴于電能而解決生活以及飲用水的問題。
目前也有許多種直接利用太陽能蒸餾淡化海水的方法，如盤形蒸餾器、傾斜蒸餾器等，這些蒸餾器實際上是一個密閉的溫室，其頂蓋是透明的，溫室底部是涂黑的淺槽，淺槽中裝了薄薄的一層海水。太陽光穿過透明頂蓋后，大部分被水和涂黑的底面吸收，從而使部分水蒸發(fā)，因頂蓋吸收的太陽能很少，且直接向大氣散熱，故頂蓋的溫度低于溫室中水的溫度，于是，蒸發(fā)的水蒸汽會在頂蓋的下表面凝結(jié)，頂蓋有一定的傾角，凝結(jié)水滴就會順頂蓋下流，匯集后流出蒸餾器。這些太陽能蒸餾器雖然結(jié)構(gòu)簡單、運行和維護都比較容易，但在實際應(yīng)用時都存在一些問題，例如水蒸汽的泄漏損失，已凝結(jié)的水滴再次蒸發(fā)或滴落到水槽中形成的損失，還有為了保持蒸餾器內(nèi)鹽分的平衡而必須進行的排放濃縮而帶來的顯熱損失等。最重要的是這類蒸餾方法的產(chǎn)量太小，產(chǎn)量一般在0.1-1.5kg/(m2·d)，效率最高的蒸餾器的淡水產(chǎn)量也不超過5.0kg/(m2·d)且在夜間等太陽能不充足的時間段內(nèi)基本上無法工作生產(chǎn)，不能夠連續(xù)地進行太陽能蒸餾。
此外，在一些工廠中，如石化企業(yè)等，工業(yè)廢熱非常多，大多都排放至大氣中，而生產(chǎn)、生活中的廢水處理又需要消耗大量的電能，不能有效的利用這些廢熱，增加了生產(chǎn)的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種可以有效利用太陽能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置。該裝置以非揮發(fā)性物質(zhì)的水溶液(如海水、苦咸水等)為蒸餾處理對象，有效地利用太陽能或者廢熱，使用疏水性膜，通過膜蒸餾過程，以獲取所需要的生活與飲用淡水。該裝置可以連續(xù)地處理原料液，源源不斷地得到生活及飲用水；還可以省去電加熱，無需任何電耗；并且可以利用換熱器回收冷凝潛熱，大大減小所需太陽能集熱器的規(guī)模。
本發(fā)明設(shè)計的一種利用太陽能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置，其特征在于，包括膜組件、太陽能集熱器或廢熱集熱器、一個以上的循環(huán)泵及其驅(qū)動裝置以及連接各部件的管路；所說的膜組件原料液側(cè)的進口、出口分別與太陽能集熱器或廢熱集熱器的出口與進口相連接，構(gòu)成了原料液的回路，該原料液回路中裝有循環(huán)泵，膜組件蒸餾液側(cè)的進口、出口分別與循環(huán)泵的出口、進口相連接，構(gòu)成了蒸餾液側(cè)的回路，裝置還包括與原料液的回路相連的原料液的補充管路。
所說的原料液的回路中的泵可以裝在膜組件的進口側(cè)，也可以裝在膜組件出口側(cè)；所說的膜組件采用疏水性膜組件，可以由聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚四氟乙烯(PTFE)等疏水性膜制成。
所說的太陽能集熱器可以是平板型或真空管式等形式的集熱器。
所說的廢熱集熱器可以是一個能夠完成熱量傳遞的設(shè)備或組件，如換熱器，廢熱流通過換熱器的一側(cè)，原料液通過換熱器的另一側(cè)，通過換熱器將熱量傳給原料液。
所說的循環(huán)泵是能輸送液體的任何形式的泵，但最好是能夠耐腐蝕的輸水泵。該循環(huán)泵的驅(qū)動裝置可用太陽能熱電系統(tǒng)或太陽能電池驅(qū)動，也可以由電網(wǎng)電力直接驅(qū)動。
在所說的原料液的回路與蒸餾液的回路中可連接有一級換熱器。
在所說的原料液的補充管路與蒸餾液的回路中還可連接有二級換熱器。
在所說的原料液的回路中的膜組件原料液側(cè)的進口處還可連接有過濾器。
本發(fā)明利用膜蒸餾原理，由于采用疏水性膜組件，液體不潤濕膜，由于表面張力的作用，膜兩側(cè)的水溶液都不能通過膜孔進入另一側(cè)。膜一側(cè)原料相溫度高于另一側(cè)滲透相溫度，溫差導(dǎo)致蒸汽分壓差，因此蒸汽分子通過膜孔，從高蒸汽壓側(cè)向低蒸汽壓側(cè)運動，低蒸汽壓側(cè)的蒸汽冷凝成純凈水，部分蒸餾液在循環(huán)泵的作用下重新回到膜組件的蒸餾液側(cè)。原料液從膜組件出來后，進入到太陽能集熱器(或廢熱集熱器)中，太陽能集熱器(或者廢熱集熱器)加熱原料液，使進入膜組件的原料液維持在一較高的溫度水平，從而使膜蒸餾過程可以連續(xù)的進行。這一過程使用集熱器充分地利用了太陽能(或者廢熱)，節(jié)省了大量的電加熱能耗。本發(fā)明由于利用太陽能給循環(huán)泵供電，可以無需任何電能。
本發(fā)明設(shè)計的水處理裝置，可用在海島、沙漠等地區(qū)，這些地方電力缺乏，但太陽能充足，利用這套裝置處理海水、苦咸水等可以得到所需的生活及飲用水；也可以用在偏遠(yuǎn)的干旱地區(qū)，這里常常遠(yuǎn)離集中的電力供應(yīng)，缺乏充足的電力，但太陽能較充足，利用該裝置可以解決家庭等飲用水的問題。該裝置也可以用在一些工業(yè)廢熱較多，且能夠利用膜蒸餾的方法能夠處理該地方的工業(yè)及生活廢水的地區(qū)。
本發(fā)明的產(chǎn)水率主要取決于膜自身的蒸發(fā)面積、原料液流量以及太陽能集熱器(或者廢熱集熱器)的性能，可在0.2kg/h～200kg/h之間；處理后凈水的電導(dǎo)率＜30μs/cm。


圖1是本發(fā)明實施例的工藝流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及工作過程。
本實施例由膜組件1、太陽能集熱器或廢熱集熱器6、過濾器7、蒸餾液罐4、儲液罐5、一級換熱器2、二級換熱器3、多個循環(huán)泵8、9、10、14及其太陽能熱電系統(tǒng)或太陽能光電池13，閥門12、13，以及將各部件相連通的管路組成。其中，膜組件1原料液側(cè)的進口、出口分別與太陽能集熱器或廢熱集熱器6、儲液罐5、的出口與進口相連接，構(gòu)成了原料液的回路(圖中以實線示出)，原料液回路中還裝有過濾器7、循環(huán)泵8、14、10和閥門11、12；膜組件蒸餾液側(cè)的進口、出口分別與循環(huán)泵9、蒸餾液罐4的出口、進口相連接，構(gòu)成了蒸餾液的回路(圖中以虛線示出)；在原料液的回路與蒸餾液的回路中連接有一級換熱器2，在原料液的補充管路與蒸餾液的回路中連接有二級換熱器3；各循環(huán)泵8、9、14、10均與太陽能熱電系統(tǒng)或太陽能光電池13相連(圖中點劃線為供電線路)。
本實施例的工作過程為溫度較高的原料液和溫度較低的蒸餾液逆流經(jīng)過膜組件1，由于溫度差導(dǎo)致的蒸汽壓差作用，原料液中的一部分水分子會穿過膜的微孔以蒸汽狀態(tài)進入蒸餾液一側(cè)。未蒸餾的原料液和蒸餾液、水蒸汽的混合物再次逆流經(jīng)過一級換熱器2進行熱交換，一部分蒸汽冷凝成純凈水，未冷凝的蒸汽連同蒸餾液一起進入二級換熱器3，與向該裝置補給的原料液進行換熱，加熱補給的原料液；在該換熱器中，蒸汽進一步冷凝成純凈水，然后進入蒸餾液罐4。當(dāng)蒸餾液積累至一定高度后，會自動溢出，這就是凈水產(chǎn)品。蒸餾液罐4中的一部分液體在循環(huán)泵9的作用下，回到膜組件1中，進行下一次循環(huán)，如此周而復(fù)始。從一級換熱器2出來的原料液在循環(huán)泵14的驅(qū)動下進入儲液罐5，與補給原料液混合。一部分原料液經(jīng)過太陽能集熱器(或者廢熱集熱器)6，在其中原料液被加熱后再次進入儲液罐5。原料液從儲液罐5出來后，經(jīng)過膜組件1，這樣就完成了一個循環(huán)，如此周而復(fù)始。在該裝置的循環(huán)過程中，太陽能集熱器(或者廢熱集熱器)6加熱原料液，維持了膜進口原料液的工作溫度，而一級與二級換熱器兩次冷凝了蒸餾出來的蒸汽，保持了蒸餾液再次進入膜組件的溫度，同時又回收了大量的冷凝潛熱，減小了集熱器的規(guī)模。
在上述工作過程中，可以視情況不使用二級換熱器3，補給的原料液直接進入儲液罐5，而從一級換熱器2出來的蒸汽和冷凝水混合物直接進入蒸餾液罐4。在太陽能非常充足的地區(qū)，也可以同時省去一級換熱器2和二級換熱器3，完全依靠太陽能集熱器加熱原料液，維持膜組件入口原料液溫度，使膜蒸餾過程得以持續(xù)地進行下去；管路中的閥門用來調(diào)節(jié)流量，有些時候也可以省去。補給液可以直接補給進入原料液側(cè)的管路，這樣可以省去儲液罐5。在電力較為充足的地區(qū)，循環(huán)泵8、9、10、14可以直接由電力驅(qū)動；而在電力缺乏或根本無電力的地區(qū)，這些泵可以由太陽能驅(qū)動，用太陽能熱電系統(tǒng)或太陽能光電池13驅(qū)動。循環(huán)泵14可以省去，依靠太陽能集熱器(或廢熱集熱器)6加熱原料液而產(chǎn)生的溫差驅(qū)動原料液經(jīng)過集熱器，然后流回儲液罐中。這樣這套水處理裝置可以在完全沒有電力供應(yīng)的情況下進行工作。太陽能集熱器(或廢熱集熱器)6起到了加熱原料液的作用，維持了儲液罐內(nèi)原料液的溫度，同時保證了進入膜組件的原料液溫度。裝置中的管路、換熱器、膜組件以及儲液罐要保溫良好，這樣可以減少散失到周圍大氣的熱量。在太陽光照十分充足的情況下，儲液罐的容積應(yīng)盡可能的大。這樣可以充分利用白天的太陽光照，使儲液罐中的原料液維持在膜蒸餾所需要的溫度水平，在進入傍晚或夜間，太陽能供應(yīng)不充足的情況下，由于保溫層的保溫作用，此時該裝置仍可運行，源源不斷地生產(chǎn)出凈水以供使用。
在本實施例中，該裝置的熱回收率可達到80％，使用了如下組件膜組件1聚丙烯中空纖維微孔膜組件，膜管長約300mm，孔隙率25％，微孔為長方形(0.8×0.2μm)，內(nèi)徑0.3mm，蒸餾面積約為2.6m2。原料液質(zhì)量濃度2％的鹽水溶液循環(huán)泵塑料離心泵一級換熱器2鋸齒型板翅式換熱器，材料為鋁合金，兩側(cè)各一層翅片，原料液側(cè)采用的是25Jc1402型鋸齒式翅片，翅片高2.5mm、節(jié)距1.4mm、厚度0.15mm；蒸餾液側(cè)采用65DK1402型多孔式翅片，高6.5mm、節(jié)距1.4mm、厚0.15mm；換熱面積0.98m2二級換熱器3鋸齒型板翅式換熱器，材料及翅片形式同換熱器1，換熱面積0.03m2過濾器7標(biāo)準(zhǔn)ABS材料濾桶配長度5英寸、直徑90mm、孔徑0.1μm塑料濾芯太陽能集熱器6采用太陽能真空管式集熱器，集熱面積約為2m2閥門普通球閥太陽電池13單晶硅光伏電池陣列，2m2，電功率250.0W原料液流量120.0kg/hr蒸餾液流量24.0kg/hr膜組件原料液側(cè)進口溫度70.0℃蒸餾液進口溫度54.0℃產(chǎn)水率1.8kg/hr處理后的水質(zhì)電導(dǎo)率10～30μs/cm
權(quán)利要求
1.一種利用太陽能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置，其特征在于，包括膜組件、太陽能集熱器或廢熱集熱器、一個以上的循環(huán)泵及其驅(qū)動裝置以及連接各部件的管路；所說的膜組件原料液側(cè)的進口、出口分別與太陽能集熱器或廢熱集熱器的出口與進口相連接，構(gòu)成了原料液的回路，該原料液回路中裝有循環(huán)泵，膜組件蒸餾液側(cè)的進口、出口分別與循環(huán)泵的出口、進口相連接，構(gòu)成了蒸餾液側(cè)的回路，裝置還包括與原料液的回路相連的原料液的補充管路。
2.如權(quán)利要求1所述的利用太陽能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置，其特征在于，所說的膜組件采用疏水性膜組件。
3.如權(quán)利要求1所述的利用太陽能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置，其特征在于，所說的太陽能集熱器是平板型或真空管式等形式的集熱器。
4.如權(quán)利要求1所述的利用太陽能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置，其特征在于，所說的廢熱集熱器是一個換熱器，通過該換熱器將熱量傳給原料液。
5.如權(quán)利要求1所述的利用太陽能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置，其特征在于，所說的循環(huán)泵是能夠耐腐蝕的輸水泵。
6.如權(quán)利要求1所述的利用太陽能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置，其特征在于，所說的循環(huán)泵的驅(qū)動裝置采用太陽能熱電系統(tǒng)。
7.如權(quán)利要求1所述的利用太陽能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置，其特征在于，所說的循環(huán)泵的驅(qū)動裝置采用太陽能電池。
8.如權(quán)利要求1所述的利用太陽能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置，其特征在于，在所說的原料液的回路與蒸餾液的回路中可連接有一級換熱器。
9.如權(quán)利要求1或6所述的利用太陽能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置，其特征在于，在所說的原料液的補充管路與蒸餾液的回路中連接有二級換熱器3。
10.如權(quán)利要求1所述的利用太陽能或廢熱的膜蒸餾式水處理裝置，其特征在于，在所說的原料液的回路中的膜組件原料液側(cè)的進口處還可連接有過濾器。
全文摘要
本發(fā)明屬于熱能利用、水處理以及環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域，包括膜組件、太陽能集熱器或廢熱集熱器、一個以上的循環(huán)泵及其驅(qū)動裝置以及連接各部件的管路；分別構(gòu)成了原料液的回路，蒸餾液側(cè)的回路，以及原料液的補充管路。本發(fā)明可以連續(xù)地處理原料液，源源不斷地得到生活及飲用水；還可以省去電加熱，無需任何電耗；并且可以利用換熱器回收冷凝潛熱，大大減小所需太陽能集熱器的規(guī)模。
文檔編號C02F1/44GK1396120SQ0112043
公開日2003年2月12日 申請日期2001年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月13日
發(fā)明者張信榮, 任建勛, 過增元, 梁新剛, 胡桅林 申請人:清華大學(xué)