一種自脫鹽系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種脫鹽系統(tǒng)，具體涉及一種自脫鹽系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]淡水供應(yīng)不足始終是困擾偏遠(yuǎn)地區(qū)島民生活的最重要問題。從地質(zhì)水文學(xué)角度來看，海島一般面積很小，無有效地表淡水。海島的地質(zhì)構(gòu)成一般為珊瑚礁或石灰?guī)r，透水性強(qiáng)，在降雨過程中雨水很快透過地表滲入地下，并以淡水透鏡體的存在形式漂浮于深層海水之上，這些珍貴的地下淡水透鏡體就成為了很多海島上最重要的淡水來源。
[0003]然而，這些透鏡體的存在是不穩(wěn)定的，極容易受到外界條件影響而減退甚至消失。由于淡水是直接漂浮于海水之上的，因此海水與淡水的混合是不可避免的。在正常年份，降水量足夠且均勻，這些淡水透鏡體的補(bǔ)充可以抵消海水的入侵，其儲(chǔ)量比較穩(wěn)定；但一旦干旱情況發(fā)生，淡水透鏡體就會(huì)萎縮。隨著全球變暖的日益嚴(yán)重，全球范圍內(nèi)極端氣候包括臺(tái)風(fēng)和干旱發(fā)生的頻率也在增加，同時(shí)還導(dǎo)致了海平面的持續(xù)上升。這些因素的變化都會(huì)導(dǎo)致透鏡體的萎縮，其表現(xiàn)形式就是地下淡水的咸潮入侵，使其鹽度增加不再適合飲用。這些受咸潮入侵污染的淡水主要是受到海水中NaCl的污染，被污染后變?yōu)橄趟?，NaCl濃度較淡水要高，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于海水。一般來說，海水中的NaCl濃度約為30000-40000mg/L。而根據(jù)世界衛(wèi)生組織的建議，飲用淡水中NaCl濃度最高值為400-500mg/L。一旦其濃度高于此限制，飲用時(shí)人便可覺察到咸味存在，不再適合飲用。受咸潮污染的地下水NaCl濃度一般在500-5000mg/L 之間。
[0004]現(xiàn)代的脫鹽技術(shù)可以將咸水中的水資源與鹽分離開來，得到一部分淡水及另一部分鹽濃度增加的濃水。目前成熟的脫鹽技術(shù)主要包括熱法及膜法兩個(gè)大類:前者包括多級閃蒸、多效蒸餾及蒸汽壓縮蒸餾法；后者主要是反滲透或電滲析方法。由于脫鹽過程是一個(gè)分離濃縮的過程，熱力學(xué)上非自發(fā)進(jìn)行，必須輸入能量才能發(fā)生。因此這些脫鹽技術(shù)必須依賴穩(wěn)定的能量供應(yīng)，譬如說電力供應(yīng)方能正常工作。然而這個(gè)要求在偏遠(yuǎn)地區(qū)特別是偏遠(yuǎn)小島上是不能被滿足的。為了解決這一能量來源問題，太陽能電池組件，潮汐發(fā)電及小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常需要配套安裝在這些地區(qū)，這就大大增加了凈化這些水源所需要的成本及系統(tǒng)占地面積。這些地區(qū)迫切需要一種小巧、低成本且能量自給的自脫鹽系統(tǒng)來凈化受污染的地下水，從而得到有效的淡水供應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于提供一種自脫鹽系統(tǒng)，用于解決偏遠(yuǎn)地區(qū)海島上飲用淡水的供應(yīng)，凈化海島上受污染的淡水透鏡體。
[0006]本發(fā)明提出一種自脫鹽系統(tǒng)，包括m個(gè)膜堆107，m彡1，膜堆(107)由反滲析和電滲析兩個(gè)部分串聯(lián)組成，反滲析部分由f個(gè)反滲析重復(fù)單元105組成，f > 1，電滲析部分由d個(gè)電滲析重復(fù)單元106組成，d彡1，其中反滲析重復(fù)單元105由一層陽離子交換膜103間隔一層陰離子交換膜104組成，并以咸水201和海水202作為輸入，并得到反滲析咸水廢水211及反滲析海水廢水212 ；電滲析重復(fù)單元106也由一層陽離子交換膜103間隔一層陰離子交換膜104組成，均以咸水201作為電滲析的濃淡室進(jìn)水，并得到淡水203及電滲析濃水213 ;反滲析咸水廢水211、反滲析海水廢水212和電滲析濃水213組成混合廢水204輸出系統(tǒng)。
[0007]本發(fā)明中，m> 1，且各膜堆首尾相連組成環(huán)形。
[0008]本發(fā)明中，m=4，還包括中空連接器108，中空連接器108將4個(gè)膜堆107首尾連接，中空連接器108中充滿海水(202)。
[0009]本發(fā)明中，咸水201鹽度范圍為100 - 10000mg/L，而海水202鹽度為咸水201的
1.1 - 1000 倍。
[0010]本發(fā)明中，咸水201 和海水 202 是含有 H+、Li+、Na+、K+、NH4\ Ca2+、Mg2+、Sr2+、Ba2+ 和Al3+等陽離子其中一種或幾種，W&F-'Cr、fc-、r、N03-、N02-、S042-、S032-、C103-、C032-、HC03-和OH—等陰離子其中一種或幾種的強(qiáng)電解質(zhì)溶液。
[0011]本發(fā)明中，咸水201及海水202在膜堆中的流速控制在0.05 - 5cm/s 一定范圍內(nèi)。其流速減小則導(dǎo)致系統(tǒng)處理量減?。涣魉偬髣t容易導(dǎo)致膜堆中交叉泄露增加，性能下降。
[0012]本發(fā)明中，膜堆外加有膜堆正極101和膜堆負(fù)極102，膜堆正極101和膜堆負(fù)極102可以是金屬電極或超級電容器電極。
[0013]本發(fā)明中，膜堆正極101和膜堆負(fù)極102是具有RuO2-1rO2涂層的鈦電極片。
[0014]本發(fā)明適用的地區(qū)由于地處海洋環(huán)境之中，其海水資源是無窮無盡的。同時(shí)受污染的地下淡水(即咸水)，濃度一般為500-5000mg/L，也是大量存在的。因此在這些海島上本身就具有了兩種不同濃度的水資源，由于咸水和海水濃度不同，其接觸后會(huì)發(fā)生自發(fā)混合，這個(gè)過程是伴隨有能量放出的。反滲析技術(shù)正是一種利用濃差能來進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)，利用離子交換膜對帶有特定電荷種類離子的選擇透過性，可以調(diào)控海水和咸水的混合過程，以電能形式回收混合過程中釋放的能量。反滲析部分的工作原理如圖1所示，由于海水202中NaCl濃度大大高于咸水201，因此海水流道中的NaCl溶質(zhì)有擴(kuò)散至相鄰咸水流道中去的趨勢。分隔不同流道的隔膜為具有離子選擇性的離子交換膜(陽離子交換膜103及陰離子交換膜104)，因此Na+離子只能透過陽離子交換膜103，而Cl_離子只能透過陰離子交換膜104,形成一個(gè)向左的離子電流從而產(chǎn)生能量輸出。
[0015]電滲析部分的工作過程如圖2所示。在一個(gè)直流電場的作用下，膜堆流道中的離子會(huì)發(fā)生定向遷移，陽離子向膜堆負(fù)極102移動(dòng)，陰離子向膜堆正極101移動(dòng)。初始時(shí)，膜堆進(jìn)水均為咸水201，由于離子交換膜的選擇性，淡室流道中的陰陽離子均會(huì)向濃室流道遷移并被限制其中，這樣一來淡室流道出來的產(chǎn)品水含鹽量會(huì)有所下降得到凈化的淡水203，而濃室流道出來的水含鹽量上升為混合廢水204。由此可見電滲析和反滲析過程剛好互為逆過程，電滲析是通過輸入能量而發(fā)生的一個(gè)分離過程，而反滲析是一個(gè)自發(fā)的混合過程同時(shí)可以回收能量。這兩個(gè)過程中能量的表現(xiàn)形式均為離子電流，本發(fā)明正是基于這一點(diǎn)，利用反滲析過程中產(chǎn)生的離子電流來驅(qū)動(dòng)電滲析脫鹽過程，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一種能量自給的自脫鹽系統(tǒng)直接得到凈化的淡水。
[0016]本發(fā)明提供的自脫鹽系統(tǒng)，利用海島上普遍存在的咸水及海水資源，通過反滲析過程混合這兩種不同濃度的水資源來提取能量，從而驅(qū)動(dòng)另一電滲析脫鹽過程直接從咸水中得到淡水資源。該系統(tǒng)工作時(shí)的簡要物料流動(dòng)如圖3所示，系統(tǒng)進(jìn)料為咸水201及海水202，通過控制二者混合提取了能量，得到了一部分混合廢水204，這部分廢水濃度是處于前面二者之間的。利用這些提取的能量，容易進(jìn)行凈化處理的咸水201中的一部分被凈化，從而得到了淡水203。如果單單從這部分產(chǎn)品淡水203來看，發(fā)生的是一個(gè)分離(脫鹽)過程；但從整個(gè)系統(tǒng)來看，混合過程仍然是多于分離過程。簡而言之，系統(tǒng)出口的混合廢水204及產(chǎn)品淡水203的熵值之和是高于系統(tǒng)入口的海水202及咸水201的，整體過程仍然是一個(gè)熱力學(xué)自發(fā)過程。該系統(tǒng)核心膜堆的工作原理圖如圖4所示，其中包含有反滲析及電滲析兩個(gè)重復(fù)單元。反滲析部分以咸水201及海水202作為輸入，讓其在膜堆中控制混合釋放電能，得到反滲析咸水廢水211及反滲析海水廢水212。由于發(fā)生的是混合過程，在此過程中鹽度較低的咸水201濃度增加轉(zhuǎn)變?yōu)榉礉B析咸水廢水211，而海水202濃度下降轉(zhuǎn)變?yōu)榉礉B析海水廢水212。與此同時(shí)，膜堆中還串聯(lián)有電滲析重復(fù)單元。由于咸水更容易凈化，選擇咸水201作為電滲析的濃淡室進(jìn)水。在外電場作用下，電滲析單元中的離子發(fā)生遷移，從淡室轉(zhuǎn)移至濃室中，這樣就得到了一部分鹽度下降的凈化水，即淡水203，同時(shí)還得到一部分鹽度上升的電滲析濃水213。除了產(chǎn)品淡水203以外，另外3路出水(即211，212及213)組成了混合廢水204，如圖3所示。膜堆中反滲析及電滲析單元中電流的形式均為離子電流，為了使電流連續(xù)形成環(huán)路，膜堆的兩端還使用電極(正極101及負(fù)極102)將離子電流轉(zhuǎn)換為電子電流，并將兩極短接起來形成電流回路。
[0017]由于組合的膜堆中電極及外電路短路電纜的作用只是形成一個(gè)電流回路，這部分可以進(jìn)一步優(yōu)化去除。如圖4所示，自脫鹽膜堆中正極室中不斷有Na+離子進(jìn)入而負(fù)極室中不斷有Na+遷出，只要將這兩個(gè)極室用合適的電解質(zhì)溶液(譬如利用海水作為極室液)連接起來，便形成了一個(gè)離子的傳輸通道，可以實(shí)現(xiàn)完全的離子電流回路，如圖5所示。還可以將膜堆堆疊方式變更為環(huán)形，如圖6所示，這樣可以最大程度利用現(xiàn)有的電滲析組件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。
[0018]本發(fā)明的核心在于利用兩種不同濃度的鹽溶液混合時(shí)釋放的能量來凈化低濃度鹽溶液得到淡水，以上原理示例均利用NaCl來說明，但本發(fā)明能直接處理的鹽溶液還包括含有 H+，Li+，Na+，K+，NH:，Ca2+，Mg2+，Sr2+，Ba2+，Al3+ 等陽離子及含有 F、CF, Br、Γ，NO3' NO”S042—，S032—，ClO3-,⑶廣，HCO3-, 0H—等陰離子的鹽溶液及其混合溶液。
[0019]本發(fā)明的有益效果在于:1.該系統(tǒng)在凈化處理咸水得到淡水的過程中不需要任何外部能量供給，系統(tǒng)工作過程中碳排放為零；2.系統(tǒng)在得到飲用淡水時(shí)只需要消耗海水及咸水資源；3.由于整個(gè)過程中不產(chǎn)生任何濃度高于海水的廢水，不存在濃水排放難題；4.整體系統(tǒng)體積小巧,便于攜帶；5.整體系統(tǒng)配套設(shè)備少，成本低。
【附圖說明】
[0020]圖1為反滲析過程簡要原理圖；
[0021]圖2為電滲析過程簡要原理圖；
[0022]圖3為自脫鹽系統(tǒng)物料流動(dòng)簡圖；
[0023]圖4為實(shí)施例1的自脫鹽系統(tǒng)核心膜堆構(gòu)成原理簡圖；
[0024]圖5為實(shí)施例4的無電極系統(tǒng)的自脫鹽系統(tǒng)核心膜堆結(jié)構(gòu)簡圖；
[0025]圖6為實(shí)施例5的無電極系統(tǒng)的自脫鹽系統(tǒng)核心膜堆結(jié)構(gòu)簡圖。
[0026]圖中標(biāo)號為:101為膜堆正極；102為膜堆負(fù)極；103為陽離子交換膜；104為陰離子交換膜；105為反滲析重復(fù)單元；106為電滲析重復(fù)單元；107為膜堆；108為中空連接器；201為