專利名稱：工業(yè)化規(guī)模海水淡化工藝及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種海水制取淡水的工藝及裝置，尤其是一種工業(yè)化規(guī)模海水淡化工藝及裝置。
背景技術(shù)：
:世界大部分地區(qū)都缺乏人類消耗和農(nóng)業(yè)灌溉所需的淡水。直布羅陀半島，阿魯巴島和中東地區(qū)非常干旱的卡塔爾，阿聯(lián)酋和沙特阿拉伯，以及僅由河流供應(yīng)有限水資源的國(guó)家，例如南非，西班牙，納米比亞，西西里島和以色列，這些國(guó)家都存在淡水供應(yīng)問題。中國(guó)被聯(lián)合國(guó)認(rèn)定為世界上13個(gè)最貧水的國(guó)家之一，人均淡水資源僅為世界人均量的1/4，并且水資源分布不均。目前，中國(guó)有400多個(gè)城市缺水，其中110個(gè)城市嚴(yán)重缺水，飲用苦咸水的農(nóng)村人口達(dá)3855萬人。飲用水供應(yīng)不足的問題在未來十年將加劇，這些飲用水供應(yīng)不足的國(guó)家和地區(qū)大多靠近大洋、海灣或內(nèi)海。由于海水鹽含量過高，無法得到大量可直接使用的淡水，不適合人類使用。海水的平均鹽含量為35000 ppmwt NaCl (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%)，通常應(yīng)降低到500ppmwt NaCl或更低才能適于人類使用(氯含量小于250 ppmwt)。有許多成熟的工藝可以將鹽類從水中分離，即所謂的脫鹽工藝。可以在第四版Kirk Othmer百科全書的第25冊(cè)的438-487頁(yè)中查閱這些工藝的綜述。如今在工業(yè)化海水淡化領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的工藝為M.S.F.(多級(jí)閃蒸)，M.E.D.(多效蒸餾)和R.0.(反滲透)。應(yīng)該明確的是，脫鹽水即等同于淡水或飲用水。工業(yè)化規(guī)模的海水淡化生產(chǎn)工藝應(yīng)該具備以下重要特點(diǎn):公用工程消耗低、投資少、易于操作、維護(hù)費(fèi)用低，尤其是公用工程(能源)消耗低，這是對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)工藝的一個(gè)重要要求。多級(jí)閃蒸工藝的公用工程消耗通常是135-295 kj/kg H2O,而反滲透工藝的消耗量為18-33 kj/kg H2O0因此，反滲透工藝在公用工程消耗上具有很大的優(yōu)勢(shì)。多級(jí)閃蒸工藝的優(yōu)點(diǎn)是使用的金屬設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，而反滲透工藝需要價(jià)格昂貴的薄膜，這種膜易于受到堵塞(結(jié)垢的鹽類如CaSO4和CaCO3)和在膜表面生長(zhǎng)和附著的藻類的影響，這會(huì)大大增加海水預(yù)處理的成本。一些先進(jìn)的反滲透膜，例如聚酰胺膜，不能承受使用Cl2的環(huán)境，而Cl2經(jīng)常被用來消滅細(xì)菌和水藻等等。卷式膜不容易清洗，并且多層支撐材料和膜之間生長(zhǎng)的細(xì)菌容易堵塞和損壞膜元件。海德能公司在2001年I月23日發(fā)表的文章《工業(yè)化反滲透技術(shù)》中提到工業(yè)用長(zhǎng)1.20m X外徑85μπιΧ內(nèi)徑42 μ m的中空纖維膜已經(jīng)應(yīng)用在了反滲透工藝中。日流通量為19 kg/m2時(shí)，這種42 μ m的小內(nèi)徑纖維會(huì)造成5 bar的壓降。這種非常低的水流通量(正常情況下每天600 kg/m2)會(huì)顯著影響淡水的產(chǎn)量。所以選擇內(nèi)徑稍大些的中空纖維膜更合適。另一個(gè)較大的缺點(diǎn)是大量的纖維(數(shù)百萬根)將會(huì)形成過濾器來過濾固體顆粒和生物質(zhì)，而膜表面附著的固體顆粒和生物質(zhì)會(huì)對(duì)膜造成污染，而且會(huì)降低纖維管周圍的湍流程度，增加薄膜表面鹽類的累積(濃差極化)， 使產(chǎn)生的淡水中的鹽濃度增大。
通常25°C海水的滲透壓力大概為25bar，且海水的滲透壓力會(huì)隨鹽濃度的增大而增大，因此海水脫鹽工藝需要在60-80bar的壓力下操作。用于海水脫鹽的反滲透工藝操作壓力都比較高，也不能通過簡(jiǎn)單的方法來減小。領(lǐng)域內(nèi)的專業(yè)人士都熟知次表層海水淡化的生產(chǎn)方法。專利DE 19734981 Al描述了一項(xiàng)海水脫鹽工藝，其中，R.0.組件圍繞其軸做連續(xù)或間歇的旋轉(zhuǎn)。這樣一來，新鮮海水的連續(xù)供應(yīng)問題就解決了，但是過程相當(dāng)復(fù)雜，且機(jī)械效率也不高。而本發(fā)明則致力于深層次地克服旋轉(zhuǎn)的R.0.組件的缺陷。專利US 5，229，005描述了一項(xiàng)從容器的浮動(dòng)平臺(tái)裝置下降到海平面某深度來提取淡水的海水淡化工藝，這套容器裝置配有R.0.元件。當(dāng)容器中充滿淡水后，通過機(jī)械升降系統(tǒng)將淡水從海平面某深度提升出去。這套提升系統(tǒng)比較粗糙，耗時(shí)耗能，不適用于淡水
大量生產(chǎn)。專利GB I, 141，138提出該深度至少要在海平面3500英尺(1067 m)以下。R.0.膜置于容器內(nèi)，且水平安裝。海水進(jìn)入容器，促進(jìn)淡水流動(dòng)，但是對(duì)于容器中的濃鹽水如何自動(dòng)從容器中出去并不清楚。因此，這套裝置在技術(shù)上存在很大的限制。專利DE 196 47 358 Al描述了一種安裝在海平面360m甚至更低的海水淡化裝置。R.0.膜放置在容器的外壁，這導(dǎo)致膜的表面積比較有限，從而淡水的流通量也受到限制。此外，其中還假設(shè)海水要緩慢流過膜表面，這并不是確定的情況，除非海面上正在運(yùn)行的容器發(fā)生正位移。因此，濃鹽水的自動(dòng)更換問題還是沒有解決。專利WO 00/41971也存在同樣的問題，不能保持新鮮海水持續(xù)自動(dòng)地進(jìn)料，濃鹽水的排出也是個(gè)問題。專利EP O 968 755 A2利用一臺(tái)低揚(yáng)程循環(huán)泵將海水泵入膜組件入口，并將海水從膜組件出口泵出到一個(gè)合適的排放點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容:本發(fā)明的目的是提供工業(yè)化規(guī)模海水淡化工藝及裝置，它能夠解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，它以反滲透技術(shù)為基礎(chǔ)，使用中空纖維膜來大規(guī)模生產(chǎn)淡水，它利用很小體積的裝置提供較大的反滲透表面積，并且易于施工、安裝和維修，而且能防止藻類和細(xì)菌群體的生長(zhǎng)，以防止產(chǎn)生堵塞和流動(dòng)阻礙，清洗十分簡(jiǎn)便。本發(fā)明的技術(shù)方案:工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置，其特征在于它包括外殼，外殼兩端封頭和中空纖維膜；所述中空纖維膜固定安裝在外殼內(nèi)；所述外殼上有海水入口和海水出口 ；所述外殼頂端封頭上有淡水出口 ；所述中空纖維膜連接淡水出口。所述中空纖維膜豎直或水平安裝在外殼內(nèi)；所述中空纖維膜至少一端為打開；打開端為常壓，中空纖維膜外壁壓力至少為25bar。所述中空纖維膜豎直安裝在外殼內(nèi)，中空纖維膜的頂端打開，底端打開或密封；中空纖維膜固定在頂部法蘭和底部法蘭之間；所述頂部法蘭安裝于外殼頂部；所述底部法蘭通過剛性件固定于外殼底部。所述中空纖維膜的頂部通過混凝土或復(fù)合材料與金屬絲網(wǎng)構(gòu)成的頂部法蘭固定；所述中空纖維膜的底部通過混凝土或復(fù)合材料與金屬絲網(wǎng)構(gòu)成的底部法蘭固定，中空纖維膜的底部打開或密封；所述復(fù)合材料為二組分的膠或環(huán)氧樹脂；所述頂部法蘭和底部法蘭之間連接有剛性件；所述底部法蘭下端連接阻止中空纖維膜上行使其保持原位的重力補(bǔ)償物。所述中空纖維膜通過金屬絲網(wǎng)固定安裝在外殼內(nèi)；所述金屬絲網(wǎng)上有安裝中空纖維膜的開孔；金屬絲網(wǎng)的開孔中可以安裝至少一根中空纖維膜。所述中空纖維膜由多孔支撐層和半滲透膜層構(gòu)成，呈管狀；所述半滲透膜層覆蓋于多孔支撐層的表面；所述多孔支撐層的壁厚為25-100μπι;半滲透膜層的厚度為0.1-0.5μm ;管狀中空纖維膜的內(nèi)徑為100-800 μ m。所述外殼內(nèi)壁上安裝有折流板。

所述外殼頂部通過外殼頂法蘭連接頂部封頭，底部通過外殼底法蘭連接底部封頭；所述頂部封頭上有淡水出口及手孔，在外殼頂部封頭空間內(nèi)填充玻璃球或瓷球，防止中空纖維膜向上移動(dòng)，這些玻璃球或瓷球可以通過手孔來進(jìn)行裝填；所述外殼頂法蘭和頂部封頭法蘭的連接處有多孔燒結(jié)金屬板及密封墊片，金屬板用來承載玻璃球或瓷球。所述外殼及中空纖維膜均為圓柱形；外殼頂部封頭和底部封頭采用橢圓封頭。所述海水入口處安裝有入口過濾器；所述淡水出口連接淡水收集罐。所述工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置安裝在海平面下350-500m處，相應(yīng)的液體靜壓為35-50 bar。所述工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置在岸上時(shí)可連接能量回收裝置。所述中空纖維膜的支撐層為能承受50bar壓力的多孔材料，選用聚芳醚砜、多孔玻璃、陶瓷材料或者燒結(jié)金屬；半滲透膜層為選擇性透過材料，選用醋酸纖維素C.A.、二醋酸纖維素C.D.A.、三醋酸纖維素C.Τ.A.、金屬硅酸鹽或聚酰胺。所述金屬絲網(wǎng)為能承受較高壓力的材料，選用不銹鋼或蒙乃爾銅-鎳合金。所述外殼材料為能承受50bar的壓力且耐海水腐蝕的材料，選用雙相鋼、鋁青銅、鎳青銅或在鋼材料表面襯膠、刷漆。所述半滲透膜層的制作方法為:將半滲透膜材料溶解在溶劑中，該溶劑能通過多孔支撐層，而不能通過多孔支撐層的半滲透膜材料將會(huì)越積越多，最終在溶液中形成沉淀并覆蓋在多孔支撐層外表面；或者將半滲透膜材料溶解到一種揮發(fā)性溶劑中，將混合液噴涂在多孔支撐層上，當(dāng)溶劑揮發(fā)完之后，薄膜材料就沉淀在多孔支撐層的表面；或者聚芳醚砜多孔支撐層先用高粘度水溶液所浸潰；高粘度的濃溶液能阻止三醋酸纖維素C.T.A.滲入聚芳醚砜的孔隙中；中空纖維膜開始運(yùn)行后，溶質(zhì)溶解在流經(jīng)的水中，孔隙暢通，從而保證了淡水流通量；所述高粘度水溶液選用濃糖水；或者使用Na2SiO3的高粘度溶液在中空纖維表面與金屬離子發(fā)生反應(yīng)從而形成半滲透膜層:首先，中空纖維支撐材料被Na2SiO3的高粘度溶液所滲透；然后，將中空纖維管束放置在含有金屬離子的鹽溶液中，金屬離子將會(huì)和硅酸鹽反應(yīng)，在中空纖維的外表面生成不可溶的金屬硅酸鹽薄膜層，該薄膜層即為半滲透膜；通過將酸加入到中空纖維的內(nèi)側(cè)，水溶性的Na2SiO3轉(zhuǎn)變?yōu)槟z狀:2H+ + Si032_ — H2SiO3 = SiO2.Η20，這種膠能夠支撐外側(cè)的金屬硅酸鹽薄層，且能方便水滲透。所述將半滲透膜材料溶解在溶劑中，該溶劑能通過多孔支撐層，而不能通過多孔支撐層的半滲透膜材料將會(huì)越積越多，最終在溶液中形成沉淀并覆蓋在多孔支撐層外表面的方法:所述多孔支撐層材料為聚芳醚砜，半滲透膜層材料為三醋酸纖維素；首先，在溶劑丙酮或CH2Cl -CH2Cl中形成三醋酸纖維素的飽和溶液；保持溶劑在較高溫度，最好接近其沸點(diǎn)，有利于溶劑的蒸發(fā)；膜反應(yīng)器中充滿了濃溶液，溶劑含量慢慢降低；溶液將會(huì)潤(rùn)濕多孔支撐層，溶劑則會(huì)揮發(fā)掉，三醋酸纖維素會(huì)超過其最大溶解度，于是在多孔支撐層表面沉淀下來；即將溶液裝填在容器的頂部，容器頂部為壓力稍高部分，底部為壓力稍低部分，溶液由頂部的溶液入口流入多孔支撐層中，因?yàn)槎嗫字螌幽鼙淮烁哒扯热芤核鶟B透，因此也會(huì)填滿支撐材料聚芳醚砜的孔隙；多孔支撐層的內(nèi)表面和/或外表面形成C.T.A.半滲透膜層。所述使用Na2SiO3的高粘度溶液在中空纖維表面與金屬離子發(fā)生反應(yīng)從而形成半滲透膜層，金屬離子可選用鐵離子、鋁離子、鎂離子、鎳離子或鈷離子；若選用鋁離子，鋁離子和硅酸鹽反應(yīng):2A13+ + 3Si032_ — Al2 (SiO3)3，在多孔支撐層的外表面生成了不可溶的硅酸鋁薄膜層，該薄膜層即為半滲透膜層。工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置的工作方法，其特征在于它包括以下步驟:海水由海水入口進(jìn)入，安裝在外殼內(nèi)壁上的折流板能夠產(chǎn)生強(qiáng)湍流，海水經(jīng)中空纖維膜脫鹽后變?yōu)榈畯牡隹诹鞒?，濃縮海水從海水出口排出。所述海水入口處安裝的入口過濾器將直徑超過70 μ m的大顆粒過濾掉。所述裝置外殼上海水出口側(cè)可設(shè)置導(dǎo)流板，導(dǎo)流板由剛性連接件連接在裝置外殼上靠近海水入口和海水出口處,對(duì)水流起引導(dǎo)作用，形成海水自動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)。所述淡水從工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置的淡水出口流出后由淡水收集罐淡水入口流入淡水收集罐；淡水流入淡水收集罐之后，進(jìn)入的淡水的鹽含量由鹽含量分析儀來檢測(cè)，即NaCl含量控制器；如果淡水中鹽含量太高，那么淡水入口閥門將通過分析儀自動(dòng)關(guān)閉；淡水進(jìn)入豎直內(nèi)管中，由液位控制器來測(cè)量豎直內(nèi)管中的液位，液位上升時(shí)，調(diào)節(jié)閥將會(huì)開得更大；泵從豎直內(nèi)管中抽取液體；淡水通過泵和送水管線輸送到海平面以上的工作平臺(tái)；所述工作平臺(tái)通過電纜為泵提供電力。

所述工作平臺(tái)為方便提供電力和淡水輸出的浮動(dòng)平臺(tái)、固定平臺(tái)或者容器；所述工作平臺(tái)連接儲(chǔ)存淡水的集裝箱，集裝箱會(huì)通過拖船運(yùn)輸?shù)胶０痘蚋劭凇Ｋ龅占尥ㄟ^壓力平衡管線維持常壓，通過連接鎖鏈安裝在需要的深度。所述淡水收集罐的底部可有10-50個(gè)連接海水淡化裝置的管口。所述泵是在大氣壓下工作的離心泵，泵通過電纜提供動(dòng)力；所述豎直內(nèi)管上安裝控制閥，當(dāng)內(nèi)管中液位太高時(shí)關(guān)閉該閥門。所述工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置連接能量回收裝置；鹽含量為3.5wt%、壓力Ibar的海水通過上汽缸入口管線和上汽缸下入口閥通入到能量回收裝置的上汽缸活塞下面的區(qū)域，推動(dòng)中心柱向上移動(dòng)，活塞上面區(qū)域的海水壓力上升至50 bar ;含鹽量3.5wt%、壓力50bar的海水從上汽缸上部的出口閥離開上汽缸；經(jīng)過海水淡化裝置后，含鹽量為7wt%、壓力49 bar的濃鹽水通過下汽缸下入口閥和下汽缸管線進(jìn)入能量回收裝置的下汽缸活塞下面的區(qū)域，推動(dòng)下汽缸活塞向上運(yùn)動(dòng)，將進(jìn)入下氣缸活塞上面的含鹽量7wt%、壓力Ibar的海水從下氣缸上部的出口閥排出，此時(shí)能量回收裝置內(nèi)通過下氣缸上部的出口閥保持常壓；當(dāng)上氣缸活塞和下氣缸活塞處于最高位置后，中心柱下降，3.5wt%的海水通過上汽缸上入口閥進(jìn)入上汽缸活塞上面的區(qū)域；下氣缸活塞向下運(yùn)動(dòng)，7wt%的海水通過下汽缸上入口閥進(jìn)入下汽缸活塞上面的區(qū)域，直到上氣缸活塞和下氣缸活塞達(dá)到最低位置。本發(fā)明的工作原理:通過一種黏性密封材料將裝置的高壓側(cè)和低壓側(cè)分離開來，如混凝土和復(fù)合材料(如二組分的膠或環(huán)氧樹脂)，將這種材料放置在金屬絲網(wǎng)/中空纖維膜結(jié)構(gòu)的末端；該黏性材料能在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生固化或者聚合；中空纖維膜的頂部去除部分黏性材料，使其處于打開狀態(tài)；中空纖維膜的底部打開或密封；可將多個(gè)金屬絲網(wǎng)放置在復(fù)合材料中，且每個(gè)金屬絲網(wǎng)之間保持相同的距離，以加強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械性能(類似鋼筋混凝土);中空纖維膜的頂部使用能迅速固化或聚合的復(fù)合材料和金屬絲網(wǎng)形成一個(gè)頂部法蘭。中空纖維膜的底部使用固化或聚合的復(fù)合材料和金屬絲網(wǎng)形成一個(gè)底部法蘭。底部法蘭要承受一個(gè)較大的向上的作用力，可以采用金屬條剛性件將底部法蘭與頂部法蘭連接起來，或通過剛性件將底部法蘭與外殼底部連接起來。本發(fā)明優(yōu)越性及技術(shù)效果:1、本發(fā)明以反滲透技術(shù)為基礎(chǔ)，其離岸作業(yè)裝置利用海水的重力勢(shì)能實(shí)現(xiàn)反滲透海水淡化工藝，在能源消耗上有一定優(yōu)勢(shì)，與岸上作業(yè)相比，能耗能縮小三倍或者更多；中空纖維膜管束安裝在海平面下350-500m處，相應(yīng)的液體靜壓為35-50 bar ;這種高壓足夠克服滲透壓，低壓側(cè)為大氣壓；外殼中豎直安裝的中空纖維膜使海水自動(dòng)向下流動(dòng)，這是由于淡水被半滲透膜提取之后濃鹽水的密度增大而導(dǎo)致的；裝置外殼上海水出口側(cè)可設(shè)置導(dǎo)流板，對(duì)水流起引導(dǎo)作用，形成海水自動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)；與岸上作業(yè)相比，這種海水自動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)不需要耗能去增大原料/產(chǎn)品海水的壓力以克服滲透壓，僅在將淡水輸送到海平面時(shí)需要耗能，因?yàn)楫a(chǎn)生的淡水的流量遠(yuǎn)比進(jìn)入反滲透裝置的海水流量要小，因此能耗非常小，約5 kj/kg H2O ;2、本發(fā)明是一種用于反滲透技術(shù)的裝置，該裝置外殼內(nèi)壁上設(shè)有折流板，能在邊界層產(chǎn)生強(qiáng)湍流，抑制生物質(zhì)和/或不溶性鹽對(duì)反滲透膜組件造成污染；當(dāng)海水通過反滲透膜時(shí)，鹽濃度在這里會(huì)顯著提高，這會(huì)使低溶解度的CaSO4和/或CaCO3以結(jié)垢鹽的形式沉淀出來，甚至也能析出溶解度較高的NaCl固體；固體的形成會(huì)造成膜堵塞，阻礙海水流動(dòng)，而強(qiáng)湍流能削弱這種堵塞和流動(dòng)阻礙；3、本發(fā)明中空纖維膜的清洗十分簡(jiǎn)便，中空纖維膜可全部從外殼中取出進(jìn)行清洗和替換，或者通過關(guān)閉反滲透膜組件海水入口和出口，采用清潔溶劑循環(huán)回流來進(jìn)行清洗中空纖維膜；4、本發(fā)明利用很小體積的裝置提供較大的反滲透表面積，并且易于施工、安裝和維修；類似于殼管式換熱器，平行中空纖維膜管束保持規(guī)律且固定的距離，平行中空纖維膜管束的結(jié)構(gòu)有序、清晰；中空纖維膜的兩端都固定在金屬絲網(wǎng)的開孔中，通過金屬絲網(wǎng)和復(fù)合材料形成的法蘭來固定；金屬絲網(wǎng)的每個(gè)開孔安裝一根或一束中空纖維膜，從而使大量的中空纖維膜能整齊有序地安裝。


:圖1為本發(fā)明所涉工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明所·涉工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明所涉工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置中金屬絲網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明所涉工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置中中空纖維膜的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明所涉工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置中空纖維膜安裝于金屬絲網(wǎng)中的示意圖。
圖6為本發(fā)明所涉工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置中底部法蘭制作的示意圖。圖7為本發(fā)明所涉工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置中頂部法蘭制作的示意圖。圖8為本發(fā)明所涉工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置應(yīng)用示意圖。圖9為本發(fā)明所涉工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置所連接的能量回收裝置的原理圖。圖10為本發(fā)明所涉工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置中中空纖維膜一種制作實(shí)施例的示意圖。圖11為本發(fā)明所涉工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置中中空纖維膜另一種制作實(shí)施例的示意圖。其中，I為金屬絲網(wǎng)，2為開孔，3為半滲透膜層，4為多孔支撐層，5為中空纖維膜，6為復(fù)合材料，7為底部法蘭，8為需移除的復(fù)合材料，9為頂部法蘭，10為海水入口，11為海水出口，12為淡水出口，13為頂部封頭，14為手孔，15為多孔燒結(jié)金屬板，16為密封墊片，17為外殼頂法蘭，18為外殼，19為折流板，20為剛性件，21為外殼底法蘭，22為底部封頭，23為入口過濾器， 24為重力補(bǔ)償物，25為淡水入口閥門，26為淡水收集罐淡水入口，27為泵，28為液位控制器，29為電纜，30為調(diào)節(jié)閥，31為鹽含量分析儀，32為管口，33為豎直內(nèi)管，34為控制閥，35為淡水收集罐，36為壓力平衡管線，37為送水管線，38為連接鎖鏈，39為集裝箱，40為工作平臺(tái)，41為上汽缸下入口閥，42為上汽缸入口管線，43為上汽缸上部的出口閥，44為上汽缸活塞，45為能量回收裝置，46為下氣缸上部的出口閥，47為下汽缸活塞，48為下汽缸下入口閥，49為下汽缸管線，50為上汽缸上入口閥，51為下汽缸上入口閥，52為壓力稍高部分，53為溶液入口，54為壓力稍低部分，55為空隙，56為硅酸鈉溶液，57為硅酸鋁薄膜層，58為剛性連接件，59為導(dǎo)流板。
具體實(shí)施方式
:實(shí)施例:工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置(見圖1)，其特征在于它包括外殼18和中空纖維膜5 ;所述中空纖維膜5固定安裝在外殼18內(nèi)；所述外殼18上有海水入口 10和海水出口 11 ;所述中空纖維膜5連接淡水出口 12。所述中空纖維膜5豎直或水平安裝在外殼18內(nèi)；所述中空纖維膜5至少一端為打開；打開端為常壓，中空纖維膜5外壁壓力至少為25bar。所述中空纖維膜5豎直安裝在外殼18內(nèi)，中空纖維膜5的頂端打開,底端打開或密封；中空纖維膜5固定在頂部法蘭9和底部法蘭7之間；所述頂部法蘭9安裝于外殼18頂部；所述底部法蘭7通過剛性件20固定于外殼18底部?jī)?nèi)壁上。(見圖1)所述中空纖維膜5的頂部通過復(fù)合材料6與金屬絲網(wǎng)I構(gòu)成的頂部法蘭9固定；所述中空纖維膜5的底部通過復(fù)合材料6與金屬絲網(wǎng)I構(gòu)成的底部法蘭7固定；所述頂部法蘭9在制作過程中將需移除的復(fù)合材料8移除后，中空纖維膜5的頂端打開；所述底部法蘭7在制作過程中可移除部分復(fù)合材料，中空纖維膜5的底端打開，或者不移除復(fù)合材料，保持中空纖維膜5的底端密封。所述復(fù)合材料6為二組分的膠或環(huán)氧樹脂；所述頂部法蘭9和底部法蘭7之間連接有剛性件；所述底部法蘭7下端連接阻止中空纖維膜5上行的重力補(bǔ)償物24，使中空纖維膜保持原位。(見圖1、圖2、圖3、圖6、圖7、圖8)所述中空纖維膜通過金屬絲網(wǎng)固定安裝在外殼18內(nèi)；所述金屬絲網(wǎng)I上有安裝中空纖維膜5的開孔2 ;金屬絲網(wǎng)I的開孔2中可以安裝至少一根中空纖維膜5。(見圖3、圖5)所述中空纖維膜5由多孔支撐層4和半滲透膜層3構(gòu)成，呈管狀；所述半滲透膜層3覆蓋于多孔支撐層4的表面；所述多孔支撐層4的壁厚為25-100 μ m ;半滲透膜層3的厚度為0.1-ο.5μπι;管狀中空纖維膜5的內(nèi)徑為100-800 μ m。(見圖3、圖4)所述外殼18內(nèi)壁上安裝有折流板19。(見圖1、圖2、圖8) 所述外殼18頂部通過外殼頂法蘭17連接頂部封頭13，底部通過外殼底法蘭21連接底部封頭22 ;所述頂部封頭13上有淡水出口 12及手孔14 ;在外殼頂部封頭空間內(nèi)可填充一些陶瓷球，以防止中空纖維膜部分在50bar壓差的作用下向上移動(dòng)，這些玻璃球或陶瓷球可以通過手孔14來進(jìn)行裝填；所述外殼頂法蘭17和頂部封頭13法蘭的連接處有防止中空纖維膜5上行的多孔燒結(jié)金屬板15及密封墊片16 ;該金屬板15用來承載玻璃球或陶瓷球。(見圖2)所述外殼18及中空纖維膜5均為圓柱形；外殼頂部封頭13和底部封頭22采用橢圓封頭。(見圖1)所述海水入口 10處安裝有入口過濾器23 ;所述淡水出口 12連接淡水收集罐35。(見圖8) 所述工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置安裝在海平面下350-500m處，相應(yīng)的液體靜壓為35-50 bar。所述工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置用在岸上時(shí)連接能量回收裝置45。(見圖9)所述中空纖維膜5的支撐層為能承受50bar壓力的多孔材料，選用聚芳醚砜、多孔玻璃、陶瓷材料或者燒結(jié)金屬；半滲透膜層為選擇性透過材料，選用醋酸纖維素C.A.、二醋酸纖維素C.D.A.、三醋酸纖維素C.Τ.A.、金屬硅酸鹽或聚酰胺。所述金屬絲網(wǎng)I為能承受較高壓力的材料，選用不銹鋼或蒙乃爾銅-鎳合金。所述外殼18材料為能承受50bar的壓力且耐海水腐蝕的材料，選用雙相鋼、鋁青銅、鎳青銅或在鋼材料表面襯膠、刷漆。所述半滲透膜層的制作方法為:將半滲透膜材料溶解在溶劑中，該溶劑能通過多孔支撐層，而不能通過多孔支撐層的半滲透膜材料將會(huì)越積越多，最終在溶液中形成沉淀并覆蓋在多孔支撐層外表面；或者將半滲透膜材料溶解到一種揮發(fā)性溶劑中，將混合液噴涂在多孔支撐層上，當(dāng)溶劑揮發(fā)完之后，薄膜材料就沉淀在多孔支撐層的表面；或者聚芳醚砜多孔支撐層先用高粘度水溶液所浸潰；高粘度的濃溶液將會(huì)阻止三醋酸纖維素C.T.A.滲入聚芳醚砜的孔隙中；中空纖維膜開始運(yùn)行后，溶質(zhì)溶解在流經(jīng)的水中，孔隙暢通，從而保證了淡水流通量；所述高粘度水溶液選用濃糖水；或者使用Na2SiO3的高粘度溶液在中空纖維表面與金屬離子發(fā)生反應(yīng)從而形成半滲透膜層:首先，中空纖維支撐材料被Na2SiO3的高粘度溶液所滲透；然后，將中空纖維管束放置在含有金屬離子的鹽溶液中，金屬離子將會(huì)和硅酸鹽反應(yīng)，在中空纖維的外表面生成不可溶的金屬硅酸鹽薄層，即為半滲透膜；通過將酸加入到中空纖維的內(nèi)側(cè)，水溶性的Na2SiO3轉(zhuǎn)變?yōu)槟z狀:2H+ + Si032_— H2SiO3 = SiO2 - H2O,這種膠能夠支撐外側(cè)的金屬硅酸鹽薄層，且能方便水滲透。所述將半滲透膜材料溶解在溶劑中，該溶劑能通過多孔支撐層，而不能通過多孔支撐層的半滲透膜材料將會(huì)越積越多，最終在溶液中形成沉淀并覆蓋在多孔支撐層外表面的方法:所述多孔支撐層材料為聚芳醚砜，半滲透膜層材料為三醋酸纖維素；首先，在溶劑丙酮或CH2Cl -CH2Cl中形成三醋酸纖維素的飽和溶液；保持溶劑在較高溫度，最好接近其沸點(diǎn)，有利于溶劑的蒸發(fā)；膜反應(yīng)器中充滿了濃溶液，溶劑含量慢慢降低；溶液將會(huì)潤(rùn)濕多孔支撐層，而溶劑則會(huì)揮發(fā)掉，三醋酸纖維素會(huì)超過其最大溶解度，于是在多孔支撐層表面沉淀下來；即將溶液裝填在容器的頂部，容器頂部為壓力稍高部分52，底部為壓力稍低部分54，溶液由頂部的溶液入口 53流入多孔支撐層4中，因?yàn)槎嗫字螌?能被此高粘度溶液所滲透，因此也會(huì)填滿支撐材料聚芳醚砜的孔隙；多孔支撐層4的內(nèi)表面和/或外表面形成C.T.A.半滲透膜層。(見圖10)所述使用Na2SiO3的高粘度溶液在中空纖維表面與金屬離子發(fā)生反應(yīng)從而形成半滲透膜層，金屬離子為鐵離子、鋁離子、鎂離子、鎳離子或鈷離子；金屬離子選用鋁離子，硅酸鈉溶液56充滿多孔支撐層的空隙55，鋁離子和硅酸鈉溶液56反應(yīng):2A13+ + 3Si032_ —Al2 (SiO3)3，在多孔支撐層的外表面生成了不可溶的硅酸鋁薄膜層57，該薄膜層即為半滲透膜層。(見圖11)工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置的工作方法，其特征在于它包括以下步驟:海水由海水入口 10進(jìn)入，安裝在外殼18內(nèi)壁上的折流板19能夠產(chǎn)生強(qiáng)湍流，海水經(jīng)中空纖維膜5脫鹽后變?yōu)榈?，淡水從淡水出?12流出，濃縮海水從海水出口 11排出。所述海水入口 10處安裝的入口過濾器23將直徑超過70μπι的大顆粒過濾掉。裝置外殼上海水出口 11側(cè)可設(shè)置導(dǎo)流板59，導(dǎo)流板59由剛性連接件58連接在裝置外殼上靠近海水入口 10和海水出口 11處，對(duì)水流起引導(dǎo)作用，形成自動(dòng)循環(huán)海水系統(tǒng)。所述淡水從工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置的淡水出口 12流出后由淡水收集罐淡水入口 26流入淡水收集罐35 ;淡水流入淡水收集罐35之后，進(jìn)入的淡水的鹽含量由鹽含量分析儀31來檢測(cè)，即NaCl含量控制器；如果淡水中鹽含量太高，那么淡水入口閥門25將通過分析儀31自動(dòng)關(guān)閉；淡 水進(jìn)入豎直內(nèi)管33中，由液位控制器28來測(cè)量豎直內(nèi)管33中的液位，液位上升時(shí)，調(diào)節(jié)閥30將會(huì)開得更大；泵27從豎直內(nèi)管33中抽取液體；淡水通過泵27和送水管線37輸送到海平面以上的工作平臺(tái)40 ;所述工作平臺(tái)40通過電纜29為泵27提供電力。(見圖8)所述工作平臺(tái)40為方便提供電力和淡水輸出的浮動(dòng)平臺(tái)、固定平臺(tái)或者容器；所述工作平臺(tái)40連接儲(chǔ)存淡水的集裝箱39，集裝箱39會(huì)通過拖船運(yùn)輸?shù)胶０痘蚋劭凇?見圖8)所述淡水收集罐35通過壓力平衡管線36維持常壓，通過連接鎖鏈38安裝在需要的深度。(見圖8)所述淡水收集罐35的底部連接其它海水淡化裝置的管口 32。(見圖7)所述泵27是在大氣壓下工作的離心泵，泵27通過電纜29提供動(dòng)力；所述豎直內(nèi)管33上安裝閥34，當(dāng)內(nèi)管中液位太高時(shí)關(guān)閉閥34。(見圖8)所述工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置連接能量回收裝置45 ;鹽含量為3.5wt%、壓力Ibar的海水通過上汽缸入口管線42和上汽缸下入口閥41通入到能量回收裝置45的上汽缸活塞44下面的區(qū)域，推動(dòng)中心柱向上移動(dòng)，上汽缸活塞44上面區(qū)域的海水壓力上升至50bar ;含鹽量3.5wt%、壓力50bar的海水從上汽缸上部的出口閥43離開上汽缸；經(jīng)過海水淡化裝置后，含鹽量為7wt%、壓力49 bar的濃鹽水通過下汽缸下入口閥48和下汽缸管線49進(jìn)入能量回收裝置45的下汽缸活塞47下面的區(qū)域，推動(dòng)下汽缸活塞47向上運(yùn)動(dòng)，將進(jìn)入下氣缸活塞47上面的含鹽量7wt%、壓力Ibar的海水從下氣缸上部的出口閥46排出，此時(shí)能量回收裝置45內(nèi)通過下氣缸上部的出口閥46保持常壓；當(dāng)上氣缸活塞44和下氣缸活塞47處于最高位置后，中心柱下降，3.5wt%的海水通過上汽缸上入口閥50進(jìn)入上汽缸活塞44上面的區(qū)域；下氣缸活塞47向下運(yùn)動(dòng)，7wt%的海水通過下汽缸上入口閥51進(jìn)入下汽缸活塞上面的區(qū)域，直到上氣缸活塞44和下氣缸活塞47達(dá)到最低位置。(見圖9)所述金屬絲網(wǎng)I的規(guī)格為:
權(quán)利要求
1.工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置，其特征在于它利用海水的重力勢(shì)能實(shí)現(xiàn)反滲透海水淡化工藝，該裝置包括外殼、外殼兩端封頭和中空纖維膜；所述外殼上有海水入口、海水出口，頂部封頭有淡水出口 ；所述中空纖維膜固定在外殼內(nèi)；所述中空纖維膜至少一端為打開；所述中空纖維膜由多孔支撐層和半滲透膜層構(gòu)成，所述半滲透膜層覆蓋于多孔支撐層的表面；所述封頭安裝于外殼兩端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置，其特征在于所述中空纖維膜豎直或水平安裝在外殼內(nèi)；所述中空纖維膜至少一端為打開；打開端為常壓，中空纖維膜外壁壓力至少為25bar ;所述中空纖維膜豎直安裝在外殼內(nèi)，中空纖維膜的頂端打開，底端打開或密封；中空纖維膜固定在頂部法蘭和底部法蘭之間；所述頂部法蘭安裝于外殼頂部；所述底部法蘭通過剛性件固定于外殼底部。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置，其特征在于所述中空纖維膜的頂部通過混凝土或復(fù)合材料與金屬絲網(wǎng)構(gòu)成的頂部法蘭固定；所述中空纖維膜的底部通過混凝土或復(fù)合材料與金屬絲網(wǎng)構(gòu)成的底部法蘭固定；所述復(fù)合材料為二組分的膠或環(huán)氧樹脂；所述頂部法蘭和底部法蘭之間連接有剛性件；所述底部法蘭下端連接阻止中空纖維膜上行使其保持原位的重力補(bǔ)償物；所述金屬絲網(wǎng)上有安裝中空纖維膜的開孔；金屬絲網(wǎng)的開孔中可以安裝至少一根中空纖維膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置，其特征在于所述中空纖維膜由多孔支撐層和半滲透膜層構(gòu)成，呈管狀；所述半滲透膜層覆蓋于多孔支撐層的表面；所述多孔支撐層的壁厚為25-100 μ m;半滲透膜層的厚度為0.1-0.5 μ m ;管狀中空纖維膜的內(nèi)徑為IOO-SOOym ;所述中空纖維膜的支撐層為能承受50bar壓力的多孔材料，選用聚芳醚砜、多孔玻 璃、陶瓷材料或者燒結(jié)金屬；半滲透膜層為選擇性透過材料，選用醋酸纖維素C.A.、二醋酸纖維素C.D.A.、三醋酸纖維素C.Τ.A.、金屬硅酸鹽或聚酰胺。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置，其特征在于所述外殼內(nèi)壁上安裝有折流板；所述外殼頂部通過外殼頂法蘭連接頂部封頭，底部通過外殼底法蘭連接底部封頭；所述頂部封頭上有淡水出口及手孔，在外殼頂部封頭空間內(nèi)填充玻璃球或瓷球；所述外殼頂法蘭和頂部封頭法蘭的連接處有承載玻璃球或瓷球的多孔燒結(jié)金屬板及密封墊片；所述外殼及中空纖維膜均為圓柱形；外殼頂部封頭和底部封頭采用橢圓封頭；所述海水入口處安裝有入口過濾器；所述淡水出口連接淡水收集罐；所述裝置外殼上海水出口側(cè)設(shè)置對(duì)水流起引導(dǎo)作用的導(dǎo)流板。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置，其特征在于所述工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置安裝在海平面下350-500m處，相應(yīng)的液體靜壓為35-50 bar ;或者所述工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置連接能量回收裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述海水淡化裝置，其特征在于所述中空纖維膜的半滲透膜層的制作方法為: 將半滲透膜材料溶解在溶劑中，該溶劑能通過多孔支撐層，在溶液中形成沉淀并覆蓋在多孔支撐層外表面； 或者將半滲透膜材料溶解到一種揮發(fā)性溶劑中，將混合液噴涂在多孔支撐層上，當(dāng)溶劑揮發(fā)完之后，薄膜材料就沉淀在多孔支撐層的表面； 或者聚芳醚砜多孔支撐層先用高粘度水溶液所浸潰；中空纖維膜開始運(yùn)行后，溶質(zhì)溶解在流經(jīng)的水中；所述高粘度水溶液選用濃糖水； 或者使用Na2SiO3的高粘度溶液在中空纖維表面與金屬離子發(fā)生反應(yīng)從而形成金屬硅酸鹽薄膜層，該薄膜層即為半滲透膜；通過將酸加入到中空纖維的內(nèi)側(cè)，水溶性的Na2SiO3轉(zhuǎn)變?yōu)槟z狀，這種膠能夠支撐外側(cè)的金屬硅酸鹽薄層，且能方便水滲透。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置，其特征在于所述中空纖維膜的半滲透膜層的制作方法中將半滲透膜材料溶解在溶劑中，該溶劑能通過多孔支撐層，而不能通過多孔支撐層的半滲透膜材料將會(huì)越積越多，最終在溶液中形成沉淀并覆蓋在多孔支撐層外表面的方法為:所述多孔支撐層材料為聚芳醚砜，半滲透膜層材料為三醋酸纖維素；首先，在溶劑丙酮或CH2Cl -CH2Cl中形成三醋酸纖維素的飽和溶液；保持溶劑在較高溫度，最好接近其沸點(diǎn)，有利于溶劑的蒸發(fā)；膜反應(yīng)器中充滿了濃溶液，溶劑含量慢慢降低；溶液將會(huì)潤(rùn)濕多孔支撐層，而溶劑則會(huì)揮發(fā)掉，三醋酸纖維素會(huì)超過其最大溶解度，于是在多孔支撐層表面沉淀下來；即將溶液裝填在容器的頂部，容器頂部為壓力稍高部分底部為壓力稍低部分，溶液由頂部的溶液入口流入多孔支撐層中，多孔支撐層被高粘度溶液所滲透，填滿支撐材料聚芳醚砜的孔隙；多孔支撐層的內(nèi)表面和/或外表面形成C.Τ.A.半滲透膜層； 所述使用Na2SiO3的高粘度溶液在中空纖維表面與金屬離子發(fā)生反應(yīng)從而形成半滲透膜層，金屬離子為鐵離子、鋁離子、鎂離子、鎳離子或鈷離子；選用鋁離子時(shí)，鋁離子和硅酸鹽反應(yīng):2A13++ 3Si032_— Al2 (SiO3)3，在多孔支撐層的外表面生成了不可溶的硅酸鋁薄膜層，該薄膜層即為半滲透膜層。
9.權(quán)利要求1所述工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置的工作方法，其特征在于它包括以下步驟:海水由海水入口進(jìn)入，安裝在外殼內(nèi)壁上的折流板能夠產(chǎn)生強(qiáng)湍流，海水經(jīng)中空纖維膜脫鹽后變?yōu)榈畯牡隹诹鞒?，濃縮海水從海水出口排出。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置的工作方法，其特征在于所述海水入口處安裝的入口過濾器將直徑超過70 μ m的大顆粒過濾掉； 所述裝置外殼上海水出口側(cè)設(shè)置對(duì)水流起引導(dǎo)作用的導(dǎo)流板，導(dǎo)流板由剛性連接件連接在裝置外殼上靠近海水入口和海水出口處，形成海水自動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)； 所述淡水從海水淡化裝置的淡水出口流出后由淡水收集罐淡水入口流入淡水收集罐；淡水流入淡水收集罐之后，進(jìn)入的淡水的鹽含量由鹽含量分析儀來檢測(cè)，即NaCl含量控制器；如果淡水中鹽含量太高，那么淡水入口閥門將通過分析儀自動(dòng)關(guān)閉；淡水進(jìn)入豎直內(nèi)管中，由液位控制器來測(cè)量豎直內(nèi)管中的液位，液位上升時(shí)，調(diào)節(jié)閥將會(huì)開得更大；泵從豎直內(nèi)管中抽取液體；淡水通過泵和送水管線輸送到海平面以上的工作平臺(tái)；所述工作平臺(tái)通過電纜為泵提供電力； 所述工作平臺(tái)為方便提供電力和淡水輸出的浮動(dòng)平臺(tái)、固定平臺(tái)或者容器；所述工作平臺(tái)連接儲(chǔ)存淡水的集裝箱，集裝箱會(huì)通過拖船運(yùn)輸?shù)胶０痘蚋劭?； 所述淡水收集罐通過壓力平衡管線維持常壓，通過連接鎖鏈安裝在需要的深度； 所述淡水收集罐的底部有連接海水淡化裝置的管口； 所述泵是在大氣壓下工作的離心泵， 泵通過電纜提供動(dòng)力；所述豎直內(nèi)管上安裝控制閥，當(dāng)內(nèi)管中液位太高時(shí)關(guān)閉該閥門。
全文摘要
工業(yè)化規(guī)模海水淡化裝置，其特征在于它利用海水的重力勢(shì)能實(shí)現(xiàn)反滲透海水淡化工藝，該裝置包括外殼、外殼兩端封頭和中空纖維膜；所述外殼上有海水入口、海水出口,頂部封頭有淡水出口；所述中空纖維膜固定在外殼內(nèi)；所述中空纖維膜至少一端為打開；所述中空纖維膜由多孔支撐層和半滲透膜層構(gòu)成，所述半滲透膜層覆蓋于多孔支撐層的表面；所述封頭安裝于外殼兩端。本發(fā)明利用很小體積的裝置提供較大的反滲透表面積，并且易于施工、安裝和維修；中空纖維膜的兩端都固定在金屬絲網(wǎng)的開孔中，通過金屬絲網(wǎng)和復(fù)合材料形成的法蘭來固定；金屬絲網(wǎng)的每個(gè)開孔安裝一根或一束中空纖維膜，從而使大量的中空纖維膜能整齊有序地安裝。
文檔編號(hào)B01D67/00GK103212295SQ201310137888
公開日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月19日
發(fā)明者漢斯·鮑斯波姆, 王威 申請(qǐng)人:荷豐(天津)化工工程有限公司