本發(fā)明涉及海水脫鹽處理系統(tǒng)及方法，尤其涉及一種自清潔海水脫鹽裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人口的急劇增加，人們對淡水資源的需求越來越大，導(dǎo)致出現(xiàn)了嚴(yán)重的用水危機(jī)。水資源短缺、水資源分布不均勻、水資源污染問題成為21世紀(jì)一大難題。在整個(gè)水圈中，淡水資源僅占水資源總量的3％，在這3％的淡水資源中，能夠被人類直接利用的淡水資源只占0.00768％，而海水占97％，儲(chǔ)量巨大，獲取成本低，因此海水淡化技術(shù)成為人們解決水資源短缺問題的關(guān)鍵。

當(dāng)前海水淡化技術(shù)主要有蒸餾法、反滲透法、電滲析法等。但是蒸餾法易結(jié)垢結(jié)構(gòu)、易腐蝕，反滲透法需要在高壓的條件下才能完成，而MD海水脫鹽技術(shù)可以擺脫鹽濃度極限的問題，在海水脫鹽領(lǐng)域存在很大的優(yōu)勢。MD膜理論脫鹽率可達(dá)99.99％以上，海水中存在的有機(jī)污染物會(huì)對膜產(chǎn)生污堵，從而引起滲透通量下。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種適用于沿海城市家庭或沿海工廠使用的效果好、成本低、壽命長的海水脫鹽裝置和方法，可以對海水進(jìn)行脫鹽處理，并自動(dòng)清潔，方便沿海家庭日常使用，從而解決用水緊張等問題，實(shí)現(xiàn)節(jié)約水資源的目的。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的自清潔海水脫鹽裝置包括：

進(jìn)水模塊，用于將海水中的Ca2+離子和Mg2+離子去除，并將去除離子后的海水引入膜處理模塊；

膜處理模塊，內(nèi)設(shè)有若干膜處理單元和加熱單元，所述膜處理單元包括涂有納米光催化劑活性層的PVDF疏水微孔膜和由PVDF疏水微孔膜構(gòu)成的空腔，空腔內(nèi)為冷側(cè)，空腔外為熱側(cè)，所述加熱單元設(shè)置于熱側(cè)底部，所述膜處理模塊用于使用加熱單元對進(jìn)水模塊引入至熱側(cè)的海水進(jìn)行加熱，形成水蒸氣，使水蒸氣以冷熱側(cè)溫度差為驅(qū)動(dòng)力進(jìn)入冷側(cè)，再冷凝液化后形成淡水；

集水模塊，用于收集膜處理單元內(nèi)的淡水；

冷凝模塊，用于將從膜處理模塊引入的淡水進(jìn)行制冷后形成冷水；

水循環(huán)模塊，用于將膜處理單元內(nèi)的淡水輸送至集水模塊進(jìn)行收集，以及將膜處理模塊的水輸送至冷凝模塊進(jìn)行制冷，還用于將冷凝模塊的冷水輸送至膜處理模塊的冷側(cè)以冷凝水蒸氣。

進(jìn)一步的，所述進(jìn)水模塊具體包括海水池、進(jìn)水泵和離子去除設(shè)備，進(jìn)水泵通過管道連接海水池和離子去除設(shè)備，離子去除設(shè)備通過管道連接至膜處理模塊的熱側(cè)。

進(jìn)一步的，所述膜處理單元具體為板裝結(jié)構(gòu)，橫截面為大致矩形或大致扁圓形。

進(jìn)一步的，所述膜處理單元成輻射式擺放在所述膜處理模塊內(nèi)。

進(jìn)一步的，所述納米光催化劑為ZnO納米光催化劑、TiO₂納米光催化劑和Al₂O₃納米光催化劑中的一種。

進(jìn)一步的，所述冷凝模塊具體包括冷水池和位于冷水池內(nèi)的制冷設(shè)備。

進(jìn)一步的，所述水循環(huán)模塊具體包括：

第一管道，用于將膜處理單元內(nèi)的淡水輸送至集水模塊進(jìn)行收集；

第二管道，用于將集水模塊的水輸送至冷凝模塊進(jìn)行制冷；

第三管道，用于將冷凝模塊的冷水輸送至膜處理模塊的冷側(cè)以冷凝水蒸氣。

進(jìn)一步的，所述膜處理模塊內(nèi)還設(shè)有液位控制器，用于在膜處理模塊的海水液位低于預(yù)設(shè)水位時(shí)，控制進(jìn)水泵自動(dòng)補(bǔ)給海水。

進(jìn)一步的，所述膜處理模塊內(nèi)還設(shè)有可見光燈和太陽能電池板，太陽能電池板連接加熱單元和可見光燈，進(jìn)行供電。

本發(fā)明所述的基于上述自清潔海水脫鹽裝置的脫鹽方法，包括以下步驟：

(1)打開進(jìn)水泵，將海水池里的海水經(jīng)過離子去除設(shè)備去除Ca2+、Mg2+離子后，引入膜處理模塊；

(2)制冷設(shè)備對冷水池內(nèi)的水進(jìn)行制冷，并輸送至膜處理模塊的冷側(cè)，使冷側(cè)水溫維持在20℃～35℃；

(3)加熱單元對膜處理模塊的熱側(cè)進(jìn)行加熱，使熱側(cè)溫度維持在50℃～85℃；

(4)熱側(cè)海水受熱后生成水蒸氣，透過PVDF疏水微孔膜的微孔進(jìn)入冷側(cè)，冷側(cè)在冷水作用下冷凝液化為淡水；

(5)集水模塊將液化的淡水進(jìn)行收集，還將一部分輸送至冷凝模塊進(jìn)行冷凝；

(6)運(yùn)行預(yù)設(shè)時(shí)間段后，采用光照照射PVDF疏水微孔膜，使表面的納米光催化劑活性層發(fā)生光催化反應(yīng)，降解微孔內(nèi)的有機(jī)物；

(7)當(dāng)檢測到熱側(cè)的海水鹽濃度高于預(yù)設(shè)濃度時(shí)，采用進(jìn)水模塊將熱側(cè)的海水進(jìn)行更換。

有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是：本發(fā)明兼具自清潔技術(shù)和海水低成本脫鹽技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，是海水脫鹽處理的有效手段。涂有納米光催化劑活性層的PVDF疏水微孔膜只允許水蒸氣通過，實(shí)現(xiàn)了海水中鹽和水的分離，當(dāng)疏水膜受到太陽光照射后，摻雜在PVDF疏水微孔膜上的納米光催化劑可以對疏水膜表面上膜孔里堵塞的有機(jī)物進(jìn)行光催化降解，達(dá)到自清潔的目的，延長納米光催化劑摻雜PVDF疏水微孔膜的使用壽命，使膜能在長時(shí)間內(nèi)保持較高的膜通量。PVDFPTFE等高分子材料制備的MD膜具有耐紫外、可見光輻射，穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明方法對海水的脫鹽效果極佳，且可供沿海家庭長期使用而不需要清洗，并且整套裝置均為太陽能供能，符合當(dāng)前節(jié)能減排的要求，從而具有較強(qiáng)的實(shí)用性和廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的自清潔海水脫鹽裝置的一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)框圖；

圖2是圖1中膜處理單元的一個(gè)實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是圖1中膜處理單元的另一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是圖1中膜處理模塊的橫截面示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供了一種自清潔海水脫鹽裝置，如圖1所示，包括進(jìn)水模塊1、膜處理模塊2、集水模塊3、冷凝模塊4和水循環(huán)模塊。

如圖1所示，進(jìn)水模塊1具體包括海水池101、進(jìn)水泵102和離子去除設(shè)備103，進(jìn)水泵102通過管道連接海水池101和離子去除設(shè)備103，離子去除設(shè)備103通過管道連接至膜處理模塊2的熱側(cè)，離子去除設(shè)備103可以去除海水中的Ca2+、Mg2+離子，防止形成水垢堵塞PVDF疏水微孔膜中的微孔。

如圖1所示，膜處理模塊2內(nèi)設(shè)有若干膜處理單元201和加熱單元202，膜處理單元201包括涂有納米光催化劑活性層的PVDF疏水微孔膜201a和由PVDF疏水微孔膜201a構(gòu)成的空腔201b，具體為板裝結(jié)構(gòu)，圖2和圖3是膜處理單元201的兩種可選形狀，圖2膜處理單元201的橫截面為大致矩形，圖3膜處理單元201的橫截面為大致扁圓形。如圖4所示，膜處理單元201成輻射式擺放在膜處理模塊2內(nèi)，可以理解的，膜處理單元201也可以是其他擺放形式，例如成排列的形式，交錯(cuò)布置的形式等等?？涨?01b內(nèi)定義為冷側(cè)，空腔201b定義外為熱側(cè)，加熱單元202設(shè)置于熱側(cè)底部。PVDF疏水微孔膜201a上涂的納米光催化劑為ZnO納米光催化劑、TiO₂納米光催化劑和Al₂O₃納米光催化劑中的一種，當(dāng)然也可以是其他能夠進(jìn)行光催化的納米光催化劑。作為膜處理模塊2的優(yōu)選設(shè)置，膜處理模塊2還可以設(shè)置液位控制器、可見光燈和太陽能電池板，太陽能電池板連接加熱單元和可見光燈，進(jìn)行供電，液位控制器用于在膜處理模塊的海水液位低于預(yù)設(shè)水位時(shí)，控制進(jìn)水泵自動(dòng)補(bǔ)給海水，可見光燈用于發(fā)射可見光。

如圖1所示，集水模塊3具體為集水池。冷凝模塊4具體包括冷水池401和位于冷水池401內(nèi)的制冷設(shè)備402。水循環(huán)模塊具體包括：第一管道501、第二管道502和第三管道503，第一管道501用于將膜處理單元201內(nèi)的淡水輸送至集水模塊3進(jìn)行收集；第二管道502用于將膜處理單元201的水輸送至冷凝模塊4進(jìn)行制冷；第三管道503用于將冷凝模塊4的冷水輸送至膜處理模塊2的冷側(cè)以冷凝水蒸氣。

該裝置的工作原理為：海水進(jìn)入膜處理模塊后，加熱單元對熱側(cè)的海水進(jìn)行加熱，在溫度傳感器的控制下下，當(dāng)水溫達(dá)到一定溫度后，海水生成水蒸氣進(jìn)入涂有納米光催化劑活性層的PVDF疏水膜微孔進(jìn)入冷側(cè)，冷側(cè)有來源于泠凝模塊的冷水，可以對進(jìn)入的水蒸氣進(jìn)行冷凝液化，形成淡水，淡水進(jìn)入收集池，還有一部分淡水通過冷凝模塊冷凝后返回進(jìn)入冷水池，冷水池里多出的水還定期排向集水池3。運(yùn)行一段時(shí)間后，PVDF疏水微孔膜上涂有納米光催化劑活性層接受太陽光照后，可對堵塞在微孔內(nèi)的有機(jī)物進(jìn)行光催化降解，保證微孔膜在長時(shí)間內(nèi)保持較高的膜通量。另外，當(dāng)膜處理模塊中的海水中鹽濃度較高時(shí)，為保證一定的膜通量，所述進(jìn)水模塊會(huì)將膜處理模塊中的海水更換。

實(shí)施例2

本實(shí)施例為基于實(shí)施例1的裝置的脫鹽方法，采用涂有ZnO納米光催化劑的20cm*30cm的PVDF疏水微孔膜，膜處理模塊里安裝4個(gè)膜處理單元，呈“十”字排列，本實(shí)施例包括步驟：

(1)打開進(jìn)水泵，將海水池里的海水以7kg/h的流量經(jīng)過離子去除設(shè)備去除Ca2+、Mg2+離子后，引入膜處理模塊；

(2)制冷設(shè)備對冷水池內(nèi)的水進(jìn)行制冷，并輸送至膜處理模塊的冷側(cè)，使冷側(cè)水溫維持在20℃～35℃；

(3)加熱單元對膜處理模塊的熱側(cè)進(jìn)行加熱，使熱側(cè)溫度維持在50℃～85℃；

(4)熱側(cè)海水受熱后生成水蒸氣，透過PVDF疏水微孔膜的微孔進(jìn)入冷側(cè)，冷側(cè)在冷水作用下冷凝液化為淡水；

(5)集水模塊將液化的淡水進(jìn)行收集，還將一部分輸送至冷凝模塊進(jìn)行冷凝；

(6)運(yùn)行預(yù)設(shè)時(shí)間段后，采用光照照射PVDF疏水微孔膜，使表面的ZnO光催化劑活性層發(fā)生光催化反應(yīng)，降解微孔內(nèi)的有機(jī)物，保證疏水膜長期保持較大的通透率，達(dá)到自清潔；

(7)當(dāng)檢測到熱側(cè)的海水鹽濃度高于預(yù)設(shè)濃度時(shí)，采用進(jìn)水模塊將熱側(cè)的海水進(jìn)行更換。

最終每小時(shí)可以獲得7.5kg的脫鹽海水，若每天運(yùn)行20小時(shí)，城市居民人均用水以120L/d計(jì)算，該裝置可提供城市居民一人一天的用水量。

實(shí)施例3

本實(shí)施例為基于實(shí)施例1的裝置的脫鹽方法，采用涂有TiO₂納米光催化劑的20cm*30cm的PVDF疏水微孔膜，膜處理模塊里安裝90個(gè)膜處理單元，如圖3呈輻射狀方式排列，本實(shí)施例包括步驟：

(1)打開進(jìn)水泵，將海水池里的海水以160kg/h的流量經(jīng)過離子去除設(shè)備去除Ca2+、Mg2+離子后，引入膜處理模塊；

(2)制冷設(shè)備對冷水池內(nèi)的水進(jìn)行制冷，并輸送至膜處理模塊的冷側(cè)，使冷側(cè)水溫維持在20℃～35℃；

(3)加熱單元對膜處理模塊的熱側(cè)進(jìn)行加熱，使熱側(cè)溫度維持在50℃～85℃；

(4)熱側(cè)海水受熱后生成水蒸氣，透過PVDF疏水微孔膜的微孔進(jìn)入冷側(cè)，冷側(cè)在冷水作用下冷凝液化為淡水；

(5)集水模塊將液化的淡水進(jìn)行收集，還將一部分輸送至冷凝模塊進(jìn)行冷凝；

(6)運(yùn)行預(yù)設(shè)時(shí)間段后，采用光照照射PVDF疏水微孔膜，使表面的TiO₂光催化劑活性層發(fā)生光催化反應(yīng)，降解微孔內(nèi)的有機(jī)物，保證疏水膜長期保持較大的通透率，達(dá)到自清潔；

(7)當(dāng)檢測到熱側(cè)的海水鹽濃度高于預(yù)設(shè)濃度時(shí)，采用進(jìn)水模塊將熱側(cè)的海水進(jìn)行更換。

裝置每天運(yùn)行10個(gè)小時(shí)，太陽光對膜處理模塊照射2～4個(gè)小時(shí)，對堵塞在微孔膜內(nèi)的有機(jī)物進(jìn)行光催化降解，輻射狀的排列方式，方便太陽光照射。涂有納米TiO₂光催化劑活性層的PVDF疏水微孔膜連續(xù)使用一年后微孔膜的通透性沒有明顯的降低。每天工作10個(gè)小時(shí)可以產(chǎn)生大約1500kg的淡水，可供一個(gè)沿海城市5口之家的一天用水量，并且操作簡單，無需消耗能源。

實(shí)施例4

本實(shí)施例為基于實(shí)施例1的裝置的脫鹽方法，采用涂有Al₂O₃納米光催化劑的20cm*30cm的PVDF疏水微孔膜，膜處理模塊里安裝40個(gè)膜處理單元，如圖3呈輻射狀方式排列，則本發(fā)明實(shí)施例包括步驟：

(1)打開進(jìn)水泵，將海水池里的海水經(jīng)過離子去除設(shè)備去除Ca2+、Mg2+離子后，引入膜處理模塊；

(2)制冷設(shè)備對冷水池內(nèi)的水進(jìn)行制冷，并輸送至膜處理模塊的冷側(cè)，使冷側(cè)水溫維持在20℃～35℃；

(3)加熱單元對膜處理模塊的熱側(cè)進(jìn)行加熱，使熱側(cè)溫度維持在50℃～85℃；

(4)熱側(cè)海水受熱后生成水蒸氣，透過PVDF疏水微孔膜的微孔進(jìn)入冷側(cè)，冷側(cè)在冷水作用下冷凝液化為淡水；

(5)集水模塊將液化的淡水進(jìn)行收集，還將一部分輸送至冷凝模塊進(jìn)行冷凝；

(6)運(yùn)行預(yù)設(shè)時(shí)間段后，采用光照照射PVDF疏水微孔膜，使表面的Al₂O₃納米光催化劑活性層發(fā)生光催化反應(yīng)，降解微孔內(nèi)的有機(jī)物；

(7)當(dāng)檢測到熱側(cè)的海水鹽濃度高于預(yù)設(shè)濃度時(shí)，采用進(jìn)水模塊將熱側(cè)的海水進(jìn)行更換。更換時(shí)間為2天一次。

裝置每天工作24小時(shí)，在太陽光輻射下納米光催化劑可對海水中以膜表面有機(jī)物進(jìn)行降解，生成30多噸淡水，足夠沿海工廠一天的使用量。

以上所揭露的僅為本發(fā)明幾種較佳實(shí)施例而已，不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。