CN108083518A - 一种太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化方法与装置，采用“精密过滤‑微滤膜‑活性炭‑超滤‑倒极电去离子”的集成式工艺流程对苦咸水先后进行净化、除盐，其中所用自吸泵、倒极电去离子膜堆均采用光电式太阳能电池输出的恒定直流电驱动，倒极电去离子膜堆不设进出水流量计和流量调节阀，淡化水和浓缩水流量由总进水管自动分配，全部的淡化室、浓缩室和电极室中均填充有混床离子交换树脂。本发明提供的太阳能驱动的电膜苦咸水淡化装置，无须人工调节水量，无须额外配置直流电源，可实现户外、野外全天候免电运行，特别适用于户外、野外、海岛、荒漠等地区的分散式供水模式，在直接以污染水、苦咸水为原水时高效、就地制取安全优质饮用水。

Description

一种太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化方法与装置

技术领域

本发明涉及苦咸水淡化处理领域，特别是指一种太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化方法与装置。

背景技术

对于国内西北、华北及众多东部沿海地区的农村地区，以及不具备市政集中供水管网的集中居住区，饮用水安全问题正面临越来越严峻的考验。地表水、地下水在相当多的地区几乎成为唯一的可用水源，但苦咸水、污染水和高氟水使得绝大多数水源无法直接使用，需要采用有效的水质净化工艺。这些地区在供水模式上也不适宜、同时也无法使用集中供水方式，只能采用分散、机动式的供水模式。另外，还有很多场合，如户外机动作业的，就需要有小型的、便携式的净水处理装置，能够方便地解决水质净化、除盐、除微生物等问题，制备合格的饮用水。

对于脱盐而言，较为实用的技术包括反渗透(RO)、纳滤(NF)、电渗析(ED)和电去离子(EDI)。针对利用反渗透进行苦咸水淡化的方向已有许多发明，如中国专利103936202A公开了一种苦咸水淡化方法与装置，采用“自清洗叠片过滤器-超滤-反渗透-地下水混合装置-方解石过滤床层-臭氧发生装置-活性炭装置”集成过程，反渗透浓水进入纳滤装置进行软化，软化后的产水返回至反渗透进水，降低反渗透进水中二价成垢离子的浓度，外排纳滤浓盐水进入能量回收装置，保证纳滤进水不需增压泵即可完成软化分离。该工艺方法具有无需添加化学剂，产水水质稳定，反渗透产水回收率≧80％，无机离子截留率均≥99.5％，处理效率高等优点，但工艺流程较复杂，且反渗透操作压力达到4Mpa以上，需要高压泵设备且对膜组件和管路耐压、防腐要求较高，投资成本高。专利CN104828906A和CN102863095A等也采用反渗透技术淡化苦咸水，所需操作压力均在3Mpa以上，这对小型、微型的RO/NF膜组件及装置而言，是无法实现的。ED和EDI则属于电驱动膜过程，属于常压操作，与溶液的渗透压无关，只需要有泵能正常驱动水流，有直流电源即可实现。中国专利CN202499741U和ZL94230263.X均采用电渗析技术淡化苦咸水，设备结构简单，成本低，出水水质稳定，维修操作方便。但是常规电渗析所需流量计、阀门以及电压调节装置较多，对操作维护人员的技术素养有一定要求，需要进行针对性的简化设计。

目前，多数成熟的淡化水处理技术依赖电能驱动，而在户外小型化、机动式供水模式上使用电能是不经济且不适用的。在我国很多地区，如西北干旱地区，太阳能资源十分丰富，若能有效利用太阳能来处理苦咸水，可无需依赖电能而解决生活用水，从而可为野外机动作业供水提供新的可靠解决模式。中国专利CN102491441A和CN102897863A分别公开了太阳能苦咸水淡化方法与装置，利用太阳能集热装置和超导介质对苦咸水进行蒸馏，能够比较有效地利用太阳能来进行淡化，降低电能能耗，淡化效率高，产水水质好等优点。这两个专利技术中的太阳能起光热作用，本质上属于热法淡化，但是所用增压泵和PLC控制***均需电能，不适用于完全免电条件下的野外水质净化除盐。因此，设计一种太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化方法与装置具有重要的经济价值和现实意义。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题，是提供一种太阳能光电驱动的便携式电膜苦咸水淡化方法，针对现有电膜过程多流量计、阀门和电源等调节装置的不便，对传统电渗析工艺进行简化设计，并进一步将之与太阳能电池相结合，以适应操作简便、方便携带的要求，能够弥补集中供水方式的不足，实现全天候免电条件下的水质净化除盐，为户外作业供水提供保障。

本发明具体提供的技术方案是，一种太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化方法与装置，以倒极电去离子(EDIR)为核心的苦咸水脱盐淡化膜过程，联合炭滤、微滤和超滤等多级预处理装置，构成苦咸水淡化集成工艺。主要包括供电***、预处理***和EDIR脱盐***三部分。苦咸水依次经过预处理***和脱盐***处理后，获得安全优质的饮用水。

所述一种太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化方法，原水先后经过“精密过滤-微滤-活性炭吸附-超滤-倒极电去离子”的工艺流程获得净化、除盐，且所用自吸泵和倒极电去离子膜堆均以光电式太阳能输出的直流电为驱动力，同时倒极电去离子的浓缩水和电极水在膜堆内部相互合并，并与淡化水流以总水量自动分配的模式自动进行流量调节。

具体包括以下部分：

(1)供电***：

包括进行光电转换的太阳能板，包含一组本体太阳能板和一定数量的扩展太阳能板，通过光电转换作用将太阳能板收集的电能储存在太阳能电池中。太阳能电池恒定输出电压为24V，供装置的水泵和EDIR膜堆使用。水泵和EDIR膜堆设计为固定的24V直流电驱动，从而无须再配置水泵电源和膜堆直流电源。

(2)预处理***：

包括进水管、增压泵、精密过滤组件、微滤膜组件、活性炭吸附滤芯、和超滤膜组件，超滤装置出水经在线电导率检测后，进入EDIR膜堆装置进行淡化处理；

(3)EDIR淡化***：

预处理后的原水以总水流自动分配模式，分为两股进水进入EDIR装置的各个浓缩室和淡化室，电极水和浓缩水流合二为一，出水直接排放；淡化出水依次经在线电导率和在线酸度计检测合格后，进入产水箱。

其中，上述一种太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化方法，预处理***中，所述精密过滤工艺流程中精密过滤组件采用PP棉熔喷滤芯等易更换耗材，去除大的悬浮固体、胶体、大部分浊度、颗粒物，过滤精度5～10μm；所述微滤工艺流程中微滤膜组件，采用过滤精度为0.2～1.0μm的微孔滤膜，进一步降低浊度，去除大部分微生物，细小颗粒物；所述活性炭吸附工艺流程中用到的活性炭吸附滤芯，采用颗粒活性炭对原水中的色度和臭味进行去除，降低原水浊度，耐压强度0.5MPa；所述超滤工艺流程中超滤膜，采用耐污染、亲水性好的聚砜、聚醚砜、聚丙烯、聚偏氟乙烯等材质的中空纤维超滤膜或折叠式膜滤芯，彻底去除水中的微生物，胶体和大分子有机物，过滤精度小于0.01μm。经过预处理后的水，浊度降低到3NTU以下，不含其它大分子有机污染物、微生物，可见颗粒物等杂质。

所述的增压泵具有自吸功能，额定流量与下游装置所需进水流量相匹配，采用24V直流电驱动。

其中，上述一种太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化方法，所述倒极电去离子工艺流程中，EDIR(倒极电去离子)膜堆包括有交替排列的阴、阳离子交换膜与相应的水流导向隔板，构成交替排列的脱盐淡化室和浓缩室。在淡化室中填充有混床离子交换树脂，可以显著提高离子交换膜间的导电性，极大促进水中的离子由溶液相到膜面的迁移。进一步地，在浓缩室中也以同样的策略填充有混床离子交换树脂，浓缩室的长、宽、厚度尺寸均与淡化室的相同。通过相应的电极倒换操作，不定期地使EDIR的正、负电极相互转换，每次转化后，原先的淡化室变为新的浓缩室，原先的浓缩室则变为新的淡化室，两种隔室内的弱酸弱碱性环境随之相互变化，从而可以很好地防止结垢生成。在每次倒换电极后的较短时间内，一般为0.5-1分钟，新的淡化水水质可能尚未合格，则此期间的产水直接排放，直至出水水质合格。

根据简化设计原理，倒极电去离子膜堆的直流电驱动力来自光电式太阳能板，采用恒电压运行，所用电压为24V、36V、48V三者之一，优选为24V。针对不同的原水水质，通过机动地改变膜堆中的隔板数量而确保脱盐效果，使得产水TDS不超过1000mg/L，达到饮用水要求。

进一步地，所述EDIR膜堆外部只有淡化水和浓缩水两股水流，膜堆内部的浓缩水流和电极水流合二为一，各股水流的流量自动分配，因而整个装置的水利用率接近50％，无须设置其他流量计、阀门等调控手段，也免除了非专业人员误操作导致装置损毁的潜在风险。

再进一步地，为了充分降低EDIR膜堆的电阻，提高脱盐效果，在两侧的电极室内还同样填充有混床离子交换树脂，这可以将相应电极室的电阻降低90％以上，且能减少Cl^-、OH^-离子的电极反应，减少Cl₂、O₂等电极反应产物的生成，利于装置的长期稳定运行。

上述一种太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化方法中，所述倒极电去离子工艺流程中：全部淡化室、浓缩室和电极室中均填充有强酸强碱性混床离子交换树脂，所述强酸强碱性混床离子交换树脂中阴、阳树脂的比例为4:6～6:4，树脂粒径范围为0.45～0.9mm。

其中，所述EDIR膜堆装置的电极倒换周期为2～6h。

本发明所要解决的第二个技术问题，是提供上述一种太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化方法所采用的装置。该装置针对现有电驱动膜过程多流量计、阀门和电源等调节装置的不便，对传统电渗析装置进行简单化的设计，并进一步将之与太阳能电池相结合，以适应操作简单，方便携带的要求，能够弥补集中供水方式的不足，实现全天候免电条件下的水质净化除盐，为户外机动作业供水提供保障。

该装置包括原水箱、自吸泵、电磁阀、精密过滤组件、微滤膜组件、活性炭吸附组件、超滤膜组件、在线电导率仪、倒极电去离子膜堆装置、在线酸度计、太阳能电池、PLC控制器、光电式太阳能板、产水箱；精密过滤组件、微滤膜组件和活性炭吸附组件依次连接；所述活性炭吸附组件的出水口与超滤膜组件的进水口连接，所述超滤膜组件的产水出口与倒极电去离子膜堆进水口相连接，所述倒极电去离子膜堆产水出口与产水箱连接；所述PLC控制器分别与自吸泵、电磁阀、在线电导率、倒极电去离子膜堆装置、在线酸度计、太阳能电池和太阳能板以并联方式电性连接。

其中，上述太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化装置中，所述电磁阀具体安装在以下位置：自吸泵出水旁路，以及超滤膜组件的进出口管路上：活性炭吸附组件出水口与超滤膜组件进水口的连接管路上，活性炭吸附组件出水口与超滤膜组件下端的连接管路上，超滤膜组件底部出水管路上，超滤膜组件产水出口与在线电导率仪进水口的连接管路上。

其中，上述太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化装置中，所述在线电导率的数量为1～3个，其中至少一个设置在超滤膜组件出水与倒极电去离子膜堆装置之间的管路上，另外在倒极电去离子膜堆装置的淡化水、浓缩水的出水管路上视实际需要设置或不设置。

其中，上述太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化装置中，所述在线酸度计设置在倒极电去离子膜堆装置的淡化水、浓缩水出水管路上，或者根据实际在不需要监测pH值时不设置。

与现有电渗析苦咸水淡化等常规技术相比，本发明的有益效果是：

1、本方法是以EDIR为核心的苦咸水脱盐淡化膜过程，联合了精密过滤、微滤、活性炭和超滤等多级预处理工艺，构成苦咸水淡化集成过程工艺。通过在EDIR的浓缩室内也填充离子交换树脂，并施以电极倒换操作，构成倒极电去离子(EDIR)新工艺，使得常规意义上的EDI进水要求降低，用以淡化苦咸水。同时，在电极室内填充具备导电和离子交换作用的混床离子交换树脂，极大地提高电极室的导电能力，降低装置的电能消耗；此外，还可减轻电极反应，有利于装置的长期稳定运行。更为主要的技术特征是，核心的EDIR电膜装置的工作电压为额定的太阳能电池的输出电压，即24V，无须额外调整；EDIR的淡化水、浓缩水也在膜堆内部自动分配，整个膜堆的水利用率则固定为接近50％，从而免去了人工调控和误操作，更具有便携性；自吸泵同样由太阳能电池以24V的固定直流电压输出驱动，整个装置可以实现除太阳能电池外在原水含盐量不超过4000mg/L的苦咸水条件下，本方法对苦咸水中各离子去除率稳定在90％左右，产水中各离子含量均可符合国家生活饮用水卫生标准GB5749-2006中的要求，产水TDS不高于600mg/L。

2、本装置采用PLC控制，解决了现有电驱动膜过程多流量计、阀门和电源等调节装置的不便；以太阳能电池作为供电***，以适应操作简单，方便携带的要求，能够弥补集中供水方式的不足，实现全天候免电条件下的水质净化除盐，为户外机动作业供水提供保障。

附图说明

图1是本发明提供的一种太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化装置实施例的流程示意图(图中，“─”表示管道连接部分，“┄”代表电路部分)；

附图标记如下：1-原水箱，2-自吸泵，3-电磁阀，4-精密过滤组件，5-微滤膜组件，6-活性炭吸附组件，7-超滤膜组件，8-在线电导率仪，9-EDIR膜堆装置，10-在线酸度计，11-太阳能电池，12-PLC控制器，13-太阳能板，14-产水箱。

具体实施方式

如图1所示的一种太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化装置，该装置包括原水箱1、自吸泵2、电磁阀3、预处理组件(精密过滤组件4，微滤膜组件5，活性炭吸附组件6)、超滤膜组件7、在线电导率仪8、EDIR膜堆装置9、在线酸度计10、太阳能电池11、PLC控制器12、太阳能板13、产水箱14；预处理组件由依次连接的精密过滤组件4、微滤组件5和活性炭吸附组件6组成；活性炭吸附组件6的出水口与超滤膜组件7的进水口连接，超滤膜组件7的产水出口与EDIR膜堆装置9进水口相连接；EDIR膜堆装置9产水出口与产水箱14连接；所述PLC控制器12分别与自吸泵2、电磁阀3、在线电导率8、EDIR膜堆装置9、在线酸度计10、太阳能电池11和太阳能板13以并联方式连接；自吸泵、电磁阀和EDIR膜堆所需直流电源均由太阳能电池11提供，一体式太阳能电池11根据实际需要配备数量了4套扩展太阳能板13，充分保证了整套装置所需电能储备；超滤膜组件7通过其进出水管路上的各个电磁阀3的相互配合，可以在PLC控制器12下实现定期的正冲洗和反冲洗，从而避免膜丝过早堵塞，保证装置的较长时间工作寿命；

EDIR膜堆装置的淡化水和浓缩水出水口，随着电极倒换而倒换。每一次倒极前的淡化水出水口，在倒极后即为新的浓缩水出水口；而原先的浓缩水出水口，则变为新的淡化产品水出水口。电极倒换之后，只需将新的淡水出水管接入产水箱即可。在一定情况下，如户外作业时，也可以不携带产水箱14，淡水随制随用。同样地，为了提高便携性，也可以省去原水箱1，直接利用自吸泵2对地表水源抽水进行净化除盐。

整个***中的超滤膜组件7，其前后共有4个不同位置的电磁阀3：超滤膜组件7的进出口管路上：活性炭吸附组件6出水口与超滤膜组件7进水口的连接管路上，活性炭吸附组件6出水口与超滤膜组件7下端的连接管路上，超滤膜组件7底部出水管路上，超滤膜组件7产水出口与在线电导率仪8进水口的连接管路上。在PLC控制器12的作用下，可以根据原水水质情况、膜组件产水通量等情况，适时地调整PLC程序中的参数设置，方便地对其进行正冲洗和反冲洗。

利用上述装置进行苦咸水淡化时，原水经自吸泵2进入预处理阶段，依次经精密过滤组件4、微滤膜组件5、活性炭吸附组件6和超滤膜组件7，分别去除水中的浊度、颗粒物、胶体、异味、大分子有机物和微生物等杂质，使得水的浊度降低至1NTU以下乃至更低，微生物则完全被去除。

在线电导率仪8设有3个，分别安装在超滤膜组件7出水与EDIR膜堆装置9之间的管路上，EDIR膜堆装置9的淡化水、浓缩水的出水管路上。若检测到原水含盐量过高，如电导率大于10000μS/cm，或TDS大于5000mg/L，则PLC控制器12将自动适当减小电极倒换周期，防止潜在结垢风险。

在线酸度计10设置在EDIR膜堆装置9的淡化水、浓缩水出水管路上，或者根据实际在不需要监测pH值时不设置。

EDIR膜堆装置的浓缩室、淡化室和电极室内均填充强酸强碱性混床离子交换树脂，阴、阳树脂体积比为4:6～6:4，阴阳树脂粒径为0.45～0.9mm，较常规的标准树脂粒径分布范围0.315-1.2mm相对要窄。相对较窄的树脂粒径分布，能够使得水流隔室内的水流分布更均匀，水流与树脂的接触更充分，达到稳态更快速。进一步地，本发明在电极室内也填充同样的混床离子交换树脂，可以极大地提高电极室的导电能力，降低装置的电能消耗；此外，树脂还显著减轻电极反应，减少Cl₂和O₂的生成，有利于装置的长期稳定运行。

实施例1

在本实施例中，采用一级两段式EDIR膜堆构型，共8个膜对，即膜堆共有各8个淡化室和8个浓缩室，各水流隔室的尺寸均为100*300*3mm。以太阳能电池输出的恒定直流电压24V作为自吸泵和EDIR膜堆的驱动电源，对TDS为2891mg/L(电导率为5.12mS·cm^-1)的真实苦咸水进行淡化脱盐，主要操作参数与进、出水水质如表1所示：

表1操作参数与进、出水水质

本实施例中，EDIR装置对苦咸水中各种离子的去除率稳定在90％左右，各离子含量检测结果均符合国家生活饮用水卫生标准GB5749-2006中的要求。EDIR采用频繁倒换电极操作，倒极时间间隔为2-3h，EDIR膜堆内部未发现结垢；所用自吸泵的额定电压和电流分别为24V和1A，在处理3000mg/L左右的苦咸水和产水量为11L/h的前提下，EDIR膜堆电流约1.4A，所用太阳能电池容量为24V8AH，单组太阳能板充电光照正常时约16小时充满，带有4块太阳能扩展充电，在光照充足的条件下，充满电的时间为2个小时左右，显然可保证装置所需电源的有效供给。

需说明的是：以上实施例是用于说明所述一种太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化方法与装置，而非限制本发明提供的一种太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化方法与装置。本领域的技术人员应该明白：其依然可以根据本发明的公开作出任何相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化方法，其特征在于，原水先后经过“精密过滤-微滤-活性炭吸附-超滤-倒极电去离子”的工艺流程获得净化、除盐，且所用自吸泵和倒极电去离子膜堆均以光电式太阳能输出的直流电为驱动力，同时倒极电去离子的浓缩水和电极水在膜堆内部相互合并，并与淡化水流以总水量自动分配的模式自动进行流量调节。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化方法，其特征在于，所述精密过滤工艺流程中精密过滤滤芯的过滤精度为5～10μm；所述微滤工艺流程中微滤膜的过滤精度为0.2～1.0μm。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化方法，其特征在于，所述超滤工艺流程中超滤膜的过滤精度不高于0.01μm，超滤膜产水不含微生物，产水浊度低于3NTU。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化方法，其特征在于，所述倒极电去离子工艺流程中：全部淡化室、浓缩室和电极室中均填充有强酸强碱性混床离子交换树脂，所述强酸强碱性混床离子交换树脂中阴、阳树脂的比例为4:6～6:4，树脂粒径范围为0.45～0.9mm。

5.根据权利要求1所述的一种太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化方法，其特征在于，所述倒极电去离子工艺流程中电极倒换周期为2～6h。

6.根据权利要求1所述的一种太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化方法，其特征在于，所述倒极电去离子工艺流程中：倒极电去离子膜堆的直流电驱动力来自光电式太阳能板，采用恒电压运行，所用电压为24V、36V、48V三者之一。

7.权利要求1～6任一项所述一种太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化方法所用装置，其特征在于，该装置包括原水箱(1)、自吸泵(2)、电磁阀(3)、精密过滤组件(4)、微滤膜组件(5)、活性炭吸附组件(6)、超滤膜组件(7)、在线电导率仪(8)、倒极电去离子膜堆装置(9)、在线酸度计(10)、太阳能电池(11)、PLC控制器(12)、光电式太阳能板(13)、产水箱(14)；精密过滤组件(4)、微滤膜组件(5)和活性炭吸附组件(6)依次连接；所述活性炭吸附组件(6)的出水口与超滤膜组件(7)的进水口连接，所述超滤膜组件(7)的产水出口与倒极电去离子膜堆(9)进水口相连接，所述倒极电去离子膜堆(9)产水出口与产水箱(14)连接；所述PLC控制器(12)分别与自吸泵(2)、电磁阀(3)、在线电导率(8)、倒极电去离子膜堆装置(9)、在线酸度计(10)、太阳能电池(11)和太阳能板(13)以并联方式电性连接。

8.根据权利要求7所述的一种太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化装置，其特征在于，所述电磁阀(3)具体安装在以下位置：自吸泵(2)出水旁路，活性炭吸附组件(6)出水口与超滤膜组件(7)进水口的连接管路上，活性炭吸附组件(6)出水口与超滤膜组件(7)下端的连接管路上，超滤膜组件(7)底部出水管路上，超滤膜组件(7)产水出口与在线电导率仪(8)进水口的连接管路上。

9.根据权利要求7所述的一种太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化装置，其特征在于，所述在线电导率(8)的数量为1～3个，其中至少一个设置在超滤膜组件(7)出水与倒极电去离子膜堆装置(9)之间的管路上，另外在倒极电去离子膜堆装置(9)的淡化水、浓缩水的出水管路上视实际需要设置或不设置；

所述在线酸度计(10)设置在倒极电去离子膜堆装置(9)的淡化水、浓缩水出水管路上，或者根据实际在不需要监测pH值时不设置。

10.根据权利要求7所述的一种太阳能驱动的便携式电膜苦咸水淡化装置，其特征在于，与倒极电去离子膜堆装置(9)相连接的全部管路上不设置对淡化水、浓缩水和电极水进行流量调节的流量计和可调试阀门。