本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種自脫鹽系統(tǒng)，包括m個膜堆（107），m≥1，膜堆（107）由反滲析和電滲析兩個部分串聯(lián)組成，反滲析部分由f個反滲析重復(fù)單元組成，f≥1，電滲析部分由d個電滲析重復(fù)單元組成，d≥1，其中反滲析重復(fù)單元由一組陽離子交換膜及陰離子交換膜構(gòu)成，并以咸水和海水作為輸入，并得到反滲析咸水廢水及反滲析海水廢水；電滲析重復(fù)單元也由一組陽離子交換膜及陰離子交換膜構(gòu)成，均以咸水作為電滲析的濃淡室進(jìn)水，并得到淡水及電滲析濃水；反滲析咸水廢水、反滲析海水廢水和電滲析濃水組成混合廢水輸出系統(tǒng)。本發(fā)明專利技術(shù)的有益效果在于系統(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，只需要消耗海水及咸水資源，不存在濃水排放難題，整體系統(tǒng)體積小巧，配套設(shè)備少，成本低。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種脫鹽系統(tǒng)，具體涉及一種自脫鹽系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
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。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，其儲量比較穩(wěn)定；但一旦干旱情況發(fā)生，淡水透鏡體就會萎縮。隨著全球變暖的日益嚴(yán)重，全球范圍內(nèi)極端氣候包括臺風(fēng)和干旱發(fā)生的頻率也在增加，同時還導(dǎo)致了海平面的持續(xù)上升。這些因素的變化都會導(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)橄趟琋aCl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。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)。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)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。本專利技術(shù)提出一種自脫鹽系統(tǒng)，包括m個膜堆107，m彡1，膜堆(107)由反滲析和電滲析兩個部分串聯(lián)組成，反滲析部分由f個反滲析重復(fù)單元105組成，f > 1，電滲析部分由d個電滲析重復(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)。本專利技術(shù)中，m> 1，且各膜堆首尾相連組成環(huán)形。本專利技術(shù)中，m=4，還包括中空連接器108，中空連接器108將4個膜堆107首尾連接，中空連接器108中充滿海水(202)。本專利技術(shù)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。本專利技術(shù)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。本專利技術(shù)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)處理量減小；流速太大則容易導(dǎo)致膜堆中交叉泄露增加，性能下降。本專利技術(shù)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。本專利技術(shù)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。本專利技術(shù)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，其接觸后會發(fā)生自發(fā)混合，這個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,形成一個向左的離子電流從而產(chǎn)生能量輸出。電滲析部分的工作過程如圖2所示。在一個直流電場的作用下，膜堆流道中的離子會發(fā)生定向遷移，陽離子向膜堆負(fù)極102移動，陰離子向膜堆正極101移動。初始時，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)生的一個分離過程，而反滲析是一個自發(fā)的混合過程同時可以回收能量。這兩個過程中能量的表現(xiàn)形式均為離子電流，本專利技術(shù)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)動電滲析脫鹽過程，這樣就可以實現(xiàn)一種能量自給的自脫鹽系統(tǒng)直接得到凈化的淡水。本專利技術(shù)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)工作時的簡要物料流動如圖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)生的是一個分離(脫鹽)過程；但從整個系統(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，本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種自脫鹽系統(tǒng)，其特征在于，包括m個膜堆（107），m≥1，膜堆（107）由反滲析和電滲析兩個部分串聯(lián)組成，反滲析部分由f個反滲析重復(fù)單元（105）組成，f≥1，電滲析部分由d個電滲析重復(fù)單元（106）組成，d≥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)。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張偉明，陳慶，
申請(專利權(quán))人：溫州大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：浙江;33
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