膜蒸餾海水淡化法的制作方法

專利名稱：膜蒸餾海水淡化法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是涉及一種膜蒸餾法與所應(yīng)用的設(shè)備，特別是涉及一種可提高海水淡化產(chǎn)水功能，且能提升膜蒸餾海水淡化分離效率、大幅降低成本的高效率低成本的膜蒸餾海水淡化法。
(2)背景技術(shù)目前全世界應(yīng)用于海水淡化商業(yè)用途的除鹽造水技術(shù)，主要可分為蒸餾法(Distillation)及薄膜分離法(Membrane Desalination)兩大類。蒸餾法又包括多級閃沸式(Multi-Stage Flash或MSF)、多效蒸餾式(Multi-Effect Distillation或MED)與蒸汽壓縮式(Vapor Compression或VC)等三種。薄膜分離法主要有逆滲透式(Reverse Osmosis或RO)與電透析式(Electro Dialysis或ED)兩種方法。
海水淡化采用的除鹽造水技術(shù)早期以多級閃沸法最普遍，主要應(yīng)用在中東地區(qū)大型的海水淡化廠，并常與火力發(fā)電廠互相配合運轉(zhuǎn)，利用火力發(fā)電廠汽輪機所使用過的低壓廢蒸汽，作為淡化過程中加熱海水的熱源，其造水量占全世界淡化總量的48.1％(978萬CMD，1996)。
MSF自1950年即有商業(yè)化規(guī)模，由于產(chǎn)能大且應(yīng)用廣泛，所以操作維修技術(shù)純熟，其單位組件最大造水量可達57,600CMD。多級閃沸式的原料水若采用一過式(Once-through)運轉(zhuǎn)，將造成加藥成本增加、熱能損失與鹵水所含化學(xué)藥品對環(huán)境的沖擊等問題。目前多改采用鹵水再循環(huán)方式運轉(zhuǎn)。
逆滲透法(RO，其流程如圖1所示)雖開發(fā)較晚，但正被世界各國廣泛使用中，主要原因是在薄膜材質(zhì)及能源回收改良技術(shù)已達到熟階段，不但使淡化成本降低且造水率提高，除鹽率高達99.5％，而膜管平均使用壽命已延長至5年左右，更可應(yīng)用在處理工業(yè)廢水及冷卻水塔排放水回收再利用等方面，其造水量約占全世界淡化總量的35.9％(729萬CMD，1996)。逆滲透法雖在1970年代后期開發(fā)，但由于興建時程短、占地面積小與組件化組裝簡易等特性，使得RO成為競爭力最強且快速成長的除鹽造水技術(shù)。不過，RO技術(shù)發(fā)展仍有前處理、操作條件改善(溫度、PH、耗電)及延長薄膜使用年限的用膜技術(shù)等課題仍待持續(xù)研究。
除了上述方法外，還有利用膜蒸餾法、太陽能發(fā)電、深海水壓差、與液化天然氣(LNG)熱能利用等的海水淡化技術(shù)。
膜蒸餾法(MDMembrane Distillation)兼具有一般蒸餾與薄膜分離的優(yōu)點，產(chǎn)水水質(zhì)導(dǎo)電度值小于10μs/cm，如圖2、3所示，是利用只能允許水蒸氣分子通過的多孔疏水性薄膜I(Hydrophobic Porous Membrane)，將兩種工作水體分隔開來，此種疏水性細(xì)小孔洞可以借由表面張力的限制，防止液相水體通過。若控制此兩種工作水體的溫度不相同，結(jié)果將導(dǎo)致兩邊的蒸氣壓不同，致使水蒸氣分子由高溫處(高蒸氣壓)水體經(jīng)由薄膜孔道滲透至另一低溫處(低蒸氣壓)水體。如果在低溫處予以冷卻，即可達到將高溫處水體的水份予以純化分離至低溫處，因此即可用來淡化海水，此也為薄膜應(yīng)用所以往的技術(shù)。在臺灣，揭露此種MD的先前技術(shù)，可見于臺灣專利公告第341523號及第506944號等專利。
此一因為溫度的差異所導(dǎo)致蒸氣壓差的關(guān)系可用Clausius-Clapeyron關(guān)系式來描述lnP＝ΔHvap/RT+C而質(zhì)量傳送的流通量則為下式JI＝B.ΔPI由界面化學(xué)觀點來看，此一薄膜表面水體的接觸角度必須大度于90°，也就是疏水性薄膜才有效。
ΔP＝-2ri/rcosθ(Laplace方程式)θ＞90°cosθ＜0ΔP＞0雖然，膜蒸餾法有下列優(yōu)點1.使用土地小。
2.設(shè)備費用低。
3.操作溫度與壓力低、能源耗用少。
4.薄膜所需的機械強度低。
5.產(chǎn)水純度高。
不過，以往的膜蒸餾法有下列缺點1.需要良好的前處理設(shè)備，以避免膜表面可能發(fā)生污染堵塞(fouling)。
2.在質(zhì)量傳送過程中，薄膜表面可能發(fā)生溫度極化現(xiàn)象(TemperaturePolarization)。也就是當(dāng)溶液蒸發(fā)時會在薄膜接觸的液體表面產(chǎn)生溫度梯度，造成薄膜兩側(cè)的有效溫度差小于設(shè)定溶液的溫度差，使薄膜的有效驅(qū)動力降低，滲透量減少。
3.在質(zhì)量傳送過程中，薄膜表面還可能發(fā)生濃度極化現(xiàn)象(ConcentrationPolarization)。當(dāng)進行薄膜蒸餾過程中，高溫飼水溶液蒸發(fā)成蒸氣，透過薄膜凝結(jié)成水，此時飼水與薄膜界面處因水份散失而使?jié)舛仍黾?，造成水蒸氣不易蒸發(fā)，滲透量跟隨地減少。
4.依水蒸氣的飽和蒸氣壓數(shù)據(jù)來看，在正常操作狀態(tài)下，溫度自25℃提升至30℃，飽和蒸氣壓自0.461psi增加為0.616psi，升溫至30℃，增加5℃，其產(chǎn)水量有限，也就是平均每度攝氏升溫，飽和蒸氣壓才增加0.031psi，實在太少了。
5.因為是利用有限溫差來進行液氣平衡的滲透質(zhì)量傳送，因此質(zhì)傳速度相對比較緩慢，所以必須保持膜兩測流體有較大的溫差才能彌補此一問題，可是受限于薄膜材質(zhì)操作溫度無法太高與能源耗用效率較差的問題，致使無法與一般商品化技術(shù)競爭。
6.液體蒸氣化過程(相變化)只發(fā)生于少量孔隙內(nèi)部，實際水量不大。
7.若要大量生產(chǎn)，必需提供大量能源與膜管，不符經(jīng)濟效益。
綜上，雖然以往膜蒸餾法理論可行，但是因為產(chǎn)出的蒸氣量太少，所以一直未能順利商品化，本發(fā)明也就是針對上述缺失提出改善方法。
(3)發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明主要的目的在于提供一種可提升海水淡化效率并能降低造水成本的高效率低成本的膜蒸餾海水淡化法。
本發(fā)明的高效率低成本的膜蒸餾海水淡化法，包含有下列步驟一、供給海水取一容器盛裝預(yù)定容量的一海水，并將海水經(jīng)過過濾前處理以去除部份雜質(zhì)。二、加壓浮除前處理將過濾后海水進行微細(xì)氣泡化加壓浮除前處理，以去除藻類等懸浮固體雜質(zhì)。三、微細(xì)氣泡化注氣處理將浮除后的飼水經(jīng)過微細(xì)氣泡化氣水混合再次處理，使海水與氣體混合成均勻白霧乳化狀態(tài)的工作液體，其氣泡內(nèi)為飽和水蒸氣。四、淡化處理再將均勻氣水混合狀態(tài)的工作液體輸送至一淡化裝置，該淡化裝置內(nèi)部具有一個或一個以上的疏水性多孔薄膜，使含有大量飽和水蒸氣的高含氣量工作液體，可輕易透過多孔疏水性薄膜。五、冷凝構(gòu)件對透過薄膜的水蒸氣分子予以凝結(jié)生成淡水。
(4)


下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明圖1是一方塊流程圖，說明以往RO薄膜海水淡化法的處理流程。
圖2是一方塊流程圖，說明以往膜蒸餾法(MD)的處理流程。
圖3是一局部結(jié)構(gòu)放大示意圖，說明以往海水淡化裝置利用加熱的海水滲透生成淡水的情形。
圖4是一方塊流程圖，說明本發(fā)明高效率低成本的膜蒸餾海水淡化法的一較佳實施例的處理流程。
圖5是一系統(tǒng)裝置圖，說明本發(fā)明的膜蒸餾海水淡化法系統(tǒng)各組成裝置以及管路的布線情形。
圖6是一放大示意圖，說明本發(fā)明經(jīng)過奈米級微細(xì)氣泡化而呈飽和狀態(tài)的工作液體，可大量釋放水蒸氣透入多孔性有機膜生成淡水的狀態(tài)。
(5)具體實施方式
參閱圖4、5，本發(fā)明一種高效率低成本的膜蒸餾海水淡化法，包含有下列步驟一、供給海水取一容器20盛裝預(yù)定容量的海水1。
二、加壓浮除、氣水混合在一管路上設(shè)置一抽水馬達30，對該容器20進行海水抽取動作，該管路另一旁支設(shè)有一氣體供應(yīng)器40，該氣體供應(yīng)器40可對管路送入一預(yù)定氣體4，在本實施例中，該氣體4是采用一般的空氣，在混合前，該氣體4預(yù)先進行加壓加熱，再與海水1混合成帶有氣體的工作液體5，加溫的目的主要是讓混合后的工作液體5具有一定高溫，可加速工作液體5水蒸氣的產(chǎn)生，而且對氣體加熱所需的能量遠小于對液體加熱，具有節(jié)省成本的功效。另外，氣體4與海水1混合成工作液體5后，高壓的工作液體5再輸送至一減壓筒50內(nèi)進行儲置減壓，減壓筒50一側(cè)設(shè)有一泄壓閥51，該泄壓閥51再連接至氣體供應(yīng)器40，使工作液體5得以在管路內(nèi)作循環(huán)。
三、微細(xì)氣泡化處理將工作液體5由減壓筒50再輸送至一奈米級微細(xì)氣泡化裝置60，其主要作用是對工作液體5進行碎解乳化，使工作液體5內(nèi)的水分子可因為大量曝氣而變得微細(xì)化，相對的所產(chǎn)生的蒸氣量增加。至于微細(xì)化水分子的手段可運用多種不同技術(shù)完成，在本實施例中，該奈米級微細(xì)氣泡化裝置60是采用一種泡沫產(chǎn)生機(圖未示出)，將開關(guān)打開后，工作液體5即可被打成具有大量超微細(xì)泡沫的液體，此種泡沫產(chǎn)生機的裝置原理皆已為以往如臺灣專利公告第215585號、美國第6,293,529號等專利所揭示，所以在此不再多加說明。
四、淡化處理再將工作液體5輸送至一淡化裝置70內(nèi)，同時參閱圖6，該淡化裝置70內(nèi)部設(shè)置有數(shù)個疏水性的多孔性有機膜71，且在一側(cè)接設(shè)有一排水管路73及一淡化管路74，該多孔性有機膜71可采用串聯(lián)或是并聯(lián)方式設(shè)置，由于本發(fā)明工作液體5在經(jīng)過超微細(xì)化處理后，濃度已達飽和狀態(tài)，因此，可大量地生成水蒸氣2透入多孔性有機膜71。
五、冷凝形成淡水將透過多孔性有機膜71而到達其另一側(cè)的冷凝構(gòu)件72施以冷凝，在本實施例中，該淡化裝置70是通入空氣以對冷凝構(gòu)件72進行冷卻，這樣，水蒸氣2即可被凝結(jié)生成淡水3，處理過后的工作液體5可輸送至排水管路73，該排水管路73可再與另一淡化裝置(圖未示出)形成銜接，這樣工作液體5可重復(fù)循環(huán)使用，而淡水3可輸送至淡水管路74，此外，在淡水管路74上接設(shè)有一負(fù)壓元件80，該負(fù)壓元件80通常采用真空泵，這樣即可抽取淡水3到達另一容器90內(nèi)作儲置利用。
在上述系統(tǒng)中，本發(fā)明除了增加奈米級微細(xì)氣泡化加壓浮除的前處理裝置，以加強原有膜蒸餾法的前處理效果外，關(guān)鍵處在于本發(fā)明將膜表面原先被不能直接擴散的液相所占有的空間，改由飽和水蒸氣直接取代。
這樣一來，原先類似Arnold擴散裝置的蒸氣擴散模式，改成部份為氣相強制對流(forced convective mass transfer)模式，其質(zhì)傳模式由擴散(diffusion)變成部分對流(partially convective)，擴散量大幅增加。
在以下將通過各種不同條件的實驗，對發(fā)明作所能達到的目的作進一步的證驗解說<應(yīng)用范例說明>
原有薄膜蒸餾操作范例范例一以Liqui-Cel10-inch X-40脫氣膜2支串聯(lián)為例(25℃)；此膜為疏水性聚丙烯中空纖維材質(zhì)，代表孔徑0.03μm，采真空模式操作。
以一般膜蒸餾法方式制作，流量為100gpm，產(chǎn)水中的含水量35.6％，每小時產(chǎn)水166克，流通量相當(dāng)于0.00064L/hrm2或0.00038GFD。
若采用此種薄膜來進行海水淡化，產(chǎn)水量太少。
表一 膜蒸餾法理論計算例/25℃
范例二使用脫氣膜(30℃)同上，以一般膜蒸餾法方式操作，溫度提高5℃，流量為100gpm，產(chǎn)水中的含水量47.7％，每小時產(chǎn)水258克，流通量相當(dāng)于0.00099L/hrm2或0.00058GFD，仍然太低。
表二 膜蒸餾法理論計算例/30℃
范例三使用脫氣膜(43℃)同上，以一般膜蒸餾法方式制作，溫度提高43℃，流量為100gpm，產(chǎn)水中的含水量97.2％，每小時產(chǎn)水8,986克，流通量相當(dāng)于34.6L/hrm2或20.3GFD。
表三 膜蒸餾法理論計算例/43℃
范例四使用PTFM微濾膜(20℃)平均的孔尺寸0.2μm平均厚度60μm在飽和的空氣中的水蒸汽質(zhì)量20℃17.24g/m3、平均起泡點19psiPatm14.7psi通常的空氣流速6L/mincm2＝0.36m3/hrcm2＝6.21g/hrcm2＝62.1L/hrm2＝36.5GFD為一般海水淡化膜的3-6倍。
此為20℃完全飽和氣體的特例。
若將溫提高至43℃通常的空氣流速超過12L/mincm243℃59.24g/m3所以流通量將超過12*0.06*59.24＝42.7g/hrcm2＝427L/hrcm2＝251GFD為一般海水淡化膜的25-36倍此為43℃完全飽和氣體的特例。
<結(jié)論>
表四 膜蒸餾法理論計算比較結(jié)果
由上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)溫度高低強烈影響膜蒸餾法的產(chǎn)水量。以43℃的數(shù)據(jù)來看，比MSF方法的操作溫度低，其熱量可由循環(huán)泵做功所放出的能量即可維持供應(yīng)無虞，不需另外增設(shè)加熱裝置。此時的流通量為25℃的50000多倍，實在驚人。
過去未能深入探討膜蒸餾海水淡化法的操作條件，我們發(fā)現(xiàn)在良好設(shè)計條件下，其流通量已比一般RO高2-3倍，若加上本發(fā)明方法，其流通量將以倍數(shù)方式增加，經(jīng)濟效益更明顯。
以上即為本發(fā)明高效率低成本的膜蒸餾海水淡化法及其系統(tǒng)的處理過程及相關(guān)聯(lián)系統(tǒng)裝置的概述，接著，再將本發(fā)明預(yù)期所能達到的功效說明如下(1).淡水生成效率快速本發(fā)明主要改良重點是將海水1與氣體4混合后，再進行奈米級微細(xì)氣泡化處理，因為經(jīng)過此種處理過程的海水1，內(nèi)部將生成大量且肉眼無法看見的超微氣泡，使海水1濃度幾近到達飽和狀態(tài)，海水1輕易地即可相轉(zhuǎn)變成為水蒸氣2(液相→氣相)，在與多孔性有機膜71接觸后，水蒸氣2可大量且快速地滲透至冷凝構(gòu)件72上，使得本發(fā)明可快速生成的大量的淡水，生產(chǎn)效率奇佳。
(2).制造成本便宜本發(fā)明一改以往對海水加熱的做法，而是改采用海水1混合氣體4的手段，如果該氣體4采用熱空氣將更佳，此種手段所需的能量不會太高，經(jīng)過實驗數(shù)據(jù)證實，本發(fā)明整個系統(tǒng)所需的能量遠較以往要來得低，而淡水3的產(chǎn)能卻可有效提升，所以本發(fā)明確實可降低淡水3的制造成本，利用本發(fā)明即可生產(chǎn)出符合經(jīng)濟成本的淡水3。
(3).延長薄膜使用壽命奈米級微細(xì)氣泡化加壓浮除裝置具有良好前處理效果，可去除海水中懸浮固體、藻類、膠質(zhì)固體等雜質(zhì)，有效降低污泥密度指數(shù)(SDISilt DensityIndex)，加上高含氣量的工作水體有強烈擾動效果(Turbulent Effect)，可有效減少薄膜表面污染堵塞的現(xiàn)象。
(4).降低對流質(zhì)量傳送阻力奈米級的微細(xì)氣泡化注氣處理裝置可將空氣氣泡微細(xì)化，使大部份氣泡大小比薄膜表面孔洞的開口還小，除了可以有效懸浮分散于待處理飼水水體中，還可克服氣泡表面張力，降低對流質(zhì)量傳送阻力。
(5).產(chǎn)水量大高含氣量的工作水體，改變了疏水性薄膜表面孔口處的質(zhì)傳模式，薄膜孔口的氣液比例提高，使質(zhì)傳阻力大幅下降，由原先液體于孔隙內(nèi)蒸發(fā)成蒸氣，變成部份液體已先行氣化，大幅增加蒸氣流通量，打破需要液氣平衡的限制，同時減少了溫度極化與濃度極化現(xiàn)象，有效提升造水量。
值得一提的是，此一改良方法，除了可應(yīng)用于上述的海水淡化(Sea WaterDesalination)、半堿水淡化(Brackish Water Desalination)處理外，也可運用于污水凈化(Effluent Reclamation)、廢水回收(Waste Water Reclamation)與含鹽酒精脫鹽處理(Salted Rice Wine Desalination)等工業(yè)制程。
權(quán)利要求
1.一種高效率低成本的膜蒸餾海水淡化法，其特征在于，該方法包含下列步驟一、供給海水取一容器盛裝預(yù)定容量的一海水，并將海水經(jīng)過過濾前處理以去除部份雜質(zhì)；二、加壓浮除前處理將過濾后海水進行微細(xì)氣泡化加壓浮除前處理，以去除藻類等懸浮固體雜質(zhì)；三、微細(xì)氣泡化注氣處理將浮除后的飼水經(jīng)過微細(xì)氣泡化氣水混合再次處理，使海水與氣體混合成均勻白霧乳化狀態(tài)的工作液體，其氣泡內(nèi)為飽和水蒸氣；四、淡化處理再將均勻氣水混合狀態(tài)的工作液體輸送至一淡化裝置，該淡化裝置內(nèi)部具有一個或一個以上的疏水性多孔薄膜，使含有大量飽和水蒸氣的高含氣量工作液體可輕易透過多孔疏水性薄膜；及五、冷凝成淡水對透過薄膜的水蒸氣分子予以凝結(jié)生成淡水。
2.如權(quán)利要求1所述的高效率低成本的膜蒸餾海水淡化法，其特征在于在步驟三時，加壓入海水內(nèi)的該氣體為空氣。
3.如權(quán)利要求2所述的高效率低成本的膜蒸餾海水淡化法，其特征在于該氣體尚未與海水混合前，可以預(yù)先以高溫進行加熱，使混合后的工作液體具有一定溫度。
4.如權(quán)利要求2所述的高效率低成本的膜蒸餾海水淡化法，其特征在于該氣體是以負(fù)壓吸入方式與海水混合處理。
5.如權(quán)利要求1所述的高效率低成本的膜蒸餾海水淡化法，其特征在于該工作液體的操作溫度較理想為30～60℃。
6.如權(quán)利要求1所述的高效率低成本的膜蒸餾海水淡化法，其特征在于在步驟三時，可以添加界面活性劑于飼水內(nèi)，以穩(wěn)定或增加氣泡數(shù)量。
全文摘要
一種高效率低成本的膜蒸餾海水淡化法，將過濾后海水進行微細(xì)氣泡化加壓浮除前處理，去除藻類等懸浮固體雜質(zhì)，將浮除后的飼水經(jīng)過微細(xì)氣泡化氣水混合的再次處理，使海水氣體混合成均勻霧乳化狀態(tài)的工作液體，氣泡內(nèi)為飽和水蒸氣，將均勻氣水混合狀態(tài)的工作液體送至一淡化裝置，淡化裝置內(nèi)具一個或一個以上的多孔疏水性薄膜，使含有大量飽和水蒸氣的高含氣量工作液體輕易透過多孔疏水性薄膜，對透過薄膜的水蒸氣分子予以凝結(jié)成凈水。
文檔編號C02F1/04GK1513770SQ0216055
公開日2004年7月21日 申請日期2002年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月31日
發(fā)明者郭興中, 張振章 申請人:郭興中, 張振章