反冲式自动海水淡化装置.doc

反冲式自动海水淡化装置
张容书
鲁东大学体育学院
指导教师：张士杰
[摘要] 为应对能源短缺，水环境恶化，人民生活用水紧张等问题，针对现有海水淡化技术存在投入多、成本高、耗能大、效率低的缺点，研发了反冲式海水淡化装置。该装置自备发电机，采用电渗析法，分离海水中的阴、阳离子，产生淡水，具备自动反冲清洗离子膜的功能，并在暗槽里回收高浓海水，使能量损耗降到最低。
[关键词] 海水淡化装置，阴离子渗透膜，阳离子渗透膜，电渗析
[Abstract] Facing the problems of short of energy , the water environmental pollution,and the tight use of people's domestic water and in view of the existing seawater desalination technology which has high costs, energy cnsumption,and the low efficiency,a recoiling seawater desalination installment was developed. This equipment carrying with itself a generator can separate the anion and the positive ion of the seawater through the electrodialysis to produce fresh water.It has the automatic function of recoiling and cleaning ion membrane ,and recycles the highly dense seawater in the chase, so that reduces the energy loss to a low level.
[Key words] Seawater desalination installment，Anion seepage membrane，Positive ion seepage membrane，Electrodialysis

1.研究背景
21世纪将是水的世纪。20世纪初，国际上就有"19世纪争煤、20世纪争石油、21世纪争水"的说法，第47届联合国大会更是将每年的3月22日定为"世界水日"，号召世界各国对全球普遍存在的淡水资源紧缺问题引起高度警觉。 从全球范围来看，根据联合国统计，全球淡水消耗量20世纪初以来增加了约6-7倍，比人口增长速度高2倍，全球目前有14亿人缺乏安全清洁的饮用水，即平均每5人中便有1人缺水。估计到2025年，全世界将有近1/3的人口（23亿）缺水，波及的国家和地区达40多个。随着世界经济和人口的发展，各国对淡水的需求缺口越来越大，以至有２８个国家已经被列为缺水国或严重缺水国（我国就在其中）。为解决淡水问题，各国想尽了办法，如跨流域调水、节约用水、污水净化再利用等。然而这只是水资源的时空位移，并不能增加水资源的总量。于是，人们再次将目光投向汪洋大海，希冀将那取之不尽的苦涩海水变成可以饮用和可以使用的淡水，这是一种可持续，可循环的长久解决水资源短缺的方法。中国被联合国认定为世界上13个最贫水的国家之一。我国淡水资源总量名列世界第六，但人均占有量仅为世界平均值的 l/4，位居世界第109位，而且水资源在时间和地区分布上很不均衡，有10个省、市、自治区的水资源已经低于起码的生存线，那里的人均水资源拥有量不足500立方米。目前我国有300个城市缺水，其中110个城市严重缺水，他们主要分布在华北、东北、西北和沿海地区，水已经成为这些地区经济发展的瓶颈。2010年后，我国将进入严重缺水期，有专家估计，2030年前中国的缺水量将达到600亿立方米。因此，为保证我国经济的可持续发展，淡水资源问题的解决已迫在眉睫。
海水淡化，亦称海水脱盐，是通过装置和设备除去海水中盐分并获得淡水的工艺过程。目前，世界上主要的淡化海水的方法有蒸馏法和反渗透法。
蒸馏法
蒸馏法虽然是一种古老的方法，但由于技术不断地改进与发展，该法至今仍占统治地位。蒸馏淡化过程的实质就是水蒸气的形成过程，其原理如同海水受热蒸发形成云，云在一定条件下遇冷形成雨，而雨是不带的咸味的。根据设备可分为蒸馏法、蒸汽压缩蒸馏法、多级闪急蒸馏法等方法。
反渗透法
海水从取水头部取出后，根据不同的海水水质进行相应的预处理过程，其目的是使海水在进入反渗透膜之前达到SDI<3等控制指标，以确保反渗透膜的使用寿命。经过预处理的合格海水用高压泵加压送入反渗透膜组堆，透过反渗透膜的水经收集后再经过适当的预处理送入管网系统供用户使用，未能透过反渗透膜的高压浓盐水进入能量回收装置以回收其能量，经过能量回收装置的浓盐水排回大海。
由于反渗透膜在国外已经是十分成熟的产品，因此反渗透海水淡化系统的技术关键在于合理的设计预处理系统、选用合适的高压泵和能量回收装置、设计完善的控制系统进行监测和控制、选用科学的材料和防腐措施以防止管路和系统的腐蚀。另外，对于开放式取水，除了保证系统的污染指数外，还必须采取科学的杀菌灭藻措施以防止微生物对系统的侵害。
这两种方法，都存在投入多、成本高、耗能大、效率低的缺点，有的甚至把高浓的海水再排到海里，对周围海域造成直接污染。而本实用新型从能量守恒的角度，自发电机，充分考虑到最大限度的使用海水势能，产生电力，回收高浓海水，降低海水淡化成本，提高海水淡化率。
2.反冲式自动海水淡化装置的设计理念
实用新型的发明是一种首先利用海潮的作用获得高位海水，利用高位海水的势能使海水通过装有下凸直冲式涡轮发电机的立管道，形成磁化状态的海水。再进入反冲式自动海水淡化槽（以下简称淡化槽）。经过多级淡化，最终淡化好的淡水进入蓄水池储存（见图1，工作流程示意图）。淡化槽内又分三个槽，左边的槽里装有阳电极板，吸引海水中的阴离子，称为阴离子溶液槽；右面的槽里装有阴电极板，吸引海水中的阳离子，称为阳离子溶液槽；中间槽与阴离子溶液槽之间用阴离子渗透膜隔开。中间槽与阳离子溶液槽之间用阳离子渗透膜隔开。（见图4）当磁化状态的海水进入淡化槽以后，海水中的阳离子如：钠离子、钙离子、镁离子等在阴电极板的吸附作用下，透过阳离子渗透膜进入阳离子溶液槽。与之相反，海水中的阴离子如氯离子、氢氧根、碳酸根等，在阳电极板的吸附作用下，透过阴离子渗透膜，进入阴离子溶液槽。这样在阳离子渗透膜和阴离子渗透膜之间形成去离子淡化水，该去离子淡化水从淡化槽末端下方的淡水管中流出，这是本实用新型的主要产品。（见图5）
本实用新型的淡化槽末端上方装有去离子淡水反冲管，（见图2，3）用以对阴、阳离子溶液槽实行定期冲洗，以防阴、阳离子分别较牢的吸附在渗透膜和电极板上，形成阴、阳离子屏障，影响工作效率。
本实用新型淡化槽的前端底部设有暗槽（见图2，3）。该暗槽把阴阳离子溶液槽连通在一起，阴阳离子溶液槽中的溶液通过各自槽底部的漏孔进入暗槽，使两种溶液混合，形成高盐分海水，这是本实用新型的主要副产品，它可以做化工原料。
本实用新型，巧妙的在海水进水管上，设计安装了下凸直冲式涡轮发电机。配套安装了整流调压装置。第一获得了阴阳电极板所需要的充足电源。第二，使海水流经装有发电机定子线圈的管道时，使高速流动的海水从基态状海水形成激发态海水（也称此话海水），由于激发态海水的电离度是最高的，十分有利于电渗析海水淡化工作，提高海水淡化的质量和速度。本实用新型配装的整流调压装置可使阴、阳两极板保持在最佳的工作电压，使之始终保持较高的工作效率，保障海水淡化率。
为实现装置的自动化，还设计有下凸直冲式涡轮发电机。（见图6）本涡轮发电机是专门设计配属于反冲式海水淡化装置的。也可用来独立发电。它是在直立的管子外设计上涡轮发电机定子线圈。定子线圈外是转子线圈，用一组轴承来固定。管子的下端是阔口涡轮，阔口涡轮与转子连为一体，阔口涡轮用两组轴承固定。利用高位海水的势能，冲击涡轮使涡轮转动，涡轮与转子为一体的，转子也随之转动，转子与定子摩擦生电，从而为整套设备提供电力。
3.结 论
当前缺水已经成为制约提高人民生活水平，社会经济发展的“瓶颈”。海水淡化将会成为21世纪新兴的产业。但现今的海水淡化技术还远远满足不了人类对水的“渴”求。本实用新型，具有淡化水的效率高，耗能少，建造成本低廉，副产品能够有效的降低总体淡化海水的成本，适用范围广的特点。其潜在的经济市场价值十分巨大很难用具体数字衡量。

致谢
本项研究得到了张士杰高级工程师的悉心指导,得到了烟台师范学院各级领导的大力支持，特此衷心谢忱！

参考文献：
[1] Israel's Water Economy, Ministry of National Infrastructures The Water Commission, http://www.mfa.gov.il/mfa/go.asp?MFAH0mb00.
[2] Nessim Moatty, Water management and desalination in Israel, Conference on Desalination Strategies in South Mediterranean Countries, Cooperation between Mediterranean Countries of Europe and the Southern Rim of the Mediterranean, sponsored by the European Desalination
Society and Ecole Nationale d’Ingenieurs de Tunis, September 11–13, 2000, Jerba, Tunisia.
[3] Pinhas Glueckstern, Desalination: Current Situation and Future Prospects, http://www.biu.ac.il/SOC/besa/waterarticle1.html.
[4] Pinhas Glueckstern, Menahem Priel, Hybridization of Sea and Brackish Water Desalination Plants, IDA World Congress on Desalination and Water Reuse, San Diego, California, August 29 to September 3, 1999.