基于碳复合材料中空纤维膜的太阳能淡化水系统及其方法与流程

本发明主要涉及淡化水相关技术领域，具体是基于碳复合材料中空纤维膜的太阳能淡化水系统，本发明还涉及一种海水淡化方法，具体是一种利用太阳能膜蒸馏进行海水淡化制备淡水的方法，属于水除盐技术。

背景技术：

在经济全球化和各国大力发展低碳经济的背景下，清洁能源越来越受到重视。中国虽为一个能源消耗大国，却拥有着丰富太阳能资源。据估算，我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50×10¹⁸kj，全国各地太阳年辐射总量达335～837kj/cm²·a，中值为586kj/cm²·a。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部等地的太阳辐射总量很大。无论从保护环境的角度，还是从节约资源的角度，开发与利用太阳能资源都具有很重要的实际意义。

海水淡化一般是利用海水脱盐生产淡水，是实现水资源利用的开源增量技术，可以增加淡水总量，且不受时空和气候影响，可以保障沿海居民饮用水和工业锅炉补水等稳定供水。现有技术中所用的海水淡化方法主要有海水冻结法、电渗析法、蒸馏法、反渗透法、以及碳酸铵离子交换法等。然而现阶段太阳能海水淡化装置，对能源的需求较大，甚至淡化海水所需的能源使用远远高于淡化海水的那点价值，因此其并不适合沿海居民、渔民等对淡水的使用需求。

为应对淡水供需矛盾，世界各国已纷纷将目光转向海水淡化。并且有数据显示，全世界超过70％的人口居住在距离海岸线70千米以内的范围内，面对取之不尽用之不竭的海水资源，人类从很早以前就有了海水淡化的梦想，随着科技的不断进步，这一梦想已经实现。虽然海水淡化目前仍存在着技术尤其是经济上的一些阻力，但作为一种淡水资源增量技术，海水淡化有着不可替代的优势：不淹地、不争水、不受气候影响等，因此海水、苦咸水淡化依然被认为是能解决人类淡水资源危机最为实用的技术之一。

现有技术中，中国专利cn102826700a公布了一种海岛用太阳能膜蒸馏方法，包括膜组件、过滤器、原水泵、太阳能加热器、太阳能热电系统、淡化水箱及连接各部件的管路,所用膜组件中空纤维膜单元与中空纤维冷凝管单元平行交替排列，设备简单，操作成本较低。但是，该膜蒸馏系统膜组件中空纤维膜与中空纤维冷凝管的填充密度并不高，二者之间的间隙较大，难以保证单位膜通量，实际效率并不高，而且未添加相变热回收装置，实际热能利用率也不高。

中国专利zl200520005444.0公布了一种太阳能膜蒸馏系统，包括膜组件、热工质加热系统、冷工质冷却系统、驱动系统和连接各部件管路。该系统在热工质加热系统中采用太阳能集热系统，在冷工质冷却系统中采用太阳能冷却装置，驱动系统利用太阳能发电系统。该膜蒸馏系统中淡水蒸汽需要太阳能冷却系统额外冷却，且冷凝液出水仍然需要冷却装置进一步冷却，不仅增加了操作难度和投资成本，而且大量的蒸汽冷凝热未得到充分利用，运行方式并不实用。

美国专利us2013/0001164a1公布了一种太阳能膜蒸馏系统，包括太阳能集热系统，膜组件，进水箱，低温空气冷凝水箱及各部件管路。该系统部分温度较高的冷凝液出水直接进入太阳能集热装置继续加热，提高了料液集热效率。然而，该系统添加了额外的电驱动冷凝出水冷却装置，增加了投资成本的同时也提高了系统能耗。

技术实现要素：

为解决目前技术的不足，本发明结合现有技术，从实际应用出发，提供一种基于碳复合材料中空纤维膜的太阳能淡化水系统及其方法，其具有成本低、结构简单、效率高，适用于沿海居民或渔民日常淡水需求的优点。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种基于碳复合材料中空纤维膜的太阳能淡化水系统，包括：

膜组件，所述膜组件具有进水口、出水口、蒸汽出口，所述进水口和出水口连接待处理工质并与其形成一个循环系统，所述膜组件用于吸收太阳能使其内部的工质加热为蒸汽，蒸汽通过蒸汽出口流出；

冷凝水箱，所述冷凝水箱与蒸汽出口连接，所述冷凝水箱内设有蛇形盘管，所述冷凝水箱用于把蒸汽冷却为冷凝水；

冷凝水收集瓶，所述冷凝水收集瓶与所述冷凝水箱连接，用于收集由冷凝水箱冷却的冷凝水。

进一步的，所述膜组件包括有密封柱形腔体、中空纤维膜丝、cpc反光板，所述cpc反光板用于将太阳能反射到密封柱形腔体，所述中空纤维膜丝在密封柱形腔体内呈矩阵式排列，且布满环形内圆腔体，所述进水口、出水口分别设置于密封柱形腔体的两端，所述蒸汽出口设置于密封柱形腔体顶部侧面。

进一步的，所述中空纤维膜丝为黑色或灰色的碳复合中空纤维膜丝。

进一步的，所述碳复合中空纤维膜丝为表面负载聚多巴胺和碳纳米管的中空纤维膜丝。

所述密封柱形腔体为有机玻璃腔体。

所述膜组件倾斜设置，其倾斜角度为当地地理纬度加3度。

所述淡化水系统还包括真空泵，所述真空泵连接所述冷凝水收集瓶用于使冷凝水收集瓶呈负压状态。

进一步的，所述淡化水系统还包括太阳能光伏板、控制器、蓄电池、电表，所述太阳能光伏板连接控制器，所述控制器连接蓄电池，所述蓄电池连接电表，所述电表连接真空泵。

进一步的，所述待处理工质为海水。

本发明还提供一种使用上述淡化水系统的淡化水方法，所述方法包括：太阳能光伏板发出的电能通过充电控制器储存在蓄电池里，由电表记录耗电量，为真空泵提供电能，待处理工质与膜组件形成一个循环系统，海水经进水口流入中空纤维膜组件，从出水口流回到大海；膜组件通过cpc反光板可使膜组件在太阳能的驱动下实现360°蒸发，水蒸汽透过膜丝进入膜壳，真空泵使冷凝水收集瓶呈负压，为蒸汽流动提供动力，蒸汽经导管流入冷凝水箱的蛇形盘管内冷却成冷凝水，冷凝水流入密封冷凝水收集瓶。

本发明的有益效果：

1、本发明涉及的太阳能膜蒸馏淡化水系统，比于常规的淡化水系统，利用了太阳能这一可再生能源，与膜蒸馏技术和原理相结合，不耗费任何能源的前提下进行淡化水操作。

2、采用了非传统的中空纤维膜丝，传统中空纤维膜丝为白色，本发明采用碳材料改性的黑色或灰色复合膜丝，直接受太阳光照射，加热膜丝内部工质(海水)。

3、碳复合中空纤维膜丝既作为集热器，又作为蒸发器，更有效的利用了太阳能，再配合cpc反光板的使用，实际热能利用率可达95％以上，膜通量预计可达10.0l/m²·h，离子截留率在99.99％以上。

4、膜组件下设cpc反光板，并通过tracepro模拟软件微调了形状，使膜组件理论上可实现360°蒸发。

5、蒸发器原理与膜蒸馏原理相结合，创新的新型太阳能膜蒸馏蒸发器。

6、装置结构简单，便于安装，便于操作，且成本较低，装置效率高，且使用寿命长，易于维护和保养等诸多优点，可满足日常淡水需求，有广泛的应用前景。

附图说明

附图1为本发明总体结构示意图；

附图2为本发明膜组件结构示意图；

附图3为本发明所提供的膜组件内部膜管束排列方式切面示意图；

附图4为本发明膜组件摆放示意图。

具体实施方式

结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

如图1、2、3、4所示，为本发明所提供的基于碳复合材料中空纤维膜的太阳能淡化水系统结构图。

本淡化水系统主要包括：

膜组件，所述膜组件具有进水口12、出水口13、蒸汽出口14，所述进水口12和出水口13连接待处理工质并与其形成一个循环系统，所述膜组件用于吸收太阳能使其内部的工质加热为蒸汽，蒸汽可通过蒸汽出口14流出，具体的待处理工质可以是海水、苦咸水；

冷凝水箱7，所述冷凝水箱7与蒸汽出口14连接，所述冷凝水箱7内设有蛇形盘管8，所述冷凝水箱7用于把蒸汽冷却为冷凝水；

冷凝水收集瓶6，所述冷凝水收集瓶6与所述冷凝水箱7连接，用于收集由冷凝水箱7冷却的冷凝水。

在本发明的上述结构中，膜组件与待处理工质之间形成一个待处理工质的循环系统，该循环系统能够保证膜组件内一直填充有工质。膜组件接收太阳光后能够实现其内部工质(即海水、苦咸水)的加热，使其内部工质蒸发为蒸汽并通过蒸汽出口14流入至与其连接的冷凝水箱7内。冷凝水箱7内具有蛇形盘管8，其可以把进入冷凝水箱7内的蒸汽冷却为冷凝水，冷凝水可通过冷凝水收集瓶6收集，以此完成海水(苦咸水)的淡化。

作为优选，为了保证本发明的淡化水效率，本发明的膜组件具体包括：

密封柱形腔体10、中空纤维膜丝11、cpc反光板9，中空纤维膜丝11具体的采用碳复合中空纤维膜丝，碳复合中空纤维膜丝采用表面负载聚多巴胺(pda)和碳纳米管(cnt)的中空纤维膜材料，吸收太阳能加热其内部的工质。为了进一步提高太阳能的利用效率，中空纤维膜丝11可采用黑色或灰色的碳复合中空纤维膜丝。

中空纤维膜丝11置于由有机玻璃制作而成的密封柱形腔体10内，中空纤维膜丝11在腔体内矩阵式排列，且布满环形内圆腔体，方便蒸汽流动。具体的，中空纤维膜丝11数量、半径、长度等可控因素随腔体的具体形状确定。密封柱形腔体10下设cpc反光板12，具体设置时可通过tracepro模拟软件设计cpc反光板9的形状，并通过调试，使膜组件在太阳能的驱动下尽可能的实现360°蒸发。

密封柱形腔体13下设进水口12，上设出水口13，进水口12、出水口13与待处理工质形成循环系统。为使吸收太阳能效果较好，膜组件可以倾斜摆放，其最佳倾斜角为当地地理纬度加3度(如本淡化水系统使用地区的地区地理维度为41度，即膜组件倾斜角为44度)。

作为优选，本发明还设置有真空泵5，真空泵5连接所述冷凝水收集瓶6用于使冷凝水收集瓶6呈负压状态，进而保证冷凝水箱7内的冷凝水能够流入到冷凝水收集瓶6内，同时保证蒸汽能够从蒸汽出口14流出至冷凝水箱7。

为了进一步利用太阳能，真空泵5所使用的电源可通过太阳能实现，具体的本系统还包括太阳能光伏板1、控制器2、蓄电池3、电表4，太阳能光伏板1连接控制器2，所述控制器2连接蓄电池3，所述蓄电池3连接电表4，所述电表4连接真空泵5。太阳能光伏板1产生的电能一方面用于真空泵5的用电，多余的电量可通过蓄电池3进行存储再利用。

本发明的淡化水方法原理如下：系统由太阳能光伏发电系统和中空纤维真空膜蒸馏系统两部分组成。第ⅰ部分为太阳能光伏板发电系统，太阳能光伏板1发出的电能通过充电控制器2储存在蓄电池3里，由电表4记录耗电量，为中空纤维真空膜蒸馏系统中的真空泵5等需要耗电的设备提供电能。第ⅱ部分为中空纤维真空膜蒸馏系统，由进水系统和收集水系统组成。进水系统：待处理工质(海水或苦咸水)与膜组件形成一个循环系统，海水经进水口12流入中空纤维膜组件的密封柱形腔体10，从出水口13流出，回到大海；收集水系统：膜组件下设cpc反光板9，可使膜组件在太阳能的驱动下实现360°蒸发，水蒸汽透过膜丝进入膜壳，真空泵5使冷凝水收集瓶6呈负压，为蒸汽流动提供动力，蒸汽经导管流入冷凝水箱7的蛇形盘管8内冷却成冷凝水，冷凝水流入密封冷凝水收集瓶6。

海水流入膜丝中，碳复合膜丝吸收太阳光，加热内部海水，此时膜丝两侧(即内侧与外侧)存在一定的温差，由于蒸汽压的不同，水蒸汽分子透过微孔蒸发到膜丝外侧。由于真空泵抽真空使冷凝水收集瓶呈负压，进一步的使蒸汽从蒸汽出口流出(抽出)。

本发明涉及的太阳能膜蒸馏淡化水系统及淡化水方法，比于常规的淡化水系统，利用了太阳能这一可再生能源，与膜蒸馏技术和原理相结合，在仅使用太阳能的前提下进行淡化水操作；且本系统结构简单，便于安装，且成本较低，效率高，可满足日常淡水需求，有广泛的应用前景。