一種利用微波離心海冰淡化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用微波離心海冰淡化方法，該方法包括如下步驟：1)將海冰放入微波裝置；2)在微波裝置中加熱海冰；3)步驟2)中加熱后的海冰進(jìn)入攪拌破碎裝置；4)攪拌破碎海冰，并將海冰送入離心裝置經(jīng)離心淡化處理。本發(fā)明在海冰淡化生產(chǎn)過程中具有淡水損失率低、離心效率高、操作簡單易行、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，可適用于有冰海岸、碼頭或船塢等海冰淡化研究階段和工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。對于緩解淡水資源匱乏的問題，對于增加生產(chǎn)、生活用水儲量和改善環(huán)境等方面，具有顯著的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。
【專利說明】一種利用微波離心海冰淡化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用微波離心海冰淡化方法，特別是設(shè)計一種利用微波離心海冰淡化技術(shù)方法，屬于海冰/海水淡化【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]我國淡水資源總量為2.7萬億立方米，居世界第六位，人均水量只相當(dāng)于世界人均占有量的1/4，居世界第110位。水資源在區(qū)域分布上也很不均勻，其中，環(huán)渤海地區(qū)是我國水質(zhì)性缺水最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。環(huán)渤海區(qū)域是我國繼珠三角和長三角地區(qū)之后發(fā)展起來的第三個經(jīng)濟增長極，隨著產(chǎn)業(yè)和人口在這里的急速聚集，對擺脫淡水資源量束縛的愿望異常迫切。渤海海冰是一種災(zāi)害，更是一種資源。研究表明，正常年份環(huán)渤海海冰可開采100億立方米?200億立方米/次，因為海冰開采后會再生長，如果按年平均生長4?5次計算，那么整個渤海地區(qū)的海冰潛在可開采資源量最高可達(dá)1000億立方米/年，將超過黃河I年的入海流量。因此若將巨大的海冰儲量轉(zhuǎn)化為廉價的淡水資源，對區(qū)域經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展、環(huán)境改善等具有重要作用和戰(zhàn)略意義。
[0003]在海上，海冰是由在低溫環(huán)境下形成的淡水冰晶、冰針和冰片發(fā)生合并、生長而成，一部分海水濃縮后被包圍在合并時形成的穴及晶格內(nèi)，而另一部分則從冰晶間析出流入下面的海水中；而穴或晶格內(nèi)的濃鹽水形成了所謂的“鹽水胞”或“鹵水胞”，向下生長的冰晶大多以矩陣狀排列，使固態(tài)海冰具有縱向節(jié)理屬性。所以，海冰結(jié)構(gòu)不同于淡水冰結(jié)構(gòu)，它并不是單純的冰晶，而是固體冰晶、鹽水胞和少量固體雜質(zhì)組成的固、液、氣三相混合物。海冰的鹽分主要來自晶體間的鹽水胞，而鹽水胞的鹽分濃度和數(shù)量決定著海冰含鹽量的高低，因此如何將海冰內(nèi)的鹽水胞去除是海冰淡化的關(guān)鍵。
[0004]自我國科學(xué)家史培軍教授等人首次提出海冰淡化概念以來近18年的時間里，以北京師范大學(xué)為主的科研團(tuán)隊陸續(xù)開展了一系列相關(guān)工作。研究表明，根據(jù)海冰自然融化時咸淡分離原理，通過簡單物理方法可實現(xiàn)海冰脫鹽淡化。目前常見的海冰脫鹽淡化方法有:浸泡脫鹽法、離心脫鹽法、浸泡離心脫鹽法、控溫凍融重力脫鹽法等。實質(zhì)上，海冰淡化方法主要分為兩類，一種是利用熱傳導(dǎo)、對流、熱輻射等由外及里的升溫融凍方式，使海冰內(nèi)部鹽水胞擴張逐漸形成排鹽通道，最終實現(xiàn)咸淡水分離海冰淡化的目的，但該方法淡化周期長，連續(xù)化程度低，一般需要1-2個月時間，如中國專利200510092863.7。另外一種，是采用海冰機械高度破碎后進(jìn)行離心、浸泡等排鹽淡化方法，該方法中需要將海冰內(nèi)部大小不一的鹽水胞全部打碎，使鹽水胞個體破壞并暴露出來，才能真正釋放濃鹽水，即海冰脫鹽淡化效果與海冰破碎程度有直接關(guān)系，比如海冰經(jīng)過多次機械破碎，直到冰晶粒徑達(dá)3_左右，再利用高速離心過程才能海冰淡化獲得較好效果(見中國專利201210384736.4，實際上絕大多數(shù)海冰鹽水胞長度小于1mm，見圖3)。綜所上述，現(xiàn)有海冰淡化方法中，控溫凍融重力脫鹽方法具有周期長、連續(xù)性差等缺點；而傳統(tǒng)機械破碎浸泡、離心等方法具有物料破碎程度要求高、工作效率低、耗能高等缺點，均是困擾當(dāng)前海冰淡化方法研究和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)研究中遇到的關(guān)鍵問題和瓶頸。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種利用微波離心海冰淡化方法，本方法解決了傳統(tǒng)海冰離心淡化方法中破碎難度大和生產(chǎn)效率低等問題。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0007]一種利用微波離心海冰淡化方法，該方法包括如下步驟:
[0008]I)將海冰放入微波裝置；
[0009]2)在微波裝置中加熱海冰；
[0010]3)將步驟2)中加熱后的海冰送入攪拌裝置；
[0011]4)攪拌海冰，并將經(jīng)攪拌后的海冰送入離心裝置經(jīng)離心處理，得到淡化冰。
[0012]優(yōu)選地，步驟I)所述海冰厚度為5?50cm，海冰含鹽量為I?15g/L。海冰的寬度視加熱用微波爐的寬度而確定，一般工業(yè)用微波爐的寬度小于I米，所以海冰的寬度小于I米。
[0013]優(yōu)選地，步驟I)所述微波裝置為微波加熱裝置，所述微波加熱裝置的腔體上、下壁安裝有頻率為890MHz?24.125GHz的微波發(fā)生器；所述腔體高度為30?60cm，寬度為50?100cm。該腔體尺寸可以保證海冰順利通過及在微波有效穿透深度范圍內(nèi)；另外，該微波加熱裝置具有微波防泄漏保護(hù)措施。
[0014]優(yōu)選地，步驟2)所述加熱的條件為在微波890MHz?24.125GHz的頻率下加熱海冰0.1?5分鐘。加熱后,冰內(nèi)鹵水通道迅速形成,海冰冰晶膠結(jié)物溶解,海冰物理粘性和硬度大幅降低。加熱停止時，海冰內(nèi)部排鹽孔道連通，齒水下滲使冰塊上層顏色逐漸變白下層逐漸變暗。加熱時間，主要根據(jù)微波源頻率及設(shè)備電功率大小進(jìn)行選擇，加熱時間與設(shè)備功率和微波頻率成反比，與海冰進(jìn)料量成正比；如Ikg左右的海冰，功率為20KW，微波頻率915MHz時，加熱時間僅需幾十秒鐘；功率為700W，微波頻率2450MHz時，加熱時間約4分鐘。
[0015]優(yōu)選地，步驟3)所述進(jìn)入攪拌裝置的條件為海冰從至少3米高處自由墜入攪拌裝置。由于海冰冰晶膠結(jié)結(jié)構(gòu)已經(jīng)軟化，經(jīng)自由墜落，冰塊與攪拌裝置撞擊后，海冰冰晶的膠結(jié)結(jié)構(gòu)松動，沿著節(jié)理方向開裂，達(dá)到初步破碎效果。由于利用海冰自身重力作用下的自由墜落撞擊過程，可以減少機械破碎的設(shè)備投資及額外能量消耗；另外避免了機械對冰晶顆粒的結(jié)構(gòu)破壞，減少冰屑對冰內(nèi)大孔隙通道排鹽的阻力，有利于海冰快速排鹽。
[0016]優(yōu)選地，步驟4)所述攪拌指將海冰均勻破碎，且保留冰晶完整性。雖然經(jīng)微波加熱處理及墜落撞擊使海冰初步破碎，但破碎程度不均勻的海冰不利于連續(xù)化離心排鹽處理效率，因此增加了攪拌破碎裝置，轉(zhuǎn)速25?300r/min，時間為I?2分鐘。低速攪拌可使海冰均勻破碎，且最大程度的保留了冰晶完整性；之后，送入離心裝置。
[0017]優(yōu)選地，步驟4)所述離心裝置處理指海冰中的淡水冰晶和濃鹽水的離心分離，濃鹽水回收提純，淡水冰存儲備用；所述離心裝置的轉(zhuǎn)速為2000-12000轉(zhuǎn)/min。由于微波加熱過程中，鹵水胞單獨受熱融化破壞了鹵水胞所在的冰晶凹槽，將冰內(nèi)排鹽孔道打通或延展，因此減少了冰內(nèi)鹵水離心排除的阻力，增加了機械離心效率，最終提高了淡化水水質(zhì)。
[0018]本發(fā)明的有益效果如下:
[0019]海冰在冬季低溫條件下形成，且具有一定粘性和硬度，因此利用機械破碎難度較大，淡化水水質(zhì)也很難短時間內(nèi)有所提高。傳統(tǒng)連續(xù)式海冰脫鹽方法對物料的前處理要求較高，海冰物料必須進(jìn)行多次篩選或多次破碎，該過程費時費力，不易控制，且海冰粘性屬性也加強了破碎和鹽冰分離的難度。因此，海冰破碎難和冰鹽分離效率低是影響離心淡化的關(guān)鍵點。本發(fā)明在海冰淡化生產(chǎn)過程中，增加了鹽水胞的長度，降低了海冰破碎與排鹽的難度，具有可連續(xù)性好、脫鹽率高、排鹽迅速、淡水損失率低、耗能低等優(yōu)點，可適用于有冰海岸、碼頭或船塢等海冰淡化研究階段和工業(yè)化生產(chǎn)階段，對于促進(jìn)海冰/海水淡化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對于緩解淡水資源匱乏的問題，對于增加生產(chǎn)、生活用水儲量和改善環(huán)境等方面，具有顯著的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)的說明；
[0021]圖1為一種利用微波離心海冰淡化方法的流程圖；
[0022]圖2為不同微波加熱時間下海冰排鹽孔道形成差異示意圖；
[0023]圖3為不同時間下微波與室溫處理下海冰排鹽孔道變化圖。
【具體實施方式】
[0024]為更好地理解本發(fā)明，下面將通過具體的實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的方案，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部內(nèi)容，但不限于此。
[0025]實施例1
[0026]下面以Nacl配置濃度為8g/L鹽水結(jié)成的冰塊替代海冰，進(jìn)行微波離心海冰淡化實驗為例，對本發(fā)明方法做進(jìn)一步的說明。
[0027]1.海冰含鹽量為8g/L，重量分別為0.2kg、0.5kg、lkg、8kg。將海冰送入功率為700W，微波頻率為2450MHz的“美的麗721AAU-PW”微波爐中，連續(xù)旋轉(zhuǎn)加熱。
[0028]2.利用2450MHz微波加熱，每塊重量的海冰加熱時間3分鐘。微波加熱后，海冰顏色由下至上逐漸變暗，鹽水充滿孔隙，通道逐漸形成，當(dāng)暗顏色升至海冰1/2處時，停止加熱。經(jīng)微波處理后再進(jìn)行后續(xù)處理的海冰顆粒直徑達(dá)到Icm時離心脫鹽率可達(dá)90%以上，而未經(jīng)微波處理的海冰顆粒碎塊離心脫鹽率小于50%，因為離心脫鹽效率與海冰破碎后冰粒直徑有關(guān)，主要原因是微波處理后海冰排鹽孔道數(shù)量迅速增加、孔道長度快速延長，詳見圖3。
[0029]3.將海冰由3 m高處自由落入攪拌裝置。
[0030]經(jīng)微波處理后的冰塊墜落后90%以上的冰塊長度小于10cm，而未經(jīng)微波處理的冰塊墜落后只有10%的冰塊長度小于10cm，冰塊墜落入攪拌裝置后，經(jīng)過攪拌破碎lmin，冰塊直徑約為1cm。傳統(tǒng)海冰破碎方法中，大塊海冰無法順利進(jìn)入破碎裝置進(jìn)料口，因此需人工敲擊破碎。本發(fā)明設(shè)置由高處墜落破碎的環(huán)節(jié)，起到了節(jié)省人工，減少投入的效果。
[0031]4.將海冰由攪拌裝置運送入離心裝置，轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)/min，30s后，停止離心。經(jīng)測定，4個不同重量的海冰處理，平均淡冰融水鹽度0.3±0.lg/L，海冰總脫鹽率為96±3%，產(chǎn)水率為68 ±15%。與傳統(tǒng)破碎離心方法相比，本發(fā)明方法的脫鹽效率提高12.5%，水質(zhì)大幅提聞。
[0032]實施例2
[0033]本實施例以渤海黃驊段海冰為例，對本發(fā)明方法做進(jìn)一步的說明。[0034]I)海冰含鹽量為5.5g/L，重量分別約為0.8kg的矩形冰塊多塊。將海冰送入功率為700W，微波頻率為2450MHz的“美的麗721AAU-PW”微波爐中，連續(xù)旋轉(zhuǎn)加熱，時間處理分別為O分鐘、I分鐘、2分鐘、3分鐘、4分鐘。
[0035]2)微波加熱后，冰晶膠結(jié)結(jié)構(gòu)松動，粘性大幅降低，內(nèi)外硬度一致；而純水冰的內(nèi)部溫度仍然較低，與初始溫度差別不大，且有冰核存在，其硬度與初始硬度基本一致，圖2為染色8分鐘后的示意圖，可以看到不同加熱時間下的海冰排鹽通道差別。
[0036]3.將海冰由3米高處自由墜入攪拌裝置，啟動攪拌過程，轉(zhuǎn)速設(shè)定為200轉(zhuǎn)/min，攪拌2min。
[0037]4.在攪拌裝置停止攪拌破碎后，將海冰送入離心裝置，轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)/min，30s后，停止離心。待淡化海冰冰晶融化，其中微波加熱3分鐘時，海冰淡化水鹽度0.4g/L,海冰脫鹽率93 ±3%，產(chǎn)水率70 ±5%，其中加熱4分鐘時，淡化水鹽度0.2g/L，產(chǎn)水率約60%，而未經(jīng)微波處理的海冰離心后，淡化水鹽度為1.6g/L，遠(yuǎn)大于微波離心處理的海冰的淡化水鹽度。
[0038]實施例3
[0039]重復(fù)實施例2，不同之處在于微波加熱后的海冰經(jīng)機械破碎，冰塊直徑約為3cm，經(jīng)測定，微波加熱3分鐘的淡化水鹽度為1.2g/L，海冰脫鹽率75%，產(chǎn)水率約30%。
[0040]比較實施例3和2，可以看出經(jīng)自由墜落的海冰由于保留了冰晶的完整性，避免了機械對冰晶顆粒的結(jié)構(gòu)破壞，減少了細(xì)小冰屑對大孔隙排鹽通道的阻塞，因而具有更好的海冰淡化效果。
[0041]顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定，對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。
【權(quán)利要求】
1.一種利用微波離心海冰淡化方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)將海冰放入微波裝置； 2)在微波裝置中加熱海冰； 3)將步驟2)中加熱后的海冰送入攪拌裝置； 4)攪拌海冰，并將經(jīng)攪拌后的海冰送入離心裝置經(jīng)離心處理，得到淡化冰。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟I)所述海冰厚度為5?50cm，海冰含鹽量為I?15g/L。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟I)所述微波裝置為微波加熱裝置，所述微波加熱裝置的腔體上或下壁安裝微波頻率為890MHz?24.125GHz的微波發(fā)生器；所述腔體高度為30?60cm,寬度為50?100cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟2)所述加熱的條件為在微波890MHz?24.125GHz的頻率下加熱海冰0.1?5分鐘；優(yōu)選地，所述微波頻率為915MHz?2450MHz ο
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟3)所述送入攪拌裝置的條件為海冰從至少3米高處自由墜入攪拌裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟4)所述攪拌的轉(zhuǎn)速為25?300轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌的時間為I?2分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟4)所述離心裝置的轉(zhuǎn)速為2000-12000 轉(zhuǎn) /min。
【文檔編號】C02F9/10GK103851849SQ201410103137
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月19日
【發(fā)明者】張化, 史培軍, 王靜愛, 張峰, 陶軍, 顧衛(wèi), 許映軍 申請人:北京師范大學(xué)