[发明专利]用于水净化的方法和装置

说明书

交叉引用

本申请要求来自2012年1月11日提交的、具有申请号61/585,293的标题为“Method and Apparatus for Water Purification”的临时专利申请，以及来自2012年11月16日提交的、具有申请号61/727,661的标题为“Methods and Apparatuses for Water Purification”的临时专利申请的优先权。所述申请通过引用并入本文。

发明领域

本发明大体涉及用于水净化的方法和装置，且特别地涉及使用加湿除湿(“HDH”)来水净化的方法和装置。

背景

缺乏清洁的饮用水仍然是世界上许多地方中疾病、痛苦和最终死亡的主要原因。即使水是公众可用的，但很多时候，可用的水受农业中使用的化学品，如受工业污染或受渗入给水中的污水污染。此外，在靠近海洋的地区具有高盐度的水源，且因此不适合饮用。

集中处理的水在世界上许多地方也是不安全的，因为正压在水的分配网络中不是始终被保持。分配网络中的泄漏会导致该系统中水的污染。此外，水在初始处理之后被存储的多个位置如储罐，缺乏任何类型的持续监督和卫生设施。特别地，储罐不经常被清洗，从而成为污染源且拥有它们自己的以各种昆虫、动物、细菌生长和藻类生长的生态系统。

瓶装水的使用已经在大城市增长。然而，在农村地区，这是不可能的，也没有预期的，因为运输瓶装水到最终用户往往是困难的，且因为瓶装水的塑料的乱用已经引起了处置和回收的噩梦。

为了努力解决现有供水的这些难题，在过滤领域已经进行广泛的努力来净化水源。现有的过滤技术要求使用具有多个阶段的过滤器的不断更换的消耗品，以保持系统处于最佳状态。一旦这些消耗品由于疏忽或不可用性而没有被替换，来自这些系统的输出水(另外称作产物水)的质量严重下降，而且在许多情况下由于内部污染而变得比实际输入的水更恶化。

有两种普通类别的水净化技术：一种是基于蒸发和冷凝、或热蒸馏的原理，而另一种是基于膜过滤。在膜过滤技术中，反渗透(“RO”)和电渗析是最具代表性的。对于热蒸馏，存在可用于大规模、高容量设备的各种真空热脱盐技术，以及更适合于小型净化设备的常压蒸馏技术，也称为HDH。

近年来基于RO的技术的迅速发展由于其低的初始投资成本和高能源效率而使RO成为所有水净化技术中的喜爱物。对于海水脱盐，RO的比能成本(当使用能量回收时)为4至7千瓦时/吨净化水之间，而使用MSF(多级闪蒸)和MED(多效蒸发蒸馏)的大部分大的热脱盐设备具有20至200千瓦时/吨之间的比能消耗。HDH系统费用在这方面甚至更糟糕，具有从150千瓦时/吨至超过400千瓦时/吨的范围内的比能成本。该比较的唯一的例外是机械蒸汽压缩(“MVC)，它可以实现与RO的比能消耗水平相媲美的比能消耗水平，范围从4千瓦时/吨至仅低于12千瓦时/吨)。

然而，热蒸馏通常产生具有明显低于1ppm(百万分之一)的TDS(总溶解固体)水平的高度净化的水，而RO设备产生低于20ppm左右的水纯度将是不切实际的。RO还无法滤除重量轻的溶解的化学分子，如果它们的尺寸可比RO膜的平均孔径。RO还更容易发生膜的积垢、结垢和堵塞，并且如果膜直接暴露于空气，快速氧化可以容易地破坏该膜。尽管所有的水净化技术需要预处理或预过滤，以减少积垢的可能性，并确保主净化过程的正确操作，但RO通常需要更多的预处理，以保护其膜免于故障，且RO膜的标准半衰期在两年左右，因此其消耗品的成本代表其总操作成本的大部分。

RO的低初始成本优点主要在于它的特殊的填充密度或面积与体积之比率。虽然热蒸馏依赖于热交换表面来回收潜热，以降低其能源成本，但RO和其他膜技术依赖于大的过滤表面，以分离清洁的水与盐水，因此填充密度在两种类净化技术中起到非常重要的作用。具有大的表面积不仅可以增加水产量，而且可以降低表面负载系数，表面负载系数是每单位表面积的净化水产量的速率。减少表面负载在降低水生产速率的成本上可明显改善操作效率，因为它大大降低了RO系统和热蒸馏设备两者中的内部熵产。

虽然MVC热蒸馏技术在比能成本方面已经在很大程度上紧跟上RO，但由于其低得多的填充密度，其初始投资成本仍远高于可比的RO技术。HDH系统通常在成本上低于RO，并且由于其低温常压操作而具有产生比RO更纯的水的潜力。然而，这些系统的极低比能效率一直是它们被广泛接受的主要障碍。