一种开放式加湿除湿净水系统

技术领域

本发明属于水处理技术领域，尤其涉及一种开放式加湿除湿净水系统。

背景技术

水危机是由于农业、工业和市政用水造成的自然淡水资源枯竭而产生的一个重大全球风险，工业用水产生大量的废水，这对人类的可持续发展构成了挑战，威胁着全球40亿人的生命健康，随着人口增长和经济发展，这一挑战将变得更加严峻。海水、湖水和河水淡化逐渐成为人类日益增长的水需求的解决方案。

在现有水处理技术下，海水淡化生产的浓缩废水成为一种副产品，对浓缩废水的处理相对于植被和水生态系统都是有害的，因此，人们一直在努力最大限度地回收工业废水和淡化盐水中的水，以实现零液体排放。

目前浓缩废水的常用方式是热蒸馏法，但是热蒸馏同样面临着能耗大、设备复杂、设备腐蚀、结垢等问题。如何降低蒸发浓缩能耗，并且实现可持续稳定的运转一直是本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种开放式加湿除湿净水系统，在系统中引入卡诺循环过程，以有利于水的蒸发、水蒸气冷凝以及高效的清洁水生产，并实现全天候的在各种环境下对各种含盐废水进行浓缩处理。

本发明提出的开放式加湿除湿净水系统，包括蒸发器、风机和冷凝器，所述的蒸发器、风机和冷凝器依次相互连接，或风机、蒸发器和冷凝器依次相互连接，或风机、冷凝器和蒸发器依次相互连接；所述的蒸发器由散热器和多孔材料组成，多孔材料包裹在散热器外；所述的蒸发器中的散热器通过膨胀器和压缩机与冷凝器相互连接组成一个卡诺循环回路；所述的蒸发器设有废水入口、废水浓缩液出口和净水出口，从废水入口进入，废水通过布水管引入多孔材料，所述的废水浓缩液出口与蒸发器相连，所述的净水出口与冷凝器相连。

上述开放式加湿除湿净水系统中，所述的多孔材料的制备方法包括以下步骤：

(1)使功能材料溶解于水，得到功能材料的水溶液，功能材料的质量百分比浓度为0.01％～10％，所述的功能材料为氧化石墨烯、碳纳米管或聚乙烯醇；

(2)将功能材料水溶液置于低温冷阱中冷冻为冰晶块体；

(3)将冰晶块体置于低温真空干燥机中，进行冷冻干燥处理，冷冻干燥温度为-100～-10℃,真空压力为0.1～20Pa，干燥时间为0.5～10d，得到功能材料构筑的多孔材料。

其中的多孔材料的孔隙率为15～99％，多孔材料的平均孔径为10纳米～10厘米。

上述开放式加湿除湿净水系统的风机可以是可进行风速调节的轴流风机。

本发明提出的开放式加湿除湿净水系统，其优点是：

1、本发明的开放式加湿除湿净水系统，实现了废水中清洁水的分离收集。相对于已有的加热蒸馏系统，加湿除湿的热蒸馏过程具有过程相对湿度大、冷凝效率高等优异的特性。

2、本发明的开放式加湿除湿净水系统中引入了卡诺循环过程，保证了水-水蒸气高效的工质循环，有利于水的蒸发、水蒸气冷凝以及高效的清洁水生产，其中的蒸发器能够利用卡诺循环散热器的热量，蒸发器里的布水材料保证了水输送的均匀性，保证水蒸发的水蒸气均匀性；结合蒸发器的废水进口与废水浓缩液出口，能够实现高效的废水浓缩，并可以实时监控污水浓度，不容易堵塞和结垢，具备高效的水蒸发特性。

3、本发明的开放式加湿除湿净水系统中结合了风机的对流效果，具备高效的水蒸发的特性；根据不同废水浓缩需求可以进行模块化串联，即将前净水系统的废水浓缩液出口作为下一个净水系统的废水入口，也可以将前净水系统的冷凝端出风口作为下一个净水系统的蒸发器入口，进行多余风的重复利用，以节约能源。

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，并可依照说明书的内容予以实施。

附图说明

图1为开放式加湿除湿净水系统的结构示意图。

图2和图3分别为本发明开放式加湿除湿净水系统的另外两个实施例。

图1-图3中，1是蒸发器，1-1是布水材料，1-2是散热器，2是风机，3是冷凝器，4是膨胀器，5是压缩机。

具体实施方式

本发明提出的开放式加湿除湿净水系统，该净水系统包括蒸发器1、风机2和冷凝器3，所述的蒸发器1、风机2和冷凝器3依次相互连接，如图1中所示；或风机2、蒸发器1和冷凝器3依次相互连接，如图2中所示；也可以使风机2、冷凝器3和蒸发器1依次相互连接，如图3中所示。所述的蒸发器1由散热器1-2和多孔材料1-1组成，多孔材料1-1包裹在散热器1-2外；所述的蒸发器1中的散热器1-2通过膨胀器4和压缩机5与冷凝器3相互连接组成一个卡诺循环回路；所述的蒸发器1设有废水入口、废水浓缩液出口和净水出口，从废水入口进入废水通过布水管引入多孔材料1-1，所述的废水浓缩液出口与蒸发器1相连，所述的净水出口与冷凝器3相连。蒸发器1、风机2和冷凝器3的可以是贴合连接，贴合连接的方式可以是物理连接、焊接等。

上述开放式加湿除湿净水系统，多孔材料的制备方法包括以下步骤：

(1)使功能材料溶解于水，得到功能材料的水溶液，功能材料的质量百分比浓度为0.01％～10％，所述的功能材料为氧化石墨烯、碳纳米管或聚乙烯醇；

(2)将功能材料水溶液置于低温冷阱中冷冻为冰晶块体；

(3)将冰晶块体置于低温真空干燥机中，进行冷冻干燥处理，冷冻干燥温度为-100～-10℃,真空压力为0.1～20Pa，干燥时间为0.5～10d，得到功能材料构筑的多孔材料。

上述多孔材料的孔隙率为15～99％，多孔材料的平均孔径为10纳米～10厘米。

本发明开放式加湿除湿净水系统中的风机，可以为可进行风速调节的轴流风机。

下面结合附图，详细介绍本发明的工作原理和工作过程：

本发明的开放式加湿除湿净水系统，蒸发器1、风机2和冷凝器3贴合连接，有三种贴合方式：如图1的贴合连接方式从左至右可以是蒸发器1、风机2和冷凝器3；如图2贴合连接方式从左至右可以是风机2、蒸发器1和冷凝器3；如图3贴合连接方式从左至右可以是蒸发器1、冷凝器3和风机2。

本发明开放式加湿除湿净水系统的工作过程中，废水从废水入口进入蒸发器1，废水进入蒸发器1后通过布水管道(图中未示出)均匀的流到布水材料1-1上，同时风机2、散热器1-2和冷凝器3开启，废水吸收散热器1-2的热量，并且在风机2的对流情况下实现水-水蒸气的转换，在风机2的对流下将水蒸气传送到冷凝器3，水蒸气在冷凝器3上实现水蒸气-水的转换，冷凝的水集结成水滴，净水从冷凝器3底部的净水出口流出。卡诺循环回路的作用是为散热器1-2蒸发热量促进水蒸发，为冷凝器3提供制冷量，具体工作原理是：压缩机5将气态的制冷剂工质压缩为高温高压的气态，并送至冷凝器3进行冷却，经冷却后变成高温高压的液态制冷剂进入干燥瓶进行过滤与去湿，高温液态的制冷剂经膨胀器4节流降压，变成低温低压的气液混合体，经过冷凝器3吸收空气中的热量而汽化，变成气态，然后再回到压缩机5继续压缩，继续循环进行制冷。

上述本发明系统中使用的多孔材料，其制备过程中使用的功能材料，可以选取氧化石墨烯、碳纳米管或聚乙烯醇等；制备多孔结构的工艺过程可以是冷冻干燥、热发泡、刻蚀和3D打印等等。

本发明的实施例中，当使用氧化石墨烯作为制备多孔材料的功能材料时，氧化石墨烯的质量百分比浓度为1.5％，溶液总量为100g，进行冷冻干燥处理时是温度为-47℃，真空压力为10Pa，干燥时间为3天，得到的多孔材料的孔隙率为99％，多孔材料的平均孔径为100微米。

本发明的实施例中，当使用碳纳米管作为制备多孔材料的功能材料时，碳纳米管的质量百分比浓度为0.5％，溶液总量为50g，进行冷冻干燥处理时是温度为-55℃，真空压力为6Pa，干燥时间为2天，得到的多孔材料的孔隙率为99.3％，多孔材料的平均孔径为30微米。

本发明的实施例中，当使用聚乙烯醇作为制备多孔材料的功能材料时，聚乙烯醇的质量百分比浓度为5％，溶液总量为200g，进行冷冻干燥处理时是温度为-45℃，真空压力为15Pa，干燥时间为5天，得到的多孔材料的孔隙率为91％，多孔材料的平均孔径为300微米。

本发明的实施例中，卡诺循环回路内部的压缩工质可以依据功率、环保和安全性多方面需求选定，可以采用R404A(五氟乙烷/三氟乙烷/四氟乙烷混合物)，R410A(二氟甲烷/五氟乙烷混合物)，R134a(四氟乙烷)等，制冷剂的供应公司可选杜邦、霍尼韦尔、浙江巨化等(制冷剂的型号就是它的简称,如R134a)。卡诺循环回路中压缩机的选型应依据系统的设计的冷凝功率进行匹配，从市售压缩机中选择。卡诺循环回路中的冷凝器3和散热器1-2的选型应依据压缩机的设计功率，例如，针对制冷量为500W的压缩机，应选取标称散热功率等于或稍大于500W的冷凝器与散热器，两者可以选取相同型号，如排浪科技公司的CP26240型号。封闭腔体的制备工艺主要根据选材确定，可以按照行业一般原则选取。

本发明的开放式加湿除湿净水系统中，多孔材料1-1与散热器1-2的贴合，可以是多孔材料1-1与散热器1-2的表面接触，也可以将多孔材料1-1根据尺寸需要裁剪成片，再直接将多孔材料1-1整体包裹在散热器1-2的外面。多孔材料可以选择高分子多孔材料，有机材料、无机材料或金属材料等多孔材料的一种，材料的制备工艺可以是冷冻干燥，3D打印、机械加工等。

本发明的开放式加湿除湿净水系统中，风机选择轴流风机，作为优选可以采用兢钮科技有限公司GN2580HA11SL、GN38120HA22SL等产品，具体型号根据冷凝器和散热器的尺寸而定。

本发明的开放式加湿除湿净水系统中，所述废水入口和废水出口的大小可根据废水处理量进行加工。

本发明的开放式加湿除湿净水系统中，所述蒸发器与风机、冷凝器三种方式贴合连接，连接可以是物理连接、焊接等方式，保证水蒸气顺利流向冷凝片。

作为优选的，所述蒸发器的布水材料孔隙率优选范围为15～90％，平均孔径为10nm～10cm。并且具有良好的水输送效果。

所述系统主要包括卡诺循环装置、蒸发器和风机；所述卡诺循环装置由压缩机、冷凝器、膨胀器和散热器组成。

所述的蒸发器包括散热器、布水材料；蒸发器设有废水入口，浓缩水出口。

作为优选，所述散热器和冷凝器的选型可以采用排浪科技公司的BD35A直流冷风机组、BD65HC直流冷凝机组或BD65HC直流冷凝机组等产品。根据制冷功耗选择，换热量范围125W-4250W。

作为优选，所述的布水材料可以选择高分子多孔材料，有机材料、无机材料或金属材料等多孔材料的一种，材料的制备工艺可以是冷冻干燥，3D打印、金属加工等。

作为优选，进一步，所述布水材料通过包覆或者面对面贴合的其中一种方式与散热器贴合。