[发明专利]用于集成式太阳能光渗析的系统和方法在审
申请号: | 201980034623.1 | 申请日: | 2019-03-27 |
公开(公告)号: | CN112203747A | 公开(公告)日: | 2021-01-08 |
发明(设计)人: | 沙恩·阿尔多;埃里克·施瓦茨;刘静远;约瑟夫·M·卡登;威廉·怀特;凯文·特卡茨;劳伦斯·A·伦纳;莱安娜·舒尔特;米格尔·A·莫代斯蒂诺;罗希特·比德;丹妮拉·布兰科 | 申请(专利权)人: | 加州大学董事会;纽约大学 |
主分类号: | B01D59/34 | 分类号: | B01D59/34;B01D69/02;B01J39/04;B01J47/014;C02F1/42;H01G9/20 |
代理公司: | 成都超凡明远知识产权代理有限公司 51258 | 代理人: | 王晖;刘书芝 |
地址: | 美国加利*** | 国省代码: | 暂无信息 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 用于 集成 太阳能 渗析 系统 方法 | ||
本文描述了可以使盐水流脱盐的光渗析装置。所述装置具有的脱盐速率可显著更快于当前的太阳能热脱盐技术。使用染料敏化膜,通过使源自太阳光的离子电流通过水,从而将盐从该水中去除。所述装置可以用作分布式低成本技术,可以高效且有效果地使低盐度水源脱盐,这对于农业和饮用水应用特别有用。
相关申请的交叉引用
本申请要求提交于2018年3月27日的美国临时申请No.62/648,823的权益,其说明书通过援引以其整体并入本文。
发明背景
发明领域
本发明涉及可以通过使源自太阳光的离子电流通过水来从所述水中去除盐的系统或装置及方法。特别地,本发明涉及使用离子泵浦膜和用光敏染料改性的分离器用于离子交换和离子迁移(IX)应用的系统和方法。这些装置可以用作可以高效且有效果地使盐水源脱盐的易于分布的低成本技术。这对于农业用水和饮用水来说可能特别有用。
背景技术
许多作物需要离子浓度低于一定值的水源,这取决于作物品种。虽然低于所有植物的阈值的淡水源是可获得的,但这些水源并不丰富。因此,令人感兴趣的是开发一种技术,其可以产生盐度水平与作物需求相称的水,并且可以既快速又低成本地实施。漫射太阳光的使用可能特别适用于农业目的,因为土地资源已经投入使用,并且它们可以适配成包括为作物生产脱盐水的系统。存在很多低盐度水源,其中许多位于偏远位置,包括去矿化后可以用于农业和饮用水的农业径流、井水和微咸水流。然而,低盐度水源的去矿化无法以低成本和短时间用易于分布的技术实现。
在一方面,当前用于太阳光使水脱盐的最新技术手段是太阳能热蒸馏,它利用太阳光中的能量来汽化/蒸发水。然后经由冷凝收集这些蒸气,这提供了馏出液作为清洁水源。理想的太阳能热蒸馏利用所有入射的太阳能,以提供抵消归因于盐水蒸发的热量损失的热量。在晴天,在标准空气质量1.5的条件下,太阳辐照度在地球表面辐射10-4kJ/cm2-s。因为水汽化的焓为40.35kJ/mol,而且是当水中存在盐时的值的下限,并且水的浓度为55mol/L,因此,当使用1cm2的活性太阳表面时,从任何源产生1mL的纯水需要花费至少~22,000秒(6.2小时)。换句话说,如果光吸收区域是1mL(cm3)立方的水的面,则意指将1cm高立方的水脱盐需要花费至少6.2个小时。该计算假定理想的热量管理过程,其中来自冷凝的热量会迅速从冷凝区域迁移出去。因为许多目标应用不需要纯水,并且实际上有些无法忍受零盐离子存在的水,所以可以将进料水流与蒸馏的纯水混合,以有效地增加所生产的含盐较少的水的体积。例如,将50mM NaCl水溶液转化为10mM NaCl水溶液只需要将0.8mL的脱盐的现用纯水与0.2mL的进料水混合,即可产生1.0mL的10mM NaCl水溶液。因此,仅需要以上时间的80%即可由50mM NaCl水溶液生产1mL的10mM NaCl水溶液,即为至少~18,000秒(4.9小时)。因此,虽然太阳能热蒸馏是使水脱盐的相当简单的过程,但它是一种非常缓慢且低效的过程。
在另一方面,反渗透(RO)可以使盐水源去矿化。然而,在小规模生产时RO不具有成本竞争力,并且在较低的盐度水平下,为了去除少量的盐需要泵送大量的水。此外,RO泵不能自动或直接由可再生的太阳能驱动,因此需要太阳能光伏电池或其他太阳能转换装置才能由太阳光提供动力。在又一方面,电渗析是一种其中DC电流驱动在若干隔室中的电解质水溶液之间的离子的技术(例如,参见图6B),其中向每个隔室提供进料溶液。随着电流的流动,半渗透性IX膜允许特定离子沿特定方向流动。在图6B中,在稀释室左侧的膜选择性地使阴离子通过,而在右侧的膜选择性地使阳离子通过。基于电流流动的方向,将阳离子和阴离子从稀释室中排出。这要求在标准状态条件下至少1.23V的电压才能在电极上进行水电解,从而生成允许逸出的H2和O2,并因此不会毒化水流,对于跨膜迁移的盐离子浓度的每个数量级差,每个离子还需要额外增加60mV。这意指为了将离子从原来的50mM微咸盐水溶液中转移成为5mM饮用水溶液,需要至少1.35V。
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