一種利用微波海冰破碎排鹽方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用微波海冰破碎排鹽方法，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)入儲(chǔ)冰池；4)排出儲(chǔ)冰池內(nèi)的濃鹽水，同時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)鹽度變化。本方法解決了海冰淡化中海冰不易破碎、淡化周期長(zhǎng)、海冰內(nèi)部鹽水通道形成緩慢、低溫冰塊破碎難度大、脫鹽周期長(zhǎng)等實(shí)際問(wèn)題，具有時(shí)間短、耗能低、脫鹽率高、易于產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)，該方法適用于有冰海岸、碼頭或船塢等海冰/海水淡化試驗(yàn)研究階段和大批量工業(yè)生產(chǎn)階段。
【專利說(shuō)明】一種利用微波海冰破碎排鹽方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及海冰/海水淡化【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種利用微波海冰破碎排鹽淡
化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]我國(guó)淡水資源總量為2.7萬(wàn)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(guó)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(guó)繼珠三角和長(zhǎng)三角地區(qū)之后發(fā)展起來(lái)的第三個(gè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)極，隨著產(chǎn)業(yè)和人口在這里的急速聚集，對(duì)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?yàn)楹１_采后會(huì)再生長(zhǎng)，如果按年平均生長(zhǎng)4~5次計(jì)算，那么整個(gè)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(guò)黃河I年的入海流量。因此若將巨大的海冰儲(chǔ)量轉(zhuǎn)化為廉價(jià)的淡水資源，對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)而成，一部分海水濃縮后被包圍在合并時(shí)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(zhǎng)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(lái)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(guó)科學(xué)家史培軍教授等人首次提出海冰淡化概念以來(lái)近18年的時(shí)間里，以北京師范大學(xué)為主的科研團(tuán)隊(duì)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(shí)咸淡分離原理，通過(guò)簡(jiǎn)單物理方法可實(shí)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(shí)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(duì)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(kuò)張逐漸形成排鹽通道，最終實(shí)現(xiàn)咸淡水分離海冰淡化的目的，但該方法淡化周期長(zhǎng)，連續(xù)化程度低，一般需要1-2個(gè)月時(shí)間，如中國(guó)專利200510092863.7。另外一種，是采用海冰機(jī)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(gè)體破壞并暴露出來(lái)，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(guò)多次機(jī)械破碎，直到冰晶粒徑達(dá)3_左右，再利用高速離心過(guò)程才能海冰淡化獲得較好效果(見中國(guó)專利201210384736.4，實(shí)際上絕大多數(shù)海冰鹽水胞長(zhǎng)度小于Imm)。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(zhǎng)、連續(xù)性差等缺點(diǎn)；而傳統(tǒng)機(jī)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(diǎn)，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(wèn)題和瓶頸。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種利用微波海冰破碎排鹽方法，該方法解決了海冰淡化中海冰不易破碎、淡化周期長(zhǎng)、海冰內(nèi)部鹽水通道形成緩慢、低溫冰塊破碎難度大、脫鹽周期長(zhǎng)等實(shí)際問(wèn)題，具有時(shí)間短、耗能低、脫鹽率高、易于產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)，該方法適用于有冰海岸、碼頭或船塢等海冰/海水淡化試驗(yàn)研究階段和大批量工業(yè)生產(chǎn)階段。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0007]一種利用微波海冰破碎排鹽方法，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儲(chǔ)冰池；
[0011]4)排出儲(chǔ)冰池內(nèi)的濃鹽水，同時(shí)監(jiān)測(cè)鹽度變化。
[0012]優(yōu)選地，步驟I)中海冰厚度為5~50cm，海冰寬度小于lm，以可以進(jìn)入微波裝置為準(zhǔn)。
[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或下壁安裝有微波頻率為890MHz~24.125GHz的微波發(fā)生器；所述腔體高度為30~60cm，寬度為50~100cm，該腔體尺寸可以保證海冰順利通過(guò)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)所述加熱的條件為微波頻率890MHz~24.125GHz，功率IKW~20KW，加熱時(shí)間0.1-5分鐘；更優(yōu)選地，所述微波頻915MHz~2450MHz。
[0015]根據(jù)微波穿透性及在介電介質(zhì)中的滲透深度限制，同時(shí)考慮連續(xù)產(chǎn)業(yè)化高效生產(chǎn)的短時(shí)快速要求，本發(fā)明選擇厚度5~50cm的海冰與0.1-5分鐘快速破碎海冰排鹽的優(yōu)化配組方案。加熱后，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，當(dāng)暗顏色升至海冰1/2處時(shí)，海冰鹽水通道被完全打通，冰晶膠結(jié)結(jié)構(gòu)松動(dòng)，海冰粘性大幅降低；其中，加熱時(shí)間根據(jù)微波源功率大小進(jìn)行選擇，加熱時(shí)間與功率和微波頻率成反t匕，與海冰量成正比；如功率為20KW、微波頻率915MHz時(shí)，加熱時(shí)間一般在I分鐘以內(nèi)。
[0016]優(yōu)選地，步驟3)中海冰從至少3米高處自由墜入儲(chǔ)冰池。利用海冰自身重力作用的自由墜落撞擊破碎過(guò)程，可以減少機(jī)械破碎的設(shè)備投資及額外能量消耗；另外避免了機(jī)械力對(duì)冰晶的結(jié)構(gòu)破壞，減少冰屑對(duì)大孔隙的堵塞作用，有利于快速排鹽。由于海冰冰晶結(jié)構(gòu)已經(jīng)松動(dòng)，再經(jīng)重力墜落撞擊，海冰冰晶的矩陣式排列結(jié)構(gòu)散落解體；墜落高度最小為3m，以確保海冰結(jié)構(gòu)的破碎解體和冰晶顆粒的完整性。
[0017]優(yōu)選地，步驟4)中3天內(nèi)完成海冰的排鹽淡化，當(dāng)鹽度小于lg/L時(shí)結(jié)束排鹽，完成海冰的排鹽淡化。儲(chǔ)冰池的池底及池壁具有防滲功能，且池深大于2米，池內(nèi)堆積冰厚可大于2米。
[0018] 由于塊狀海冰破碎程度高，微波加熱后冰晶間鹵水凹槽阻力大幅降低，冰晶附著的少量鹽分很容易下滲，直至儲(chǔ)冰池底部，因此儲(chǔ)冰池中的海冰無(wú)需添加覆蓋物及控溫等措施，只進(jìn)行底部的鹽水抽排即可，一般時(shí)間周期小于3天。另外，傳統(tǒng)重力脫鹽方法受表面熱傳遞的深度和速度影響，儲(chǔ)冰池中海冰的堆積高度一般小于2米，而微波加熱后排鹽孔道已經(jīng)形成，排鹽不再受堆積厚度的限制，相應(yīng)地打破了海冰淡化儲(chǔ)冰池的庫(kù)容限制。本發(fā)明中儲(chǔ)冰池的深度大于2米，池內(nèi)堆積的冰厚即可大于2米，儲(chǔ)冰池的具體深度可視淡化現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況而定，例如5米，10米，15米，20米深。
[0019]微波技術(shù)是近年來(lái)比較熱門的技術(shù)，多用于食品加工、工業(yè)除濕提純等領(lǐng)域。在海水淡化中，有利用微波技術(shù)對(duì)海水加熱使水蒸發(fā)后經(jīng)冷凝回流淡化的裝置，如中國(guó)專利201320049445.X，該方法采用對(duì)海水加熱氣化除鹽的方式，缺點(diǎn)是需要消耗大量的水一氣相變熱，本質(zhì)上與傳統(tǒng)加熱后氣化除鹽的技術(shù)差別不大。而利用微波使海冰淡化的方法與利用微波使海水淡化的方法有本質(zhì)區(qū)別。
[0020]本發(fā)明利用微波加速海冰破碎排鹽的方法，是根據(jù)冰與鹽水胞的介電性質(zhì)差別較大的特點(diǎn)，利用微波對(duì)其加熱時(shí)，鹽水胞吸熱更快，導(dǎo)致鹽水胞周邊的孔道快速擴(kuò)張、融滲，加速了冰晶膠結(jié)物質(zhì)的溶解，降低了海冰破碎的難度，最終實(shí)現(xiàn)海冰快速破碎排鹽淡化的目的。由于該方法打破了低溫海冰淡化過(guò)程必須依靠自然升溫打通海冰內(nèi)部排鹽通道或機(jī)械強(qiáng)制破碎排鹽的傳統(tǒng)意識(shí)，巧妙地運(yùn)用了海冰冰晶及鹽水胞對(duì)微波吸熱有較大差別的特性，從而實(shí)現(xiàn)海冰快速破碎排鹽淡化的目的。因此，本發(fā)明對(duì)海冰淡化的傳統(tǒng)技術(shù)及工藝方法均有較大改善，該發(fā)明方法的開發(fā)和研究，將成為海冰或海水淡化產(chǎn)業(yè)重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持手段。
[0021]本發(fā)明的有益效果如下:
[0022]本發(fā)明主要解決海冰內(nèi)部鹽水通道形成緩慢、低溫冰塊破碎難度大、脫鹽周期長(zhǎng)的技術(shù)難題，本發(fā)明具有海冰鹽水通道形成迅速，可在0.1-5分鐘內(nèi)形成鹽水通道、破碎容易，即海冰粘性和硬度大幅降低、脫鹽效率高，淡水產(chǎn)出率60%左右、淡化周期短，淡化周期由大于45天減少至3天以內(nèi)，可適用于有冰海岸、碼頭或船塢等海冰/海水淡化試驗(yàn)研究階段和大批量工業(yè)生產(chǎn)階段。本方法促進(jìn)了海冰/海水淡化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，緩解淡水資源匱乏的問(wèn)題，對(duì)于增加生產(chǎn)、生活用水儲(chǔ)量和改善環(huán)境等方面，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益；當(dāng)海冰冰情嚴(yán)重時(shí)，還可以在減緩海冰威脅的同時(shí)變廢為寶，從而增加淡水資源量，因此本發(fā)明具有巨大的市場(chǎng)潛力和應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明；
[0024]圖1為一種利用微波海冰破碎排鹽方法的流程圖；
[0025]圖2為不同加熱時(shí)間的微波海冰排鹽示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]為更好地理解本發(fā)明，下面將通過(guò)具體的實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)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?jī)?nèi)容，但不限于此。
[0027]實(shí)施例1
[0028]本實(shí)施例以Nacl配置鹽水結(jié)冰替代海冰的實(shí)驗(yàn)為例，對(duì)本發(fā)明方法做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0029] I)海冰含鹽量為4g/L、8g/L，每種含鹽量分別稱取重量為0.2kg、0.5kg、lkg、8kg的正方體冰塊。將海冰送入功率為700W，微波頻率為2450MHz的“美的MM721AAU-PW”微波爐中，連續(xù)旋轉(zhuǎn)加熱。
[0030]2)加熱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(shí)，停止加熱。此時(shí)冰晶膠結(jié)結(jié)構(gòu)松動(dòng)，粘性大幅降低，內(nèi)外溫度一致，用手可輕輕掰開；而純水冰的內(nèi)部溫度較低，硬度與初始硬度相同。
[0031]3)從3 m高處將海冰墜落入儲(chǔ)冰池。由于海冰冰晶結(jié)構(gòu)已經(jīng)松動(dòng)，又經(jīng)重力墜落時(shí)與儲(chǔ)冰池底部撞擊，矩陣式冰晶結(jié)構(gòu)解體，經(jīng)微波處理后的冰塊墜落后90%以上的冰塊長(zhǎng)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(zhǎng)度小于10cm。
[0032]4)將儲(chǔ)冰池中的海冰放置在0°C環(huán)境中低溫環(huán)境中，經(jīng)過(guò)墜落撞擊的海冰堆放后由于沒有大塊海冰的阻隔、大孔隙較多，因此排滲濃鹽水的速度快。約4h后停止排鹽，經(jīng)測(cè)定兩種鹽度處理下，海冰淡化水鹽度平均為0.02±0.01g/L，海冰總脫鹽率92±5%，淡水產(chǎn)出率為68±7% ;而未經(jīng)微波加熱的海冰淡化水鹽度為3.58±0.5g/L，脫鹽率35±5%。與傳統(tǒng)重力脫鹽方法相比，脫鹽周期由45天縮短為4小時(shí)左右，淡水產(chǎn)出率增加5%。
[0033]實(shí)施例2
[0034]本實(shí)施例以渤海黃驊段海冰為例，對(duì)本發(fā)明方法做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0035]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(shí)間處理分別為O分鐘、I分鐘、2分鐘、3分鐘、4分鐘。
[0036]2)微波加熱后，冰晶膠結(jié)結(jié)構(gòu)松動(dòng)，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(shí)間下的海冰排鹽通道差別。
[0037]3)將海冰從3m高處墜入模擬儲(chǔ)水池的金屬罐中，海冰固體結(jié)構(gòu)松動(dòng),冰晶顆粒相對(duì)完整。
[0038]4)將海冰放置在室內(nèi)10°C條件下，自然排鹽。
[0039]經(jīng)微波加熱3min的海冰再經(jīng)5小時(shí)自然排鹽，海冰淡化水鹽度0.68±0.1g/L，海冰總脫鹽率87.73±5%，淡水產(chǎn)出率為52.82±5%，與未經(jīng)微波加熱的海冰排鹽效率64.24±1%相比，提高了約23.5%，而且未經(jīng)微波加熱的海冰淡化水鹽度為1.97g/L，尚未達(dá)到淡化水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
[0040]不同微波加熱時(shí)間的海冰各項(xiàng)指標(biāo)見表1。
[0041]以本案實(shí)驗(yàn)用微波爐類型為例，與傳統(tǒng)重力脫鹽方法相比，同等脫鹽時(shí)間，脫鹽效率提高約25% ;若以同等脫鹽效率相比，脫鹽周期由45天左右縮短至5小時(shí)，時(shí)間效率大幅提聞。
[0042]表1.2014年I月I日黃驊微波海冰淡化排鹽實(shí)驗(yàn)
[0043]
【權(quán)利要求】
1.一種利用微波海冰破碎排鹽方法，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儲(chǔ)冰池； 4)排出儲(chǔ)冰池內(nèi)的濃鹽水，同時(shí)監(jiān)測(cè)鹽度變化。
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，海冰寬度為0.1~I米。
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)所述加熱的條件為微波頻率890MHz~24.125GHz，功率IKW~20KW，加熱時(shí)間0.1~5分鐘；優(yōu)選地，所述微波頻率為915MHz ~2450MHz。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟3)所述送入儲(chǔ)冰池的條件為海冰從至少3米高處墜入儲(chǔ)冰池。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟4)所述排出濃鹽水的時(shí)間為0-3天，鹽度小于lg/L時(shí)結(jié)束排鹽。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于:所述儲(chǔ)冰池的池深大于2米。
【文檔編號(hào)】C02F1/02GK103910396SQ201410103100
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)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, 張峰, 王靜愛, 史培軍, 顧衛(wèi), 陶軍, 許映軍 申請(qǐng)人:北京師范大學(xué)