高效率低成本的膜蒸馏海水淡化系统 (1)技术领域
本发明是涉及一种膜蒸馏法与所应用的设备，特别是涉及一种可提高海水淡化产水功能，且能提升膜蒸馏海水淡化分离效率、大幅降低成本的高效率低成本的膜蒸馏海水淡化系统。
(2)背景技术
目前全世界应用于海水淡化商业用途的除盐造水技术，主要可分为蒸馏法(Distillation)及薄膜分离法(Membrane Desalination)两大类。蒸馏法又包括：多级闪沸式(Multi-Stage Flash或MSF)、多效蒸馏式(Multi-Effect Distillation或MED)与蒸汽压缩式(Vapor Compression或VC)等三种。薄膜分离法主要有逆渗透式(Reverse Osmosis或RO)与电透析式(Electro Dialysis或ED)两种方法。
海水淡化采用的除盐造水技术早期以多级闪沸法最普遍，主要应用在中东地区大型的海水淡化厂，并常与火力发电厂互相配合运转，利用火力发电厂汽轮机所使用过的低压废蒸汽，作为淡化过程中加热海水的热源，其造水量占全世界淡化总量的48.1％(978万CMD，1996)。
多级闪沸法自1950年即有商业化规模，由于产能大且应用广泛，所以操作维修技术纯熟，其单位组件最大造水量可达57,600 CMD。多级闪沸式的原料水若采一过式(Once-through)运转，将造成加药成本增加、热能损失与卤水所含化学药品对环境的冲击等问题。目前多改采卤水再循环方式运转。
逆渗透法(RO)虽开发较晚，但正被世界各国广泛使用中，主要原因是在薄膜材质及能源回收技术已达成熟阶段，不但使淡化成本降低且造水率提高，除盐率高达99.5％，而膜管平均使用寿命已延长至5年左右，更可应用在处理工业废水及冷却水塔排放水回收再利用等方面，其造水量约占全世界淡化总量的35.9％(729万CMD，1996)。逆渗透法虽在1970年代后期开发，但由于兴建时程短、占地面积小与组件化组装简易等特性，使得RO成为竞争力最强且快速成长的除盐造水技术。不过，RO技术发展仍有前处理、操作条件改善(温度、PH、耗电)及延长薄膜使用年限的用膜技术等课题仍待持续研究。
除了上述外，还有利用膜蒸馏法、太阳能发电、深海水压差、与液化天然气(LNG)冷能利用等的海水淡化技术。
膜蒸馏法(MD：Membrane Distillation)兼具上述「一般蒸馏」与「薄膜分离」的优点，产水水质导电度值小于10μs/cm，是利用只能允许水蒸气分子通过的多孔疏水性薄膜I(Hydrophobic Porous Membrane)，将两种工作水体分隔开来，此种疏水性细小孔洞可以借由表面张力的限制，防止液相水体通过。若控制此两种工作水体的温度不相同，结果将导致两边的蒸气压不同，致使水蒸气分子由高温处(高蒸气压)水体经由薄膜孔道渗透至另一低温处(低蒸气压)水体。如果在低温处予以冷却，即可达到将高温处水体地水份予以纯化分离至低温处，因此即可用来淡化海水，此为薄膜应用的以往技术。而运用前述膜蒸馏法原理的系统设备，参阅图1、2，是具有数个由数个冷却壁101及疏水性的多孔有机膜102(如PP、PTFE、PVDF)所组成的透气室100、一加热器200及一集水槽300，且该透气室100是呈串连状，内部分别以膜102隔离成较高温的一海水区103及一较低温的冷凝区104，该加热器200则接设于该高温海水区103的前端回路上，而该集水槽300则接设于该冷凝区104的回路末端，借上述组件组合，将经该加热器200加热后的高温海水由左至右依序输入每一透气室100的海水区，而低温淡水则由右至左依序输入每一透气室100的低温冷凝区，这样高温海水的蒸气会透过薄膜102的膜孔，而于有较低温淡水于旁侧流动的冷却壁101上冷凝为水滴105，即可经冷凝区104流出淡水，最后再汇流入该集水槽300内。
虽然，以往的膜蒸馏系统具有使用土地小、设备费用低、能源耗用低、产水纯度高…等优点，不过，以往的膜蒸馏系统有下列缺点：
1.没有良好的前处理设备，膜表面发生污染堵塞(fouling)的情形仍很高，降低膜管使用寿命。
2.在质量传送过程中，薄膜表面还可能发生浓度极化现象(ConcentrationPolarization)。当进行薄膜蒸馏过程中，高温饲水溶液蒸发成蒸气，透过薄膜凝结成水，此时饲水与薄膜界面处因水份散失而使浓度增加，造成水蒸气不易蒸发，渗透量随的减少。
3.依水蒸气的饱和蒸气压数据来看，在正常操作状态下，温度自25℃提升至30℃，饱和蒸气压自0.461psi增加为0.616psi，升温至30℃，增加5℃，其产水量有限，也就是平均每度摄氏升温，饱和蒸气压才增加0.031psi，实在太少了，所以一直未能顺利商品化。
4.因为是利用有限温差来进行液气平衡的渗透质量传送，因此质传速度相对比较缓慢，所以必须保持膜两测流体有较大的温差才能弥补此一问题，可是受限于薄膜材质操作温度无法太高与能源耗用效率较差的问题，致使无法与一般商品化技术竞争。
5.液体蒸气化过程(相变化)只发生于少量孔隙内部，实际水量不大。
6.若要大量生产，必需提供大量能源与膜管，不符经济效益。
(3)发明内容
本发明的主要目的在于提供一种可提升海水淡化效率并能降低造水成本的高效率低成本的膜蒸馏海水淡化系统。
本发明的高效率低成本的膜蒸馏海水淡化系统，包含一饲水回路、一微细气泡化装置、一淡化装置，及一冷凝淡水装置；该饲水回路用以抽送海水；该微细气泡化装置是连结于该饲水回路一侧，可供应大量微细化的气体至该饲水回路内，使海水可被碎解乳化成为含有饱和水蒸气的工作液体；该淡化装置是连结于该微细气泡化装置一侧，具有一个以上的透气室、数个位于该透气室内的多孔疏水性薄膜，以及数个由该多孔疏水性薄膜所隔离成的高温海水区、低温冷凝淡水区，该高温海水区恰可供泵送入工作液体，复泵送回该饲水回路；该冷凝淡水装置是与该淡化装置连结，且恰对应该低温冷凝淡水区，以对通过该多孔疏水性薄膜的水蒸气施以凝结而生成淡水。
(4)附图说明
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：
图1是一放大示意图，说明以往膜蒸馏系统(MD)的原理。
图2是一组合图，说明以往膜蒸馏系统(MD)的处理流程。
图3是一系统装置图，说明本发明的膜蒸馏海水淡化系统各组成装置以及管路的布线情形。
图4是一组合剖面图，说明一泡沫发生器。
图5是一系统组合图，说明串连式的一透气室。
图6是一放大示意图，说明本发明经过奈米级微细气泡化而呈饱和状态的工作液体，可大量释放水蒸气透入多孔性有机膜生成淡水的状态。
图7是一系统组合图，说明并连式的该透气室。
(5)具体实施方式
参阅图3、4，本发明的高效率低成本的膜蒸馏海水淡化系统的较佳实施例，包含一饲水回路1、一微细气泡化装置2、一淡化装置3及一冷凝淡水装置6。
该饲水回路1具有一可盛装预定容量的海水10的容器11，及数段供输送液体的管路12。
该微细气泡化装置2是连结于该饲水回路1一侧，包括一安置在管路12上的抽水马达30，对该容器11进行海水10抽取动作，一位于前侧的加压气体供应器40，对该管路12内的海水10泵送入一预热加压的气体4，使海水10可混合成带有高温的工作液体5，而加温的目的主要是让混合后的工作液体5带有一定高温，可加速工作液体5水蒸气的产生，而且对气体4加温所需的能量远小于对液体加温，具有节省成本的功效。当气体4与海水10混合成工作液体5以后，高压的工作液体5再输送至一减压筒50内作储置减压，减压筒50一侧设有一泄压阀51，该泄压阀51再连接至加压气体供应器40，使工作液体5得以在管路12内作循环。而微细气泡化装置2是一奈米级的气泡处理装置，其主要作用是对工作液体5进行碎解乳化，使工作液体5内的水分子可因为大量曝气而变得微细化，相对的所产生的蒸气量增加。
参阅图4，至于微细化水分子的手段可运用多种不同技术完成，在本实施例中，该奈米级微细气泡化装置2(见图3)乃是采用一种泡沫发生器7，该泡沫发生器7具有一中空桶状本体71、一螺固于该本体71的一开放端711的接头座72，及一螺穿伸入该本体71内部的阻挡组件73。
该本体71具有二相对应位于周侧的穿孔712。
该接头座72包括一中空接管721，及一套固于该中空接管721外周并锁固于该本体71上的挡盘722，该中空接管721是伸入于该本体71内部，且于端部形成有一凹槽723。
该阻挡组件73包括一螺穿进入该本体71内部的螺杆731、一套设于螺杆731内端的挡板732，及一与螺杆731锁固并供定位该挡板732的十字形分流板733，该挡板732相对该中空接管721处设有一对应该凹槽723的凹槽734。
当将开关打开后，海水10与气体由该中空接管721进入该本体71，借由该挡板732间隔对应该中空接管721，并使得两凹槽723、734相互对应界定出一粉碎部74，这时，海水10与气体经该分流板733分流并由该粉碎部74的冲挤，而产生大量超微细泡沫的液体，使海水与气体能充份的混合乳化，而成为饱含水蒸气的工作液体，最后由该穿孔712喷出。
参阅图3、5、6，该淡化装置3是连结于该微细气泡化装置2一侧，且一侧接设有一供连接至该微细气泡化装置2的排水管路31及一连接该冷凝淡水装置6的淡水管路32，该淡化装置3为一具有一个以上的透气室33、数个位于该透气室33内的多孔疏水性薄膜34，以及数个由该多孔疏水性薄膜34所隔离成的高温海水区35、低温冷凝淡水区36，该高温海水区35恰可供泵送入工作液体5，复泵送回该饲水回路1(即下一个处理装置，该冷凝淡水装置6)。该多孔疏水性薄膜可为管式(tubular)、卷式(spiral wound)、中空纤维(hollowfiber)或板框式(plate and frame)等其中一种或任一种以上的组合。在本实施例中，是由数个透气室33依序串连组成，前一个透气室33的淡水管路32是接设于下一个透气室33的入口，而最后一个透气室33的淡水管路32则接到该冷凝淡化装置6。另可在该排水管路31的出口安置有一热交换器37，用以吸收冷凝淡水所排出的废热，并与该饲水管路1内的海水进行热交换，以达到节能的作用。
参阅图6，由于本发明工作液体5在经过该透气室33内的超微细化处理后，浓度已达饱和状态，因此，可大量地生成水蒸气341透入多孔疏水性薄膜34。
参阅图3、5、6，该冷凝淡水装置6是与该淡化装置3连结，且恰对应该低温冷凝淡水区36。该冷凝淡水装置6是透过多孔疏水性薄膜34而到达其另一侧的冷凝组件61施以冷凝，在本实施例中，该淡化装置3是通入空气以对冷凝组件61进行冷却，这样一来，水蒸气341即可被凝结生成淡水，处理过后的工作液体5可输送至排水管路31，该排水管路31可再与另一淡化装置(未图示)作成衔接，这样工作液体5可重复循环使用，而淡水可输送至淡水管路32，此外，在淡水管路32上接设有一负压元件62，该负压元件62通常采用真空帮浦，这样即可抽取淡水到达另一容器63内作储置利用。
参阅图7，上述实施例是一种串连式的透气室，当然本发明的透气室33亦可由数个透气室33并连组成，将该微细气泡化装置2送出的工作液体同时泵送入该透气室33的入口，使经各透气室33大量处理淡水，并由该淡水管路32汇集流出再送至该冷凝淡水装置6，与上述实施例相同地，该排水管路31出口安置有一热交换器37，用以吸收冷凝淡水所排出的废热，并与该饲水管路内的海水进行热交换，以达到节能的作用。
在上述系统中，本发明除了增加奈米级微细气泡化加压浮除的前处理装置，以加强原有膜蒸馏法的前处理效果外，关键处在于本发明将膜表面原先被不能直接扩散的液相所占有的空间，改由饱和水蒸气直接取代。
这样一来，原先类似Arnold扩散装置的蒸气扩散模式，改成部份为气相强制对流(forced convective mass transfer)模式，其质传模式由扩散(diffusion)变成部份对流(partially convective)，扩散量大幅增加。
在以下将透过各种不同条件的实验，对发明作所能达成的目的作进一步的证验解说：
<应用范例说明>
原有薄膜蒸馏操作范例：
范例一：以Liqui-Cel10-inch X-40脱气膜2支串连为例(25℃)，此膜为疏水性聚丙烯中空纤维材质，代表孔径0.03μm，采真空模式操作。
以一般膜蒸馏法方式制作，流量为100gpm，产水中的含水量35.6％，每小时产水166克，流通量相当于0.00064L/hr m2或0.00038GFD。
若采用此种薄膜来进行海水淡化，产水量太少。
表一膜蒸馏法理论计算例/25℃ 流动 进水 出水 产水体积流量，gpm 100.00 100.00 0.360质量流量，lb/hr 50,050.13 50,048.68 1.453摩尔流量lb-mole/hr 2,778.07 2,778.01 0.057摩尔百分比氧 0.0004798％ 0.0000306％ 21.89％氮 0.0009105％ 0.0000581％ 41.54％水 99.998589％ 99.999910％ 35.63％二氧化碳 0.0000206％ 0.0000013％ 0.94％平均MW 18.016 18.016 25.475近似蒸汽负荷(lb-mole/hr) 0.057近似蒸汽摩尔比较 lb-mole/hr g/hr氧 21.89％ 0.012 181氮 41.54％ 0.024 301水 35.63％ 0.020 166二氧化碳 0.94％ 0.001 11
范例二：使用脱气膜(30℃)
同上，以一般膜蒸馏法方式操作，温度提高5℃，流量为100gpm，产水中的含水量47.7％，每小时产水258克，流通量相当于0.00099L/hr m2或0.00058GFD，仍然太低。
表二 膜蒸馏法理论计算例/30℃ 流动 进水 出水 产水体积流量，gpm 100.00 100.00 0.418质量流量，lb/hr 50,050.13 50,048.54 1.592摩尔流量lb-mole/hr 2,778.07 2,778.00 0.066摩尔百分比氧 0.0004449％ 0.0000234％ 17.70％氮 0.0008502％ 0.0000447％ 33.83％水 99.998686％ 99.999931％ 47.74％二氧化碳 0.0000182％ 0.0000010％ 0.72％平均MW 18.016 18.016 24.063近似蒸汽负荷(lb-mole/hr) 0.066近似蒸汽摩尔比较 lb-mole/hr g/hr氧 17.70％ 0.012 170氮 33.83％ 0.022 284水 47.74％ 0.032 258二氧化碳 0.72％ 0.000 10
范例三：使用脱气膜(43℃)
同上，以一般膜蒸馏法方式制作，温度提高43℃，流量为100gpm，产水中的含水量97.2％，每小时产水8,986克，流通量相当于34.6L/hr m2或20.3GFD。
表三 膜蒸馏法理论计算例/43℃ 流动 进水 出水 产水体积流量，gpm 100.00 100.00 7.145质量流量，lb/hr 50,050.13 50,029.39 20.740摩尔流量lb-mole/hr 2,778.07 2,776.94 1.131摩尔百分比氧 0.0003803％ 0.0000001％ 0.93％氮 0.0007390％ 0.00000002％ 1.81％水 99.998867％ 99.999999％ 97.22％二氧化碳 0.0000136％ 0.0000000％ 0.03％平均MW 18.016 18.016 18.337近似蒸汽负荷(lb-mole/hr) 1.131近似蒸气摩尔比较 lb-mole/hr g/hr氧 0.93％ 0.011 153氮 1.81％ 0.021 261水 97.22％ 1.100 8,986二氧化碳 0.03％ 0.000 8
范例四：使用PTFM微滤膜(20℃)
孔径(mean pore size)：0.2μm
厚度(mean thickness)：60μm
水蒸气饱和量(mass of water vapor in saturated air)20℃：17.24g/m3、
一般空气流动率(typical air flow rate)：6L/min cm2
＝0.36m3/hr cm2
＝6.21g/hr cm2
＝62.1L/hr m2
＝36.5GFD
为一般海水淡化膜的3-6倍。
此为20℃完全饱和气体的特例。
若将温提高至43℃
水蒸气饱和量(typical air flow rate)超过12L/min cm2
43℃：59.24g/m3
所以流通量将超过12*0.06*59.24＝42.7g/hr cm2
＝427L/hr cm2＝251GFD
为一般海水淡化膜的25-36倍
此为43℃完全饱和气体的特例。
【结论】
表四 膜蒸馏法理论计算比较结果温度(℃)25 304343(奈米级微气泡化气液比1∶5)43完全气泡化蒸汽负荷(lb-mole/hr)0.057 0.0661.131＞2相对倍数1.00 1.1619.84＞40用于水的蒸汽负荷(％)35.63 47.7497.22相对倍数1.00 1.342.73用于水的蒸汽负荷(lb-mole/hr)0.020 0.0321.100＞2相对倍数1.00 1.6055用于水的蒸汽负荷(lb-mole/hr)166 2588,986＞18000相对倍数1.00 1.5554.13＞100流通量(GFD)0.00038 0.0005820.3＞40251相对倍数1.00 1.5353421＞100000660526
由上述结果可以发现温度高低强烈影响膜蒸馏法的产水量。以43℃的数据来看，比MSF方法的操作温度低，其热量可由循环泵(Pump)做功所放出的能量即可维持供应无虞，不需另外增设加热装置。此时的流通量为25℃的50000多倍，实在惊人。
以上即为本发明高效率低成本的膜蒸馏海水淡化系统的处理过程及相关联系统的概述，接着，再将本发明预期所能达到的功效说明如下：
(1).淡水生成效率快速
本发明主要是将海水10与气体4混合后，再经过微细气泡化装置2进行奈米级微细气泡化处理，使海水可被碎解乳化成为含有饱和水蒸气的工作液体，使海水10轻易地相转变成为水蒸气341(液相→气相)，在与有机的多孔疏水性薄膜34接触后，水蒸气341可大量且快速地渗透至冷凝组件61上，以快速地生成的大量的淡水，生产效率奇佳。
(2).制造成本便宜
本发明一改以往对海水加热的做法，而是改采海水10混合气体4的手段，如果该气体4采用热空气将更佳，此种手段所需的能量不会太高，经过实验数据证实，本发明整个系统所需的能量远较一般淡化系统要来得低，而淡水的产能却可有效提升，所以本发明确实可降低淡水的制造成本，并更符合经济效益。
(3).延长薄膜使用寿命
奈米级微细气泡化加压浮除装置具有良好前处理效果，可去除海水中悬浮固体、藻类、胶质固体等杂质，有效降低污泥密度指数(SDI：Silt DensityIndex)，加上高含气量的工作水体有强烈扰动效果(Turbulent Effect)，可有效减少薄膜表面污染堵塞的现象。
(4).降低对流质量传送阻力
由于本发明的奈米级微细气泡化装置是利用该泡沫发生器7产生出超微细气泡化的液体，并将空气气泡微细化，使大部份气泡大小比薄膜表面孔洞的开口还小，除了可以有效悬浮分散于待处理饲水水体中，还可克服气泡表面张力，降低对流质量传送阻力。
(5).产水量大
高含气量的工作水体，改变了疏水性薄膜表面孔口处的质传模式，薄膜孔口的气液比例提高，使质传阻力大幅下降，由原先液体于孔隙内蒸发成蒸气，变成部份液体已先行气化，大幅增加蒸气流通量，打破需要液气平衡的限制，同时减少了温度极化与浓度极化现象，有效提升造水量。
值得一提的是，此一改良设备，除了可应用于上述的海水淡化(Sea WaterDesalination)、半碱水淡化(Brackish Water Desalination)处理外，也可运用于污水净化(Effluent Reclamation)、废水回收(Waste Water Reclamation)与含盐酒精脱盐处理(Salted Rice Wine Desalination)等工业制程。