技术领域
[0001] 本
发明涉及
海水淡化技术领域，特别是一种基于太阳能的海水脱盐系统及脱盐方法。
背景技术
[0002] 水资源匮乏严重影响社会的可持续发展和经济稳健增长。解决
淡水资源短缺的最有效途径之一就是
海水淡化技术，即除去海水中的盐分以获得淡水的工艺过程，亦称海水脱盐。海水淡化的方法，主要有蒸馏法(多级闪蒸、多效
蒸发、压气蒸馏)、膜法(
反渗透法和
电渗析法)、结晶法(冷冻法和水合物法)、
溶剂萃取法和离子交换法等。目前，蒸馏法和反渗透法应用最为广泛，但是，蒸馏过程留下的盐垢会严重影响设备的使用效率，减少设备使用寿命。反渗透法现在占到全世界海水淡化产能的50％，但是，反渗透法仍然受到淡水回收率低和能耗导致的高成本的制约。这些方式都在一定程度上会引起不
可再生能源的消耗，加剧能源问题，并且造成污染。因此，一种高效节能的海水淡化方法变得十分重要。
[0003] 将太阳能作为海水淡化的
能量来源具有无污染、零排放、可再生等特点，已成为解决能源与环境双重危机的重要方向。目前将太阳能应用在海水淡化领域的方式主要分为两种。一种是利用太阳能热驱动海水表面蒸发成
蒸汽，冷凝后得到淡水，由于其光热转换效率低，
热能损失大，导致其利用效率低下，无法大规模应用。另一种是利用光伏效应产生的电，驱动渗析过程产生淡水，或者电加热海水进行淡化。由于现阶段太阳能发电成本相对较高，因此利用太阳能发电驱动渗析过程产生淡水经济性不强。因此，寻找高效、低能、可靠、可持续的太阳能海水脱盐方式已成为必然趋势。
[0004] 背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的
现有技术的信息。
发明内容
[0005] 鉴于上述问题，本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的
缺陷而提供一种基于太阳能的海水脱盐系统及脱盐方法。本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。
[0006] 一种基于太阳能的海水脱盐系统包括，
[0007] 第一反应池，其内设有浸入海水的第一
电极，
[0008] 第二反应池，其经由阳离子选择性纳米
薄膜连接所述第一反应池，所述第二反应池设有浸入海水的第二电极，其中，第一反应池与第二反应池通过外管路连接，所述外管路设有控制液体流动的第一
阀门，第一反应池与第二反应池中的海
水体积、浓度均相同，所述第一电极和第二电极通过第一外
电路连接，
[0009]
泵，其连通第二反应池和第三反应池以将来自第二反应池的脱除阳离子盐后的海水溶液泵入第三反应池，
[0010] 第三反应池，其内设有浸入所述海水溶液的第三电极，
[0011] 第四反应池，其经由阴离子选择性纳米薄膜连接所述第三反应池，所述第四反应池设有浸入所述海水溶液的第四电极，其中，第三反应池与第四反应池通过第二外管路连接，第二外管路设有控制液体流动的第三阀门，第三反应池与第四反应池中的所述海水溶液体积、浓度均相同，所述第三电极和第四电极通过第二外电路连接，所述第四反应池设有液体输出管路。
[0012] 所述的基于太阳能的海水脱盐系统中，阳离子选择性纳米薄膜和阴离子选择性纳米薄膜分别包括从第二反应池到第一反应池以及第四反应池到第三反应池的平行孔离子通道。
[0013] 所述的基于太阳能的海水脱盐系统中，所述的阳离子选择性纳米薄膜和/或阴离子选择性纳米薄膜为一层或多层的多孔
半导体薄膜，平均孔径2-30nm，每层厚度不超过100nm，总厚度不超过500nm。
[0014] 所述的基于太阳能的海水脱盐系统中，所述的阳离子选择性纳米薄膜中平行孔离子通道包括带负电的表层。
[0015] 所述的基于太阳能的海水脱盐系统中，所述的阴离子选择性纳米薄膜中平行孔离子通道包括带正电的表层。
[0016] 所述的基于太阳能的海水脱盐系统中，所述第一反应池、第二反应池、第三反应池和/或第四反应池由
石英玻璃制成。
[0017] 所述的基于太阳能的海水脱盐系统中，阳离子选择性纳米薄膜经由
法兰分别连接第一反应池和第二反应池，阴离子选择性纳米薄膜经由法兰分别连接第三反应池和第四反应池。
[0018] 所述的基于太阳能的海水脱盐系统中，所述泵设有第二阀门，所述液体输出管路设有第四阀门，所述第一外电路设有用于控制系统启停的第一电
信号采集器，和/或第二外电路设有用于控制系统启停的第二
电信号采集器。
[0019] 根据本发明的另一方面，一种所述的基于太阳能的海水脱盐系统的脱盐方法包括以下步骤，
[0020] 第一步骤，阳光透过第二反应池照射阳离子选择性纳米薄膜，薄膜表面吸收太阳能并激发载流子，
[0021] 第二步骤，电化学
势能差使得第二反应池中海水的阳离子通过阳离子选择性纳米薄膜离子通道进入第一反应池，
[0022] 第三步骤，阳离子选择性纳米薄膜两侧产生扩散电势直至
电流稳定，第一电信号采集器采集信号并控制系统屏蔽
光信号，其中，第二反应池中液体阳离子盐浓度低于第一反应池，
[0023] 第四步骤，打开第二阀门和泵，排出第二反应池的海水溶液至第三反应池，[0024] 第五步骤，关闭第二阀门和泵，打开第一阀门，将第一反应池中的液体导入第二反应池后关闭第一阀门，第一反应池和第二反应池中液体体积相等时，返回第一步骤以循环脱盐。
[0025] 根据本发明的又一方面，一种所述的基于太阳能的海水脱盐系统的脱盐方法包括以下步骤，
[0026] 第一步骤，打开第三阀门，将第三反应池中液体导入第四反应池后关闭第三阀门，第三反应池和第四反应池中液体体积相等，
[0027] 第二步骤，阳光透过第三反应池照射阴离子选择性纳米薄膜，薄膜表面吸收太阳能并激发载流子，
[0028] 第三步骤，电化学势能差使得第四反应池中海水的阳离子通过阴离子选择性纳米薄膜离子通道进入第三反应池，
[0029] 第四步骤，阴离子选择性纳米薄膜两侧产生扩散电势直至电流稳定，第二电信号采集器采集信号并控制系统屏蔽光信号，其中，第四反应池中液体阴离子盐浓度低于第三反应池，
[0030] 第五步骤，打开第四阀门排出第四反应池的液体，
[0031] 第六步骤，关闭第四阀门，将第三反应池中的液体导入第四反应池后关闭第三阀门，第四反应池和第三反应池中液体体积相等时，返回第一步骤以循环脱盐。
[0032] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0033] 本发明不需要提供额外的
电能、热能及
盐差能，不仅避免了太阳能利用过程中复杂的多级能量转化及各级能源转换过程中的能量损失，还有效防止了海水淡化过程中污染物的产生，达到节能减排的目的。整个脱盐系统能量来源只有太阳能，在没有其他外部能耗的情况下实现海水淡化，同时通过离子的渗透传输进行发电。经过分步去除海水中阳离子、阴离子可全面、定向的进行海水脱盐。整个海水淡化系统结构简单，操作方便，成本极低而收益巨大。
[0034] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照
说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。
附图说明
[0035] 通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些
实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
[0036] 在附图中：
[0037] 图1是根据本发明一个实施例的基于太阳能的海水脱盐系统的结构示意图，其中，1-第一电信号采集器；2-第一阀门；3-第一反应池；4-第一电极；5-阳离子选择性纳米薄膜；
6-第二电极；7-第二反应池；8-第二阀门；9-第三反应池；10-第三阀门；11-集液灌；12-第四阀门；13-第四反应池；14-第四电极；15-阴离子选择性纳米薄膜；16-第三电极；17-第二电信号采集器；22-泵；
[0038] 图2是根据本发明一个实施例的基于太阳能的海水脱盐系统的太阳光照下阳离子选择性纳米薄膜中离子迁移图，其中，3-第一反应池；4-第一电极；6-第二电极；7-第二反应池；18-阳离子选择性纳米通道；19-阳离子；
[0039] 图3是根据本发明一个实施例的基于太阳能的海水脱盐系统的太阳光照下阴离子选择性纳米薄膜中离子迁移图，其中，9-第三反应池；13-第四反应池；14-第四电极；16-第三电极；20-阴离子选择性纳米通道；21-阴离子；
[0040] 图4是根据本发明一个实施例的太阳能海水脱盐系统中脱除阳离子盐方法的步骤示意图；
[0041] 图5是根据本发明一个实施例的太阳能海水脱盐系统中脱除阴离子盐方法的步骤示意图；
[0042] 图6是根据本发明一个实施例的太阳能海水脱盐系统中电信号采集器控制步骤示意图。
[0043] 以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
[0044] 下面将参照附图1至附图6更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0045] 需要说明的是，在说明书及
权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
[0046] 为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
[0047] 为了更好地理解，如图1所示，一种基于太阳能的海水脱盐系统，其包括，[0048] 第一反应池3，其内设有浸入海水的第一电极4，
[0049] 第二反应池7，其经由阳离子选择性纳米薄膜5连接所述第一反应池3，所述第二反应池7设有浸入海水的第二电极6，其中，第一反应池3与第二反应池7通过外管路连接，所述外管路设有控制液体流动的第一阀门2，第一反应池3与第二反应池7中的海水体积、浓度均相同，所述第一电极4和第二电极6通过第一外电路连接，
[0050] 泵22，其连通第二反应池7和第三反应池9以将来自第二反应池7的脱除阳离子盐后的海水溶液泵入第三反应池9，
[0051] 第三反应池9，其内设有浸入所述海水溶液的第三电极16，
[0052] 第四反应池13，其经由阴离子选择性纳米薄膜15连接所述第三反应池9，所述第四反应池13设有浸入所述海水溶液的第四电极14，其中，第三反应池9与第四反应池13通过第二外管路连接，第二外管路设有控制液体流动的第三阀门10，第三反应池9与第四反应池13中的所述海水溶液体积、浓度均相同，所述第三电极16和第四电极14通过第二外电路连接，所述第四反应池13设有液体输出管路。
[0053] 所述的基于太阳能的海水脱盐系统的优选实施例中，液体输出管路经由第四阀门连通集液罐11。
[0054] 所述的基于太阳能的海水脱盐系统的优选实施例中，阳离子选择性纳米薄膜5和阴离子选择性纳米薄膜15分别包括从第二反应池7到第一反应池3以及第四反应池13到第三反应池9的平行孔离子通道。
[0055] 所述的基于太阳能的海水脱盐系统的优选实施例中，所述的阳离子选择性纳米薄膜5和/或阴离子选择性纳米薄膜15为一层或多层的多孔半导体薄膜，平均孔径2-30nm，每层厚度不超过100nm，总厚度不超过500nm。
[0056] 所述的基于太阳能的海水脱盐系统的优选实施例中，所述的阳离子选择性纳米薄膜5中平行孔离子通道包括带负电的表层。
[0057] 所述的基于太阳能的海水脱盐系统的优选实施例中，所述的阴离子选择性纳米薄膜15中平行孔离子通道包括带正电的表层。
[0058] 所述的基于太阳能的海水脱盐系统的优选实施例中，所述第一反应池3、第二反应池7、第三反应池9和/或第四反应池13由石英玻璃制成。
[0059] 所述的基于太阳能的海水脱盐系统的优选实施例中，阳离子选择性纳米薄膜5经由法兰分别连接第一反应池3和第二反应池7，阴离子选择性纳米薄膜15经由法兰分别连接第三反应池9和第四反应池13。防止连接处液体泄露。
[0060] 所述的基于太阳能的海水脱盐系统的优选实施例中，所述泵22设有第二阀门8，所述液体输出管路设有第四阀门12，所述第一外电路设有用于控制系统启停的第一电信号采集器1，和/或第二外电路设有用于控制系统启停的第二电信号采集器17。
[0061] 根据本发明一个实施例，一种所述的太阳能海水两步脱盐系统中太阳光照下阳离子选择性纳米薄膜5中离子迁移原理如图2所示。半导体薄膜上平行孔通道形成了带负电荷的表层，当孔径减小到一定程度即2-30nm，上下表层的双电层重合，依照静电理论，孔内仅能通过带异性电荷的离子，即阳离子。太阳光照下，膜表面激发产生载流子，其迁移速率差会在膜上形成电化学势差，驱动第二反应池7中的阳离子19通过阳离子选择性纳米通道18迁移至第一反应池3。
[0062] 根据本发明一个实施例，一种所述的太阳能海水两步脱盐系统中太阳光照下阴离子选择性纳米薄膜15中离子迁移原理如图3所示。半导体薄膜上平行孔通道形成了带正电荷的表层，当孔径减小到一定程度即2-30nm，上下表层的双电层重合，依照静电理论，孔内仅能通过带异性电荷的离子，即阴离子。太阳光照下，膜表面激发产生载流子，其迁移速率差会在膜上形成电化学势差，驱动第四反应池13中的阴离子21通过阴离子选择性纳米通道20迁移至第三反应池9。
[0063] 如图4所示，一种所述的基于太阳能的海水脱盐系统的脱盐方法包括以下步骤，[0064] 第一步骤，阳光透过第二反应池7照射阳离子选择性纳米薄膜5，薄膜表面吸收太阳能并激发载流子，
[0065] 第二步骤，电化学势能差使得第二反应池7中海水的阳离子通过阳离子选择性纳米薄膜5离子通道进入第一反应池3，
[0066] 第三步骤，阳离子选择性纳米薄膜5两侧产生扩散电势直至电流稳定，第一电信号采集器1采集信号并控制系统屏蔽光信号，其中，第二反应池7中液体阳离子盐浓度低于第一反应池3，
[0067] 第四步骤，打开第二阀门8和泵，排出第二反应池7的海水溶液至第三反应池9，[0068] 第五步骤，关闭第二阀门8和泵，打开第一阀门2，将第一反应池3中的液体导入第二反应池7后关闭第一阀门2，第一反应池3和第二反应池7中液体体积相等时，返回第一步骤以循环脱盐。
[0069] 在一个实施方式中，太阳能海水脱盐的脱除阳离子盐的方法如下：
[0070] 联通第一外电路，接入经聚集的太阳光，太阳光透过第二反应池7照射与第一反应池3相连接的阳离子选择性纳米薄膜5，纳米薄膜表面吸收太阳能并激发载流子。由于光电泊效应，阳离子选择性纳米薄膜中
电子、空穴迁移速率不同破坏了表面对称性，并产生电化学势能差，使得第二反应池7中海水的阳离子通过纳米薄膜的选择性通道进入第一反应池3。由于纳米孔通道中离子迁移，会产生一个扩散电势。而为了保持反应池内溶液的电中性，电子通过外通道由第二电极6迁移至第一电极4。直至电流稳定或达到最小值，第一电信号采集器1采集到信号，控制系统屏蔽
光源信号。脱除阳离子盐结束。其中，第二反应池7中液体阳离子盐浓度低于第一反应池3。打开第二阀门8，将第二反应池7中液体排出至第三反应池9后关闭第二阀门8。打开第一阀门2，将第一反应池3中液体导入第二反应池7后关闭第一阀门2。两反应池中液体体积相等。重复上述第一步脱盐步骤。
[0071] 如图5所示，一种所述的基于太阳能的海水脱盐系统的脱盐方法包括以下步骤，[0072] 第一步骤，打开第三阀门10，将第三反应池9中液体导入第四反应池13后关闭第三阀门10，第三反应池9和第四反应池13中液体体积相等，
[0073] 第二步骤，阳光透过第三反应池9照射阴离子选择性纳米薄膜15，薄膜表面吸收太阳能并激发载流子，
[0074] 第三步骤，电化学势能差使得第四反应池13中海水的阳离子通过阴离子选择性纳米薄膜15离子通道进入第三反应池9，
[0075] 第四步骤，阴离子选择性纳米薄膜15两侧产生扩散电势直至电流稳定，第二电信号采集器17采集信号并控制系统屏蔽光信号，其中，第四反应池13中液体阴离子盐浓度低于第三反应池9，
[0076] 第五步骤，打开第四阀门12排出第四反应池13的液体，
[0077] 第六步骤，关闭第四阀门12，打开第三阀门，将第三反应池9中的液体导入第四反应池13后关闭第三阀门10，第四反应池13和第三反应池9中液体体积相等时，返回第一步骤以循环脱盐。
[0078] 在一个实施方式中，所述太阳能海水脱除阴离子盐的方法如下：
[0079] 打开第三阀门10，将第三反应池9中液体导入第四反应池13后关闭第三阀门10。两反应池中液体体积相等。联通外电路，接入经聚集的太阳光，太阳光透过第三反应池9照射与第四反应池13相连接的阴离子选择性纳米薄膜15，纳米薄膜表面吸收太阳能并激发载流子。由于光电泊效应，阴离子选择性纳米薄膜中电子、空穴迁移速率不同破坏了表面对称性，并产生电化学势能差，使得第四反应池13中溶液的阴离子通过纳米薄膜的选择性通道进入第三反应池9。由于纳米孔通道中离子迁移，会产生一个扩散电势。而为了保持反应池内溶液的电中性，电子通过外通道由第三电极16迁移至第四电极14。直至电流稳定或达到最小值，第二电信号采集器17采集到信号，控制系统屏蔽光源信号后。脱除阴离子盐结束。其中，第四反应池13中液体阴离子盐浓度低于第三反应池9。打开第四阀门12，排出并收集第四反应池13的液体至集液灌11，即为脱除海水盐中阴离子后得到的最终淡化液体。关闭第四阀门12，打开第三阀门10，将第三反应池9中的液体的导入第四反应池13后关闭第三阀门10。两反应池中液体体积相等。重复上述第二步脱盐步骤。
[0080] 在一个实施方式中，一种所述的基于太阳能的海水脱盐系统的脱盐方法包括以下步骤，
[0081] 第一步骤，阳光透过第二反应池7照射阳离子选择性纳米薄膜5，薄膜表面吸收太阳能并激发载流子，
[0082] 第二步骤，电化学势能差使得第二反应池7中海水的阳离子通过阳离子选择性纳米薄膜5离子通道进入第一反应池3，
[0083] 第三步骤，阳离子选择性纳米薄膜5两侧产生扩散电势直至电流稳定，第一电信号采集器1采集信号并控制系统屏蔽光信号，其中，第二反应池7中液体阳离子盐浓度低于第一反应池3，
[0084] 第四步骤，打开第二阀门8和泵，排出第二反应池7的海水溶液至第三反应池9，[0085] 第五步骤，关闭第二阀门8和泵，打开第一阀门2，将第一反应池3中的液体导入第二反应池7后关闭第一阀门2，第一反应池3和第二反应池7中液体体积相等时，返回第一步骤以循环脱盐，
[0086] 第六步骤，打开第二阀门8和泵，将第二反应池7中液体导入第三反应池9后关闭第二阀门8和泵，
[0087] 第七步骤，打开第三阀门10，将第三反应池9中液体导入第四反应池13后关闭第三阀门10，第三反应池9和第四反应池13中液体体积相等，
[0088] 第八步骤，阳光透过第三反应池9照射阴离子选择性纳米薄膜15，薄膜表面吸收太阳能并激发载流子，
[0089] 第九步骤，电化学势能差使得第四反应池13中海水的阳离子通过阴离子选择性纳米薄膜15离子通道进入第三反应池9，
[0090] 第十步骤，阴离子选择性纳米薄膜15两侧产生扩散电势直至电流稳定，第二电信号采集器17采集信号并控制系统屏蔽光信号，其中，第四反应池13中液体阴离子盐浓度低于第三反应池9，
[0091] 第十一步骤，打开第四阀门12排出第四反应池13的液体，
[0092] 第十二步骤，关闭第四阀门12，打开第三阀门10，将第三反应池9中的液体导入第四反应池13后关闭第三阀门10，第四反应池13和第三反应池9中液体体积相等时，返回第六步骤、第七步骤或第八步骤以循环脱盐。
[0093] 本发明通过直接利用太阳能，在实现无盐差梯度海水脱盐的同时进行离子渗透发电。该太阳能海水两步脱盐系统结构简单、操作方便，且不消耗额外电能，不产生污染物，能耗低，节约成本。且淡水回收率大大提高。
[0095] 本发明所述的基于太阳能的海水脱盐系统及脱盐方法可以海水淡化领域制造并使用。
[0096] 以上结合具体实施例描述了本
申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
[0097] 为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、
修改、改变、添加和子组合。
