基于冷冻过程的海水脱盐方法及微观机理研究

论文摘要

淡水资源的紧缺和丰富的海水资源使得海水淡化产业迅速发展。《全国海水利用“十三五”规划》提出了全国海水淡化总规模在“十三五”末超220万吨/日的目标。液化天然气（LNG,Liquefied Natural Gas）进口量的不断增长也为解决基于冷冻过程的海水脱盐过程中冷源成本高的问题带来契机,使得基于冷冻过程的海水脱盐技术有了实际应用的背景。本文在基于冷冻过程的海水脱盐技术方面主要进行了两部分研究:（1）基于冰箱冷冻过程的冷冻-浸泡-离心复合脱盐（FSCD,Freezing,soaking and centrifugal desalination）工艺实验;（2）基于实验装置冷冻过程的FSCD工艺实验。两部分实验分别利用DW-HL388冰箱和“基于LNG冷能的海水冷冻制冰实验装置”,将原海水冷冻制冰,实验研究了FSCD工艺中浸泡时间、浸泡液温度、冰液比例（冰液比例=样品冰初始质量/浸泡液质量）对脱盐效果的影响。基于冷冻过程的海水脱盐主要是脱除海冰中盐胞内盐分及冰晶表面附着盐分的过程,因此研究海冰内盐胞的形态、大小及分布对基于冷冻过程的海水脱盐工艺具有重要意义。本文在基于冷冻过程的海水脱盐微观机理方面进行了以下研究:（1）利用显微镜成像设备获得不同质量浓度NaCl盐水冰的微观结构图像并进行图像处理,研究了不同质量浓度NaCl盐水冰的孔隙率和孔隙大小。（2）利用微计算机断层扫描技术（micro-CT,Micro computed tomography）及ImageJ图像处理软件对人工单向传热条件下冷冻得到的海冰样品不同高度处的盐胞、气泡的形态、大小及分布进行了研究。实验研究主要得出如下结论:1)FSCD复合脱盐工艺的脱盐率和总溶解性固体（TDS,Total dissolved solid）脱除率与浸泡时间、浸泡液温度呈正相关,产水率与浸泡时间、浸泡液温度呈负相关。提高浸泡液温度和浸泡时间可以提高FSCD工艺实验的脱盐率、TDS脱除率,但是产水率会随之降低。浸泡液温度为27℃时,两种制冰方式下FSCD复合脱盐工艺的产水率最高为15.35%和7.98%,因此,采用原海水作为浸泡液时,在夏季不适合进行FSCD复合脱盐工艺。2)浸泡液温度为11℃时,基于冰箱冷冻过程的FSCD复合脱盐工艺在冰液比例为1:4时的脱盐率大于冰液比例为1:3和1:5时的脱盐率,FSCD复合脱盐工艺的脱盐率最低为89.41%,最高可达92.99%。3)浸泡液温度为11℃时,基于实验装置冷冻过程的FSCD复合脱盐工艺的脱盐率、TDS脱除率随冰液比例增加而增加,产水率却相反,FSCD复合脱盐工艺的脱盐率最低为92.14%,最高为95.41%。4)相同产水率下,与基于冰箱冷冻过程的FSCD复合脱盐工艺相比,基于实验装置冷冻制冰的FSCD复合脱盐工艺脱盐率更高,所产淡水盐度更低。5)显微镜观察得到:质量浓度为6%的NaCl盐水冰样品孔隙率、单位面积孔隙个数、孔隙的面积均大于质量浓度为3%的NaCl盐水冰样品。6)对micro-CT扫描得到的图像进行分析研究表明:冰样品上层部分盐胞和气泡含量最少,盐胞面积占比在冰样品的中层和下层部分整体呈上升趋势,下层部分气泡和盐胞面积占比最大。盐胞和气泡的当量直径分布范围近似随切片位置的下移而增大,当量直径在200μm以下范围内的盐胞和气泡占比最大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 基于冷冻过程的海水淡化研究现状
•     1.2.1 针对天然海冰的海水淡化研究
•     1.2.2 针对人工海冰的海水淡化研究
•   1.3 海冰微观结构研究现状
•   1.4 本文研究内容
• 第2章 实验方法及原理
•   2.1 实验基本原理
•     2.1.1 冷冻脱盐原理
•     2.1.2 浸泡脱盐原理
•     2.1.3 离心脱盐原理
•   2.2 FSCD工艺实验方法
•   2.3 微观结构研究方法
•     2.3.1 X-CT技术
•     2.3.2 图像预处理
•     2.3.3 图像分割
•     2.3.4 形态学处理
• 第3章 基于冰箱的FSCD工艺实验研究
•   3.1 FSCD工艺实验
•   3.2 不同浸泡液温度下FSCD对比实验
•   3.3 不同冰液比例下FSCD对比实验
•   3.4 本章小结
• 第4章 基于实验装置的FSCD工艺实验研究
•   4.1 FD工艺实验
•   4.2 FSCD工艺实验
•   4.3 不同浸泡液温度下FSCD对比实验
•   4.4 不同冰液比例下FSCD对比实验
•   4.5 两种制冰方式下FSCD工艺脱盐效果的对比分析
•   4.6 本章小结
• 第5章 人工海冰和盐水冰微观结构研究
•   5.1 基于显微镜观察的人工盐水冰微观结构研究
•     5.1.1 样品制备及微观图像采集
•     5.1.2 微观图像处理及分析
•   5.2 基于micro-CT的人工海冰微观结构研究
•     5.2.1 样品冰制备及微观图像采集
•     5.2.2 微观图像处理
•     5.2.3 样品冰中盐胞、气泡分布
•   5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 董冰艳

导师: 杨晖,郝俊红

关键词: 海水脱盐,冷冻脱盐,冷冻浸泡离心复合脱盐,微观结构

来源: 北京建筑大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 北京建筑大学

分类号: P747

总页数: 64

文件大小: 6129K

下载量: 147