项目名称:基于创新多级盐管理策略的高效、耐用、低成本太阳能海水淡化技术
- 香港城市大学
- 九龙,深水埗区,九龙塘,达之路
- NA
姓名 |
吕 坚 |
电话 |
|
电子邮件 |
jianlu@cityu.edu.hk |
区号 |
|
邮编 |
|
通信地址 |
九龙,深水埗区,香港城市大学,AC1,7701 |
专利类型 |
|
专利状态 |
|
申请号 |
授权日期 |
授权专利号 |
202210827506.4 |
|
|
202210827510.0 |
|
|
近年来,污染、疫情和自然灾害频发加剧了全球的水资源短缺,导致超过20亿人遭受淡水短缺的困扰。我国人均占有水量只居世界的第108位,许多偏远农村、孤岛和沿海盐碱地区均严重缺乏符合安全可用的淡水,直接影响当地居民的生活质量和经济发展。因此,通过低成本、低能耗、小模块的方式,高效净化海水、苦咸水和污水,以获得达到WHO饮用水标准的淡水,具有迫切需求和巨大扩张空间。
常规海水淡化技术,例如膜渗透法、多级闪蒸法、多效蒸馏法、通常要求大基建、高能耗,难以提供负担的起的淡水资源,阻碍了在偏远和贫困地区的应用。同时,上述技术碳排放高、并产生难以处理的苦卤水造成二次污染,对使用地区的环境质量无疑雪上加霜。
太阳能水净化(SSG),利用绿色且广泛分布的太阳能,通过设计界面加热的方式,集中加热界面水分,实现高效水净化,同时无需额外能源和维护成本,对基础设施无要求,尤其适用于偏远、贫困地区和孤岛等国防要地。香港城市大学吕坚院士团队创新性提出多级盐管理策略,并自主研发便携式SSG系统,具有产水量大、成本低、净化效果好且持久耐用等独特优势。在净水能力方面,我们所制备的系统,在1个太阳光强度下可实现2.84 kg m-2 h-1的高水净化速度,且在20 wt%高浓缩苦卤水中依然表现稳定,比对照产品提高了54%。同时,获得的净化水中的重金属离子几乎完全消除,浓度远低于WHO要求的饮用水便准。在使用成本方面,我们的设备成本低于2美元,持久耐用,且不需要任何基建和化石能源的投入,满足了小型化、家庭化的使用要求。因此,我们研发的具有海水淡化、污水净化能力的低成本SSG系统,在解决偏远、贫困地区的生活用水短缺问题上意义重大,同时对完善孤岛、边境等国防要地的用水策略影响深远。
本发明基于太阳能水净化的天然优势,克服传统技术面临的投入高、普适性差、使用寿命低等困境,开创性的提出多级盐管理策略,攻破了领域内长期存在的高产量和耐用性的矛盾。该发明的创新点可具体展开为:
同时,该发明兼具低成本、可大规模制备和便携等独特优势
1. 技术创新。首创多级盐管理策略,通过对盐结晶和扩散行为的精确控制,在保证高水蒸发率的前提下,避免了在蒸发过程中盐析出对蒸发器表面的污染和破坏,打破了太阳能水净化领域长期面临的高蒸发率和抗盐污性能不可兼得的困境。
2. 高产耐用。由于上述理论创新,使该发明设计的蒸发系统实现了2.84 kg m-2 h-1的高水净化速度。此外,该发明在自然海水(3.5wt%)、超高浓缩卤水(20 wt%)和各种有机污染废水中依然保持稳定和持久的水净化能力。
3. 成本低廉。该发明材料主体采用低成本聚氨酯,每平米材料成本可压缩在10元人民币,同时前期无需大型设备与基建投入,作业时无需电力输入,维护成本极低,在实际生产和应用方面优势显著。
4. 净化效果稳定。在海水淡化和各种污水处理测试中效果显著,重金属离子浓度降低103,远低于WHO饮用水要求标准。
5. 绿色环保。阳光作为唯一输入能源,0碳排放,环境友好。
6. 应用拓展。由于低成本、小模块化的典型特征,在民用、国防领域应用广泛。在民用方面可发展成为小型化家庭净水器,对海水、硬水进行预处理,适用于偏远贫困地区。在军用方面,及其适用于我国南海离岛供水,实现生活、农业用水的自给自足。
基于上述低成本、高产量、绿色环保、可大规模制备和便携等独特优势,使该发明的推广和商业化成为可能。对实际应用的市场和产业化分析如下:
应用对象
1. 家用。偏远、淡水短缺地区,作为小型化净水器,对标家用太阳能热水器。
2. 商用。作为高浓度重金属、有机物污水和苦卤水等污染物的净化设备,低成本净化污水。
3. 军用。实现孤岛、偏远边境淡水自给自足,避免特殊条件下淡水供应短缺问题。
4. 应急救灾的供水保障。
市场规模
在国内方面,我国海水淡化市场扩张迅速,截至2020年底,全国现有海水淡化工程135个,新建成海水淡化工程规模64850吨/日;比2019 年增加了212.01亿吨。国家发展改革委、科技部、工业和信息化部、生态环境部、银保监会、全国工商联出台了《关于营造更好发展环境 支持民营节能环保企业健康发展的实施意见》,提出鼓励引导民营企业参与海水(苦咸水)淡化及综合利用等节能环保重大工程建设。天津市、山东省、江苏省等沿海省市通过出台供水补贴、制定产业发展意见,鼓励促进当地海水利用产业发展。国际上,经中国与沙特阿拉伯两国政府批准,与沙特阿拉伯盐水转化公司签订合作谅解备忘录,就开展海水淡化技术 研发合作达成共识,国际市场广阔。根据华龙证券、兴业证券发布的行业投资策略报告,我国海水淡化市场迎来行业爆发临界点,巴安水务、碧水源、赛诺水务等公司深入布局海水淡化产业链,国内外海水淡化业务齐头并进,海淡工程业务或成公司近期重要突破点。维持增持评级。
产品设计
1. 小型化家用净水器。实现饮用水、生活用水预处理,保障居民用水安全。
2. 便携式应急供水器。为应急救灾和战时军队提供后勤保障,满足生活饮用、医疗救护、武器装备维护等用水需求。
3. 小型水净化站。去除污水中有机物、微塑料和重金属等污染物,实现污水安全排放。
效益分析
1. 社会效益
(1) 解决用水安全问题,改善居民生活质量。
(2) 零碳排放,绿色环保,助力可持续发展战略。
(3) 作为应急救灾和战时便携物品,提供后勤安全用水保障。
2. 经济效益
(1) 作为最优性价比的小型家用净水器,可大规模商业化生产。一平米满足个人生活用水需求。对标家用太阳能热水器,国内外市场前景广阔。
(2) 作为小型灌溉、养殖水源。在绿色经济和科技助农政策支持的大背景下,作为无需电力和维护的自动产水机,将污水、海水等转化为生活用水,为孤岛、盐碱滩提供农业灌溉、养殖用水,实现自给自足。
(3) 作为应急救灾和战时保障。生产中型可组装水净化系统,实现紧急状态下安全供水,澳门红十字会集装箱应急供水设备作为典型案例,已得到推广应用,正在各种应急救灾现场发挥出该设备的优势。