CN101259971A - 一种膜蒸馏水处理方法 - Google Patents

Abstract

一种膜蒸馏水处理方法，即利用于壁面从环境中吸收热量来维持待处理的原料液相对较高的温度，然后让待处理的原料液在疏水性微孔膜的一侧进行蒸发，再让膜孔内原料液侧的原料液蒸汽流向膜孔的蒸馏液侧，使膜孔内蒸馏液侧的原料液蒸汽在蒸馏液侧进行冷凝，用湿壁面来维持蒸馏液相对较低的温度，然后将湿热散发到环境中。该方法不仅自动从环境中获取热量来加热原料液，而且自动从环境中获取冷源来冷却蒸馏液，不需要人为地为膜蒸馏过程提供能源；用该方法不仅可以连续地处理原料液，而且可以源源不断地得到蒸馏液；该方法不仅可以在没有太阳的情况下实现，也可以在夜间实施；既可以小规模分散使用，也可以集成化规模进行。

Description

一种膜蒸馏水处理方法

技术领域：

本发明属于新能源利用、水处理以及环境保护技术领域，特别涉及一种自动从环境吸取能量进行膜蒸馏水处理的方法。

背景技术：

膜蒸馏技术兼具有一般蒸馏与薄膜分离的优点，其过程原理是利用只允许水蒸汽分子通过的多孔疏水性薄膜将两种工作水体分隔开来，此种疏水性细小孔洞借由两侧液体表面张力的作用而防止两侧液相水体相互混合；若控制疏水性微孔薄膜两侧液体的具有一定的温度差，就将导致微孔道两端具有不同的水蒸汽压力，从而致使由高温侧的液体蒸发而形成高的蒸汽压力并流向低温侧进行冷凝；维持这种温度差，则高温侧的液体将持续蒸发，微通道内的蒸汽将在低温侧的液体表面持续冷凝，从而持续得到蒸馏液体。

要维持疏水性膜两侧的温度差，就需要对原料液进行加热，对蒸馏液进行冷却；是否能够有效获取加热原料液的热源以及冷却蒸馏液的冷源是膜蒸馏过程能否实现的关键问题。目前采用最为广泛的膜蒸馏过程主要有地热能膜蒸馏过程、太阳能膜蒸馏过程和余热膜蒸馏过程等形式。但由于地热能膜蒸馏过程要选择特殊要求的地质条件而使其应用范围受到限制；余热膜蒸馏过程也需要有规模巨大的余热源而依赖于其它工业过程；太阳能膜蒸馏过程也因在夜间等太阳能不充足等原因而致使太阳能膜蒸馏装备至少有一半时间段基本上无法工作而闲置装备。这些问题是当前膜蒸馏过程自身无法解决的问题。

发明内容：

本发明的目的是设计一种可以直接从当地环境获取热能来加热原料液，直接从当地环境获得冷量来冷却蒸馏液的膜蒸馏水处理方法。该方法以非挥发性物质的水溶液(如海水、苦成水等)为膜蒸馏处理对象，直接从当地环境中获取热量来加热原料液，维持原料液处于相对较高的温度并保持持续蒸发的能力；直接从环境中获取冷量来冷却蒸馏液，维持蒸馏液相对较低的温度并保持持续冷凝从疏水性微孔膜分隔的高温侧流过来的原料液蒸汽的能力，实现膜蒸馏水处理过程。该方法自动从环境中获取热源和冷源来实现膜蒸馏过程，不需要人为地为过程提供能源；该方法可以连续地处理原料液，源源不断地得到蒸馏液；该方法不仅可以在没有太阳的情况下运行，也可以在夜间运行；既可以小规模分散实施，也可以集成化应用。

本发明设计的一种膜蒸馏水处理方法，包含如下步骤：

(一)用环境的干壁面温度来加热原料液。使原料液的温度接近于环境的干壁面温度，同时补偿下一步原料液蒸发所吸收的气化潜热。

(二)原料液在疏水性微孔膜的一侧进行蒸发。疏水性微孔膜不能为原料液所润湿，原料液的表面张力将阻碍原料液进入膜孔，从而在膜孔的外侧形成液体层，在膜孔内形成气体空间；这时原料液将在膜表面进行蒸发。

(三)膜孔内原料液侧的原料液蒸汽向膜孔的蒸馏液侧流动。当膜孔原料液侧的蒸汽压力大于膜孔蒸馏液侧的蒸汽压力时，膜孔内原料液侧的液体蒸汽将向蒸馏液侧流动。

(四)膜孔内蒸馏液侧的原料液蒸汽在蒸馏液侧进行冷凝。当膜孔内蒸馏液侧的蒸汽压力大于蒸馏液的饱和蒸汽压力时，蒸汽将会进入蒸馏液而发生冷凝，释放处冷凝潜热。

(五)用环境的湿壁面温度来对蒸馏液进行冷却。环境的湿壁面温度远低于环境的干壁面，从而保证了原料液的温度高于蒸馏液的温度，致使原料液侧的饱和蒸汽压力大于蒸馏液侧的饱和蒸汽压力，促使原料液表面的蒸汽流向蒸馏液侧并在蒸馏液侧进行冷凝而释放冷凝潜热；同时湿壁面对蒸馏液进行冷凝，将蒸汽所释放的冷凝潜热通过湿壁面输送到环境中，保证蒸馏过程的顺利持续进行，源源不断地得到纯化了的蒸馏液体。。

本发明的膜蒸馏水处理方法中所使用的膜组件在处理水性液体时采用疏水性膜组件，可以由聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等疏水性膜制成，也可以是其它材料改性处理的结果。

本发明的膜蒸馏水处理方法的一种改进是对与环境相接触的干壁面进行强制通风处理。其目的是通过强制通风来强化大气环境与干壁面的传热过程，减少干壁面与大气环境之间的温差，从而尽可能地提高膜侧原料液室内液体的温度，最大限度地提高原料液的饱和蒸汽压力。

本发明的膜蒸馏水处理方法的又一种改进是对与环境相接触的湿壁面进行强制通风处理。其目的是通过强制通风来促进湿壁面上液体的蒸发，减少湿壁面的温度与大气环境的湿球温度之间的差值，从而尽可能地降低膜侧蒸馏液室内蒸馏液的温度，最大限度地降低膜侧蒸馏液室内蒸馏液体的饱和蒸汽压力。

本发明的膜蒸馏水处理方法的又一种改进是对与环境相接触的干壁面施以能够吸收环境热辐射的涂层。其目的是为了让干壁面不仅从大气中直接吸收热量，同时还可以吸收环境中的热辐射如太阳光辐射、地面反射及其周围物质的热辐射，进一步提高干壁面的温度，充分利用周围可以利用的一切能源来强化膜蒸馏过程的进行。但该过程要与干壁面的强制通风过程联动，当干壁面吸收的能量主要来自于大气环境的热交换时，要强制通风；当干壁面吸收的能量主要来自于热辐射时，应当停止通风以获得高于大气干球温度的干壁温度，强化膜蒸馏过程的推动力。

本发明的膜蒸馏水处理方法的又一种改进是与环境相接触的湿壁面具有反射环境热辐射的能力。其目的就是要尽可能地减少湿壁面从环境获取能量的机会，使湿壁面的温度尽量接近环境的湿球温度，以便将膜孔中原料液产生的蒸汽在蒸馏液侧进行冷凝而释放出来的冷凝潜热带走。

本发明的膜蒸馏水处理方法的又一种改进是用比环境湿球温度更低的流体来维持与环境相接触的湿壁面的润湿。当当地环境中有比湿球温度更低的流体介质可以获得时，则湿壁面就用比湿球温度更低的流体介质来维持，这样可以获得比大气湿球温度更低的湿壁面，因而就使蒸馏液的温度更低，从而进一步降低了膜侧蒸馏液的饱和蒸汽压力，增加浓缩液侧蒸汽流向蒸馏液侧的速度，进而强化过程的推动力。

本发明利用膜蒸馏原理，由于采用疏水性膜组件，液体不润湿膜；由于表面张力的作用，膜两侧的水溶液都不能通过膜孔而进入另一侧；膜一侧原料液的温度(接近于干壁温度)高于另一侧蒸馏液的温度(接近于湿壁温度)，从而使膜孔与原料液相邻一侧的液体表面的蒸汽压力大于膜孔与蒸馏液相邻一侧的液体表面的蒸汽压力，从而使蒸汽分子通过膜孔，从高蒸汽压力侧向低蒸汽压力侧运动，低蒸汽压力侧的蒸汽冷凝成蒸馏液，如此完成膜蒸馏过程。

本发明设计的膜蒸馏水处理方法，可以用在海岛、沙漠等地区处理海水、苦咸水等以得到生活及饮用所需要的淡水；也可以利用该装置解决分散家庭的饮用水；该方法也可以用于浓海水的处理，以得到海水的化学资源；其从自然环境自动吸取膜蒸馏过程所需要的能源、不受太阳能制约而又能在夜晚自动工作的特性，为新能源、水资源和海洋化学资源的开发开辟了一条可持续发展的道路。

附图说明：

图1是本发明实施例的结构简图。

具体实施方式：

下面结合实施例及附图，详细说明本发明的结构、工作过程以及工作原理。

本实施例由蒸馏液出口管路1、与环境相接触的湿壁面2、膜组件3、蒸馏液室5、原料浓缩液出口6、与环境相接触的干壁7、原料液室8、原料液进口管路9组成。其中，原料液室由原料液进口管路、膜组件、原料液浓缩液出口、一面是与环境相接触的干壁面的间壁构成；蒸馏液室由蒸馏液出口管路、膜组件、一面是与环境相接触的湿面的间壁构成。

本实施例的工作过程为：待蒸馏处理的原料液从原料进口管路9进入原料液室8；干壁面7从环境中获取热量对原料液室8内的原料液进行加热，使原料液室内原料液的温度接近于环境的干壁温度；与膜孔相接触的原料液室内的原料液体在膜孔4的一端蒸发；蒸汽从膜孔的原料液侧向蒸馏液侧运动，然后在与膜孔相接触的蒸馏液的表面进行冷凝；从而完成膜蒸馏水处理过程的质量传递。为了维持该过程的进行，环境的干壁面不断从环境中获取能量来补偿原料液在膜孔位置气化而吸收的气化潜热，同时维持原料液膜孔表面的蒸汽压力大于蒸馏液在膜孔表面的蒸汽压力，使蒸汽不断从原料液的膜孔表面流向蒸馏液的膜孔表面，从而获得蒸馏液。在干壁面不断吸收热量的同时，湿壁面不断地将蒸汽在蒸馏液膜孔侧冷凝而释放出来的冷凝潜热通过湿壁面传递到环境中去，从而使蒸馏室内蒸馏液的温度低于原料液室内原料液的温度，进而使蒸馏液在膜孔表面的蒸汽分压低于原料液在膜孔表面的蒸汽分压，从而维持了膜蒸馏过程的进行。

本实施例的工作原理可以从环境空气的状态特性来看进行说明：本过程之所以一方面从环境中获取能源，另一方面又向环境中释放潜热，其根本原因在于环境干湿球温度差成为了膜蒸馏水处理过程的推动力；根据空气的湿焓图，在101.325kPa压力条件下，当环境气温为32.5℃，相对湿度为50.4％时，其湿球温度为24.1℃，这时总的温差推动力为8.4℃，在不考虑其他温差消耗的条件下，则干球侧水的饱和蒸汽压力为4.889kPa，湿球侧的饱和蒸汽压力为3.00kPa，两侧的饱和蒸汽压差(1.889kPa)形成的推动力将克服膜孔的流动阻力而推动蒸发过程的进行。因此，只要环境的空气湿度还没有达到100％，则干湿球就总存在温度，因而膜蒸馏水过程就总是可以自动进行。

为了更好地实现本发明的目的，可以通过多种方法来对膜蒸馏过程进行强化处理：如可以通过强制通风来强化大气环境与干壁面的传热过程，尽可能地提高膜侧原料液室内液体的温度和原料液的饱和蒸汽压力；也可以通过强制通风来强化湿壁面上液体的蒸发，尽可能地降低膜侧蒸馏液室内蒸馏液的温度和馏液室内蒸馏液体的饱和蒸汽压力；也可以将干壁面进行黑化处理，使其可以吸收环境中的热辐射如太阳光辐射、地面反射及其周围物质的热辐射，进一步提高干壁面的温度，充分利用周围可以利用的一切能源来强化膜蒸馏过程的进行，这时干壁面甚至可以获得高于环境干球温度的温度，膜蒸馏过程进行的就越快；再者，当周围环境可以获得低于环境湿球温度的流体时，用该流体来保证湿壁面的润湿，就可以使蒸馏液的温度更低，蒸馏液的饱和蒸汽压力也就更低，从而就增加了浓缩液侧蒸汽流向蒸馏液侧的速度，进一步强化了膜蒸馏过程。

以上所述实施例是对本发明进行说明，并非对本发明进行限定。本发明要求保护的构思和范围，都已在权利要求书中作了声明。

Claims (6)

1. 一种膜蒸馏水处理方法，其特征在于有如下步骤：

(一)用环境的干壁面温度来加热原料液；

(二)原料液在疏水性微孔膜的一侧进行蒸发；

(三)膜孔内原料液侧的原料液蒸汽向膜孔的蒸馏液侧流动；

(四)膜孔内蒸馏液侧的原料液蒸汽在蒸馏液侧进行冷凝；

(五)用环境的湿壁面温度来对蒸馏液进行冷却。

2. 根据权利要求书1所述的膜蒸馏水处理的方法，其特征在于：对环境的干壁面进行强制通风处理。

3. 根据权利要求书1所述的膜蒸馏水处理的方法，其特征在于：对环境的湿壁面进行强制通风处理。

4. 根据权利要求1所述的膜蒸馏水处理的方法，其特征在于：环境的干壁面具有吸收环境热辐射的能力。

5. 根据权利要求1所述的膜蒸馏水处理的方法，其特征在于：环境的湿壁面具有反射环境热辐射的能力。

6. 根据权利要求1所述的膜蒸馏水处理的方法，其特征在于：用比壁环境湿球温度更低的流体来润湿壁面。

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