CN101495216B - 用于闪蒸馏的微孔膜 - Google Patents
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Abstract
揭示了一种用于闪蒸馏的微孔膜，其包含至少三个具有不同性质的层。一般而言，所述膜包含一个孔径较小的外层和一个孔径较大的内层。本发明还涉及一种包括热盐水源的脱盐系统。
Description
技术领域
本发明涉及用于蒸馏盐水的微孔膜和使用所述膜的方法。
背景技术
获得适合饮用的水是地球上许多人面临的最为严重的健康与环境问题之一。伴随着城市扩张，淡水供应紧张，因而需要越来越多的脱盐厂将海水转化为可饮用的淡水。一种成熟的脱盐方法是利用反渗透膜生产可供人使用的饮用水。反渗透法(RO)在近些年有了长足的发展，但许多现有RO系统的分离质量低下，限制了其应用的范围和经济效益，而且它们还需要大量的能量才能运转，因为它们必须用泵在较高压力下抽取不纯的水，使之通过RO膜。
多级闪速(MSF)蒸馏是现有的另一种脱盐技术，特别是在具有丰富能源的领域。此外，多效蒸馏(MED)或蒸气压缩系统(VC)也引起一定的关注。MSF和MED都能利用膜来帮助脱盐和废水处理。尽管MSF和MED系统的可接受度越来越高，但这些方法中采用的现有膜存在某些缺陷，包括对盐离子的排斥能力小，淡水或蒸汽通过膜的速率小，耐久性差，或成本不合算。因此，需要一种可用于MSF和MED系统的经过改进的膜。
发明概述
本发明一般涉及用于闪蒸馏的微孔膜，其包括至少三个具有不同性质的层。一般而言，所述膜包含孔径较小的外层和孔径较大的内层。
因此，举例而言，所述膜材料包括第一多孔膜层或区域；与第一多孔膜区域相邻且密度低于第一多孔膜层的第二多孔膜层；以及与第二多孔膜区域相邻且密度高于第二多孔膜区域的第三多孔膜层。
本发明还涉及包括热盐水源的脱盐系统。在某些实施方式中，所述系统包括第一微孔膜区域和密度低于第一膜区域的第二微孔膜支撑区域，热盐水在第一微孔膜区域闪蒸为蒸汽，来自第一膜区域的蒸汽在第二微孔膜支撑区域膨胀。第三微孔膜区域的密度高于第二膜支撑区域。来自第二膜支撑区域的膨胀蒸汽流过第三膜区域，同时第三膜区域内的流动阻力在第二膜支撑区域内产生反压。据信，此反压有助于防止盐水自第一膜区域通过第二膜支撑区域。用冷凝器从第三膜区域收集蒸汽，作为可饮用水。
本发明的其它特征和优点可在以下对本发明的详细描述和权利要求中看得很清楚。以上对本发明原理的概述并不是对本发明的各个示例实施方式或者每个应用形式所作的描述。以下详述通过举例的形式更具体地描述了利用本文所述原理的某些实施方式。
附图简述
现将参考以下各图更充分地解释本发明：
图1是根据本发明的一些方面制造的四段式连续膜闪蒸装置的示意图。
图2是根据本发明的一种实施方式制造的闪蒸室的截面图。
图3是图2所示闪蒸室的部分截面图，显示了冷凝器壁、分离/排水介质和蒸气膜。
图4A是根据本发明的一种实施方式制造的蒸气膜的放大截面图。
图4B是根据本发明的一种实施方式制造的蒸气膜的放大截面图。
虽然本发明的原理适用于各种改进和替代形式，但是图中仅通过举例的形式显示了特定的情况，并且详细地进行了描述。但应当理解，其目的不是为了将本发明限制在所述特定实施方式上。相反，其目的是为了覆盖所有符合说明书和权利要求所限定的精神与范围的改进形式、等价形式和替代形式。
发明详述
本发明部分涉及用于闪蒸馏的微孔膜，其包含至少三个区域的膜材料。此膜材料一般包括第一多孔膜区域；与第一多孔膜区域相邻且密度低于第一多孔膜区域的第二多孔膜区域；与第二多孔膜区域相邻且密度高于第二多孔膜区域的第三多孔膜区域。
现在参考附图。图1显示了根据本发明的一些方面制造的四段式连续膜闪蒸装置的示意图。具体说来，图1显示了适合采用本发明的多层微孔膜的连续膜闪蒸装置10。
图1所示装置10包括四个串连的蒸馏室12a、12b、12c和12d。蒸馏室12a-12d各自包括对应的受热海水(包括其它非源自海水的含盐水，例如来自内陆湖的含盐水)进水管14a-14d，以及盐水出口16a-16d。在图示实施方式中，海水经加热设备17加热。此外，每个蒸馏室12a-12d包括源海水进口18a-18d和出口20a-20d。可以看到，热海水流过蒸馏室的方向与源海水通过进口进入的方向相反。因此，热海水从蒸馏室12d依次流过12c和12b，最后到达12a。源海水的流动方向相反，从室12a到12b到12c到12d。在图示实施方式中，来自进水管14d、14c、14b和14a的热海水在装置运行过程中作为逆流热源，对从海水进口18a进入室12a，然后依次进入后面的各蒸馏室12b、12c和12d的源海水起温热作用。馏出物分别通过馏出物出口22a、22b、22c和22d在各室底部进行收集。
现在参考图2和3解释蒸馏装置10的操作。图2显示了室12a的内部截面，该室有一部分的详细情况示于图3。热海水从进水管14a进入室12a，经热海水通道23a沿室12a纵向流到出口16a。通道23a中的热海水与膜24a接触，其中一些热海水在膜处形成蒸汽，然后进入收集室26a。
在某些实施方式中，膜24a包括第一微孔膜区域和密度低于第一膜区域的第二微孔膜支撑区域，热盐水在第一微孔膜区域闪蒸为蒸汽，来自第一膜区域的蒸汽在第二膜区域膨胀。第三微孔膜区域的密度高于第二膜支撑区域。来自第二膜支撑区域的膨胀蒸汽流过第三膜区域，同时第三膜区域内的流动阻力在第二膜支撑区域产生反压。据信，此反压有助于防止盐水从第一膜区域流过第二膜支撑区域。冷凝器从第三膜区域收集蒸汽，作为可饮用水。
举例而言，微孔膜可包括聚合物膜，其特征是含有通过小纤维互连的节。在某些实施方式中，第一区域和第三区域的特征是其平均孔径为0.02-1.0微米。另外，在某些实施方式中，第一区域和第三区域的特征是其平均空隙率为70-97％。举例而言，第二区域的平均空隙率可以为80-97％。
一般而言，每个区域的厚度约为0.001-0.004英寸，但在一些实施方式中可以更厚或更薄一些。在一些实施方式中，微孔膜的总厚度为0.001-0.01英寸，在其它实施方式中，微孔膜的总厚度为0.004-0.01英寸。
在一些实施方式中，每个区域包含选自金属纤维、硼硅酸盐玻璃纤维、聚合物及其组合的材料。例如，一个或多个区域可由膨胀聚合材料形成，所述材料选自聚酯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚氟烃及其组合。特别适合用作膜材料的是聚四氟乙烯(PTFE)。在一些实施方式中，也可以对膜增加亲水处理。
所述膜可以形成管状。举例而言，通过离心铸造(centrifugal casting)或螺旋包绕(spiral wrapping)可以形成这种管状。通过糊剂挤出、拉伸和烧结可以得到管状；或者通过将拉伸膜卷绕(rolling)到心轴上然后烧结来形成管状。在一些实施方式中，在加压条件下加热膜，由此使膜达到热稳定。
本发明还涉及用于脱盐的系统，该系统包含热盐水源；第一微孔膜区域，所述热盐水在此闪蒸为蒸汽；密度低于第一膜区域的第二微孔膜支撑区域，来自第一膜区域的蒸汽在此膨胀；密度高于第二膜支撑区域的第三微孔膜区域，来自第二膜支撑区域的膨胀蒸汽流过第三膜区域，同时第三膜区域内的流动阻力在第二膜支撑区域内产生反压，防止盐水从第一膜区域穿过第二膜支撑区域。
在该系统的一些实施方式中，第一微孔膜区域和第三微孔膜区域的孔径为0.02-1.0微米，第二微孔膜支撑区域的空隙率为80-97％。
在某些应用中，微孔膜至少由两层构成，其中每层的特征在于其含有通过小纤维互连的节，各层通过在低于任一膜材料熔点的温度下进行的塑性流动(plastic flow)结合(bond)，且孔结构通过膨胀工艺原位形成。通过分开控制每层的孔结构，可以得到分层微孔膜。
在压延过程中，通过将两条或多条挤出带材永久性地结合在一起，可以按照层叠方式分开控制PTFE或PTFE/有机硅膜的孔结构。通过采用不同的挤出组合物，各层在挤出和压延过程中产生的分子取向度可以不同。由于至少有一层挤出带材在层叠时仍然部分饱含有机润滑剂，所以很容易形成冷质流(coldflow mass)，并且很容易形成永久性结合。
分层挤出带材后来发生的任何膨胀都会在各层当中产生不同或完全不同的孔结构。结果，最终的产品实际上是具有分层孔结构的单一膜，而不是几块独立膜的层叠物。如果在压延结合之前对一条或多条挤出带材施以不同程度的线性和/或横向拉伸处理，那么上述效果将更加明显。每个层的厚度取决于它在层叠之前要压延到的厚度，而且产品中各层的厚度可以不同。
可进一步设想，在层叠之前，分层带材的每个层都可独立地用表面活性剂等材料进行改性，在其各个面上产生表面性质各异的微孔片。此外，通过依次重复该过程，可以得到多层制品。或者，可将多层相同的聚合物配制物层压在一起，使挤出带材的膨胀厚度大于给定挤出模具所能实现的厚度。
此工艺的产品具有许多应用。例如，分层孔结构显然可用于过滤操作。很薄的小孔径薄膜可结合到孔径较大的厚膜上，其效果是最大程度发挥小孔径薄膜的过滤效率，同时在总体上保持较厚的膜的物理完整性。由于该工艺不用粘合剂，所以所述过滤系统的流速和效率不会因开放孔被堵而下降。因为所述膨胀过程原位产生孔径梯度，故而避免了在热结合两层微孔膜时产生破碎效应(crushing effect)。
本发明更具体地涉及在其厚度方向具有分层孔结构的微孔层叠膜。膜中一层的平均孔径显著小于或大于其它一层或多层的平均孔径。此分层孔结构通过以下过程原位产生：1)将聚四氟乙烯(PTFE)树脂或PTFE有机硅互渗聚合物网络(IPN)挤塑成第一带材；2)任选地，将所述第一带材压延到较小厚度；3)任选地，沿至少一个方向拉伸，使所述经过压延的第一带材发生取向；4)挤出第二个具有类似或不同组成的PTFE或IPN带材；5)任选地，将所述第二带材压延到较小厚度；6)在进一步压延过程中，将第一片形材料层压到第二挤出带材上；7)沿至少一个方向拉伸步骤6)中的带材，使之发生取向，从而产生具有分层孔结构的微孔膜；8)任选地，将该膜加热到其晶体熔点以上的温度，使之烧结。带材各层之间的结合是在高塑性条件下完成的，各层的孔隙率取决于膨胀过程。
不应认为本发明受限于上述具体实施方式，而应理解为其覆盖附属权利要求明确界定的本发明所有方面。本领域的技术人员在研读本发明的说明书后，很容易看出本发明的各种改进形式、等价过程以及无数结构。
Claims (30)
1.一种用于闪蒸馏的微孔膜，其包含：
至少三个区域的膜材料，其包含：
含膨胀聚四氟乙烯的第一多孔膜区域；
与所述第一多孔膜区域相邻且密度低于所述第一多孔膜区域的第二多孔膜区域，所述第二多孔膜区域包含膨胀聚四氟乙烯；
与所述第二多孔膜区域相邻且密度高于所述第二多孔膜区域的第三多孔膜区域，所述第三多孔膜区域包含膨胀聚四氟乙烯。
2.如权利要求1所述的膜，其特征在于，所述微孔膜包含聚合物膜，其中所述聚合物膜含有通过小纤维互连的节。
3.如权利要求1所述的膜，其特征在于，所述第一多孔膜区域和第三多孔膜区域的平均孔径为0.02-1.0微米。
4.如权利要求1所述的膜，其特征在于，所述第一多孔膜区域和第三多孔膜区域的平均空隙率为70-97％。
5.如权利要求1所述的膜，其特征在于，所述第二多孔膜区域的平均空隙率为80-97％。
6.如权利要求1所述的膜，其特征在于，每个区域的厚度为0.001-0.004英寸。
7.如权利要求1所述的膜，其特征在于，所述微孔膜的厚度为0.001-0.01英寸。
8.如权利要求1所述的膜，其特征在于，每个区域包含选自下组的材料：金属纤维、硼硅酸盐玻璃纤维、聚合物以及它们的组合。
9.如权利要求1所述的膜，其特征在于，每个区域包含选自下组的膨胀聚合材料：聚酯、聚丙烯、聚氟烃以及它们的组合。
10.如权利要求9所述的膜，其特征在于，所述聚酯是聚碳酸酯。
11.如权利要求1所述的膜，其特征在于，所述膜是亲水处理的。
12.如权利要求1所述的膜，其特征在于，其通过螺旋包绕膨胀聚四氟乙烯而形成管状。
13.如权利要求1所述的膜，其特征在于，其通过将拉伸膜卷绕到心轴上然后烧结而形成管状。
14.如权利要求1所述的膜，其特征在于，通过在加压条件下加热所述膜而使所述膜达到热稳定。
15.一种用于闪蒸馏的微孔膜，其包含：
至少三个区域的膜材料，其中每个区域包含聚四氟乙烯，其包含：
第一区域的膜材料；
与所述第一区域的膜材料相邻且其密度低于所述第一区域的膜材料的第二区域的膜材料；
与所述第二区域的膜材料相邻且其密度高于所述第二区域的膜材料的第三区域的膜材料。
16.如权利要求15所述的膜，其特征在于，所述膜含有通过小纤维互连的节。
17.如权利要求15所述的膜，其特征在于，所述第一区域和第三区域的平均孔径为0.02-1.0微米。
18.如权利要求15所述的膜，其特征在于，所述第一区域和第三区域的空隙率为70-97％。
19.如权利要求15所述的膜，其特征在于，所述第二区域的空隙率为80-95％。
20.如权利要求15所述的膜，其特征在于，每个区域的厚度为0.001-0.004英寸。
21.如权利要求15所述的膜，其特征在于，所述膜的厚度为0.001-0.01英寸。
22.如权利要求15所述的膜，其特征在于，所述膜是亲水处理的。
23.如权利要求15所述的膜，其特征在于，其通过螺旋包绕膨胀聚四氟乙烯而形成管状。
24.如权利要求15所述的膜，其特征在于，其通过将拉伸膜卷绕到心轴上然后烧结而形成管状。
25.如权利要求15所述的膜，其特征在于，通过在加压条件下加热所述膜而使所述膜达到热稳定。
26.一种脱盐系统，其包括：
热盐水供应装置；
第一微孔膜区域，热盐水在此闪蒸为蒸汽；
第二微孔膜支撑区域，其密度低于所述第一微孔膜区域，来自第一微孔膜区域的蒸汽在此膨胀；
第三微孔膜区域，其密度高于所述第二微孔膜支撑区域，其中来自所述第二微孔膜支撑区域的膨胀蒸汽流过所述第三微孔膜区域，且所述第三微孔膜区域内的流动阻力在所述第二微孔膜支撑区域内产生反压，防止盐水从所述第一微孔膜区域穿过所述第二微孔膜支撑区域的损害；
冷凝器，用于收集来自所述第三微孔膜区域的蒸汽形成纯水。
27.如权利要求26所述的脱盐系统，其特征在于，所述第一微孔膜区域和第三微孔膜区域的孔径为0.02-1.0微米。
28.如权利要求26所述的脱盐系统，其特征在于，所述第二微孔膜支撑区域的空隙率为80-97％。
29.如权利要求26所述的脱盐系统，其特征在于，每个微孔膜区域包含聚四氟乙烯。
30.如权利要求26所述的脱盐系统，其特征在于，每个微孔膜区域含有通过小纤维互连的节。
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