CN102274691B - 一种膜蒸馏的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种不对称静电场耦合膜蒸馏的装置，包括原料室、透过室、膜和电极，所述电极能够形成不对称静电场。所述电极包括平板电极和针状电极。向所述电极施加的直流电压为101～104伏。水溶液中的水分子，在温差和不对称静电场的电位梯度双重作用下，在膜表面汽化生成水蒸气并以比仅存在温差为推动力时更快的速度透过膜，进入透过室。本发明还涉及一种不对称静电场耦合膜蒸馏的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种膜蒸馏的装置和方法，具体涉及一种利用不对称静电场耦合膜蒸馏的装置和方法，提高了水的渗透通量。
背景技术
膜蒸馏是一种用于处理水溶液的膜分离过程。实现膜蒸馏分离的两个基本条件是：疏水性微孔膜的使用和膜两侧物料存在温度差。以直接接触式膜蒸馏为例，将多孔疏水膜的一侧直接接触热的原料液(称为高温侧)，当孔径合适，由于表面张力的作用，液态水不能直接通过膜孔流到透过侧(称为低温侧)；又由于膜两侧的物料处于不同的温度，在膜的两侧会产生水蒸汽压差，高温侧水溶液中的水在膜表面汽化形成蒸汽，水蒸气在压差的作用下扩散通过膜孔，蒸汽在膜的透过侧逸出并冷凝，而非挥发性的离子、大分子、胶体、细胞等物质因不能形成蒸汽而不能透过疏水膜，从而实现溶液分离、浓缩或提纯的目的。
膜蒸馏的特征是只有蒸汽能通过膜孔传质，膜起到分隔汽液流体的作用。膜蒸馏的传质推动力是膜两侧的水蒸汽压差，而水蒸汽压差是由于两侧的温度差造成的。膜蒸馏的过程中温度差一般不大，否则能耗太高，而且由于膜非常薄，容易出现温差极化，很难实现大的温度差，因此往往利用太阳能、地热、余热等廉价能源加温原料侧，由于推动力不大，传质速率低，影响膜蒸馏的推广。
中国专利CN1379697A、CN1994536A、CN101104537A、CN101596406A、CN101721914A、CN101716465A等公开了利用静电场作用于膜分离过程。CN1379697A公开了利用静电场改变悬浮颗粒的表面电荷，减少生物膜的形成，提高膜分离性能；CN101104537A公开了在电场作用下形成强氧化源氧化分解水中的有机物；CN101721914A公开了在膜过滤中通过电场作用，使带电荷的有机物或颗粒发生电泳迁移、电凝聚等作用，减少带电荷有机物或颗粒造成的浓差极化与膜污染；CN101716465A、CN101596406A公开了在直流电场作用下，使带电的分子或微粒产生背离或者透过膜面的电泳运动，抑制在膜面的浓差极化和膜污染；CN1994536A公开了利用电场作用于多组分多糖膜分离过程，减少浓差极化和膜污染，提高分离性能。
检索国内外的研究，还没有通过附加静电力作为传质推动力提高膜蒸馏中水的渗透通量的报道。
发明内容
针对现有膜蒸馏技术中存在的不足，本发明旨在提供一种不对称静电场耦合膜蒸馏的装置，本发明的另一目的在于提供一种不对称静电场耦合膜蒸馏的方法，以提高膜蒸馏效率。
根据本发明的一个方面，提供了一种不对称静电场耦合膜蒸馏的装置。在一个实施例中，装置包括原料室、透过室、膜和电极，所述电极能够产生不对称静电场。预热的水溶液进入原料室，在温差和所述不对称静电场的作用下，水分子在膜表面汽化形成水蒸气，以比仅存在温差作为推动力时更快的速度穿过膜，最后从透过室流出；处理后的水溶液从原料室流出。
根据本发明提供的装置，在一个实施例中，所述不对称静电场由平板电极和针状电极产生，向所述电极施加的直流电压为101～104伏。平板电极位于原料室一侧(可以在原料室的内部或外部)，可以为石墨、不锈钢、钛、铂或镀钌的不锈钢、钛等。针状电极位于透过室一侧(可以在透过室的内部或外部)，可具有与平板电极同样的材质。
根据本发明提供的装置，膜蒸馏过程是在不对称的静电场的协同作用下完成的。水分子是极性分子，在没有外加电场时，由于分子的无规则热运动，排列是紊乱的。在外电场作用下，由于极化作用，发生转动，趋向于沿着外电场方向进行平行排布。在匀强电场下，当取向完毕，即电场能量变至最小时，达到平衡，作用力为零，不会产生平移运动。当附加一个不对称静电场时，空间各处电场不均匀，水分子在电场力的作用下将向电场强的方向迁移。在膜蒸馏体系处于不对称静电场中时，静电场场强弱的一侧位于原料室一侧，静电场场强相对强的一侧位于透过室一侧，对于水蒸汽分子，电位梯度成为一个附加的推动力，与温度差形成的推动力耦合，加快水分子透过膜，进入透过室。将这种不对称静电场和膜蒸馏的协同过程称为“不对称静电场耦合膜蒸馏”
根据本发明提供的装置，所述膜为疏水性微孔膜，可用现有技术中的任何适宜的膜材料，如聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯疏水膜等。
根据本发明提供的装置，透过室可包含冷却水进口和冷却水出口。预热的水溶液和冷却水分别与膜的两侧接触，传递到透过室的水蒸汽被直接冷凝到冷却水中。另外，透过室还可包含冷却板，进口为冷却水进口，出口包括冷却水出口和冷凝水出口。预热的水溶液和膜面相接触，冷却水和冷却板相接触，穿过膜孔传递至透过室的水蒸气经一个空气间隙后在冷却板上冷凝后，流出透过室。冷却水与热液可以逆流流动，也可并流流动。
根据本发明提供的装置，透过室的进口和出口可为载气体进口和气体出口。可用载气体吹扫透过室，并带走透过的水蒸气。透过室内气体的流动方向可以与原料液的流动方向相同，也可与原料液的流动方向不同。在一个实施例中，在透过室内形成真空态，将扩散进入透过室的水蒸气抽走。
根据本发明提供的不对称静电场耦合膜蒸馏的装置，其还可包括加热或其他保温装置，使膜蒸馏过程的温度保持在一定的范围，优选的膜蒸馏的操作温度范围为5～95℃。若膜可以承受，水温也可更高。
根据本发明的另一方面，提供了一种不对称静电场耦合膜蒸馏的方法，包括：预热的水溶液被引入原料室；引入所述原料室的水溶液中的水，在不对称静电场和温差的双重作用下，在膜表面汽化形成水蒸气并以比仅存在温差为推动力时更快的速度透过膜，进入透过室，在透过室内冷凝或在室外冷凝；处理后的水溶液从原料室流出。
根据本发明提供的方法，在一个实施例中，不对称电场是由平板电极和针状电极产生的。优选向所述电极施加的直流电压为101～104伏。
根据本发明提供的方法，所述膜蒸馏的操作温度范围为5～95℃。若膜可以承受，水温也可更高。
根据本发明提供的方法，所述膜为疏水性微孔膜，可用现有技术中的任何适宜的膜材料，如聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯疏水膜等。
本发明提供的装置和方法，可用来处理含盐量高的水溶液，还可以用来处理高温下可能被破坏的体系，如含有生物活性组分的水溶液，还可以用来处理工业废水等。
根据本发明提供的装置和方法，相比传统膜蒸馏过程仅有温度差一个推动力而言，本发明的耦合场膜蒸馏过程有两个推动力，即温度差和不对称静电场的电位梯度。这一附加的推动力可以加速水蒸汽分子穿过疏水膜孔的渗透速率，提高了水的渗透通量，从而提高膜蒸馏的效率。
本发明的优点在于：首次提出通过耦合不对称静电场附加推动力用于提高水蒸汽分子的透过通量，附加的电场推动力不受温度推动力大小的限制。电迁移是在电场力的作用下实现的，因此能耗低。由于现代材料工业和电工技术的发展使静电电源的制造成本大大降低，实现耦合场的设备造价低。提高了渗透通量，有利于降低成本，利于膜蒸馏技术的推广应用。
附图说明
附图提供用来便于对本公开内容的理解，其构成说明书的一部分但并不构成对本公开内容任何方面的限制。在附图中：
图1以剖面图的形式显示了一个实例的膜蒸馏装置。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一个示例性的不对称静电场耦合膜蒸馏装置10，包括原料室7和透过室8，平板膜9。在一个实施例中，原料室7包含水溶液的进口1和出口2。水溶液为NaCl水溶液，水溶液中的水分子11-2，Na+离子11-1和Cl-离子11-3，NaCl含量为8wt％，原料流速为0.6L/min，原料侧温度为50℃，原料侧为常压。在原料室7中设有平板电极5，为阴极；在透过室8内设有针状电极6，为阳极。施加2000伏的直流电压在平板电极5和针状电极6上。透过室8内压力为1kPa。
NaCl水溶液由进口1进入原料室7，与聚偏氟乙烯微孔平板膜9的膜面接触，聚偏氟乙烯微孔平板膜9的平均孔径为0.2μm。由于膜两侧温度不同，温差导致蒸汽压差。NaCl水溶液中的水分子11-2在膜表面汽化形成蒸汽并透过膜孔进入透过室8。进入透过室8的水蒸气12被抽走，从出口4抽出。对于无机盐氯化钠，因不能气化而不能透过膜9，膜蒸馏处理后的氯化钠溶液从出口2流出。
在不对称电场的电位梯度和温差的作用下，水分子在膜表面汽化形成水蒸气并透过膜。液体的流动方向如图1中箭头所示。水的渗透方向如图1中横向的箭头所示。在电场力作用下的渗透通量为0.1mol/m2.s。
对比例
NaCl水溶液的温度、浓度同实施例，原料室、透过室、膜的设置同实施例，与实施例不同之处是没有给电极施加直流电压，所得到的渗透通量为0.05mol/m2.s。
结果：以上数据可以得知，通过附加不对称静电场，水的渗透通量增大一倍。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本技术领域的普通技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种膜蒸馏装置，包括：原料室、透过室、膜和电极，其特征在于，所述膜为疏水性微孔膜，所述电极能产生不对称静电场；所述电极为平板电极和针状电极，所述平板电极位于所述原料室一侧，所述针状电极位于透过室一侧；向所述电极施加的直流电压为101~104伏；所述膜蒸馏的温度为5~95℃；进入所述原料室的水溶液中的水分子能在所述不对称静电场和温差的作用下在膜表面汽化形成水蒸气并以比仅存在温差为推动力时更快的速度通过膜；所述透过室内为真空或用气体吹扫，或者用低于料液温度的纯水从所述透过室流过，使透过的水蒸气冷凝汇入低温水中流出。
2.一种利用权利要求1所述装置进行膜蒸馏的方法，包括：水溶液由进口被引入原料室；引入所述原料室的水溶液中的水分子，在不对称静电场产生的电位梯度和温差的双重作用下，在疏水性微孔膜的膜表面汽化形成水蒸气并以比仅存在温差为推动力时更快的速度透过膜，进入透过室，水蒸气在透过室内冷凝或在室外冷凝；处理后的水溶液流出原料室；所述膜蒸馏的操作温度为5~95℃；所述不对称静电场由平板电极和针状电极产生；向所述平板电极和针状电极施加的直流电压为101~104伏。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20131204 |