CN102958848B - 利用膜蒸馏法的正向渗透脱盐装置 - Google Patents

利用膜蒸馏法的正向渗透脱盐装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种淡水分离器，所述淡水分离器包括：稀释的提取液室；至少一个第一膜接触器，所述至少一个第一膜接触器接收从所述稀释的提取液室供给的流体，从而使气体和淡水可以与所述流体中分离；第二膜接触器，所述第二膜接触器使所分离的气体能够溶解于在所述第二膜接触器中流动的流体中，从而再浓缩所分离的气体；以及真空泵，所述真空泵与所述第一膜接触器和所述第二膜接触器配合，并且本发明涉及一种包括所述淡水分离器的正向渗透脱盐装置。

Description

利用膜蒸馏法的正向渗透脱盐装置
技术领域
本发明涉及利用膜蒸馏法的淡水分离器和包括所述淡水分离器的正向渗透脱盐装置。更具体地，本发明涉及一种淡水分离器，其包括稀释的提取液室；至少一个第一膜接触器，所述至少一个第一膜接触器从所述稀释的提取液室接收供给的流体，从而使得气体和淡水可从所述流体中分离；第二膜接触器，所述第二膜接触器使所分离的气体能够溶解在在第二膜接触器中流动的流体中从而使所分离的气体再浓缩；以及真空泵，所述真空泵与所述第一膜接触器和所述第二膜接触器配合，并且本发明涉及一种正向渗透脱盐装置。
背景技术
已经对用于过滤未净化的水（raw water）的各种方法进行了深入研究，以便从该未净化的水中除去污染物从而制备纯淡水。尤其是，在未净化的水为海水的情况下，使用上述方法所需的、称为海水脱盐装置的装置，以不仅去除氯和钠还去除多种无机盐。
脱盐装置使用蒸馏、反渗透（RO）、结晶、电泳、正向渗透（FO）等。在正向渗透法的情况下，只有当代替使大量海水脱盐而制备少量的应急水时，才非常有限地使用该脱盐装置。
最近，如由美国专利7,560,029和7,566,402例示的，正在积极研究正向渗透法。在图1中示意性地示出上述专利中所公开的传统的基于正向渗透的海水脱盐分离器100。
当通过置于不同浓度的溶液之间的具有选择性渗透性的膜110来使具有不同浓度的溶液彼此分离时，来自低浓度侧的水蒸汽穿过膜且移向高浓度侧以便维持水的浓度平衡。这种物理现象称作渗透，且当相对大量的水移向较高浓度侧时所产生的压力称为渗透压。
正向渗透法采用半透膜以便将水从低浓度水溶液中分离，并且不同于使用水压作为驱动力的反渗透法，正向渗透法需要渗透压梯度作为用于分离的驱动力。在正向渗透法中，为了提取净流（其中仅包含在给水中的水穿过膜），使用了具有比给水的浓度相对较高浓度（约5至10倍）的提取液。
当利用提取液发生穿过膜110的渗透时，仅海水中的水移向具有高浓度的提取液。海水作为盐水排放，并且提取液被稀释且穿过附加的提取液分离器120。提取液分离器120在将淡水和提取溶质从稀释的提取液分离以及再浓缩所分离的提取溶质起作用，从而将再浓缩的溶质再次供给至正向渗透单元中。在系统中重复上述工艺，从而可连续制备淡水。
通常，海水脱盐装置在所制备的淡水的量相对于所引入的能量或化学药品的量方面存在问题。尤其是，在正向渗透脱盐装置的情况下，提取液的回收率与海水脱盐装置的效率问题直接相关。
美国专利2009/0297431公开了一种用于提高提取液回收率的方法。该方法采用多级闪蒸（MSF）或多效蒸馏（MED）以回收提取液。然而，该方法的缺点在于，因为需要使用大量的腔室以实现更好的回收率，使得在实际应用中难以实现，还因为设备的成本高并且需要额外地控制压力，因此不期望地导致复杂的工艺以及引入大量的能量。
发明内容
技术问题
因此，为了解决相关技术中所遇到的上述问题，本发明的目的在于提供一种脱盐装置，该脱盐装置可提高提取液的回收率，从而提高脱盐效率即提取液的分离效率/再浓缩效率。
尤其是，该装置可最小化引入的能量的量，以提高提取液的回收率并且可提高脱盐程度，同时易于安装。
本发明的目的在于提供一种高效的脱盐装置，该脱盐装置能够从包括海水的任何类型的未净化的水中分离提取溶质，且该脱盐装置不仅可以作为正向渗透单元的下游单元，还能够自身进行脱盐而不必使用正向渗透单元。
技术方案
本发明的一个方面提供了一种淡水分离器，其包括：稀释的提取液室；至少一个第一膜接触器，所述至少一个第一膜接触器接收从所述稀释的提取液室供给的流体，从而使气体和淡水可以从所述流体中分离；第二膜接触器，所述第二膜接触器使所分离的气体能够溶解于在所述第二膜接触器中流动的流体中，从而再浓缩所分离的气体；以及真空泵，所述真空泵与所述第一膜接触器和所述第二膜接触器配合。
在这方面，所述第一膜接触器和所述第二膜接触器均可包括分配管和套筒，所述分配管置于所述第一膜接触器和所述第二膜接触器中，从而使流体能够在所述分配管中流动，并且所述分配管包括多个开口；所述套筒包括围绕所述分配管设置的多个中空纤维膜。
在这方面，管道可设置有加热部件，所分离的气体从所述第一膜接触器通过所述管道流入所述第二膜接触器中。
在这方面，从所述第一膜接触器供给的所分离的气体可穿过冷凝器，且所述冷凝器可设置有冷却水循环管道。
在这方面，所述至少一个第一膜接触器可包括两个以上第一膜接触器。
本发明的另一方面提供了一种脱盐装置，其包括正向渗透分离器和淡水分离器，所述正向渗透分离器包括膜，所述淡水分离器与所述正向渗透分离器交换流体，其中，所述正向渗透分离器进行正向渗透，从而在膜的一侧供给未净化的水且以盐水排放，以及在膜的另一侧供给浓缩的提取液且以稀释的提取液排放，并且所述淡水分离器包括：稀释的提取液室，将稀释的提取液供给到所述稀释的提取液室；至少一个第一膜接触器，所述至少一个第一膜接触器接收从所述稀释的提取液室供给的所述稀释的提取液，从而可使气体和淡水与所述稀释的提取液分离；第二膜接触器，所述第二膜接触器使所分离的气体能够溶解于在所述第二膜接触器中流动的流体中，从而形成浓缩的提取液；和真空泵，所述真空泵与所述第一膜接触器和所述第二膜接触器配合。
在这方面，所述第一膜接触器和所述第二膜接触器可均包括分配管和套筒，所述分配管置于所述第一膜接触器和所述第二膜接触器中，从而使流体能够在所述分配管中流动，并且所述分配管包括多个开口；所述套筒包括围绕所述分配管设置的多个中空纤维膜。
在这方面，所述淡水分离器还可包括浓缩的提取液室，且所述浓缩的提取液室可接收从所述第二膜接触器供给的浓缩的提取液，且供给的所述浓缩的提取液可被再次从所述浓缩的提取液室供给到所述正向渗透分离器中。
在这方面，所述浓缩的提取液室可设置有冷却水循环管道，以及加热部件可提供给一管道，所分离的气体从所述第一膜接触器通过所述管道流入所述第二膜接触器中。
因此，提取液可为NH4HCO3（l）,且气体可包括NH3（g）和CO2（g），所述管道可通过所述加热部件而维持在60℃至80℃，且所述浓缩的提取液室可通过所述冷却水循环管道而维持在5℃至20℃。
此外，从所述第一膜接触器供给的分离的NH3（g）和CO2（g）可穿过所述冷凝器，且所述浓缩器可设置有所述冷却水循环管道。
在这方面，可使用两个以上所述第一膜接触器。
技术效果
根据本发明，所述脱盐装置可实现高的提取液回收率，从而即使当使用少量的能量时也可制备大量的淡水。此外，由于引入少量的提取液，因此可实现高的脱盐效率。
因此，可使用较低的装置成本以及少的维修费用来制备大量的淡水。
附图说明
图1为示出传统的正向渗透脱盐装置的示意图；
图2为示出根据本发明的实施方式的脱盐装置的示意图；
图3和图4为示出根据本发明的另一实施方式的脱盐装置的示意图；以及
图5为示出根据本发明的膜接触器的透视图，图的一部分以截面图示出。
具体实施方式
本说明书的附图省略示出阀门、压力计、温度计等，其可以设置在相应管道、槽、腔室等的路线上。这些阀门、压力计、温度计等可根据传统的技术使用并且可根据使用者的选择来合适地定位。
示例1
下文，参照图2，描述根据本发明的实施方式的脱盐装置。
脱盐装置包括正向渗透分离器100和淡水分离器1000。可替选地，该装置可仅包括淡水分离器1000，而没有正向渗透分离器100，如将在后面描述的。
正向渗透分离器100包括膜110，在膜的一侧供给未净化的水且以盐水排放，并且在膜的另一侧供给浓缩的提取液且以稀释的提取液排放。正向渗透分离器100的正向渗透分离原理与图1中所描述的一样。
可供给到正向渗透分离器100的膜的一侧的未净化的水的示例可包括海水、苦咸水、废水、污染水和其他溶液。
将从正向渗透分离器100中排放的稀释的提取液供给到稀释的提取液室300中。在本发明的实施方式中，该溶液可在进入稀释的提取液室300之前穿过缓冲室200。
此外，加热器310连接至稀释的提取液室300，从而可维持用于将气体从提取液中分离的最佳温度。
可通过过滤器320将稀释的提取液从稀释的提取液室300供给到膜接触器400中。为此，管道可提供有给料泵360。
膜接触器400对于将气体从供给的提取液中分离起作用。
现在，参照图5，将详细说明膜接触器400以及由此的分离过程。
尽管该图示出了中空型膜接触器400，本发明不限于此且可应用扁平型膜接触器。具体地，应当注意，只要具有如下描述的功能，可采用任何类型的膜接触器。
在本发明的实施方式中使用的膜接触器400、400a、400b和600的构型可以相同。尤其是，在膜接触器600中发生了与在膜接触器400中的反应相反的反应，省略对该反应的详细描述。为了分类，用于分离气体的膜接触器400和用于溶解气体的膜接触器600可分别称为第一膜接触器和第二膜接触器。
膜接触器400包括：壳体410；入口411，提取液被供给到该入口411；出口412，在气体流出后从该出口412排放淡水；以及气体出口413和气体出口414，从气体出口413和气体出口414排放气体。
壳体410包括分配管430和围绕分配管430形成的套筒420。
分配管430包括多个开口431，由于膜为疏水性的，因此液体不能穿过该多个开口仅气体可以穿过该多个开口。分配管430允许从入口411供给的提取液在其中流动，且根据亨利定律将从提取液分离的气体或蒸汽通过开口431从分配管430供给到套筒420中，并且随后通过气体出口413和气体出口414排放到外部。
套筒420由多个中空的纤维膜421组成。
具体地，可通过真空泵450（图2至图4）在套筒420中形成真空。真空泵450可为可以产生真空的常用泵之一。在这种条件下，当通过入口411供给的提取液穿过分配管430时，根据亨利定律将气体从提取液中分离。所分离的气体离开提取液，穿过开口431和中空纤维膜421，最后通过气体出口413和气体出口414被排放至膜接触器400的外侧。
当气体从提取液中排出时，提取液中的气体浓度急剧下降，且利用温度和/或真空度调节溶解的气体的局部压力，以便将几乎所有的气体从提取液中分离，从而使提取液脱盐。
通过出口412将淡水排放至外侧。
在膜接触器600的情况下，可进行上述过程的逆过程，并且将供给的气体溶解在稀释的提取液中从而制备浓缩的提取液。
再参照图2，通过如上工作的膜接触器400对提取液进行脱盐，从而将淡水存储在附加的淡水箱500中。
通过上述真空泵450将从提取液中分离的气体供给到膜接触器600中。尤其是，可将加热部件451和加热部件452提供至气体管道，气体在气体管道中流动。由于降低了流入膜接触器600中的气体的温度，因此加热部件451和加热部件452防止固态铵的形成（当NH4HCO3（l）用作提取液时）。下面描述具体的温度和原理。
尽管在图2中示出了用作加热部件451和加热部件452的热丝加热器，但是只要可加热管道，还可以使用除了热丝加热器之外的任何类型的加热部件。
此外，在初始阶段，将水或稀释的提取液以预定的量包含在浓缩的提取液室700中，且可通过给料泵760将水或稀释的提取液供给到膜接触器600中。另一方面，可将所分离的气体从膜接触器400供给到膜接触器600中，因此通过图5所描述的反应的逆反应，可将气体溶解在供给到膜接触器600的水中，从而再制备浓缩的提取液。将浓缩的提取液再供给到浓缩的提取液室700中。
同时，可通过附加的管道510将淡水供给到浓缩的提取液室700中。通过利用从膜接触器600供给的浓缩的提取液和通过管道510供给的淡水，可将提取液的浓度控制在使用者期望的合适的水平。
此外，通过冷却水循环管道751将冷却器750连接至浓缩的提取液室700，从而可维持气体在提取液中溶解的温度条件。
在本发明的实施方式中，浓缩的提取液室700可连接至储存室800。储存室800接收通过附加的管道520供给的淡水，从而可额外地控制提取液的浓度。
通过给料泵860将具有优选浓度的浓缩的提取液再次供给到正向渗透分离器100中，从而重复正向渗透脱盐过程。
在本发明的实施方式中，NH4HCO3（l）可用作提取液。此外，任何其他的溶液可用作提取液。
在NH4HCO3（l）用作提取液的情况下，在膜接触器400中将NH4HCO3（l）分成气相的NH3（g）和CO2（g）。因此，适用于将NH4HCO3分为NH3、CO2和H2O的温度为约30℃至60℃。当温度被相反地设置成约60℃或更低时，开始生成固态铵。固态铵的生成可降低提取液的回收率且可严重损害膜。因此，采用可防止固态铵的生成的加热部件451和加热部件452，从而使管道被加热至合适的温度，该温度优选设置成约60℃或更高，且更优选约60℃至80℃。
根据逆反应方面的相同原理，通过冷却器750将浓缩的提取液室700的温度优选设置成约5℃至20℃。
此外，这种淡水分离器1000自身可发挥纯化未净化的水的功能，而不使用正向渗透分离器100。具体地，可将未净化的水直接供给到缓冲室200中。在未净化的水为海水的情况下，使用过滤器320可过滤该海水并且通过膜接触器400、600控制其浓度。在这种情况下，将盐水存储在淡水箱500中且从该淡水箱500排放。此外，当已经穿过膜的水蒸气凝结时，可容易地生成淡水。而且，在这种情况下，不需要再次浓缩从未净化的水中分离的物质，从而不需要膜接触器600。
示例2
参照图3，描述了根据本发明的另一实施方式的脱盐装置。与图2所示的实施方式相比，相同的附图标记指示相同的元件。省略对相同的元件和相同的原理的描述。
在图3的实施方式中，添加了冷凝器453和冷凝器454以去除来自分离的气体的蒸汽，从而防止再生成固体物质（当NH4HCO3（l）用作提取液时，固体物质为固体铵）。当通过真空泵450将所分离的气体从膜接触器400供给到膜接触器600时，可以设置成在利用冷凝器453和冷凝器454仅去除来自所分离的气体的蒸汽的状态下进行。
分别利用冷却水循环管道753和冷却水循环管道754将冷凝器器453和冷凝器454连接至冷却器750，从而维持合适的温度。
示例3
参照图4，描述了根据本发明的另一实施方式的脱盐装置。与图3所示的实施方式相比，相同的附图标记指相同的元件。省略对相同的元件和相同的原理的描述。
在图4的实施方式中，采用两个膜接触器400a和400b，以便更有效地分离气体，从而提高了脱盐程度。因此，提供了分别对应于两个膜接触器400a和400b的两个真空泵450a和450b、两对冷凝器453a、453b、454a和454b、以及两对冷却水循环管道753a、753b、754a和754b。
因此，多个膜接触器可串联连接、并联连接或串联和并联组合连接。考虑到膜的能力，可只用一个真空泵或两个以上的真空泵，并不限定这种泵的数量。
如上所述，利用膜接触器400a分离气体且排放淡水。此外，气体的一部分可包含在穿过一个膜接触器400a的淡水中并且可进一步被供给到附加的膜接触器400b中，从而提高脱盐的程度。
根据相同的原理，可使用多个膜接触器，该膜接触器的数目为两个以上。
尽管出于示例性目的已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离如在所附权利要求书中公开的本发明的范围和精神的情况下，可进行各种修改、添加和替换。

Claims (8)

1.一种淡水分离器，包括：
稀释的提取液室；
至少一个第一膜接触器，所述至少一个第一膜接触器接收从所述稀释的提取液室供给的流体，从而使气体和淡水分离；
第二膜接触器，所述第二膜接触器使所分离的气体能够溶解于在所述第二膜接触器中流动的流体中；以及
真空泵，所述真空泵采用气体管道与所述第一膜接触器和所述第二膜接触器配合；
其中，所述第一膜接触器和所述第二膜接触器均包括分配管和套筒，所述分配管置于所述第一膜接触器和所述第二膜接触器中，从而使所述流体能够在所述分配管中流动，并且所述分配管包括多个开口；所述套筒包括围绕所述分配管设置的多个中空纤维膜，
其中，所述气体管道设置有加热部件，所分离的气体从所述第一膜接触器通过所述管道流入所述第二膜接触器中。
2.根据权利要求1所述的淡水分离器，其中，供给自所述第一膜接触器的所分离的气体穿过冷凝器，且所述冷凝器设置有冷却水循环管道。
3.根据权利要求1所述的淡水分离器，其中，所述第一膜接触器的数量为两个以上。
4.一种脱盐装置，包括：
正向渗透分离器，所述正向渗透分离器包括膜；以及
淡水分离器，所述淡水分离器与所述正向渗透分离器交换流体，
其中，所述正向渗透分离器进行正向渗透，从而在所述膜的一侧供给未净化的水且以盐水排放，以及在所述膜的另一侧供给浓缩的提取液且以稀释的提取液排放，以及
所述淡水分离器包括：
稀释的提取液室，将稀释的提取液供给到所述稀释的提取液室；
至少一个第一膜接触器、所述至少一个第一膜接触器接收从所述稀释的提取液室供给的所述稀释的提取液，从而使气体和淡水分离；
第二膜接触器，所述第二膜接触器使所分离的气体能够溶解于在所述第二膜接触器中流动的流体中，从而形成浓缩的提取液；以及
真空泵，所述真空泵采用气体管道与所述第一膜接触器和所述第二膜接触器配合；
其中，所述第一膜接触器和所述第二膜接触器均包括分配管和套筒，所述分配管置于所述第一膜接触器和所述第二膜接触器中，从而使所述流体能够在所述分配管中流动，并且所述分配管包括多个开口；所述套筒包括围绕所述分配管设置的多个中空纤维膜，
其中，所述淡水分离器还包括浓缩的提取液室，且所述浓缩的提取液室接收从所述第二膜接触器供给的所述浓缩的提取液，且供给的所述浓缩的提取液被再次从所述浓缩的提取液室供给到所述正向渗透分离器中，
其中，所述气体管道设置有加热部件，所分离的气体从所述第一膜接触器通过所述管道而流入所述第二膜接触器中。
5.根据权利要求4所述的脱盐装置，其中，所述浓缩的提取液室设置有冷却水循环管道。
6.根据权利要求4或5所述的脱盐装置，其中，所述提取液为NH4HCO3，且所述气体包括NH3和CO2，所述管道通过所述加热部件而维持在60℃至80℃，且所述浓缩的提取液室通过所述冷却水循环管道而维持在5℃至20℃。
7.根据权利要求6所述的脱盐装置，其中，从所述第一膜接触器供给的分离的NH3和CO2穿过冷凝器，且所述冷凝器设置有所述冷却水循环管道。
8.根据权利要求4所述的脱盐装置，其中，所述第一膜接触器的数量为两个以上。
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