CN102989322A - 一种可用于微波真空膜蒸馏操作的平板式膜组件 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种可用于微波真空膜蒸馏操作的平板式膜组件，属于膜蒸馏技术领域。采用负压来实现平板式膜组件在微波场中的密封。它包括料液侧盖板(1)和透过侧盖板(16)，所述两盖板之间设有外回形密封圈(5)和过滤单元(12)，所述过滤单元内设有内回形密封圈(8)、密封条(7)和平板膜片，所述料液侧盖板侧壁上设有料液进口接头(10)和滤余液出口接头(2)，所述透过侧盖板侧壁上设有抽真空冷凝接头(13)，所述料液侧盖板上部设有连接腔体(6)的抽真空密封接头(11)。本发明结构简单，密封性能好，拆装方便，可实现微波强化真空膜蒸馏过程，并可同时实现污染膜的微波辅助在线快速清洗及快速干燥。

Description

一种可用于微波真空膜蒸馏操作的平板式膜组件

一、技术领域

本发明属于膜蒸馏技术领域，尤其涉及一种可用于微波真空膜蒸馏操作的平板式膜组件。

二、背景技术

膜蒸馏是近年快速发展起来的一种以疏水性微孔膜两侧蒸汽压差为传质推动力的膜分离过程。同其它的分离过程相比，膜蒸馏具有以下优点：(1)截留率高；(2)操作温度比常规蒸馏工艺低得多，可有效利用地热、工业废热等低品位热源，显著降低能耗；(3)操作压力低于其它膜分离过程；(4)可处理极高浓度盐溶液，是目前唯一能从溶液中分离出结晶产物的膜分离过程。鉴于这些突出优点，膜蒸馏技术的研究范围也逐渐拓展到海水和苦咸水的淡化、超纯水的制备、水溶液中挥发性溶质的脱除和回收、水溶液中非挥发性溶质的浓缩与结晶、共沸混合物的分离、废水处理等领域。

根据膜透过侧冷凝方式的不同，膜蒸馏可分为：直接接触式膜蒸馏、气隙式膜蒸馏、气扫式膜蒸馏、真空(减压式)膜蒸馏。真空膜蒸馏是膜蒸馏的一种新型操作方式，它通过在膜的透过侧抽真空，将蒸汽抽离膜器外再进行冷凝。由于膜的透过侧没有冷流体，故其热传导损失一般可以忽略，因此热效率较高，而且由于透过侧传质阻力小，且膜孔内蒸汽的传质速度快，从而其渗透通量较一般其它方式大，受到研究者越来越多的关注。

膜蒸馏的常用组件有：平板式膜组件和中空纤维式膜组件。相对于中空纤维膜组件，平板膜组件构造简单、拆装方便、牢固可靠、价格低廉、易维护，且膜组件外壳可重复利用，因此，在某些领域有着独特的优势。

微波技术在环境保护领域具有广泛的应用前景，现已成功地用于废水、废气、固体废弃物的处理及环境监测等方面。一般将微波的工作原理归结为热效应和非热效应，热效应是指极性分子在微波场中高速旋转，平均动能提高，碰撞频率加快，从而实现均匀快速加热的现象；非热效应是指那些不能归结于微波加热温度升高导致的异常现象。国外有研究人员将微波技术用于膜分离过程，研究结果表明微波辐射下有机分离膜的气体渗透性有所增加。我们将微波技术应用于膜蒸馏过程，通过前期的初步研究发现微波辐射可以缓解膜蒸馏的温度极化现象，并强化传质速率，进而可提高膜通量；而且微波膜蒸馏亦可实现溶液中挥发性溶质的快速分离；此外还可以利用微波技术实现疏水膜的在线快速清洗与快速干燥。鉴于真空膜蒸馏、平板式膜组件、微波技术的优点，我们提出将平板式膜组件应用于微波真空膜蒸馏工艺过程中。

通常用于膜蒸馏的平板式膜组件是靠金属螺丝密封的，然而在微波作用下，金属内部会产生涡流，且金属在微波场中会放射出电弧，这些将影响微波膜蒸馏操作的安全性；用不吸收微波的材料(例如聚四氟乙烯)制成的螺丝，可以在微波场中使用，但其强度不足以保证真空膜蒸馏操作所要求的高度密封性，且材料本身极容易损坏。因此，开发出一种可在微波场中进行真空膜蒸馏操作的新型平板式膜组件，就是本发明的出发点。

三、发明内容

针对微波技术与膜蒸馏技术相耦合，从而提高膜通量、实现污染膜的快速清洗与快速干燥的研究和平板式膜组件的普及应用，本发明提出一种可用于微波真空膜蒸馏的平板式膜组件。

详细说明如下：

图1描述了可用于微波真空膜蒸馏操作的设置了两个过滤单元的平板式膜组件，包括料液侧盖板(1)和透过侧盖板(16)，其特征在于，所述两盖板之间设有外回形密封圈(5)和过滤单元(12)，所述过滤单元内设有内回形密封圈(8)、密封条(7)和平板膜片，所述料液侧盖板侧壁上设有连接过滤单元料液主流道(4)的料液进口接头(10)和滤余液出口接头(2)，所述透过侧盖板侧壁上设有连接过滤单元膜蒸馏汽主流道(14)的抽真空冷凝接头(13)，在垂直于料液主流道和透过汽主流道的方向上分别平行设置有料液支流道(9)和透过汽支流道(15)，所述料液侧盖板上部设有连接腔体(6)的抽真空密封接头(11)。

所述的平板式膜组件采用负压式密封，膜组件和密封圈(条)分别采用不吸收微波的聚四氟乙烯和硅橡胶材料制作，从而可以实现平板式膜组件的微波真空膜蒸馏操作。

所述的平板式膜组件使用前先用金属螺丝固定，然后将抽真空密封接头连接真空泵，并将腔体内抽成负压，再将螺丝去掉，此时组件仅靠负压即可实现密封。

所述的平板式膜组件的两个盖板和过滤单元上具有凹形结构，其表面先用表面处理剂处理后再用快干胶与回形密封圈及密封条粘接。

所述的平板式膜组件的内回形密封圈及密封条要比外回形密封圈高0.2～0.3mm。

所述的平板式膜组件内可设置一个或并联设置多个过滤单元，当设置多个过滤单元时，它们由腔体分隔开来，互不干扰。

综上所述，本发明结构简单，拆装方便，密封性能好，可实现微波强化真空膜蒸馏过程，也可实现污染膜的微波辅助在线快速清洗及快速干燥。

四、附图说明

图1为可用于微波真空膜蒸馏操作的平板式膜组件的平面图

图2为图1的A-A右剖示意图

其中，1为料液侧盖板，2为渗余液出口接头，3为螺丝，4为料液主流道，5为外回形密封圈，6为腔体，7为密封条，8为内回形密封圈，9为料液支流道，10为料液进口接头，11为抽真空密封接头，12为过滤单元，13为抽真空冷凝接头，14为透过汽主流道，15为透过汽支流道，16为透过侧盖板。

五、具体实施方式

下面结合实施例及附图，详细说明本发明的工作过程，旨在帮助读者更好地理解，并不能构成对本发明具体应用范围的限定。

基本条件：

(1)料液：CaSO₄溶液，500mg/L；腐殖酸溶液，100mg/L。

(2)平板膜组件参数：腔体体积为57cm³；有效膜面积为38.7cm²；所用膜为pall公司生产的Fluoro

PVDF平板膜，平均孔径为0.2μm。

(3)运行参数：微波功率为700W，进料温度为60℃，组件腔体内和透过侧的真空度分别为-90kPa和-96kPa，进料流速为0.1m/s，运行时间为100h。

实施例的工作过程为：

硫酸钙和腐殖酸溶液分别由磁力循环泵从料液罐中抽出，经恒温槽后由料液进口接头10进入由连接抽真空密封接头11的真空泵形成的负压来密封的平板式膜组件的两个过滤单元，经过料液主流道4后通过相互平行且与主流道垂直的料液支流道9实现料液在膜表面的均匀分配，料液在沿膜面流动时，挥发性组分部分汽化，由于在透过测施加了一个小于液体进入膜孔压力的负压，在传质推动力及压差的作用下，蒸汽穿过疏水膜后经透过汽支流道15、透过汽主流道14和抽真空冷凝接头13被抽出组件外冷凝成为渗出液，然后回流入料液罐中，维持料液恒定浓度。由于膜材料的疏水性，渗余液不能透过膜孔，而是在料液主流道汇集后经渗余液出口接头2回流入料液罐。从而达到料液中物质的分离与提纯的目的。

在本实施例中，该装置处理硫酸钙溶液的初始膜通量为45.1L/m²·h，运行过程中通量基本不下降；处理腐殖酸溶液的初始膜通量为41.6L/m²·h，运行过程中通量下降很缓慢，两者的产水电导率均维持在一个较低的水平，没有显著的升高。在100h的运行过程中，该平板式膜组件密封性良好，未出现漏气漏水现象，说明该平板式膜组件用于微波真空膜蒸馏操作是完全可行的。

Claims (6)

1.一种可用于微波真空膜蒸馏操作的平板式膜组件，包括料液侧盖板和透过侧盖板，其特征在于，所述两盖板之间设有外回形密封圈和过滤单元，所述过滤单元内设有内回形密封圈、密封条和平板膜片，所述料液侧盖板侧壁上设有连接过滤单元料液主流道的料液进口接头和渗余液出口接头，所述透过侧盖板侧壁上设有连接过滤单元透过汽主流道的抽真空冷凝接头，在垂直于料液主流道和透过汽主流道的方向上分别平行设置有料液支流道和透过汽支流道，所述料液侧盖板上部设有连接腔体的抽真空密封接头。

2.权利要求1所述的平板式膜组件，其特征在于，制作和密封材料分别采用不吸收微波的聚四氟乙烯和硅橡胶，从而可以实现微波场中的真空膜蒸馏操作过程。

3.权利要求1所述的平板式膜组件，其特征在于，组件上设置有和腔体连通的抽真空密封接头，使用前先用金属螺丝将组件固定，然后用真空泵从抽真空密封接头将腔体内抽成负压，再将螺丝去掉，组件仅靠负压即可实现密封。

4.权利要求1所述的平板式膜组件，其特征在于，两个盖板和过滤单元上具有凹形结构，其表面先用表面处理剂处理后再用快干胶与回形密封圈及密封条粘接。

5.权利要求1所述的平板式膜组件，其特征在于，内回形密封圈及密封条要比外回形密封圈高0.2～0.3mm。

6.权利要求1所述的平板式膜组件，其特征在于，组件内可设置一个或并联设置多个过滤单元，当设置多个过滤单元时，它们由腔体分隔开来，互不干扰。

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