CN103212296A - 一种气扰式膜蒸馏的方法及膜蒸馏装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气扰式膜蒸馏的方法即膜蒸馏装置，该方法包括：空气从膜蒸馏装置的热侧溶液室的一侧透过疏水膜进入到热侧溶液室内，对热侧溶液室内的待处理溶液产生扰动；接着进入热侧溶液室内的空气和被提纯物的蒸汽从热侧溶液室透过疏水膜进入到位于热侧溶液室另一侧的冷侧提纯室内；最后对提纯物进行收集。膜蒸馏装置至少包括三个独立的区域：压缩空气室（1）、热侧溶液室（2）和冷侧提纯室（3），压缩空气室（1）和冷侧提纯室（3）分别位于热侧溶液室（2）的两侧，各区域之间均用疏水膜（4）隔开。本发明的方法有效减少了温度和浓度极化、降低了膜污染并提高了膜蒸馏通量；该膜蒸馏装置具有成本低、操作简单、易于维护的特点。

Description

一种气扰式膜蒸馏的方法及膜蒸馏装置

技术领域

 本发明涉及在溶液中提取易挥发溶质或溶于溶液中的气体、含盐废水的处理、海水淡化、超纯水的制备等技术领域，具体地说是一种减少温度极化和浓度极化、降低膜污染并提高膜蒸馏通量的气扰式膜蒸馏的方法及膜蒸馏装置。

背景技术

膜蒸馏技术源于20世纪60年代的美国，直到80年代才得到了较快的发展。它是一种新型的膜分离技术，以其可以在常温常压下进行工作、设备简单且易于掌握、可以利用废热等优点，广泛用于溶液中提取易挥发溶质或溶于溶液中的气体、含盐废水的处理、海水淡化、超纯水的制备等领域。

到目前为止，已经形成了直接接触式膜蒸馏、空气隙式膜蒸馏、气扫式膜蒸馏和减压式膜蒸馏四种形式。在这些形式的膜蒸馏中都存在着如下的缺点：

① 膜蒸馏过程中，膜的蒸馏通量很低，迄今还没有开发出高蒸馏通量的膜；在膜蒸馏的四种形式中，减压式膜蒸馏的蒸馏通量最大，但还是不尽人意。

② 由于存在温度极化和浓度极化，致使系统的运行状态不稳定，导致了膜的蒸馏通量快速下降；尤其是在减压式膜蒸馏中，因为其蒸馏通量相比其他三种形式要大，所以温度极化和浓度极化现象更为严重，膜的蒸馏通量受温度极化和浓度极化的影响也最大。

③ 在膜蒸馏过程中膜的污染问题也十分突出，随着使用时间的延长，一方面由于浓度极化的作用，导致膜表面局部浓度的增高，通常会促使溶液中部分溶质成分的饱和，在一定条件下，甚至会晶析沉积，或变为胶状物质附着于膜表面，将膜孔堵死，形成膜污染；另一方面，当盐类结晶微粒在膜表面附着时能够导致膜湿润，甚至渗漏，严重影响了膜的使用寿命。

发明内容

本发明的目的是针对现有膜蒸馏技术存在的缺陷，提供一种减少温度极化和浓度极化、降低膜污染并提高膜蒸馏通量的气扰式膜蒸馏的方法及膜蒸馏装置。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

一种气扰式膜蒸馏的方法，其特征在于：空气从膜蒸馏装置的热侧溶液室的一侧透过疏水膜进入到热侧溶液室内，对热侧溶液室内的待处理溶液产生扰动；接着进入热侧溶液室内的空气和被提纯物的蒸汽从热侧溶液室透过疏水膜进入到位于热侧溶液室另一侧的冷侧提纯室内；最后对提纯物进行收集。

所述的空气采用压缩空气。

所述的空气对热侧溶液室内的待处理溶液产生一个垂直于疏水膜方向的扰动。

所述的疏水膜采用平板膜。

一种采用方法的膜蒸馏装置，所述的膜蒸馏装置至少包括三个独立的区域：压缩空气室、热侧溶液室和冷侧提纯室，压缩空气室和冷侧提纯室分别位于热侧溶液室的两侧，压缩空气室和热侧溶液室之间、热侧溶液室和冷侧提纯室之间均用疏水膜隔开。

所述的膜蒸馏装置至少包括五个依次设置的冷侧提纯室、热侧溶液室、压缩空气室、热侧溶液室和冷侧提纯室。

所述的膜蒸馏装置包括依次设置的冷侧提纯室、热侧溶液室、压缩空气室、热侧溶液室、冷侧提纯室、热侧溶液室、压缩空气室、热侧溶液室、冷侧提纯室。

所述冷侧提纯室的另一侧或冷侧提纯室之内设有冷却液室，冷却液室采用冷壁和冷侧提纯室相隔。

所述的膜蒸馏装置至少包括五个依次设置的压缩空气室、热侧溶液室、冷侧提纯室、热侧溶液室和压缩空气室。

所述的冷侧提纯室内设置冷却液室，冷却液室采用冷壁和冷侧提纯室相隔。

本发明相比现有技术有如下优点：

本发明利用压缩空气在膜蒸馏过程中，使得热侧溶液室内的溶液在沿着疏水膜膜面平行的方向移动的同时，在垂直于疏水膜的方向产生扰动，该方法首先使得膜蒸馏过程中温度极化、浓度极化和膜污染问题得到极大的改善，提高了膜蒸馏通量，也延长了膜的使用寿命；其次由于热侧溶液室中的气压要高于冷侧提纯室内的气压，压缩空气会从热侧溶液室透过疏水膜传输到冷侧提纯室内，就在传输的过程中，会夹带并驱动大量提纯物的蒸汽也从热侧溶液室传输到冷侧提纯室，进一步提高了膜蒸馏通量；再者压缩空气透过疏水膜来到冷侧提纯室后，对吸附在冷侧提纯室膜壁的提纯物的蒸汽起到吹扫作用，有效的降低了冷侧提纯室内膜壁提纯物蒸汽的分压力，加大了热侧溶液室和冷侧提纯室之间提纯物蒸汽的分压力差，增加了传质驱动力，再一步提高了膜蒸馏通量。

本发明极大的提高了膜的蒸馏通量，解决了膜蒸馏在实际使用中的瓶颈，扩大了膜蒸馏技术的使用范围，有效降低了膜污染现象的出现，大大的延长了膜的使用寿命，提高了生产效率并降低了生产成本；该膜蒸馏装置具有投资小、运行成本低、设备操作简单、易于维护的特点。

附图说明

附图1为本发明的膜蒸馏装置基本结构示意图；

附图2为本发明的五室气扰式膜蒸馏装置的单体结构示意图；

附图3为本发明的七室气扰式膜蒸馏装置的单体结构示意图；

附图4为本发明的两个五室单体合并后的气扰式膜蒸馏装置结构示意图；

附图5为本发明的两个七室单体合并后的气扰式膜蒸馏装置结构示意图。

其中：1—压缩空气室；2—热侧溶液室；3—冷侧提纯室；4—疏水膜；5—冷却液室；6—冷壁。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

一种气扰式膜蒸馏的方法，该方法在于：压缩空气从膜蒸馏装置的热侧溶液室的一侧透过疏水膜进入到热侧溶液室内，对热侧溶液室内的待处理溶液产生一个垂直于疏水膜方向的扰动；接着进入热侧溶液室内的空气和被提纯物的蒸汽从热侧溶液室透过疏水膜进入到位于热侧溶液室另一侧的冷侧提纯室内；最后对提纯物进行收集。上述疏水膜采用平板膜，疏水膜只可以透过空气和被提纯物的蒸气，但不能透过液体。

如图1-5所示：一种采用方法的膜蒸馏装置，该膜蒸馏装置至少包括三个独立的区域：压缩空气室1、热侧溶液室2和冷侧提纯室3，压缩空气室1和冷侧提纯室3分别位于热侧溶液室2的两侧，压缩空气室1和热侧溶液室2之间、热侧溶液室2和冷侧提纯室3之间均用疏水膜4隔开。上述膜蒸馏装置即附图1所示为本发明的膜蒸馏装置基本结构，还可以在上述基础上进行拓展，例如一种膜蒸馏装置至少包括五个依次设置的冷侧提纯室3、热侧溶液室2、压缩空气室1、热侧溶液室2和冷侧提纯室3，该五室气扰式膜蒸馏装置的结构示意图如图2所示；上述五室单体可根据需要由2个或2个以上的单体合并，组建成大型膜蒸馏装置，在合并过程中，始终保持着前一个单体的最后一个区域与后一个单体的第一个区域合并为同一个区域，例如两个上述五室单体合并后的气扰式膜蒸馏装置结构为依次设置的冷侧提纯室3、热侧溶液室2、压缩空气室1、热侧溶液室2、冷侧提纯室3、热侧溶液室2、压缩空气室1、热侧溶液室2和冷侧提纯室3，该结构示意图如图4所示。另外还可在冷侧提纯室3的另一侧或冷侧提纯室3之内设有冷却液室5，冷却液室5采用冷壁6和冷侧提纯室3相隔，五室单体设有冷却液室5后构成的七室单体的结构示意图如图3所示，该结构依次为冷却液室5、冷侧提纯室3、热侧溶液室2、压缩空气室1、热侧溶液室2、冷侧提纯室3和冷却液室5，该七室单体亦可根据需要由2个或2个以上的单体合并，组建成大型膜蒸馏装置，在合并过程中，始终保持着前一个单体的最后一个区域与后一个单体的第一个区域合并为同一个区域，例如图5所示的两个七室单体合并后的气扰式膜蒸馏装置结构示意图；如果在基本结构的膜蒸馏装置中设置冷却液室5，则构成压缩空气室1、热侧溶液室2、冷侧提纯室3和冷却液室5的四室膜蒸馏装置单体。另外膜蒸馏装置还可至少包括五个依次设置的压缩空气室1、热侧溶液室2、冷侧提纯室3、热侧溶液室2和压缩空气室1；还可在冷侧提纯室3内设置冷却液室5，冷却液室5采用冷壁6和冷侧提纯室3相隔，压缩空气室1、热侧溶液室2、冷侧提纯室3、冷却液室5、冷侧提纯室3、热侧溶液室2和压缩空气室1构成另一种结构的七室膜蒸馏装置单体，该种单体亦可根据需要由2个或2个以上合并组建成大型膜蒸馏装置。

本发明的装置在使用时，当压缩空气从压缩空气室1进入到热侧溶液室2内后，热侧溶液室2内的压力要比冷侧提纯室3内的压力要高；另外由于热侧溶液室2内的温度比冷侧提纯室3内的温度要高，这使得热侧溶液室2内被提纯物的蒸汽的分压要比冷侧提纯室3内被提纯物的蒸汽分压要高，即在热侧溶液室2与冷侧提纯室3之间的疏水膜4的两侧存在着被提纯物蒸汽的分压力差。所以，在热侧溶液室2内，从压缩空气室1透过的压缩空气和被提纯物的蒸汽，一方面在压力的作用下，另一方面在被提纯物蒸汽的分压力差的作用下，从热侧溶液室2透过疏水膜4进入冷侧提纯室3内；当被提纯物蒸汽进入到冷侧提纯室3后，根据不同的气扰式膜蒸馏方法，采用不同的收集方法。例如在一种气扰减压式膜蒸馏的方法中是采用对冷侧提纯室3内进行抽真空，将被提纯物蒸汽直接从冷侧提纯室3抽出来，在冷侧提纯室3室外进行收集；在一种气扰气扫式膜蒸馏的方法中是采用对冷侧提纯室3内吹入气体直接将被提纯物蒸汽从冷侧提纯室3内吹出，在冷侧提纯室3室外进行收集；在一种气扰空气隙式膜蒸馏的方法和一种气扰直接接触式膜蒸馏的方法中，都是在冷侧提纯室3内直接将被提纯物蒸汽冷凝后直接进行收集。

本发明由于在原有的膜蒸馏结构中，增加了一个压缩空气室1区域，使得压缩空气室1区域与冷侧提纯室3区域分别位于热侧溶液室2区域的两边，区域与区域之间均用疏水膜4隔开。由于疏水膜4只可以透过空气和被提纯物蒸汽，不能透过液体，因此在压缩空气室1内的压缩空气在压力的作用下，便透过疏水膜4进入到热侧溶液室内。由膜蒸馏传热机理可知，在热侧溶液室2与冷侧提纯室3之间的疏水膜4表面处存在着热边界层，即热侧溶液室2内疏水膜4表面的温度低于料液主体的温度，这样便形成温度极化现象，由此可见，要减少温度极化现象的发生，必须要破坏热边界层的存在；而本发明正是利用压缩空气，当压缩空气从压缩空气室1透过疏水膜4进入热侧溶液室2后，在垂直于疏水膜4膜面的方向对热侧溶液室内的溶液产生一个扰动，使得热边界层遭到破坏，这样便有效的减少了温度极化现象的发生。由膜蒸馏传质机理可知，在热侧溶液室2与冷侧提纯室3之间的疏水膜4表面处存在着浓度边界层，即热侧溶液室2内疏水膜4表面被截留物的浓度高于料液主体的浓度，这样便形成浓度极化现象，由此可见，要减少浓度极化现象的发生，必须要破坏浓度边界层的存在；本发明正是利用压缩空气，当压缩空气从压缩空气室1透过疏水膜4进入热侧溶液室2后，在垂直于疏水膜4膜面的方向对热侧溶液产生一个扰动，使得浓度边界层遭到破坏，这样便有效的减少了浓度极化现象的发生。在膜蒸馏中，一方面由于浓度极化的作用，导致疏水膜4表面局部浓度的增高，通常会促使溶液中部分溶质成分的饱和，在一定条件下，甚至会晶析沉积，或变为胶状物质附着于疏水膜4表面，将膜孔堵死，形成膜污染，另一方面，当盐类结晶微粒在疏水膜4表面附着时能够导致膜湿润，甚至渗漏；本发明中当压缩空气从压缩空气室1透过疏水膜4进入热侧溶液室2后，在垂直于疏水膜4膜面的方向对热侧溶液产生一个扰动，这样一方面有效的减少了浓度极化现象的发生；另一方面有效防止了盐类结晶微粒在疏水膜4表面的吸附，最终减少了膜污染现象的发生，延长了疏水膜4的使用寿命。

在膜蒸馏过程中，温度极化、浓度极化和膜污染现象的出现，直接影响着膜的蒸馏通量，本发明中，通过对温度极化、浓度极化和膜污染现象的有效遏制，使得膜蒸馏过程始终保持在高的蒸馏通量状态运行；当压缩空气从压缩空气室1内进入热侧溶液室2后，由于热侧溶液室2中的气压要高于冷侧提纯室3内的气压，压缩空气会继续从热侧溶液室2透过疏水膜4传输到冷侧提纯室3内，在压缩空气的传输过程中，会夹带并驱动大量的提纯物蒸汽也从热侧溶液室2传输到冷侧提纯室3，进一步提高了膜的蒸馏通量；压缩空气透过疏水膜4来到冷侧提纯室3后，对吸附在冷侧提纯室3处的疏水膜4膜壁的提纯物蒸汽还起到吹扫作用，有效的降低了冷侧提纯室3内膜壁的提纯物蒸汽的分压力，加大了热侧溶液室2和冷侧提纯室3之间的疏水膜4两侧的提纯物蒸汽的分压力差，增加了传质驱动力，再一步提高了膜蒸馏通量。

本发明极大的提高了膜的蒸馏通量，解决了膜蒸馏在实际使用中的瓶颈，扩大了膜蒸馏技术的使用范围，有效降低了膜污染现象的出现，大大的延长了膜的使用寿命，提高了生产效率并降低了生产成本；该膜蒸馏装置具有投资小、运行成本低、设备操作简单、易于维护的特点。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种气扰式膜蒸馏的方法，其特征在于：空气从膜蒸馏装置的热侧溶液室的一侧透过疏水膜进入到热侧溶液室内，对热侧溶液室内的待处理溶液产生扰动；接着进入热侧溶液室内的空气和被提纯物的蒸汽从热侧溶液室透过疏水膜进入到位于热侧溶液室另一侧的冷侧提纯室内；最后对提纯物进行收集。

2.根据权利要求1所述的气扰式膜蒸馏的方法，其特征在于所述的空气采用压缩空气。

3.根据权利要求1或2所述的气扰式膜蒸馏的方法，其特征在于所述的空气对热侧溶液室内的待处理溶液产生一个垂直于疏水膜方向的扰动。

4.根据权利要求3所述的气扰式膜蒸馏的方法，其特征在于所述的疏水膜采用平板膜。

5.一种采用上述权利要求1-4任意所述方法的膜蒸馏装置，其特征在于所述的膜蒸馏装置至少包括三个独立的区域：压缩空气室（1）、热侧溶液室（2）和冷侧提纯室（3），压缩空气室（1）和冷侧提纯室（3）分别位于热侧溶液室（2）的两侧，压缩空气室（1）和热侧溶液室（2）之间、热侧溶液室（2）和冷侧提纯室（3）之间均用疏水膜（4）隔开。

6.根据权利要求5所述的膜蒸馏装置，其特征在于所述的膜蒸馏装置至少包括五个依次设置的冷侧提纯室（3）、热侧溶液室（2）、压缩空气室（1）、热侧溶液室（2）和冷侧提纯室（3）。

7.根据权利要求6所述的膜蒸馏装置，其特征在于所述的膜蒸馏装置包括依次设置的冷侧提纯室（3）、热侧溶液室（2）、压缩空气室（1）、热侧溶液室（2）、冷侧提纯室（3）、热侧溶液室（2）、压缩空气室（1）、热侧溶液室（2）、冷侧提纯室（3）。

8.根据权利要求5-7任一所述的膜蒸馏装置，其特征在于所述冷侧提纯室（3）的另一侧或冷侧提纯室（3）之内设有冷却液室（5），冷却液室（5）采用冷壁（6）和冷侧提纯室（3）相隔。

9.根据权利要求5所述的膜蒸馏装置，其特征在于所述的膜蒸馏装置至少包括五个依次设置的压缩空气室（1）、热侧溶液室（2）、冷侧提纯室（3）、热侧溶液室（2）和压缩空气室（1）。

10.根据权利要求9所述的膜蒸馏装置，其特征在于所述的冷侧提纯室（3）内设置冷却液室（5），冷却液室（5）采用冷壁（6）和冷侧提纯室（3）相隔。

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