CN103362763B - 一种用于消除渗透能发电过程中浓差极化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于消除渗透能发电过程中浓差极化的方法，即微滤膜和正渗透膜并联的方法。本发明选用中空纤维微滤膜作为中心膜，在其四周紧密排列若干根中空纤维正渗透膜。海水注入中空纤维微滤膜管程，在压差作用下，海水透过微滤膜在其外表面均匀涌出，并迅速与正渗透膜外表面接触；同时中空纤维正渗透膜管程中注入淡水，与壳程中的海水形成渗透压，淡水在渗透压的作用下透过正渗透膜进入壳程，得到用于发电的高压稀释海水。该方法有效降低海水流动方向上的浓差极化，提高膜性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种消除渗透能发电过程中浓差极化的方法。
背景技术
膜分离技术是一种高效的分离、浓缩、提纯及净化技术，近年来发展迅速，已经广泛应用于化工、生物、医药、食品、环保等领域。与蒸馏、结晶以及吸附等常规分离方法相比，膜分离技术具有能耗低、过程简单、环境友好等优点，被列为21世纪重点发展的高新技术之一。目前膜分离技术包括微滤、超滤、纳滤、反渗透、正渗透、电渗析、气体分离等膜过程，其中正渗透膜过程是指水或其它溶剂透过天然或人造的半透膜，由低溶质浓度侧传递到高溶质浓度侧的过程。正渗透是自然界中广泛存在的一种物理现象，应用于海水淡化的正渗透膜过程具有能耗低和抗污染等特点，近几年正渗透膜技术在国内外受到越来越多的关注和重视，相关的研究和应用快速发展。
随着全球工业化的发展，能源与环境问题加剧，可持续发展的绿色能源受到广泛关注，渗透能是其中的一种。1954年，R.E.Pattle在nature杂志中提出了盐度差能源，也称为渗透能；据统计，全球的渗透能大约1655TWh/年。目前能够将渗透能提取出来的技术主要有两种：利用渗透原理的减压渗透和基于透析原理的反电渗析，欧洲及美国正在对减压渗透发电进行深入的研究。渗透压发电是根据大自然不断寻求平衡的法则，利用液体的不同浓度来产生电力，是继风力、太阳能发电之后又一新型的环保发电技术，且不受天气的影响。减压渗透发电原理为：当海水和淡水分别流过半透膜的两侧时，淡水就会在渗透压的作用下透过半透膜进入海水侧，并使得海水侧压力升高，通过能量转换装置可以将大量的混合自由能转变为电能。
在渗透能发电过程中，影响正渗透膜过程的因素众多，其中浓差极化对以压力差为推动力的膜过程影响极大：①由于膜表面渗透压的升高将导致溶剂通量下降；②溶质通过膜的通量上升；③若溶质在膜表面的浓度超过其溶解度可形成沉淀并堵塞膜孔和减少溶剂的通量；④出现膜污染，导致膜分离性能的改变；严重时，膜透水性能大幅度下降，甚至完全消失。
正渗透膜的浓差极化分为内浓差极化和外浓差极化两种，其中外浓差极化可通过提高膜表面流体的湍流强度来降低。内浓差极化的消除目前有三种方法：①采用致密膜，但是考虑到工业应用中膜的机械强度，难度很大；②提高溶质的扩散系数，通过提高温度或是选择本身扩散系数比较高的溶质来实现；③改进膜结构，制备更薄的膜或是增大支撑层的孔隙率。
本专利旨在提供一种用于消除渗透能发电过程中浓差极化的方法，以改善膜组件性能，提高发电效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于消除渗透能发电过程中浓差极化的方法，从而降低膜污染，改善膜性能，提高发电效率。
本发明的技术方案是采用微滤膜(4)和正渗透膜(5)并联方法，选用中空纤维微滤膜作为中心膜，在其四周配置若干根中空纤维正渗透膜；将海水注入中空纤维微滤膜管程，在压差作用下，海水透过微滤膜在其表面均匀涌出；同时中空纤维正渗透膜管程中注入淡水，与壳程中的海水形成渗透压，淡水在渗透压的作用下透过正渗透膜进入壳程，进而得到高压稀释海水，从膜组件壳程中流出并用于发电。
本发明的消除浓差极化方法，其特征在于采用了中空纤维微滤膜和中空纤维正渗透膜并联的方法。
所述的中空纤维微滤膜每一根周围均配置6根以上中空纤维正渗透膜，且紧密排列。
所述的中空纤维微滤膜的管程为海水。
所述的中空纤维正渗透膜的管程为淡水。
所述的膜组件壳程中流出的是高压稀释海水。
本发明的特点在于微滤膜与正渗透膜紧密排列，透过微滤膜的海水迅速与正渗透膜接触，正渗透膜管程中淡水即在渗透压作用下进入壳程，膜过程基本不存在海水流动方向上的浓差极化。
附图说明
图1消除正渗透膜过程中浓差极化的装置图。
图2为装置图1的横截面示意图。
图中：1-海水进料口、2-淡水进料口、3-高压稀释海水出料口、4-中空纤维微滤膜、5-中空纤维正渗透膜、6-膜壳管。箭头方向为液体流动方向。
具体实施方式
下面以实施例具体说明与本发明有关的实施方案，并与比较例的实验结果进行比较。实施例仅是用来说明本发明的实施方案的有限例子，并不限制本发明的范围。本发明的全部范围体现在前面的各项权利要求中。
实施例1
参见图1，中空纤维微滤膜与正渗透膜以1∶6的比例置于膜壳管6中，构造正渗透膜面积为10m2的膜组件用于发电。浓度为3wt％，流量为100L/h的海水注入中空纤维微滤膜内，海水进口压力为10bar；正渗透膜管程内淡水压力为1.02bar。实验结果：壳程出口的高压稀释海水流量为290L/h，压力为9.8bar。
实施例2
参见图1，中空纤维微滤膜与正渗透膜以1∶10的比例置于膜壳管6中，构造正渗透膜面积为10m2的膜组件用于发电。浓度为3wt％，流量为100L/h的海水注入中空纤维微滤膜内，海水进口压力为10bar；正渗透膜管程内淡水压力为1.02bar。实验结果：壳程出口的高压稀释海水流量为278L/h，压力为9.85bar。
比较例1
将实施例1中的中空纤维微滤膜去掉，构造正渗透膜面积为10m2的膜组件用于发电。浓度为3wt％，流量为100L/h的海水注入膜组件壳程内，海水进口压力为10bar；正渗透膜管程内淡水压力为1.02bar。实验结果：壳程出口的高压稀释海水流量为226L/h，压力为9.95bar。膜渗透通量较实施例1下降约三分之一。
Claims (6)
1.一种用于消除渗透能发电过程中浓差极化的方法，其特征是采用微滤膜和正渗透膜并联，选用中空纤维微滤膜作为中心膜，在其四周配置若干根中空纤维正渗透膜；海水注入中空纤维微滤膜管程，在压差作用下，海水透过微滤膜在其表面均匀涌出；同时中空纤维正渗透膜管程中注入淡水，与壳程中的海水形成渗透压，淡水在渗透压作用下透过正渗透膜进入壳程，进而得到高压稀释海水，从膜组件壳程中流出并用于发电。
2.根据权利要求1所述的一种用于消除渗透能发电过程中浓差极化的方法，其特征在于每一根中空纤维微滤膜周围均配置6根以上中空纤维正渗透膜。
3.根据权利要求1所述的一种用于消除渗透能发电过程中浓差极化的方法，其特征是所述的中空纤维微滤膜的管程为海水。
4.根据权利要求1所述的一种用于消除渗透能发电过程中浓差极化的方法，其特征是所述的中空纤维正渗透膜的管程为淡水。
5.根据权利要求1所述的一种用于消除渗透能发电过程中浓差极化的方法，其特征是所述的膜组件壳程中流出的是高压稀释海水。
6.根据权利要求1所述的一种用于消除渗透能发电过程中浓差极化的方法，其特征是微滤膜与正渗透膜紧密排列，透过微滤膜的海水迅速与正渗透膜接触，正渗透膜管程中淡水即在渗透压作用下进入壳程，膜过程基本不存在海水流动方向上的浓差极化。
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