CN104411384A - 用于除盐的真空气隙膜蒸馏体系 - Google Patents

用于除盐的真空气隙膜蒸馏体系 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于除盐目的的真空气隙膜蒸馏系统。更特别地，本发明涉及一种具有多个单元的膜蒸馏体系，其中由于所述体系内的温度差和压差，体系的通量得以增加。所述真空气隙膜蒸馏体系的构造允许有效再循环体系内的潜热，从而降低体系的能量消耗。

Description

用于除盐的真空气隙膜蒸馏体系
技术领域
本发明涉及一种用于除盐的真空气隙膜蒸馏体系。更特别地，本发明涉及一种要求最小能量消耗的用于高度有效的除盐过程的具有多个单元(cell)的膜蒸馏体系。
背景技术
膜蒸馏(MD)为热驱动过程，其中仅蒸气分子传输通过膜层。用于被蒸馏物的液体进料位于膜的一侧，用于由蒸气分子冷凝的馏出物或收集液体的收集区域位于膜的另一侧。被蒸馏物通常被加热，馏出物通常在比被蒸馏物更冷的温度下。蒸发在膜的经加热的被蒸馏物侧上发生，冷凝在膜的更冷的馏出物侧上发生。由于被蒸馏物侧具有比馏出物侧高得多的温度，因此被蒸馏物侧具有比馏出物侧更高的蒸气压。当膜分离被蒸馏物与馏出物时，在膜的两侧之间存在蒸气压梯度。该蒸气压梯度为使来自被蒸馏物侧的蒸发液体传输通过膜至馏出物区域的主要驱动力，在所述馏出物区域处，蒸气随后冷凝成所需液体。协助蒸气分子传输通过膜层的另一驱动力为热扩散。由于被蒸馏物侧与馏出物侧之间的温差，蒸发的水分子从具有更高温度的一侧扩散至具有更低温度的一侧。
相比于反渗透体系和纯蒸馏体系，MD体系更有利，因为MD体系在低得多的压力和更低的温度下操作。自从约20世纪60年代后期，MD体系出现，但部分由于可通过典型的除盐过程而获得的低的通量率，MD体系并未作为水除盐过程而被广泛商业采用。近来，由于对现有MD体系的各种改进所进行的大量研究，MD体系被认为是用于处理海水的潜在可行的解决方法。另外，如今最新的MD体系可接入可再生热源(如太阳能或由电厂产生的过剩热)以加热被蒸馏物，从而产生更能量有效且更成本有效的MD体系，使得这些体系对于商业活动更可行。目前存在四种一般类型的膜蒸馏体系，这些包括气隙膜蒸馏(AGMD)、直接接触膜蒸馏(DCMD)、吹扫气膜蒸馏(SGMD)和真空膜蒸馏(VMD)。
在AGMD体系中，冷水进料与膜的馏出物侧之间存在气隙，而膜的被蒸馏物侧与热水进料直接接触。经过滤的水蒸气在穿过气隙定位的冷却金属板上冷凝之前扩散通过气隙。冷凝物随后通过重力而排出气隙腔体。AGMD体系的一个缺点在于，在气隙腔体内存在停滞空气。该停滞空气降低体系的通量率，因为归因于停滞空气的阻力降低体系的质量传递速率。
在DCMD体系中，膜在一侧与冷水进料直接接触，并在另一侧与热水进料直接接触。由膜过滤的蒸发的水蒸气冷凝，并在膜的冷水侧处与更冷的水组合。DCMD体系最适用于除盐应用和降低水溶液的浓度。DCMD体系的一个缺点在于，尽管膜的差的传导性，热量从被蒸馏物侧直接传导通过膜至馏出物侧。因此，提供至被蒸馏物的热量中的仅一部分被用于蒸发过程。由于馏出物与膜直接接触，因此馏出物损失了提供至被蒸馏物的热量的其余部分，从而产生具有极低热效率的体系。
SGMD体系通常在膜的馏出物侧使用气流作为水蒸气的载体。吹过膜表面的气流从膜的表面和/或孔穴去除水蒸气粒子至冷凝室中。水蒸气在外部冷凝室内冷凝，并收集以用于进一步使用。除了降低热传导损失之外，气流也降低质量传递阻力。SGMD体系最适用于需要从水溶液中去除挥发物的应用。SGMD体系的缺点在于，需要大的吹扫气流以实现显著的渗透产率，且需要外部冷凝器以用于冷凝过程。
VMD体系通常在膜的馏出物侧使用真空，以提取水蒸气。经提取的水蒸气在单独的冷凝装置中冷凝。不同于利用扩散通量来影响水蒸气的传递的DCMD和AGMD体系，膜的被蒸馏物侧与膜的馏出物侧之间的更大的压差产生通过膜的孔穴的对流质量流，这有助于VMD体系的总质量传递。VMD体系的优点在于，由于馏出物侧的低的压力而使得体系的热传导损失为可忽略的，且VMD体系的质量通量通常比其他MD体系更大。与SGMD体系类似，VMD体系最适用于需要从水溶液中去除挥发物的应用。VMD体系的一个缺点在于，必须提供外部冷凝器以用于经收集的水蒸气分子的冷凝。
增加DCMD体系的通量传递的一些提出的方法包括将真空施加至膜的渗透物侧，以使渗透物流在真空或减压下流动。这种方法公开于代表内华达大学雷诺分校(University of Nevada,Reno)的以内华达高等教育体系董事会(Board of Regents of the Nevada System of HigherEducation)的名义公开于2011年10月4日的美国专利No.8,029,671B2。该公开公开了一种真空增强直接接触膜蒸馏体系。在所公开的体系中，真空施加至渗透物侧，以产生通过蒸馏膜的更高的通量传递速率。以Tzahi Y.Cath等人名义公开于2010年4月15日的美国公布No.2010/0089830也公开了一种通过将真空施加至渗透物流而增加DCMD体系的通量的方法。跨过膜的蒸汽压差则使得被蒸馏物中的水蒸发，经过膜并在渗透物流中冷凝。在这些公布中公开的真空增强的DCMD体系的一个缺点在于，水蒸气的冷凝在与膜直接接触的渗透物溶液内发生。因此，渗透物溶液必须在整个过程中保持为未被污染的状态。通常，为了获得这种状态，需要外部过滤装置。另外，由于冷凝物与渗透物溶液混合，将难以检测膜内的渗漏或检测润湿孔隙。
在典型的VMD体系中，渗余物/被蒸馏物流的蒸气压和VMD体系的蒸气空间的绝对压力基本上保持在相同压力下，以避免蒸馏膜的高机械载荷。当超过蒸馏膜的液体进入压力时，发生孔隙润湿，使得蒸馏膜不起作用。避免VMD体系中的蒸馏膜的高机械载荷的一个方法公开于以Wolfgang Heinzl的名义公开于2011年10月4日的美国专利No.8,029,675中。该公布公开了一种方法和装置，其中将负压施加于渗余物流，从而降低渗余物流的绝对压力。具体地，渗余物流的压力降低至VMD体系中的蒸气隙的负压水平。
现有提出的VMD体系通过将渗余物/被蒸馏物流的压力降低至VMD体系的负压水平而避免蒸馏膜的过载。在这种体系中，由于渗余物流与蒸气隙之间的压差保持为最小，因此通过蒸馏膜的所得通量率更低。在这种体系中，蒸发的水分子通过扩散从具有更高温度的一侧传递通过蒸馏膜至更低温度的一侧。因此，这种体系通常需要最少数量的用于这些体系的膜模块以商业可行。
由于现有的膜蒸馏体系通常不足够有效以商业可行，因此这些体系是不利的。因此，本领域技术人员不断寻找设计膜蒸馏体系的方式，所述膜蒸馏体系具有足够高的通量率、足够低的能量消耗和优良的过滤精度以使膜蒸馏体系在商业规模上是可行的。
发明内容
根据本发明，本领域的如上问题和其他问题得以解决，且获得了本领域的进步。根据本发明的真空气隙膜蒸馏(VAGMD)体系的第一优点在于，VAGMD体系具有独立于冷凝物收集出口的提取出口，以从冷凝室中去除不可冷凝的气体。根据本发明的VAGMD体系的第二优点在于，VAGMD体系利用跨VAGMD体系的温度梯度和跨蒸馏膜的蒸气压梯度来获得高通量率和回收率。根据本发明的VAGMD体系的第三优点在于，将真空压力施加至冷凝室，从而使冷凝室具有部分真空。冷凝室内的部分真空增加了跨蒸馏膜的蒸气压梯度，这转而允许体系有效获得高通量和回收率。根据本发明的VAGMD体系的第四优点在于，可承受至少350千帕的液体进入压力的具有液体-蒸气界面的三层复合材料纳米纤维膜可与所述体系一起使用，从而产生急剧的跨膜的蒸气压梯度。这转而允许体系有效获得高通量和回收率。根据本发明的VAGMD体系的第五优点在于，VAGMD体系的构造允许进料溶液回收并再利用来自流动溶液的潜热。该构造允许回收来自流动溶液的热量的至少85％，因此有效降低VAGMD体系的总能量消耗。
根据本发明的另外的实施方案，可使用具有高接触角(CA>90°)、具有水的高液体进入压力(LEPw)且高度多孔的商用膜。
根据本发明的一个实施方案，脱盐体系包括具有被蒸馏物侧和馏出物侧的蒸馏膜；和具有馏出物侧和进料侧的冷凝片。冷凝片的馏出物侧面向蒸馏膜的馏出物侧，从而形成冷凝室。所述冷凝室具有用于收集冷凝物的收集出口和用于提取冷凝室内的不可冷凝的气体的提取出口。将真空产生装置连接至收集出口和提取出口，以将真空提供至所述冷凝室，并促进收集和提取过程。在操作中，流动溶液与蒸馏膜的被蒸馏物侧流体连通，进料溶液与冷凝片的进料侧流体连通。所述流动溶液的温度也高于所述进料溶液的温度。
根据本发明的一个实施方案，将负压提供至收集出口和提取出口，以使所述冷凝室具有部分真空。
根据本发明的一个实施方案，将第一负压提供至所述收集出口，将第二负压提供至所述提取出口。
根据本发明的另外的实施方案，将收集装置连接至所述收集出口，将提取装置连接至所述提取出口。所述收集装置和提取装置可包括泵和热压机或注射器。收集装置用于收集来自所述冷凝室的冷凝物，而提取装置用于从所述冷凝室提取不可冷凝的气体。此外，当水蒸气在所述冷凝片的馏出物侧冷凝时，流动溶液的潜热传递至进料溶液。
根据本发明的另外的实施方案，提供热交换器。所述热交换器与所述进料溶液和流动溶液流体连通。所述热交换器在分配作为流动溶液的经加热的进料溶液之前，接收进料溶液并增加进料溶液的温度。
根据本发明的另外的实施方案，进料溶液可包含盐水，流动溶液可包含经加热的盐水。
根据本发明的另一实施方案，所述收集出口和所述提取出口位于所述冷凝室的相对端。
根据本发明的另外的实施方案，所述冷凝片与所述蒸馏膜之间的距离为2mm至4mm之间。
根据本发明的另外的实施方案，所述蒸馏膜可包含可承受至少350千帕的液体进入压力的具有液体-蒸气界面的三层复合材料纳米纤维膜。
根据本发明的另一实施方案，所述蒸馏体系可包括多个VAGMD单元，所述多个VAGMD单元可级联在一起而形成模块。
附图说明
根据本发明的方法和装置的如上优点和特征在如下详细描述中进行描述，并示于附图中：
图1示出了根据本发明的一个实施方案的单单元膜蒸馏体系；
图2示出了通过根据本发明的一个实施方案的膜蒸馏体系的单个单元的压力和温度分布；
图3示出了根据本发明的一个实施方案的三层复合材料纳米纤维膜的横截面图；
图4示出了根据本发明的一个实施方案的双单元膜蒸馏体系；
图5示出了根据本发明的一个实施方案的热压机；
图6示出了根据本发明的一个实施方案的热压机的操作；
图7示出了根据本发明的一个实施方案的具有热交换器的双单元膜蒸馏体系；
图8示出了根据本发明的一个实施方案的膜蒸馏体系；
图9示出了当被蒸馏物的温度增加时，DCMD、VMD、AGMD和根据本发明的一个实施方案的膜蒸馏体系的通量密度；
图10示出了当被蒸馏物的温度增加时，DCMD、VMD、AGMD和根据本发明的一个实施方案的膜蒸馏体系的脱盐能力；
图11示出了当进料速度增加时，根据本发明的一个实施方案的膜蒸馏体系的通量密度和脱盐能力；
图12示出了当冷凝室中的真空压力增加时，根据本发明的一个实施方案的膜蒸馏体系的通量密度和脱盐能力；
图13示出了当进料溶液的温度增加时，根据本发明的一个实施方案的膜蒸馏体系的通量密度和脱盐能力；
图14示出了根据本发明的一个实施方案的膜模块组件；
图15示出了根据本发明的一个实施方案的膜模块组件的第一端板；
图16示出了根据本发明的一个实施方案的膜模块组件的冷板；
图17示出了根据本发明的一个实施方案的膜模块组件的真空板；
图18示出了根据本发明的一个实施方案的膜模块组件的热板；以及
图19示出了根据本发明的一个实施方案的膜模块组件的第二端板；
具体实施方式
本发明涉及一种用于除盐的真空气隙膜蒸馏系统。更特别地，本发明涉及一种要求最小能量消耗的用于高度有效的除盐过程的具有多个单元的膜蒸馏系统。
根据本发明的一个实施方案的单单元真空气隙膜蒸馏(VAGMD)体系包括用于进料溶液的腔、用于流动溶液的腔、用于收集蒸发水蒸气的腔、蒸馏膜和冷凝片。图1示出了根据本发明的一个实施方案的这种单单元VAGMD体系。VAGMD体系100包括蒸馏膜105、冷凝片110、用于进料溶液的腔115、用于流动溶液的腔120，和在任一侧上通过蒸馏膜105和冷凝片110界定的冷凝室140。
蒸馏膜105的被蒸馏物侧与流动溶液120流体连通，蒸馏膜105的馏出物侧面向冷凝片110的馏出物侧。蒸馏膜105的被蒸馏物侧由箭头106显示，蒸馏膜105的馏出物侧由箭头107显示。蒸馏膜105可包括具有足够高的液体进入压力壁垒的任何可透蒸气不透液体的膜。所述膜必须具有足够高的液体进入压力壁垒，以确保在增加跨膜压差时不润湿膜的孔隙。这种膜的一个例子为如图3所公开的三层复合材料纳米纤维膜。复合材料纳米纤维膜将在如下更详细地讨论。冷凝片110可为任何类型的不可渗透的导热非多孔片，如聚酯片、聚丙烯片或聚四氟乙烯(PTFE)片。冷凝片110的功能在于提供用于包含于冷凝室140内的水蒸气的冷凝的表面。冷凝片110的进料侧与进料溶液115流体连通，冷凝片110的馏出物侧面向蒸馏膜120的馏出物侧。另外，必须仔细选择蒸馏膜105的馏出物侧与冷凝片110的馏出物侧之间的距离Δd，因为距离Δd影响VAGMD体系100的性能。距离Δd贡献VAGMD体系100的质量传递阻力。在操作中，当距离Δd增加时，体系的渗透物通量增加，直至渗透物通量达到峰值。一旦体系的渗透物通量达到所述峰值，则体系的渗透物通量随着距离Δd增加而降低。体系的渗透物通量的降低归因于随着距离Δd增加而增加的质量传递阻力。Δd与体系的渗透物通量之间的关系示于下表2中。
在操作中，进料溶液115保持在比流动溶液120更低的温度下。提供至收集出口135和提取出口130的真空压力将产生在冷凝室140内形成的部分真空。由于冷凝室140与流动溶液120之间的温差和压差，蒸发的水蒸气分子将从流动溶液120漂移和扩散通过蒸馏膜105至冷凝室140。冷凝室140内的水蒸气将在冷凝片110的馏出物侧上冷凝，从而形成冷凝物125。冷凝物125在收集出口135处收集。包含于冷凝室140内的任何不可冷凝的气体通过提取出口130提取出来。
图2示出了跨单单元VAGMD体系100的温度分布。在该图中也示出了跨膜105的蒸气压分布。如上所述，在操作中，进料溶液115保持在比流动溶液120更低的温度下。如图2所示，由于进料溶液115与流动溶液120之间的温差，温度梯度分布存在于这两个溶液之间。来自流动溶液120的蒸发水分子扩散通过蒸馏膜105至具有比流动溶液120更低温度的冷凝室140。通过蒸馏膜105的温度梯度越急剧，则水分子越快蒸发和漂移通过直至冷凝室140。冷凝片110的馏出物侧在比蒸馏膜105的馏出物侧更低的温度下。该温差使得蒸发的水分子朝向冷凝片110扩散。水分子随后在冷凝片110的表面处冷凝，从而形成冷凝物125(如图1所示)。由于冷凝片110的优良热导率，冷凝片110的表面保持在与进料溶液115大约相同的温度下。
另外，将真空压力施加至冷凝室140，从而在冷凝室140内产生部分真空环境。这产生压力梯度，如图2所示。随着跨蒸馏膜105的压差增加，跨蒸馏膜105的通量也增加。因此，在VAGMD体系100中，存在影响体系的通量和蒸馏速率的两个驱动力。所述驱动力为通过VAGMD体系100的温度梯度和通过蒸馏膜105的蒸气压梯度。在典型的膜蒸馏体系中，通常使通过蒸馏膜的压差达到最小，以避免蒸馏膜的高机械载荷和热载荷，所述高机械载荷和热载荷将导致孔隙润湿。对于本发明，相比于由典型的膜蒸馏体系采用的实践，使通过蒸馏膜105的压差保持尽可能大，以确保通过蒸馏膜105的通量在最大可允许速率下。此外，连续去除在冷凝室140中的冷凝水，因此降低了蒸馏膜105的孔隙润湿趋势。可通过使用如图3所示的三层复合材料纳米纤维膜来避免蒸馏膜105的孔隙润湿。因此，本发明能够完全利用所述两种驱动力，以获得有效的蒸馏体系回收率和通过蒸馏膜的通量率。
图3示出了可用于本发明的一个实施方案中的三层复合材料纳米纤维膜300。这种三层复合材料膜的完全描述提供于以Ngee AnnPolytechnic的名义在2011年11月17日提交的PCT申请No.PCT/SG2011/000407中。如图3所示，静电纺丝纳米纤维层305的外表面与进料溶液120相邻，而背衬层310的外表面为面向冷凝片110的馏出物侧的馏出物侧。微孔层315充当过滤器，从而自从进料溶液120蒸发的蒸气去除污染物。然后，经过滤的蒸气扩散通过冷凝室140，并在温度更低的冷凝片110的表面处冷凝。在流动溶液侧添加静电纺丝纳米纤维层305的情况下，复合材料膜300的疏水性大大增加。由于静电纺丝纳米纤维层305所贡献的增加的疏水性，复合材料膜300可在膜蒸馏应用中有效实际地使用，因为微孔层315中的孔隙现在被更疏水的纳米纤维层305有效保护。在复合材料膜300中，液体-蒸气界面在流动溶液120邻接纳米纤维层305的边界处在膜孔隙的入口处形成，蒸气-液体界面在微孔层315邻接背衬层310的边界处在膜孔隙的入口处形成。蒸发在流动溶液120邻接纳米纤维层305的液体-蒸气界面处发生，水分子扩散通过冷凝室140至冷凝片110。
可使用静电纺丝技术在微孔层315的第一表面上形成静电纺丝纳米纤维层305。当使用疏水性材料(如PVDF)制造微孔层315时，微孔层315的接触角为70°至130°之间。由于微孔层315的接触角，液体液滴仍然在微孔层315的表面上部分铺展。液体液滴在膜表面上的铺展对于膜蒸馏应用是有害的，因为微孔层315中的孔隙将容易地使水浸透，从而使得膜无用。通过将静电纺丝纳米纤维层305沉积至微孔层315的第一表面上，膜的疏水性大大增加，因为纳米纤维层305的接触角为140°至160°之间。由于在微孔层315上形成的纳米纤维层305的极高疏水性，微孔层315的孔隙将不会容易地使水浸透。纳米纤维层305具有0.05μm至5.0μm之间的孔隙尺寸。由于纳米纤维层305的孔隙率和孔隙尺寸，空气被捕获于孔隙之间，从而在纳米纤维层305内形成空气气泡。这些空气气泡充当防止流动溶液120与进料溶液115之间的热传递的热绝缘体，从而有效降低体系的热损失。
在VAGMD体系100中使用复合材料膜300的另一优点在于，这些膜能够承受比典型的蒸馏膜更高的液体进入压力(LEP)。复合材料膜300的所述性质允许跨复合材料膜300地存在急剧的压力梯度，这转而产生通过膜的通量率的增加。如下表1显示了各个层的各种组合的LEP之间的比较。
表1
如由表1可以看出，复合材料膜300能够承受350千帕的液体进入压力。单独地，纳米纤维层305能够承受小于20千帕的LEP，微孔层315能够承受200千帕的LEP，背衬层310能够承受小于20千帕的LEP。当将这些单独的层加在一起时，本领域技术人员将预期总LEP将为这些层的LEP的总和，即240千帕。由表1可以看出，复合材料膜300能够承受至少350的LEP。因此，复合材料膜300不仅具有高疏水性，而且复合材料膜300还具有出乎意料高的LEP水平，能够承受远高于这三个单独的层的总和的LEP。因此，通过在本发明的实施方案中使用膜300，跨蒸馏膜105的压力梯度可被完全用于增加VAGMD体系的通量。公开于PCT申请PCT/SG2011/000407中的膜300以引用上述PCT申请的方式并入本文。
单单元VAGMD体系100可与另一单单元VAGMD体系级联，以增加体系的除盐回收率。图4示出了这种双单元VAGMD体系。双单元VAGMD体系400包括蒸馏膜105、405，冷凝片110、410，用于进料溶液115、415的腔，用于流动溶液120的腔，和在任一侧上分别被蒸馏膜105、405和冷凝片110、410界定的冷凝室140、440。在操作中，进料溶液115、415保持在比流动溶液120更低的温度下。提供至收集出口135、435和提取出口130、430的真空压力将产生在冷凝室140、440内形成的部分真空。对于双单元VAGMD体系400，当流动溶液120流动通过蒸馏膜105与405之间时，蒸发的水分子漂移并扩散通过蒸馏膜105、405至分别的冷凝室。通过蒸馏膜105的通量率等于通过蒸馏膜405的通量率。因此，通过将两个VAGMD单元级联在一起，这产生体系的总体通量和体系的回收率的增加。
在图1和4中，通过收集出口135、435和提取出口130、430将部分真空施加至冷凝室140、440。图5示出了可用于产生体系所需的真空的热压机500。热压机为将流体的压力能转化为速度能的泵状装置。热压机500内的流体的流动方向由图5中的箭头示出。与热压机的入口相邻设置的锥体利用速度能来在热压机内产生低压区。低压区从相邻的入口吸入抽吸流体。所述流体可为液体、蒸汽或任何其他气体。在操作中，将流体应用于入口505，以在热压机内产生低压区。因此，流体通过入口515吸入。来自入口505和入口515的组合流体在出口510离开热压机。在入口515处的抽吸产生负压或真空，所述负压或真空可经由收集出口或提取出口而提供至VAGMD体系。本领域技术人员将认识到，热压机可包括注射器、喷射器、蒸汽喷射器、蒸汽注射器或排泄器-射流泵。本领域技术人员也将认识到，常规真空发生器可替代热压机使用。
图6示出了可用于本发明的一个实施方案的热压机600。泵605吸入液体610，并将液体610泵送至热压机500的入口505。入口505处的液体压力随后转化为速度能。速度能在热压机500内产生低压区，从而在入口515处产生抽吸力。该抽吸力产生可施加至VAGMD体系的真空压力。经过热压机500的液体610随后通过出口510离开。本领域技术人员将认识到，在不偏离本发明的情况下，可使用其他类型的热压机。
图7示出了可用于根据本发明的一个实施方案的VAGMD体系的热交换器700。热交换器700具有用于接收进料溶液115、415的进料路径705。热交换器700也具有用于分配流动溶液120的流动路径710。在操作中，在进料路径705内加热进料溶液115、415。经加热的液体随后作为流动溶液120通过流动路径710分配。热交换器700可为可用于改变液体的温度的任意装置，如由可再生能源(例如太阳能)或由常规能源(例如气体、电力)供电的水加热器。本领域技术人员将认识到，在不偏离本发明的情况下，热交换器700可包括用于加热和/或冷却液体的任意装置。
在另一实施方案中，为了增加VAGMD体系100的能量效率，热交换器700可由被动式太阳能加热装置组成。具体地，可将进料溶液115引导通过直接暴露于太阳的加热腔。加热腔可由具有优良热交换性质的材料(如冷凝片110中所用的材料)制得。当进料溶液115经过加热腔时，则使用太阳能加热进料溶液115。经加热的进料溶液115随后作为流动溶液120分配。
图8示出了根据本发明的一个实施方案的多单元VAGMD体系800。VAGMD体系800包括用于进料溶液115和流动溶液120的多个腔。VAGMD体系800也包括多个冷凝室140、蒸馏膜105和冷凝片110。如图8所示，蒸馏膜105的馏出物侧面向冷凝片110的馏出物侧，从而形成冷凝室140。蒸馏膜105设置于VAGMD体系800内，使得每个蒸馏膜的每个被蒸馏物侧面向相邻的蒸馏膜的被蒸馏物侧，从而形成用于流动溶液120的腔。收集出口135位于冷凝室140的一端，提取出口130位于冷凝室140的相对端。本领域技术人员将认识到，在不偏离本发明的情况下，收集出口135和提取出口130可位于冷凝室140的其他位置。
在操作中，使用热压机820、825将真空或负压提供至冷凝室140。使用泵605将进料溶液115从进料罐810泵送至热压机820中。将进料溶液115泵送至热压机820中会在热压机820内产生低压区，这转而在入口821处产生抽吸力。入口821连接至罐805，罐805转而连接至收集出口135。这样，冷凝室140被提供有真空或负压，从而使冷凝室140内具有部分真空。进料溶液115a在出口822处离开热压机820。
进料溶液115a随后被引导通过多单元VAGMD模块内的进料溶液腔。应注意，在此阶段，进料溶液115a的温度通常在环境室温下或更低。因此，由于冷凝片110的进料侧与进料溶液115a流体连通，因此冷凝片的不可渗透表面在与进料溶液115a相同的温度下。在另一端离开多单元VAGMD模块的进料溶液115b随后被导向热交换器700。热交换器700内的进料路径705接收进料溶液115b。当进料溶液115b经过进料路径705时，进料溶液115b的温度增加。当多单元VAGMD体系800初始化时，热交换器700内的加热元件将进料溶液115b从室温加热至80-100℃之间的理想蒸馏温度。随后，热交换器700无需从低的环境室温加热进料溶液115b，因为多单元VAGMD体系800的设置允许有效热回收过程。该热回收过程在随后的段落中描述。
热交换器700内的流动路径710随后分配作为流动溶液120的经加热的进料溶液。流动溶液120随后被导向位于多单元VAGMD模块内的用于流动溶液120的腔。如图8所示，流动溶液120在任一侧上通过蒸馏膜105的馏出物侧界定。当流动溶液120经过流动溶液腔时，流动溶液120经历蒸发过程。蒸发的液体随后扩散和漂移通过蒸馏膜105至冷凝室140中。影响通过蒸馏膜105的通量的主要驱动力为流动溶液120与冷凝室140之间的温差和蒸气压差。蒸发的水分子随后在冷凝片110的馏出物侧冷凝，从而形成由收集出口135收集的冷凝物。当蒸发的水分子在冷凝片110处冷凝时，包含于这些水分子内的热量被传递至冷凝片110，所述冷凝片110转而将所述热量传递至进料溶液115a。通过该热传递过程，据发现进料溶液115a能够回收来自流动溶液120的热量的至少85％。因此，当进料溶液115b在另一端离开多单元VAGMD模块时，进料溶液115b的温度仅略低于体系的理想蒸馏温度。这样，热交换器700将需要更少的能量来将进料溶液115b加热至80-100℃之间的理想蒸馏温度范围。
当流动溶液120经过模块时，流动溶液120通过蒸发而释放其部分的热量，从而产生更冷的流动溶液121。更冷的流动溶液121随后被引导至热压机825，并进入进料罐810中。更冷的流动溶液121的一部分在热压机825处使用，以在入口826处产生抽吸力。入口826连接至提取出口130，以将负压提供至冷凝室140。因此，包含于冷凝室140内的部分真空通过热压机820和825形成。提供至提取出口130的负压从冷凝室140提取不可冷凝的气体。
不可冷凝的气体可由溶解于流动溶液121中的气体组成，如来自碳酸氢盐的热分解的二氧化碳。不可冷凝的气体对任何膜蒸馏体系是有害的，因为这些气体可阻塞或堵塞蒸馏膜的孔隙。由于体系的冷凝热传递系数的降低，这转而产生体系蒸气通量的降低。不可冷凝的气体在蒸馏体系内的存在也可导致体系的质量传递阻力的增加，这转而导致蒸气传输速率被质量传递限制。
如果仅使用单个出口来用于提取不可冷凝的气体以及用于收集冷凝物，则不可冷凝的气体将无法被充分去除，因为冷凝物将阻塞单个出口。这样，在VAGMD体系100中，不可冷凝的气体主要通过提取出口130去除，而冷凝物在收集出口135处收集。当不可冷凝的气体从VAGMD体系100中的冷凝室140和蒸馏膜105的孔隙中去除时，跨蒸馏膜105的流动溶液120与冷凝室140之间的蒸气压差将增加。这转而产生VAGMD体系100的膜蒸馏通量的增加。增加的通过蒸馏膜105的蒸气压差有助于去除阻塞蒸馏膜105的孔隙的水分子和CO2分子。通过清除蒸馏膜105的阻塞孔隙，这有效降低了膜润湿的趋势，并降低了通过蒸馏膜105的质量传递阻力。水蒸气则可自由经过蒸馏膜105，以在冷凝室140内的冷凝片110的表面上冷凝。该冷凝过程确保冷凝室140内的蒸气密度保持在恒定水平。
VAGMD蒸馏过程随后本身重复，以从进料溶液中连续回收蒸馏水。图8所示的多单元VAGMD体系为非常节能的体系，所公开的体系仅需要单个泵(即泵605)来驱动整个体系。此外，热交换器700仅需要最初将进料溶液115b加热至高得多的温度。随后，由于多单元VAGMD体系800的构造，热交换器700仅需要略微增加进料溶液115b的温度。此外，不同于常规真空膜蒸馏体系，多单元VAGMD体系800不需要外部冷凝器。
如下实施例说明了本发明的实施方案。本领域技术人员将认识到，如下所述的实施例并非本发明的实施方案的穷举列举。
实施例1
制备实施例1中的装置，以比较各种类型的膜蒸馏体系的性能。实施例1中使用的各种类型的膜蒸馏体系为直接接触膜蒸馏(DCMD)、气隙膜蒸馏(AGMD)、真空膜蒸馏(VMD)和根据本发明的实施方案的真空气隙膜蒸馏(VAGMD)体系。使用有效面积为0.015m2的平板PVDF膜作为蒸馏膜，使用金属板作为冷凝片。使用3.5wt％的氯化钠溶液作为进料溶液。为了确保进料溶液的浓度在整个实验中保持恒定，持续将新鲜水添加至进料溶液以弥补在蒸馏过程中的水损失。对于该实验，仅测试单单元膜蒸馏体系。
对于DCMD、VMD和AGMD体系，将在环境室温下的进料溶液泵送通过体系，进料溶液在热交换器中加热，以产生流动溶液。然后设置平板PVDF膜，使得PVDF膜的疏水侧与流动溶液流体连通。对于DCMD体系，将更冷的新鲜水供给提供至平板PVDF膜的另一侧，而对于VMD体系，提供-0.6巴的真空。对于AGMD体系，进料溶液与金属板(即冷凝片)的进料侧流体连通，从而使冷凝物在另一侧形成。AGMD和VMD体系的蒸馏膜与冷凝片之间的空气/真空间隙保持为3mm。
对于VAGMD体系，制备如图1所示的单单元VAGMD体系用于该实验。将-0.6巴的真空提供至收集出口和提取出口，从而在冷凝室内形成部分真空。在该单单元VAGMD装置中使用类似的进料溶液，其中进料溶液在环境室温下。如图1所示，进料溶液与金属板的进料侧流体连通。在流动经过金属板的长度之后，进料溶液随后在热交换器中加热，以形成流动溶液。设置平板PVDF膜，使得疏水侧与流动溶液流体连通，另一侧(即馏出物侧)面向金属板的馏出物侧。对于所有四个蒸馏体系，使用公知的重量损失方法测量通过平板PVDF膜的通量，结果示于图9中。所有四个体系的脱盐能力示于图10中。
图9示出了对于DCMD体系910、VMD体系915、AGMD体系920和根据本发明的一个实施方案的VAGMD体系905，通过平板PVDF膜的通量。如该图所示，在相同条件下，VAGMD体系905能够获得比其他三个体系更高的通量率。当流动溶液的温度增加时，VAGMD体系905的通量几乎是AGMD体系920的通量率的两倍。
图10示出了对于DCMD体系910、VMD体系915、AGMD体系920和根据本发明的一个实施方案的VAGMD体系905的脱盐。如图10所示，所有四个体系的脱盐能力大约相同，为至少99％。
根据本发明的一个实施方案的VAGMD体系的通量1110示于图11中。在该装置中，进料溶液保持在15℃下，流动溶液保持在80℃下。当进料溶液的速度增加时，VAGMD体系的通量也增加。所述通量率的增加可归因于热压机内抽吸力的增加，所述抽吸力的增加转而产生提供至收集出口和提取出口的增加的真空压力。VAGMD体系的脱盐1105也示于图11中的副轴上。
图12示出了根据本发明的一个实施方案的VAGMD体系的通量1210。在该装置中，进料溶液保持在15℃下，流动溶液保持在80℃下。当真空压力增加时，VAGMD体系的通量也增加。VAGMD体系的脱盐1205也示于图12中的副轴上。
图13示出了根据本发明的一个实施方案的VAGMD体系的通量1310。在该设置中，通量溶液保持在80℃下，将-0.8巴的真空压力提供至收集出口和提取出口。当进料溶液的温度增加时，体系的通量减小。VAGMD体系的脱盐1305也示于图13中的副轴上。
图11、12和13显示，VAGMD体系的通量率的主要驱动力为进料溶液与冷凝室之间的温差和蒸气压差。因此，本发明相比于其他常规膜蒸馏体系是有利的，因为本发明能够利用这两种驱动力以有效实际地获得高通量率。开发了基于多单元VAGMD体系800的试验体系(其完全使用太阳能供电)，据发现所述试验体系每天可产生大约1000升的除盐水。此外，发现所述试验体系是非常节能的，对于小于1.25千瓦的电能能够产生1立方米的蒸馏海水。能够通过用热压机代替消耗能量的真空发生器/泵而获得所述效率水平。所述高度有效的试验体系可回收膜模块内的热能的超过85％。据发现，所述体系仅消耗70至250KW/m3之间的热能，并能够获得2-10之间的增益输出比(GOR)的高热效率。
冷凝片与蒸馏膜之间的距离Δd影响VAGMD体系的通量率。如下表2所示，当距离Δd为2mm至4mm之间时，获得最佳通量率。
表2
多单元VAGMD体系800的一个优选实施方案示于图14中。图14显示了由如下组成的膜模块组件1400：第一端板1405、冷板1410、真空板1415、热板1420、第二端板1425和螺钉1430。冷凝片110设置于冷板1410与真空板1415之间，而蒸馏膜105设置于真空板1415与热板1420之间。螺钉1430安装至各个板上的各自的凹槽中，从而将所有的板保持在一起而形成膜模块组件1400。冷凝室140在冷凝片110与蒸馏膜105之间形成。由图14可以看出两个冷凝室在膜模块组件1400内形成。本领域技术人员将认识到，多个膜模块组件1400可级联在一起而形成更大的VAGMD体系。
图15显示了第一端板1405的连接。具体地，图15显示了提取出口130、收集出口135、用于更冷的流动溶液121的出口、用于更热的流动溶液120的入口、用于更冷的进料溶液115a的入口，和用于更热的进料溶液115b的出口。第一端板1405与第一冷板1410的第一侧配合。冷板1410的连接示于图16中。硅垫圈1610包围冷板1410的内部部分，从而围绕冷板1410的内部部分形成密封。硅管1605提供使更冷的流动溶液121和更冷的进料溶液115a与冷板1410的内部部分流体连通的装置。
第一真空板1415的第一侧与第一冷板1410的第二侧配合。第一冷凝片110设置于这两个板之间。第一真空板1415的连接示于图17中。与第一冷板1410类似，硅垫圈1610包围第一真空板1415的内部部分，从而围绕第一真空板1415的内部部分形成密封。在操作中，不可冷凝的气体通过提取出口130提取出来，冷凝物通过收集出口135收集。硅管1705提供了将气体和冷凝物传送至各自的出口的装置。
热板1420的第一侧与第一真空板1415的第二侧配合。第一蒸馏膜105设置于这两个板之间。热板1420的连接示于图18中。与第一冷板1410和第一真空板1415类似，硅垫圈1610包围热板1420的内部部分，从而围绕热板1420的内部部分形成密封。硅管1805提供使更热的流动溶液120和更热的进料溶液115b与热板1420的内部部分流体连通的装置。应注意，在该当前的组件中，第一冷凝室140在第一蒸馏膜105与第一冷凝片110之间形成。
热板1420的第二侧与第二真空板1415的第一侧配合。第二蒸馏膜105设置于这两个板之间。第二真空板1415的第二侧与第二冷板1410的第一侧配合。第二冷凝片110设置于这两个板之间。第二冷凝室在第二冷凝片110与第二蒸馏膜105之间形成。第二端部分1425的第一侧与第二冷板1410的第二侧配合。第二端部分1425的连接示于图19中。硅垫圈1610包围第二端部分1425的内部部分，从而围绕所述内部部分形成密封。本领域技术人员将认识到，膜模块组件1400可级联，以增加可蒸馏的水的体积。
此外，在本发明的其他实施方案中，当用挥发性溶液代替流动溶液时，可使用VAGMD体系来增加挥发性溶液内的盐和/或非挥发性组分的浓度。水蒸气从挥发性溶液蒸发使得挥发性溶液内的不可蒸发的内容物的浓度增加。这产生具有增加量的不可蒸发的材料的流动溶液。浓缩的流动溶液可随后分离并收集以用于进一步使用。
如上描述了真空气隙膜蒸馏(VAGMD)体系，通过所述真空气隙膜蒸馏体系，部分真空在其冷凝室内形成，该冷凝室内的不可冷凝的气体被提取，以改进体系的通量率。另外，VAGMD体系使用通过蒸馏膜的温度梯度和蒸气压梯度，以获得高通量率。预期本领域技术人员可以且将设计本发明的替代实施方案，如以下权利要求书所述。

Claims (48)

1.一种除盐体系，其包括：
第一蒸馏膜，所述第一蒸馏膜具有被蒸馏物侧和馏出物侧，其中具有第一温度的流动溶液与所述第一蒸馏膜的被蒸馏物侧流体连通；
第一冷凝片，所述第一冷凝片在离所述第一蒸馏膜的馏出物侧的指定距离处，并具有进料侧和馏出物侧，其中所述第一冷凝片的馏出物侧面向所述第一蒸馏膜的馏出物侧，具有第二温度的进料溶液与所述第一冷凝片的进料侧流体连通，其中所述流动溶液的第一温度大于所述进料溶液的第二温度；
第一冷凝室，所述第一冷凝室在所述第一蒸馏膜的馏出物侧与所述第一冷凝片的馏出物侧之间形成，并具有第一收集出口和位于所述第一收集出口的远侧的第一提取出口，和
真空产生装置，所述真空产生装置与所述第一收集出口和所述第一提取出口连通。
2.根据权利要求1所述的除盐体系，其中所述第一收集出口和所述第一提取出口提供有负压，从而使所述第一冷凝室具有部分真空。
3.根据权利要求2所述的除盐体系，其中所述第一收集出口提供有第一负压。
4.根据权利要求2所述的除盐体系，其中所述第一提取出口提供有第二负压。
5.根据权利要求2所述的除盐体系，其还包括：
收集装置，所述收集装置与所述第一收集出口连通，其中当将负压提供至所述第一收集出口时，在所述第一冷凝片的馏出物侧形成的冷凝流体由所述收集装置收集；且
其中当所述冷凝流体在所述第一冷凝片的馏出物侧形成时，来自所述流动溶液的潜热被传递至所述进料溶液。
6.根据权利要求5所述的除盐体系，其中所述收集装置包括：
泵；和
热压机。
7.根据权利要求2所述的除盐体系，其还包括：
提取装置，所述提取装置与所述第一提取出口连通，其中当将负压提供至所述第一提取出口时，在所述第一冷凝室内的不可冷凝的气体由所述提取装置提取。
8.根据权利要求6所述的除盐体系，其中所述提取装置包括：
泵；和
热压机。
9.根据权利要求1所述的除盐体系，其还包括：
泵，所述泵与所述进料溶液、所述流动溶液和所述真空产生装置流体连通。
10.根据权利要求1所述的除盐体系，其还包括：
热交换器，所述热交换器与所述流动溶液和所述进料溶液流体连通。
11.根据权利要求10所述的除盐体系，其中所述热交换器还包括：
进料路径，所述进料路径用于接收所述进料溶液并将所述进料溶液加热至预定温度，以形成流动溶液；和
流动路径，所述流动路径用于排出所述流动溶液。
12.根据权利要求1所述的除盐体系，其中所述真空产生装置包括：
泵；和
热压机。
13.根据权利要求1所述的除盐体系，其中所述进料溶液包含盐水。
14.根据权利要求1所述的除盐体系，其中所述流动溶液包含经加热的盐水。
15.根据权利要求1所述的除盐体系，其中所述第一提取出口和所述第一收集出口位于所述冷凝室的相对端。
16.根据权利要求1所述的除盐体系，其中所述第一冷凝片与所述第一蒸馏膜的馏出物侧之间的指定距离为2mm至4mm之间。
17.根据权利要求1所述的除盐体系，其中所述第一蒸馏膜包括：
可承受至少350千帕的液体进入压力的具有液体-蒸气界面的膜。
18.根据权利要求17所述的除盐体系，其中所述第一蒸馏膜的膜为三层复合材料膜。
19.根据权利要求18所述的除盐体系，其中所述三层复合材料纳米纤维膜的被蒸馏物侧包括疏水性静电纺丝纳米纤维层，且所述三层复合材料纳米纤维膜的馏出物侧包括亲水性背衬层。
20.根据权利要求2所述的除盐体系，其中所述第一冷凝室保持在低于所述流动溶液的蒸气压的压力下。
21.根据权利要求1所述的除盐体系，其还包括：
第二蒸馏膜，所述第二蒸馏膜还包括被蒸馏物侧和馏出物侧，其中所述第二蒸馏膜的被蒸馏物侧与所述流动溶液流体连通；
第二冷凝片，所述第二冷凝片在离所述第二蒸馏膜的馏出物侧的指定距离处，并具有进料侧和馏出物侧，其中所述第二冷凝片的馏出物侧面向所述第二蒸馏膜的馏出物侧，且其中所述第二冷凝片的进料侧与所述进料溶液流体连通；
第二冷凝室，所述第二冷凝室在所述第二蒸馏膜的馏出物侧与所述第二冷凝片的馏出物侧之间形成，并具有第二收集出口和位于所述第二收集出口的远侧的第二提取出口，和
真空产生装置，所述真空产生装置与所述第二收集出口和所述第二提取出口连通。
22.根据权利要求21所述的除盐体系，其中所述第一和第二收集出口和所述第一和第二提取出口提供有负压，从而使所述第一和第二冷凝室具有部分真空。
23.根据权利要求22所述的除盐体系，其中所述第一收集出口提供有第一负压。
24.根据权利要求22所述的除盐体系，其中所述第一提取出口提供有第二负压。
25.根据权利要求22所述的除盐体系，其还包括：
收集装置，所述收集装置与所述第一和第二收集出口连通，其中当将负压提供至所述第一和第二收集出口时，在所述第一和第二冷凝片的馏出物侧形成的冷凝流体由所述收集装置收集；且
其中当所述冷凝流体在所述第一和第二冷凝片的馏出物侧形成时，来自所述流动溶液的潜热被传递至所述进料溶液。
26.根据权利要求25所述的除盐体系，其中所述收集装置包括：
泵；和
热压机。
27.根据权利要求22所述的除盐体系，其还包括：
提取装置，所述提取装置与所述第一和第二提取出口连通，其中当将负压提供至所述第一和第二提取出口时，在所述第一和第二冷凝室内的不可冷凝的气体由所述提取装置提取。
28.根据权利要求27所述的除盐体系，其中所述提取装置包括：
泵；和
热压机。
29.根据权利要求21所述的除盐体系，其还包括：
泵，所述泵与所述进料溶液、所述流动溶液和所述真空产生装置流体连通。
30.根据权利要求21所述的除盐体系，其还包括：
热交换器，所述热交换器与所述流动溶液和所述进料溶液流体连通。
31.根据权利要求30所述的除盐体系，其中所述热交换器还包括：
进料路径，所述进料路径用于接收所述进料溶液并将所述进料溶液加热至预定温度，以形成流动溶液；和
流动路径，所述流动路径用于排出所述流动溶液。
32.根据权利要求21所述的除盐体系，其中所述进料溶液包含盐水。
33.根据权利要求21所述的除盐体系，其中所述流动溶液包含经加热的盐水。
34.根据权利要求21所述的除盐体系，其中所述第一提取出口和所述第一收集出口位于所述冷凝室的相对端。
35.根据权利要求21所述的除盐体系，其中所述真空产生装置包括：
泵；和
热压机。
36.根据权利要求35所述的除盐体系，其中所述热压机还包括注射器。
37.根据权利要求21所述的除盐体系，其中，
所述第一冷凝片与所述第一蒸馏膜的馏出物侧之间的指定距离；和
所述第二冷凝片与所述第二蒸馏膜的馏出物侧之间的指定距离为2mm至4mm之间。
38.根据权利要求21所述的除盐体系，其中所述第一和第二蒸馏膜包括：
可承受至少350千帕的液体进入压力的具有液体-蒸气界面的膜。
39.根据权利要求38所述的除盐体系，其中所述第一和第二蒸馏膜的膜包括三层复合材料膜。
40.根据权利要求39所述的除盐体系，其中所述三层复合材料纳米纤维膜的被蒸馏物侧包括疏水性静电纺丝纳米纤维层，且所述三层复合材料纳米纤维膜的馏出物侧包括亲水性背衬层。
41.根据权利要求21所述的除盐体系，其中所述第一和第二冷凝室保持在低于所述流动溶液的蒸气压的压力下。
42.一种使用蒸馏体系提纯液体的方法，所述蒸馏体系具有第一蒸馏膜和第一冷凝片，所述第一蒸馏膜具有馏出物侧和被蒸馏物侧，所述第一冷凝片具有馏出物侧和进料侧，并位于离所述第一蒸馏膜的指定距离处，其中所述第一蒸馏膜的馏出物侧面向所述冷凝片的馏出物侧，从而形成第一冷凝室，所述第一冷凝室具有第一收集出口和第一提取出口，所述方法包括如下步骤：
通过真空产生装置，通过所述第一收集出口和所述第一提取出口将负压施加至所述第一冷凝室；
使流动溶液沿着所述第一蒸馏膜的被蒸馏物侧流动，并使进料溶液沿着所述第一冷凝片的进料侧流动，其中所述流动溶液在比所述进料溶液更高的温度下；
当来自所述流动溶液的水蒸气在所述第一冷凝片的馏出物侧上冷凝时，将来自流动溶液的潜热传递至所述进料溶液；
通过所述第一收集出口收集在所述第一冷凝片的馏出物侧上形成的冷凝物；以及
通过所述第一提取出口提取在所述第一冷凝室内形成的不可冷凝的气体。
43.根据权利要求42所述的方法，其中施加负压的步骤包括：
通过使用泵来泵送液体而产生负压；以及
将经泵送的液体引导通过热压机。
44.根据权利要求42所述的方法，其中收集冷凝物的步骤包括：
使用泵和热压机产生负压；
将所述负压施加至所述第一收集出口；以及
收集流动通过所述第一收集出口的冷凝物。
45.根据权利要求42所述的方法，其中提取不可冷凝的气体的步骤包括：
使用泵和热压机产生负压；
将所述负压施加至所述第一提取出口；
从所述第一蒸馏膜内的孔隙提取不可冷凝的气体分子；以及
排出通过所述第一提取出口提取的不可冷凝的气体。
46.根据权利要求42所述的方法，其还包括如下步骤：
将来自所述第一冷凝片的进料侧的进料溶液引导至热交换器；
使用所述热交换器将所述进料溶液加热至预定温度，以形成流动溶液；以及
将所述流动溶液引导至所述蒸馏膜的被蒸馏物侧。
47.根据权利要求42所述的方法，其还包括如下步骤：
将来自所述蒸馏膜的被蒸馏物侧的流动溶液引导至进料罐；
混合所述流动溶液与包含于所述进料罐内的进料溶液；以及
从所述进料罐将所述进料溶液泵送至热压机。
48.根据权利要求47所述的方法，其还包括如下步骤：
使来自所述热压机的进料溶液沿着所述第一冷凝片的进料侧流动。
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