CN106995228A - 一种高浓度盐水的膜蒸馏方法及蒸馏装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高浓度盐水的膜蒸馏方法及蒸馏装置。一种高浓度盐水的膜蒸馏方法，高浓度盐水以间歇式进料方式进入中空纤维膜组件装置。高浓度盐水以间歇式进料方式进入中空纤维膜组件装置，使原料液在流动过程中压力发生变化，进而引起附着在膜表面的沉积物疏松或脱落，减轻膜污染。本发明方法间歇式膜蒸馏流能够有效的控制膜污染，强化法对流体造成扰动，有效地抑制晶体的正常形成，导致膜面晶体富集程度最小，且有效的减少了晶体在膜表面的沉积，有效的控制膜蒸馏时的膜污染，具有良好的适用性。

Description

一种高浓度盐水的膜蒸馏方法及蒸馏装置
技术领域
本发明涉及一种高浓度盐水的膜蒸馏方法及蒸馏装置，属于高浓度盐水浓缩技术领域。
背景技术
膜蒸馏(MD)是膜技术与蒸馏技术有机的结合在一起的新型膜分离技术。它以膜两侧的蒸汽压作为传质推动力，具有能耗低、污染小、截留率高等优点，且能深度浓缩反渗透(RO)等膜分离工艺难以处理的高浓度海水、工业高含盐废水等。
公开号为CN102491577A的中国专利申请公开了一种多级串联膜蒸馏浓盐水淡化方法，该方法包括以下步骤：浓盐水蒸馏前的预热、膜蒸馏及蒸馏后蒸汽冷凝获得淡水，其中膜蒸馏采用3～5级膜蒸馏单元，每级膜蒸馏单元的膜组件的膜面积视操作规模不同使用不同个数膜组件，膜组件间采用串联方式连接，浓盐水经预热后依次进入3～5级膜蒸馏单元进行蒸馏，3～5级膜蒸馏单元之间进水需要保温。优点是多级连续性强易于工业化生产，缺点是在此过程中高温真空处理耗能较大，在最后一级采用盐酸反冲洗造成一定污染。
公开号为CN103663627A的中国专利申请公开了一种膜蒸馏浓缩及利用浓海水装置的浓缩方法，将海水淡化产生的浓盐水加热，然后用料液泵抽出，进入到非对称疏水中空纤维膜蒸馏组件，膜蒸馏浓缩的盐水部分回流到进水池，部分进入到结晶室进行结晶；透过膜蒸馏组件的水蒸汽在膜两侧压差驱动下到达冷侧，经过真空抽吸泵抽吸到冷凝器进行冷凝，形成淡水，收集到淡水箱。优点是通过结晶室的设置可以适当的减少膜污染，缺点是浓盐水加热耗能较大。
公开号为CN101302048的中国专利申请公开了一种利用经济能源的膜蒸馏海水淡化装置，包括膜组件、海水储罐和淡水储罐，膜组件热侧设有海水进、出口，冷侧设有蒸汽出口，所述膜组件的海水进口通过料液泵与海水储罐的出口相连接，膜组件的海水出口和蒸汽出口连接于同一热泵，热泵的海水出口与海水储罐相连接，热泵的淡水出口与淡水储罐的进口相连接，海水储罐的进口连接有海水加热装置。发明公开的淡化装置膜组件的海水出口和蒸汽出口连接于一热泵，实现了海水对蒸汽热量的回收，提高了能源使用效率，而且不需要专门的冷却设备对蒸汽进行冷凝，节省了制造成本。优点是成本低廉、能源使用效率高，缺点是未考虑到膜污染和处理方面的问题。
申请号为200520005444.0的专利公开了一种太阳能膜蒸馏装置，包括：热工质加热装置、膜组件、冷工质冷却装置、驱动装置和连接各部件的管路，在所述热工质加热装置中加入热太阳能加热装置，冷工质冷却装置采用太阳能冷却装置，驱动装置采用太阳能发电装置。优点是整个装置利用太阳能加热和冷却、驱动循环泵工作，采用的是清洁能源，缺点是制造成本较高。
公开号为CN106076121A的中国专利申请公开了一种膜蒸馏脱盐方法，本方法是一种采用多通道陶瓷膜进行膜蒸馏脱盐的分离工艺。利用有机物表面接枝改性的方法，对多通道陶瓷膜表面亲疏水性进行调控，制备出疏水性能良好的陶瓷膜。将改性后的陶瓷膜应用于膜蒸馏的脱盐过程，原料液中水分子以蒸汽形式透过膜孔，其中无机盐和大分子等物质则被截留，从而达到分离纯化的效果。优点是陶瓷膜增强了膜的强度，缺点是膜污染需要再处理，增加了运行成本。
发明内容
为了解决现有技术中存在的耗能大、成本高、存在酸污染等缺陷，本发明提供一种高浓度盐水的膜蒸馏方法及蒸馏装置。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种高浓度盐水的膜蒸馏方法，其特征在于：高浓度盐水以间歇式进料方式进入中空纤维膜组件装置。
本申请适于各种浓度盐水的处理，尤其是饱和度大于80％的高浓度盐水。
高浓度盐水以间歇式进料方式进入中空纤维膜组件装置，使原料液在流动过程中压力发生变化，进而引起附着在膜表面的沉积物疏松或脱落，减轻膜污染。
为了节约能源、减少膜污染，高浓度盐水的膜蒸馏方法，加热后的高浓度盐水，以间歇进料方式进入中空纤维膜组件装置，水蒸气通过中空纤维膜组件装置中的膜孔进入至中空纤维膜组件装置的管程，再利用吹气装置将中空纤维膜组件装置中的水蒸气吹扫至冷凝管冷凝后收集。
高浓度盐水以间歇式进料，使原料液在流动过程中压力发生变化，进而引起附着在膜表面的沉积物疏松或脱落，减轻膜污染。中空纤维膜组件装置，可灵活放大至多组多级排布，既可小规模装置处理，也可以大范围集的新型膜蒸馏高浓度盐水。
本发明通过间歇进料控制盐结晶，减少膜污染，操作简单，连续良好，同时采用太阳能集热装置为热源，降低装置运行成本。
一种用于高浓度盐水的膜蒸馏装置，包括加热装置、自吸泵、中空纤维膜组件装置、吹气装置、冷凝收集装置、时间继电器和第一电磁阀；加热装置、自吸泵、第一电磁阀和中空纤维膜组件装置顺序相接，时间继电器设在加热装置和自吸泵之间或者时间继电器设在自吸泵和第一电磁阀之间或者时间继电器并联在第一电磁阀上；吹气装置、中空纤维膜组件装置和冷凝收集装置顺序相接。
上述吹气装置包括气泵。
在上述膜蒸馏中，采用时间继电器及第一电磁阀实现间歇进料，产生的间歇流具备良好湍流效果且节约能耗。
上述在膜组件(中空纤维膜组件装置)的进口处设置第一电磁阀，时间继电器控制自吸泵与第一电磁阀的开停，使料液以间歇进料的方式进入组件，利用间歇流产生的瞬态变化压力波提高膜壳程热料液的湍流程度，强化膜上游侧液-膜界面的传质传热。
使用时，高浓度盐水由加热装置加热后，在自吸泵的作用下、及时间继电器和第一电磁阀的控制下，以间歇的方式进入中空纤维膜组件，水蒸气通过中空纤维膜组件装置中的膜孔进入至中空纤维膜组件装置的管程，再利用吹气装置将中空纤维膜组件装置中的水蒸气吹扫至冷凝管冷凝后收集。
为了减少能源浪费，加热装置、自吸泵、第一电磁阀、中空纤维膜组件装置和加热装置顺序相接、形成循环。
空纤维膜组件中的产生的浓盐水回流到加热装置。
为了更加准确第控制进入膜组件的流量，上述用于高浓度盐水的膜蒸馏装置，还包括三通阀，三通阀包括第一进口、第一出口和第二出口，三通阀的第一进口与自吸泵相接，三通阀的第一出口与电磁阀相接，三通阀的第二出口与加热装置相接。
这样可更好的实现流量的控制。
为了长时间连续运行，提高效率，冷凝收集装置包括冷凝管、渗透液收集器和低温冷却液循环泵，低温冷却液循环泵、冷凝管上的冷却水进口、冷凝管上的冷却水出口和低温冷却液循环泵依次连通、并形成循环；其中，中空纤维膜组件装置、冷凝管和渗透液收集器顺序相接。低温冷却液循环泵的作用是为了降低冷凝液的温度。
为了提高控制的准确性，冷凝收集装置还包括第一液体流量计，低温冷却液循环泵、第一液体流量计、冷凝管上的冷却水进口、冷凝管上的冷却水出口和低温冷却液循环泵依次连通、并形成循环。
为了方便使用，自吸泵和电磁阀之间设有第二液体流量计；吹气装置和中空纤维膜组件装置之间设有气体流量计；加热装置的进料口设有第二电磁阀和原水泵，原水泵、第二电磁阀和加热装置依次相接。
上述第二电磁阀与原水泵联动，由太阳能热水器内液位调节，液位低时打开进口电磁阀，启动原水泵，反之关闭。
为了更好地控制间歇进料，时间继电器有两个，分别为第一时间继电器和第二时间继电器，第一时间继电器设在加热装置和自吸泵之间，第二时间继电器并联在第一电磁阀上。
为了节约能源，同时提高装置的使用寿命，加热装置为太阳能热水循环进样装置，太阳能热水循环进样装置内设有太阳能热水器和恒温槽；中空纤维膜组件装置所用膜为聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜、聚四氟乙烯(PTFE)中空纤维膜或聚丙烯(PP)中空纤维膜。
高浓度盐水通过太阳能热水器加热后，以间歇的形式通过循环自吸泵进入恒温槽，流向中空纤维膜组件装置，水蒸气通过膜孔进入至组件的管程，同时采用吹气系统的气泵垂直向下吹扫膜腔侧的渗透蒸汽，在组件外经冷凝管冷凝成小液滴，并由渗透液收集器收集。
高浓度盐水通过太阳能热水器加热后进入恒温槽，通过循环自吸泵以间歇的形式流向中空纤维膜组件装置。
本申请各部件之间的所有连接管路、水泵和气混泵等均由耐腐蚀材料制备。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明高浓度盐水的膜蒸馏方法及蒸馏装置，通过间歇进料控制盐结晶，减少膜污染，操作简单，连续性好，同时显著降低装置投资和运行成本，且能耗低、无酸污染。
附图说明
图1为本发明用于高浓度盐水的膜蒸馏装置的结构示意图；
图2为三种膜系统(新膜a、300min稳定流膜蒸馏污染的膜b、300min间歇式膜蒸馏后污染的膜c)的SEM图。
图中，1浓盐水、2加热装置、3第一时间继电器、4自吸泵、5三通阀、6、第二液体流量计、7第一电磁阀、8第二时间继电器、9中空纤维膜组件装置、10气体流量计、11吹气装置、12、压力控制阀、13冷凝管、14渗透液收集器、15天平、16低温冷却液循环泵、17第一液体流量计。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
如图所示，用于高浓度盐水的膜蒸馏装置，包括加热装置、自吸泵、中空纤维膜组件装置、吹气装置、冷凝收集装置、三通阀、第一时间继电器、第二时间继电器和第一电磁阀；加热装置、自吸泵、第一电磁阀、中空纤维膜组件装置和加热装置顺序相接、形成循环，第一时间继电器设在加热装置和自吸泵之间，第二时间继电器并联在第一电磁阀上；吹气装置、中空纤维膜组件装置和冷凝收集装置顺序相接；三通阀包括第一进口、第一出口和第二出口，三通阀的第一进口与自吸泵相接，三通阀的第一出口与电磁阀相接，三通阀的第二出口与加热装置相接；中空纤维膜组件装置进口/出口的料液的温度、压强、流速分别有温度指示器TI、压力指示器PI及液体转子流量计测定，中空纤维膜组件装置出来的渗透液的电导率由电导率指示器CI测定。
冷凝收集装置包括冷凝管、渗透液收集器、第一液体流量计和低温冷却液循环泵，低温冷却液循环泵、第一液体流量计、冷凝管上的冷却水进口、冷凝管上的冷却水出口和低温冷却液循环泵依次连通、并形成循环；其中，中空纤维膜组件装置、冷凝管和渗透液收集器顺序相接；
自吸泵和电磁阀之间设有第二液体流量计；吹气装置和中空纤维膜组件装置之间设有气体流量计；加热装置的进料口设有第二电磁阀和原水泵，原水泵、第二电磁阀和加热装置依次相接；第二电磁阀与原水泵联动，由太阳能热水器内液位调节，液位低时打开进口电磁阀，启动原水泵，反之关闭；
加热装置为太阳能热水循环进样装置，太阳能热水循环进样装置内设有太阳能热水器和恒温槽；中空纤维膜组件装置所用膜为聚偏氟乙烯中空纤维膜。
上述在膜组件(中空纤维膜组件装置)的进口处设置第一电磁阀，时间继电器控制自吸泵与第一电磁阀的开停，使料液以间歇进料的方式进入组件，利用间歇流产生的瞬态变化压力波提高膜壳程热料液的湍流程度，强化膜上游侧液-膜界面的传质传热。
使用时，高浓度盐水由加热装置加热后，在自吸泵的作用下、及时间继电器和第一电磁阀的控制下，以间歇的方式进入中空纤维膜组件，热原料液与气泵吹的冷风通过各自流道逆流经过膜组件，由于温度差导致的蒸汽压差作用，热原料液中的一部分水分子会以蒸汽状态穿过膜的微孔，水蒸气通过中空纤维膜组件装置中的膜孔进入至中空纤维膜组件装置的管程，再利用吹气装置将中空纤维膜组件装置中的水蒸气吹扫至冷凝管冷凝后收集，并有天平称重。
高浓度盐水以间歇式进料方式进入中空纤维膜组件装置，使原料液在流动过程中压力发生变化，进而引起附着在膜表面的沉积物疏松或脱落，减轻膜污染。
稳定流膜蒸馏和间歇式膜蒸馏实例对比：配制饱和NaCl溶液。将聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜装入PP管膜组件壳中，进行实验前，用循环的去离子水通过组件壳程检查是否膜漏水。整个实验装置预运行30min确保通量的稳定。分别采用现有的连续性膜蒸馏和本申请的间歇式膜蒸馏方式，渗透液每五分钟记录一次。进料流速为50L/h，进料温度为333K，冷凝液温度为283K，气扫速度为0.84m3/h时。与稳定流相比，间歇流(间歇长度/间歇频率为1min-1/0.5s)的热效率为38.88％，相比与稳定流提高了56.71％；间歇流的产水通量跨膜通量为2.460L.m-2.h-1，相比连续流提高了16.08％；间歇流的产水电导率为10－25μs/cm。且间歇流可以有效延缓膜污染，防止了膜通量的急剧下降。
为了更好地找出稳定流膜蒸馏污染与间歇式膜蒸馏流条件下膜的渗透通量变化趋势，对实验后的膜形态进行结构表征，图2为三种膜系统(新膜、300min稳定流膜蒸馏污染的膜、300min间歇式膜蒸馏后污染的膜)的SEM图。
从图2(a)可清楚地看到新膜表面无晶体沉积物。由40倍SEM图可见，稳定流和间歇式膜蒸馏的膜均出现了膜污染现象。由图2(b)可见，稳定流膜蒸馏的膜表面完全被厚厚的NaCl晶体沉积层覆盖，且晶型完整，晶面光滑清晰。图2(c)显示间歇式膜蒸馏的膜的晶体沉积物的聚集密度减小，且晶体结构不规则。这是由于间歇式膜蒸馏造成的流体湍流效果，削弱膜表面温度/浓度边界层的厚度，不利于晶体的析出，同时也抑制了晶体沉积物在膜表面的附着，因此膜污染程度较小。再者，间歇式膜蒸馏形成的二次流对晶体的结晶过程造成不同程度的扰动，影响了NaCl的正常结晶，因此得到了不规整的晶体结构。
综上，本发明方法间歇式膜蒸馏流能够有效的控制膜污染，强化法对流体造成扰动，有效地抑制晶体的正常形成，导致膜面晶体富集程度最小，且有效的减少了晶体在膜表面的沉积，有效的控制膜蒸馏时的膜污染，具有良好的适用性。

Claims (10)

1.一种高浓度盐水的膜蒸馏方法，其特征在于：高浓度盐水以间歇式进料方式进入中空纤维膜组件装置。
2.如权利要求1所述的高浓度盐水的膜蒸馏方法，其特征在于：加热后的高浓度盐水，以间歇进料方式进入中空纤维膜组件装置，水蒸气通过中空纤维膜组件装置中的膜孔进入至中空纤维膜组件装置的管程，再利用吹气装置将中空纤维膜组件装置中的水蒸气吹扫至冷凝管冷凝后收集。
3.一种用于高浓度盐水的膜蒸馏装置，其特征在于：包括加热装置、自吸泵、中空纤维膜组件装置、吹气装置、冷凝收集装置、时间继电器和第一电磁阀；加热装置、自吸泵、第一电磁阀和中空纤维膜组件装置顺序相接，时间继电器设在加热装置和自吸泵之间或者时间继电器设在自吸泵和第一电磁阀之间或者时间继电器并联在第一电磁阀上；吹气装置、中空纤维膜组件装置和冷凝收集装置顺序相接。
4.如权利要求3所述的用于高浓度盐水的膜蒸馏装置，其特征在于：加热装置、自吸泵、第一电磁阀、中空纤维膜组件装置和加热装置顺序相接、形成循环。
5.如权利要求3或4所述的用于高浓度盐水的膜蒸馏装置，其特征在于：还包括三通阀，三通阀包括第一进口、第一出口和第二出口，三通阀的第一进口与自吸泵相接，三通阀的第一出口与电磁阀相接，三通阀的第二出口与加热装置相接。
6.如权利要求3或4所述的用于高浓度盐水的膜蒸馏装置，其特征在于：冷凝收集装置包括冷凝管、渗透液收集器和低温冷却液循环泵，低温冷却液循环泵、冷凝管上的冷却水进口、冷凝管上的冷却水出口和低温冷却液循环泵依次连通、并形成循环；其中，中空纤维膜组件装置、冷凝管和渗透液收集器顺序相接。
7.如权利要求6所述的用于高浓度盐水的膜蒸馏装置，其特征在于：冷凝收集装置还包括第一液体流量计，低温冷却液循环泵、第一液体流量计、冷凝管上的冷却水进口、冷凝管上的冷却水出口和低温冷却液循环泵依次连通、并形成循环。
8.如权利要求3或4所述的用于高浓度盐水的膜蒸馏装置，其特征在于：自吸泵和电磁阀之间设有第二液体流量计；吹气装置和中空纤维膜组件装置之间设有气体流量计；加热装置的进料口设有第二电磁阀和原水泵，原水泵、第二电磁阀和加热装置依次相接。
9.如权利要求3或4所述的用于高浓度盐水的膜蒸馏装置，其特征在于：时间继电器有两个，分别为第一时间继电器和第二时间继电器，第一时间继电器设在加热装置和自吸泵之间，第二时间继电器并联在第一电磁阀上。
10.如权利要求3或4所述的用于高浓度盐水的膜蒸馏装置，其特征在于：加热装置为太阳能热水循环进样装置，太阳能热水循环进样装置内设有太阳能热水器和恒温槽；中空纤维膜组件装置所用膜为聚偏氟乙烯中空纤维膜、聚四氟乙烯中空纤维膜或聚丙烯中空纤维膜。
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