CN109876663A - 一种基于死端正渗透技术的藻液脱水装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于死端正渗透技术的藻液脱水装置及方法，脱水装置包括渗透装置、搅拌装置和汲取液循环系统，渗透装置包括正渗透膜、上箱体和下箱体，上箱体和下箱体通过螺栓相互连接，上箱体内上下贯通设置有藻液存储槽，下箱体上表面设置有汲取液循环槽，上箱体和下箱体之间设置有密封圈，正渗透膜夹置于上箱体和下箱体之间；搅拌装置包括驱动电机、连接杆和搅拌桨，驱动电机的输出轴与连接杆一端相连，连接杆另一端连接位于藻液存储槽内底部的搅拌桨；汲取液循环系统包括蠕动泵、连接管道及汲取液存储器，应用该脱水装置的藻类脱水方法，使藻液可以用较低能量消耗，浓缩得到较低含水率的滤饼层。

Description

一种基于死端正渗透技术的藻液脱水装置及方法

技术领域

本发明涉及藻液脱水领域，特别是涉及一种基于死端正渗透原理的藻液脱水装置及方法。

背景技术

微藻是低等植物,其种类繁多、分布极其广泛,海洋、淡水湖泊等水域均有微藻存在。其特有的化学组成和结构使其成为最有潜力的生物柴油和生物质油的优良原料。化石能源蕴藏量逐渐下降,温室气体排放日益严重,发展微藻生物能源被认为是一种最具前景替代能源。微藻浓缩脱水是微藻生物能源生产中的关键技术之一。

现有的微藻浓缩脱水技术,一般采用浓缩和脱水串联处理的方式,浓缩方法主要有膜过滤法、气浮法和沉淀法，其中膜滤法以其不会对藻液造成二次污染而被广泛研究和应用。膜虑法有错流和死端两种操作方式。错流即水流在膜表面产生两个分力，一个是垂直于膜面的法向力，使水分子透过膜面，另一种是垂直于膜面的切向力，把膜面的截留冲刷掉。死端即水流在膜面上方只产生垂直于膜面的力，随着过滤时间增长，被截留颗粒将在膜表面形成污染层，使过滤阻力增加。

现有使用膜进行藻浓缩技术中，一般使用错流系统对藻进行浓缩，即藻液侧通过管道和泵对藻液循环，在膜面上形成剪切力，进而降低浓差极化和膜污染。然而在错流系统中，藻液侧的管路中持有大量藻液，为了达到循环，管道中仅能为流态，因而当藻液浓缩到一定浓度后将无法进一步循环脱水。因此现有的膜浓缩藻技术仅停留在藻浓缩层面，还需要经过浓缩后的藻液中的含水率仍然高达以上,需要再进一步做脱水处理。

在脱水阶段主要有离心脱水法和机械压滤法,进行进一步脱水可以使藻液中的含水率降到85％左右。离心脱水使利用藻液中微藻与培养液比重不同从而具有不同离心力的原理使微藻和培养液脱离，离心脱水主要问题是能耗过高；机械压滤是通过对藻液施加外加压力，利用压滤机中滤布或筛网具有不同的透过孔径，对藻液中的微藻进行拦截过滤，而水分子由于具有更小的体积，故而通过小孔而进行脱水，机械压滤存在的主要问题是运行密封性低，容易造成污染，滤布或筛网的清洗需要大量的水源，耗水量大。另外，用这两种方法对藻液脱水时也可能要掺入絮凝剂，影响微藻产业附加产品的纯度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有膜法浓缩脱水微藻技术中因管路持有量而无法进行进一步脱水，而现有藻类脱水技术能耗高，以及膜虑技术中死端操作方式膜污染严重等技术问题，提供一种基于死端正渗透技术的藻液脱水装置及方法，死端操作方式可以有效减少错流操作方式中管路对藻液的持有量，使藻液可以进一步在正渗透的渗透压驱动下脱水至含水率较低的滤饼层。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于死端正渗透技术的藻液脱水装置，包括渗透装置、搅拌装置和汲取液循环系统，所述渗透装置包括正渗透膜、上箱体和下箱体，所述上箱体和下箱体通过螺栓相互连接，所述上箱体内上下贯通设置有藻液存储槽，所述下箱体上表面设置有汲取液循环槽，所述上箱体和下箱体之间设置有密封圈，所述正渗透膜夹置于上箱体和下箱体之间；

所述搅拌装置包括驱动电机、连接杆和搅拌桨，所述驱动电机的输出轴与连接杆一端相连，连接杆另一端连接位于藻液存储槽内底部的搅拌桨；

所述汲取液循环系统包括蠕动泵、连接管道及汲取液存储器，所述汲取液循环槽内两侧开设有长方形凹槽，所述长方形凹槽通过连接管道与汲取液存储器相连通形成一条循环管路，所述蠕动泵用于为该循环管路提供循环动力。

进一步的，所述藻液存储槽的长、宽、高分别为10cm、6cm和60cm。

进一步的，所述汲取液循环槽的长、宽、高分别为10cm、6cm和2mm。

一种基于死端正渗透技术的藻液脱水方法，包括以下步骤：

(1)组装渗透装置：将正渗透膜置于藻液存储槽与汲取液循环槽之间，也即上箱体和下箱体之间，并通过螺栓将上箱体和下箱体连接固定；

(2)配制汲取液：将NaCl、MgCl₂、海盐、葡萄糖、果糖其中的一种或多种作为溶质溶解于去离子水中配置汲取液；根据浓缩要求，汲取液浓度大于藻液渗透压的浓度且小于汲取液达到饱和度的浓度；

(3)调节藻液pH:将带脱水藻液pH调节至6～8；

(4)打开蠕动泵，使汲取液从汲取液存储器输出，经汲取液循环槽，充满汲取液循环槽后循环回汲取液存储器；所述汲取液循环槽的汲取液流速为3～10cm/s；

(5)调节搅拌装置，使搅拌桨置于藻液存储槽中，打开搅拌装置开关并设置搅拌桨转速为0～500r/min；

(6)加入藻液：向藻液存储器中加入少于藻液存储槽体积的待脱水藻液，使藻液进行脱水；根据藻液存储槽体积，待藻液存储槽中藻液高度下降到搅拌桨以下时，继续加入待脱水藻液；

(7)刮藻泥：待汲取液存储器液面不再变化，脱水结束，在正渗透膜表面得到滤饼层，即藻泥；关闭搅拌装置和蠕动泵，将搅拌桨移出藻液存储器；打开螺栓，将藻液存储器移除放置一侧，取下正渗透膜，使用刮板将藻泥刮至藻泥收集容器；

(8)清洗正渗透膜：将正渗透膜放置于去离子水中，并用脱脂棉擦拭正渗透膜表面。与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.通过采用死端操作方式，在膜上方设置藻液存储槽，减少了传统错流技术中藻液侧管路对藻液的持有，进而使此装置不仅可以用于藻浓缩，还可以使藻液进一步脱水至含较低含水率的滤饼。

2.通过利用通量恢复高的正渗透膜作为脱水介质，使此系统即使形成含水率较低的滤饼层，依然可以通过简单水力冲洗恢复原始通量，进而使此装置重复使用性增高。

3.本发明通过使用正渗透技术无需外加压力，利用膜两侧渗透压驱动水的走向，使得正渗透的膜污染较其他膜虑技术轻，能耗较低，且通量恢复高。

4.本发明不仅局限于微藻脱水中，还可以在污泥脱水、果汁浓缩、污水处理等需要得到高浓缩倍数或高溶质截留率的领域。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是汲取液循环槽的俯视结构示意图。

附图标记：1-藻液存储槽，2-汲取液循环槽，3-正渗透膜，4-驱动电机，5-连接杆，6-搅拌桨，7-连接管道，8-汲取液存储器，9-蠕动泵，10-上箱体,11-下箱体，12-长方形凹槽，13-连接孔

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图2所示，一种基于死端正渗透技术的藻液脱水装置，包括渗透装置、搅拌装置和汲取液循环系统，渗透装置包括正渗透膜3、上箱体10和下箱体11，上箱体10和下箱体11的四角均相对应的设有连接孔13，并通过螺栓相互连接，上箱体10内上下贯通设置有藻液存储槽1，需要脱水的藻液加入藻液存储槽1，通过搅拌装置对藻液进行搅拌降低浓差极化。下箱体11上表面设置有汲取液循环槽2，上箱体10和下箱体11之间设置有密封圈，正渗透膜3夹置于上箱体10和下箱体11之间；

搅拌装置包括驱动电机4、连接杆5和搅拌桨6，驱动电机4的输出轴与连接杆5一端相连，连接杆5另一端连接搅拌桨6；搅拌桨6降低至正渗透膜3上方可控的最低处。使得正透膜组件的藻液侧浓差极化降低。

汲取液循环系统包括蠕动泵9、连接管道7及汲取液存储器8，汲取液循环槽2内两侧开设有长方形凹槽12，长方形凹槽12通过连接管道7与汲取液存储器8相连通形成一条循环管路，蠕动泵用于为该循环管路提供循环动力。汲取液由蠕动泵9驱动在汲取液循环槽2进行循环脱水。

藻液脱水的具体的操作包括以下步骤：

1)组装渗透装置：将正渗透膜置于藻液存储槽与汲取液循环槽之间，通过螺栓固定。

2)汲取液配制：本实施例中配制3L浓度为5M氯化钠溶液作为汲取液，存放于体积为5L的汲取液存储器8中。

3)调节藻液pH:将待脱水藻液pH调节至中性，pH范围为6～8。

4)打开蠕动泵，使汲取液从汲取液存储器输出，经汲取液循环槽，充满汲取液循环槽后循环回汲取液存储器。汲取液循环槽的汲取液流速为6.5cm/s。

5)调节搅拌装置，使搅拌桨调节至膜面上1cm处打开装置开关，设置转速为300r/min。

6)加入藻液：将调节好pH的300ml浓度为0.1％的铜绿微囊藻加入到藻液存储器中，使藻液开始脱水，待藻液存储器中藻液高度下降至距膜面1cm时，继续加入待脱水藻液；。

7)刮藻泥：待汲取液存储器液面不再变化，脱水结束，在膜表面得到滤饼层，即藻泥。关闭搅拌装置和蠕动泵，将搅拌桨移出藻液存储器。打开螺栓，将藻液存储器移除放置一侧，取下正渗透膜，使用盖玻片将藻泥刮至烧杯。

8)膜清洗：将正渗透膜放在盛有去离子水的量筒中，并用脱脂棉擦拭膜表面，去除膜表面污染物，使通量恢复最初通量。

本实施例中得到的藻泥含水率为75.29％，通量恢复率为99.57％。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于死端正渗透技术的藻液脱水装置，其特征在于，包括渗透装置、搅拌装置和汲取液循环系统，所述渗透装置包括正渗透膜、上箱体和下箱体，所述上箱体和下箱体通过螺栓相互连接，所述上箱体内上下贯通设置有藻液存储槽，所述下箱体上表面设置有汲取液循环槽，所述上箱体和下箱体之间设置有密封圈，所述正渗透膜夹置于上箱体和下箱体之间；

所述搅拌装置包括驱动电机、连接杆和搅拌桨，所述驱动电机的输出轴与连接杆一端相连，连接杆另一端连接位于藻液存储槽内底部的搅拌桨；

所述汲取液循环系统包括蠕动泵、连接管道及汲取液存储器，所述汲取液循环槽内两侧开设有长方形凹槽，所述长方形凹槽通过连接管道与汲取液存储器相连通形成一条循环管路，所述蠕动泵用于为该循环管路提供循环动力。

2.根据权利要求1所述一种基于死端正渗透技术的藻液脱水装置，其特征在于，所述藻液存储槽的长、宽、高分别为10cm、6cm和60cm。

3.根据权利要求1所述一种基于死端正渗透技术的藻液脱水装置，其特征在于，所述汲取液循环槽的长、宽、高分别为10cm、6cm和2mm。

4.一种基于死端正渗透技术的藻液脱水方法，基于权利要求1所述藻液脱水装置，其特征在于，包括以下步骤：

(1)组装渗透装置：将正渗透膜置于藻液存储槽与汲取液循环槽之间，也即上箱体和下箱体之间，并通过螺栓将上箱体和下箱体连接固定；

(2)配制汲取液：将NaCl、MgCl₂、海盐、葡萄糖、果糖其中的一种或多种作为溶质溶解于去离子水中配置汲取液；根据浓缩要求，汲取液浓度大于藻液渗透压的浓度且小于汲取液达到饱和度的浓度；

(3)调节藻液pH:将带脱水藻液pH调节至6～8；

(4)打开蠕动泵，使汲取液从汲取液存储器输出，经汲取液循环槽，充满汲取液循环槽后循环回汲取液存储器；所述汲取液循环槽的汲取液流速为3～10cm/s；

(5)调节搅拌装置，使搅拌桨置于藻液存储槽中，打开搅拌装置开关并设置搅拌桨转速为0～500r/min；

(6)加入藻液：向藻液存储器中加入少于藻液存储槽体积的待脱水藻液，使藻液进行脱水；根据藻液存储槽体积，待藻液存储槽中藻液高度下降到搅拌桨以下时，继续加入待脱水藻液；

(7)刮藻泥：待汲取液存储器液面不再变化，脱水结束，在正渗透膜表面得到滤饼层，即藻泥；关闭搅拌装置和蠕动泵，将搅拌桨移出藻液存储槽；打开螺栓，将藻液存储槽移除放置一侧，取下正渗透膜，使用刮板将藻泥刮至藻泥收集容器；

(8)清洗正渗透膜：将正渗透膜放置于去离子水中，并用脱脂棉擦拭正渗透膜表面。