CN109928461A - 一种板式膜蒸馏水处理装置及太阳能板式膜蒸馏淡化系统 - Google Patents

Abstract

一种板式膜蒸馏水处理装置及太阳能板式膜蒸馏淡化系统，从下至上依次包括相连在一起的第一进料端板、第一疏水微孔膜、第一膜支持网、真空冷却板、第二疏水微孔膜、第二膜支持网以及第二进料端板；真空冷却板内部设置有冷却水流道，真空冷却板底端设置有与冷却水通道相连通的冷却水流入孔，顶端设置有与冷却水通道相连通的冷却水流出孔；真空冷却板底端开设有与第一方形真空通道相连通的第一抽气孔，真空冷却板底端开设有与第二方形真空通道相连通的第二抽气孔。本发明以进料作为冷却液同时被预热，把蒸汽的冷凝潜热回收利用，提高了系统的能量利用率；通过设置膜支持网，膜蒸馏过程中膜不易损坏，增加了装置的耐久性和稳定性。

Description

一种板式膜蒸馏水处理装置及太阳能板式膜蒸馏淡化系统

技术领域

本发明具体涉及一种板式膜蒸馏水处理装置及太阳能板式膜蒸馏淡化系统，属于膜分离技术领域、海水淡化和节能环保领域。

背景技术

淡水是人类社会赖以生存的基本物质之一。但是由于地理环境和人口因素等，世界上许多国家和地区都出现不同程度的淡水短缺危机。目前，将海水等盐水淡化是解决淡水问题的重要方法之一。现有的海水淡化技术主要包括多级闪蒸技术和反渗透技术。多级闪蒸技术需要消耗高品位能源来获取淡水，具有成本较大的缺点。反渗透技术虽然不需要消耗大量能源，但对设备要求较高，系统较为复杂，初期投资成本较大。而膜蒸馏技术作为新兴的膜分离技术，与上述传统方法比较有较为显著的优势。

膜蒸馏以微孔疏水膜为介质，膜一侧与热料液直接接触，另一侧与冷却液直接或间接接触，跨膜温差导致的蒸汽压差推动热料液中挥发性组分以蒸汽形式透过膜孔，在组件内部的冷侧或外部的冷凝器中冷凝，从而实现分离的目的。膜蒸馏技术只需利用低品位热源或余热就可以产生淡水，同时具有脱盐率高、成本低的特点，应用前景广阔。

现有的膜蒸馏水处理装置主要是中空纤维式膜蒸馏装置、板式膜蒸馏装置和卷式膜蒸馏装置。中空纤维式膜蒸馏装置的膜丝数多，膜面积大，产水量较多，但是通量较少，总体产水效率较低。板式膜蒸馏设备具有高产水通量、高产水效率的特点，但由于膜面积较小，造成单位成本偏高。卷式膜又平板膜和格网绕柱状冷凝管卷制而成，膜面积比板式大，产水效率较高，但结构复杂，制作成本较高，且膜面易形变损坏。

近几年来，我国有关将板式膜蒸馏水处理装置的专利不断被公开和授权：

专利公布号CN106731852A的中国专利申请公布了一种板式真空膜蒸馏蒸发器及应用，通过将蒸发器联合组装形成高效紧凑的海水淡化系统，具有热利用效率高的特点。但缺点是装置复杂，制造成本过高，应用前景不强。

专利授权号CN204051448U的中国专利公布了一种高效平板膜蒸馏装置，通多交替设置冷夜室、相变室、热液室，达到高效利用热能的特点。缺点是装置结构复杂，整个过程热液温度不断降低，产水能力不高，无法商业化推广。

专利公布号CN107352624A的中国专利申请公布了一种高通量双平板减压膜蒸馏实验装置，通过在进液腔体板框上等距离设置3个斜进液孔和使用真空泵进行减压，使进料能量损失较小且膜组件产水量较大。缺点是膜没有支撑结构，且装置不紧凑，整体产水量有限。

发明内容

为了解决现有平板膜蒸馏技术中存在的装置复杂、成本高，整体产水效率和产水能力较低的缺陷，本发明的目的在于提出一种板式膜蒸馏水处理装置及太阳能板式膜蒸馏淡化系统，该装置结构简单而紧凑，盐水处理量大，具有产水通量高，产水能力强的特点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种板式膜蒸馏水处理装置，从下至上依次包括相连在一起的第一进料端板、第一疏水微孔膜、第一膜支持网、真空冷却板、第二疏水微孔膜、第二膜支持网以及第二进料端板；其中，第一进料端板与第二进料端板结构相同，第一疏水微孔膜与第二疏水微孔膜结构相同，第一膜支持网与第二膜支持网结构相同；

真空冷却板内部中心沿长度方向设置有冷却水流道，真空冷却板底端设置有与冷却水通道相连通的冷却水流入孔，顶端设置有与冷却水通道相连通的冷却水流出孔；真空冷却板上壁面上设置有第一方形真空通道，真空冷却板底端开设有与第一方形真空通道相连通的第一抽气孔，真空冷却板下壁面上设置有第二方形真空通道，真空冷却板底端开设有与第二方形真空通道相连通的第二抽气孔。

本发明进一步的改进在于，第一疏水微孔膜、第一膜支持网与真空冷却板为长方体状均为长方体状。

本发明进一步的改进在于，第一疏水微孔膜由聚偏氟乙烯制成。

本发明进一步的改进在于，第一膜支持网为聚丙烯栅格网，第一膜支持网内设有8×18个栅格。

本发明进一步的改进在于，第一进料端板、第一疏水微孔膜、第一膜支持网、真空冷却板、第二疏水微孔膜、第二膜支持网以及第二进料端板通过螺栓连接。

本发明进一步的改进在于，第一进料端板内部中心沿长度方向设置有热水流道，第一进料端板底端设置有与热水流道相连通的热水进口，第一进料端板顶端设置有与热水流道相连通的热水出口，热水流道的一侧设置有进料孔，另一侧设置有出料孔，进料孔与出料孔均沿沿长度方向设置；第一进料端板表面设置有与进料孔相连通的若干流出孔，第一进料端板表面还设置有与出料孔相连通的若干流入孔，料从进料孔中进入，经过流出孔流入到第一进料端板表面，再经过流入孔进入到出料孔流出。

本发明进一步的改进在于，所述第一进料端板和第一疏水微孔膜之间、第二进料端板和第二疏水微孔膜之间均通过设置有方形垫圈，第一进料端板、方形垫圈和第一疏水微孔膜形成第一空气隔层，第二进料端板、方形垫圈和第二疏水微孔膜之间形成第二空气隔层；料液经料液进料孔从第一进料端板表面的多个料液流入孔流至对应空气隔层，待充满空气层后由多个料液流出孔流出至出料孔，最后流出。

本发明进一步的改进在于，料液中因蒸发产生的水蒸气透过第一疏水微孔膜、第一膜支持网后在真空冷却板一侧壁面，冷却成液态水，并通过第一抽气孔流出；

料液中因蒸发产生的水蒸气透过第二疏水微孔膜、第二膜支持网后在真空冷却板(103)另一侧壁面，冷却成液态水，并通过第二抽气孔流出。

一种基于上述板式膜蒸馏水处理装置的太阳能板式膜蒸馏淡化系统，包括板式膜蒸馏水处理装置、太阳能真空管集热器、第一自吸泵、第二自吸泵、第三自吸泵、冷水箱、蓄热水箱、换热器、进料箱、冷凝水收集箱、空泵和浓缩液储罐；

其中，所述太阳能真空管集热器经蓄热水箱、第二自吸泵、换热器、冷水箱与第一自吸泵入口相连，第一自吸泵出口与太阳能真空管集热器相连，形成太阳能热水第一循环：

所述太阳能真空管集热器经蓄热水箱、第二自吸泵、板式膜蒸馏水处理装置、冷水箱与第一自吸泵入口相连，第一自吸泵出口与太阳能真空管集热器相连，形成太阳能热水第二循环：

所述进料箱通过第三自吸泵和板式膜蒸馏水处理装置的真空冷却板上的冷却水流入孔连接，冷却水蒸气后同时被预热，然后进入换热器进一步被加热，再被输送至板式膜蒸馏水处理装置的第一进料端板和第二进料端板上的进料孔，进行膜蒸馏过程，浓缩后进入浓缩液储罐，完成膜蒸馏水处理循环。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过设置真空冷却板，以进料作为冷却液同时被预热，把蒸汽的冷凝潜热回收利用，提高了系统的能量利用率；本发明通过设置膜支持网，膜蒸馏过程中膜不易损坏，增加了装置的耐久性和稳定性。

进一步的，本发明的板式膜蒸馏水处理装置整体结构简单，通过六个定位孔和螺栓即可连接好，易于安装拆卸。

本发明通过设置太阳能真空管集热器，利用太阳能作为输入能源，成本低廉，适合商业推广，特别是在高原阳光充足地带的咸水地区；通过太阳能热水第一循环和第二循环，保证了在整个膜蒸馏过程中，料液温度始终保持在一个较高的水平，从而保证了系统产水通量始终处在一个较高的的水平；通过耦合真空泵减压和冷却水冷凝，强化膜蒸馏两侧的压差，提高膜两侧传质动力，进一步提高膜的产水通量；可以通过引入联集管并联多个板式膜蒸馏水处理装置，增加盐水处理能力，可规模化建设，应用前景广泛。

本发明利用太阳能作为热能输入端给膜蒸馏过程提供能量，一方面加热料液，一方面在膜蒸馏过程中持续输入热能，保证膜蒸馏过程中料液温度一直处于一个较高的水平；此外，太阳能热水第一循环、太阳能热水第二循环和膜蒸馏水处理循环，保证了在整个膜蒸馏过程中，料液温度始终保持在一个较高的水平，从而保证了系统产水通量始终处在一个较高的水平，还通过将真空层和冷凝壁面耦合，强化膜两侧蒸汽压差，进一步提高膜两侧传质动力，增加膜的产水通量。

附图说明

图1是本发明板式膜蒸馏水处理装置的立体结构示意图。

图2是本发明疏水微孔膜的结构示意图。

图3是本发明膜支持网的结构示意图。

图4是本发明真空冷却板的结构示意图。

图5是本发明进料端板的结构示意图。

图6是本发明由板式膜蒸馏水处理装置等组成的太阳能板式膜蒸馏淡化系统示意图。

图中各标号为：1为板式膜蒸馏水处理装置，2为浓缩液储罐，3为真空泵，4为冷凝水收集箱，5为第三自吸泵，6为进料箱，7为冷水箱，8为第二自吸泵，9为太阳能真空管集热器，10为储热水箱，11为第一自吸泵，12为换热器，100为第二进料端板，101为第二膜支持网，102为第二疏水微孔膜，103为真空冷却板，104为第一进料端板，105为第一疏水微孔膜，106为第一膜支持网，200为疏水微孔膜，201为膜定位孔，300为膜支持网，301为支持网定位孔，302为栅格，400为真空冷却板，401为冷却板定位孔，402为第一方形真空通道，403为第一抽气孔，404为冷却水流入孔，405为第二抽气孔，406为冷却水流道，407为第二方形真空通道，408为冷却水流出孔，500为料液端板，501为料液流出孔，502为进料板定位孔，503为出料孔，504为热水进口，505为料液流入孔，506为进料孔，507为热水出口，508为热水流道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明的一种板式膜蒸馏水处理装置，如图1所示，从下至上依次包括第一进料端板104、第一疏水微孔膜105、第一膜支持网106、真空冷却板103、第二疏水微孔膜102、第二膜支持网101以及第二进料端板100；其中，第一进料端板104与第二进料端板100结构相同，第一疏水微孔膜105与第二疏水微孔膜102结构相同，第一膜支持网106与第二膜支持网101结构相同。

参见图2，第一疏水微孔膜105由聚偏氟乙烯(PVDF)制成，第一疏水微孔膜105为长方体状，在四角和长边中点处设有六个膜定位孔201。

参见图3，第一膜支持网106为聚丙烯栅格网，内设有8×18个栅格302，用于支持第一膜支持网106，第一膜支持网106为长方体状，在四角和长边中点处设有六个支持网定位孔301。

参见图4，真空冷却板103内部中心沿长度方向设置有冷却水流道406，真空冷却板103底端设置有与冷却水通道406相连通的冷却水流入孔404，顶端设置有与冷却水通道406相连通的冷却水流出孔408；真空冷却板103上壁面上设置有第一方形真空通道402，真空冷却板103底端开设有与第一方形真空通道402相连通的第一抽气孔403，真空冷却板103下壁面上设置有第二方形真空通道407，真空冷却板103底端开设有与第二方形真空通道407相连通的第二抽气孔405，第一方形真空通道402与第二方形真空通道407用于形成真空层，真空冷却板400为长方体状，四角处和长边中点处还设有六个冷却板定位孔401。

参见图5，第一进料端板104内部中心沿长度方向设置有热水流道508，第一进料端板104底端设置有与热水流道508相连通的热水进口504，第一进料端板104顶端设置有与热水流道508相连通的热水出口507，热水流道508的一侧设置有进料孔506，另一侧设置有出料孔503，进料孔506与出料孔503均沿沿长度方向设置。第一进料端板104表面设置有与进料孔506相连通的若干料液流出孔505，第一进料端板104表面还设置有与出料孔503相连通的若干料液流入孔501。料从进料孔506中进入，经过料液流出孔505流入到第一进料端板104表面，再经过料液流入孔501进入到出料孔503流出。

特别的，所述方形垫圈尺寸保证在安装时大于五个料液流入孔501和五个料液流出孔505围成的方形区域，但小于六个端板进料板定位孔502围成的方形区域，由此形成空气隔层，且具有良好的密封效果。

热水流道508中通入热水，热水从热水流道508流过，用于加入膜蒸馏过程中的料液，从而保证料液温度在整个膜蒸馏过程都处于较高水平。

料液端板500的四角处和长边中点处还一共设有六个端板进料板定位孔502。

参见图1，第一进料端板104、第一疏水微孔膜105、第一膜支持网106、真空冷却板103、第二疏水微孔膜102、第二膜支持网101以及第二进料端板100由六个长螺栓通过各个零件的定位孔连接并压紧，组成板式膜蒸馏水处理装置。

如图1所示，所述第一进料端板104和第一疏水微孔膜105之间、第二进料端板100和第二疏水微孔膜102之间均通过设置一个方形垫圈。特别的，所述方形垫圈尺寸保证在安装时大于五个料液流入孔501和五个料液流出孔505围成的方形区域，但小于六个端板进料板定位孔502围成的方形区域，由此形成空气隔层，且保证了密封效果。由此第一进料端板104、方形垫圈与第一疏水微孔膜105形成一个空气隔层，第二进料端板100、方形垫圈与第二疏水微孔膜102形成一个空气隔层；料液经进料孔506从料液端板内侧面的五个流入孔501流至形成的空气隔层，待充满空气隔层后由对应的五个流出孔505流出至出料孔503，最后从顶部流出。

料液中因蒸发产生的水蒸气透过第一疏水微孔膜105、第一膜支持网106后在真空冷却板103一侧壁面，冷却成液态水，并通过第一抽气孔403流出。

料液中因蒸发产生的水蒸气透过第二疏水微孔膜102、第二膜支持网101后在真空冷却板103另一侧壁面，冷却成液态水，并通过第二抽气孔405流出。

一种基于上述板式膜蒸馏水处理装置的太阳能板式膜蒸馏淡化系统，如图6所示，将板式膜蒸馏水处理装置1、太阳能真空管集热器9、第一自吸泵11、第二自吸泵8、第三自吸泵5、冷水箱7、蓄热水箱10、换热器12、进料箱6、冷凝水收集箱4、真空泵3和浓缩液储罐2等组成太阳能板式膜蒸馏淡化系统；

其中，所述太阳能真空管集热器9依次和蓄热水箱10、第二自吸泵11、换热器12、冷水箱7、第一自吸泵8组成太阳能热水第一循环：第一自吸泵11先将冷水箱7的水输送至太阳能真空管集热器9进行加热，然后送入蓄热水箱10存储，第二自吸泵8再将存储的热水输送至换热器12，用于加热料液，换热后的低温水再次进入冷水箱7，从而完成一个太阳能热水循环。

其中，所述太阳能真空管集热器9依次和蓄热水箱10、第二自吸泵11、板式膜蒸馏水处理装置1、冷水箱7、第一自吸泵8组成太阳能热水第二循环：蓄热水箱10的热水通过第二自吸泵11被输送至板式膜蒸馏水处理装置1的最左侧的第一进料端板104和最右侧的第二进料端板100上的热水流道，用于补充料液在膜蒸馏过程损失的热量，然后再回到冷水箱7，通过第一自吸泵8输送至太阳能真空管集热器9后回到蓄热水箱10，从而完成太阳能热水第二循环；

其中，所述的进料箱6通过第三自吸泵5和板式膜蒸馏水处理装置1的真空冷却板103上的冷却水流入孔404连接，冷却蒸汽后同时被预热，然后进入换热器12进一步被加热，再被输送至板式膜蒸馏水处理装置1的最左侧的第一进料端板104和最右侧的第二进料端板100上的进料孔，进行膜蒸馏过程，浓缩后进入浓缩液储罐2，完成膜蒸馏水处理循环。

本发明通过设计三个循环：太阳能热水第一循环、太阳能热水第二循环和膜蒸馏水处理循环，保证了在整个膜蒸馏过程中，料液温度始终保持在一个较高的水平，从而保证了系统产水通量始终处在一个较高的水平。而且通过耦合真空泵减压和冷却水冷凝，强化膜蒸馏两侧的压差，提高膜两侧传质动力，进一步提高膜的产水通量。本发明采用太阳能作为输入能源，成本低廉，适合商业推广，特别是在高原阳光充足地带的咸水地区。此外，可以通过引入联集管并联多个板式膜蒸馏水处理装置，形成规模化的水处理系统，盐水处理能力大为增加，应用前景十分广泛。

本发明的工作原理可以概括为：利用太阳能作为热能输入端给膜蒸馏过程提供能量，一方面加热料液，一方面在膜蒸馏过程中持续输入热能，保证膜蒸馏过程中料液温度一直处于一个较高的水平；此外，还通过将真空层和冷凝壁面耦合，强化膜两侧蒸汽压差，进一步提高膜两侧传质动力，增加膜的产水通量。

Claims (9)

1.一种板式膜蒸馏水处理装置，其特征在于，从下至上依次包括相连在一起的第一进料端板(104)、第一疏水微孔膜(105)、第一膜支持网(106)、真空冷却板(103)、第二疏水微孔膜(102)、第二膜支持网(101)以及第二进料端板(100)；

真空冷却板(103)内部中心沿长度方向设置有冷却水流道(406)，真空冷却板(103)底端设置有与冷却水通道(406)相连通的冷却水流入孔(404)，顶端设置有与冷却水通道(406)相连通的冷却水流出孔(408)；真空冷却板(103)上壁面上设置有第一方形真空通道(402)，真空冷却板(103)底端开设有与第一方形真空通道(402)相连通的第一抽气孔(403)，真空冷却板(103)下壁面上设置有第二方形真空通道(407)，真空冷却板(103)底端开设有与第二方形真空通道(407)相连通的第二抽气孔(405)。

2.根据权利要求1所述的一种板式膜蒸馏水处理装置，其特征在于，第一疏水微孔膜(105)、第一膜支持网(106)与真空冷却板(400)为长方体状均为长方体状。

3.根据权利要求1所述的一种板式膜蒸馏水处理装置，其特征在于，第一疏水微孔膜(105)由聚偏氟乙烯制成。

4.根据权利要求1所述的一种板式膜蒸馏水处理装置，其特征在于，第一膜支持网(106)为聚丙烯栅格网，第一膜支持网(106)内设有8×18个栅格(302)。

5.根据权利要求1所述的一种板式膜蒸馏水处理装置，其特征在于，第一进料端板(104)、第一疏水微孔膜(105)、第一膜支持网(106)、真空冷却板(103)、第二疏水微孔膜(102)、第二膜支持网(101)以及第二进料端板(100)通过螺栓连接。

6.根据权利要求1所述的一种板式膜蒸馏水处理装置，其特征在于，第一进料端板(104)内部中心沿长度方向设置有热水流道(508)，第一进料端板(104)底端设置有与热水流道(508)相连通的热水进口(504)，第一进料端板(104)顶端设置有与热水流道(508)相连通的热水出口(507)，热水流道(508)的一侧设置有进料孔(506)，另一侧设置有出料孔(503)，进料孔(506)与出料孔(503)均沿沿长度方向设置；第一进料端板(104)表面设置有与进料孔(506)相连通的若干流出孔(505)，第一进料端板(104)表面还设置有与出料孔(503)相连通的若干流入孔(501)，料从进料孔(506)中进入，经过流出孔(505)流入到第一进料端板(104)表面，再经过流入孔(501)进入到出料孔(503)流出。

7.根据权利要求1所述的一种板式膜蒸馏水处理装置，其特征在于，所述第一进料端板(104)和第一疏水微孔膜(105)之间、第二进料端板(100)和第二疏水微孔膜(102)之间均通过设置有方形垫圈，第一进料端板(104)、方形垫圈和第一疏水微孔膜(105)形成第一空气隔层，第二进料端板(100)、方形垫圈和第二疏水微孔膜(102)之间形成第二空气隔层；料液经料液进料孔(506)从第一进料端板(104)表面的多个料液流入孔(501)流至对应空气隔层，待充满空气层后由多个料液流出孔(505)流出至出料孔(503)，最后流出。

8.根据权利要求1所述的一种板式膜蒸馏水处理装置，其特征在于，料液中因蒸发产生的水蒸气透过第一疏水微孔膜(105)、第一膜支持网(106)后在真空冷却板(103)一侧壁面，冷却成液态水，并通过第一抽气孔(403)流出；

料液中因蒸发产生的水蒸气透过第二疏水微孔膜(102)、第二膜支持网(101)后在真空冷却板(103)另一侧壁面，冷却成液态水，并通过第二抽气孔(405)流出。

9.一种基于权利要求1-8中任意一项所述板式膜蒸馏水处理装置的太阳能板式膜蒸馏淡化系统，其特征在于，包括板式膜蒸馏水处理装置(1)、太阳能真空管集热器(9)、第一自吸泵(11)、第二自吸泵(8)、第三自吸泵(5)、冷水箱(7)、蓄热水箱(10)、换热器(12)、进料箱(6)、冷凝水收集箱(4)、空泵(3)和浓缩液储罐(2)；

其中，所述太阳能真空管集热器(9)经蓄热水箱(10)、第二自吸泵(11)、换热器(12)、冷水箱(7)与第一自吸泵(8)入口相连，第一自吸泵(8)出口与太阳能真空管集热器(9)相连，形成太阳能热水第一循环：

所述太阳能真空管集热器(9)经蓄热水箱(10)、第二自吸泵(11)、板式膜蒸馏水处理装置(1)、冷水箱(7)与第一自吸泵(8)入口相连，第一自吸泵(8)出口与太阳能真空管集热器(9)相连，形成太阳能热水第二循环：

所述进料箱(6)通过第三自吸泵(5)和板式膜蒸馏水处理装置(1)的真空冷却板(103)上的冷却水流入孔(404)连接，冷却水蒸气后同时被预热，然后进入换热器(12)进一步被加热，再被输送至板式膜蒸馏水处理装置(1)的第一进料端板(104)和第二进料端板(100)上的进料孔，进行膜蒸馏过程，浓缩后进入浓缩液储罐(2)，完成膜蒸馏水处理循环。