CN109956527A - 一种通电自加热的膜蒸馏装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通电自加热的膜蒸馏装置，该装置包括两个循环，热循环回路和冷循环回路，其中热循环回路由热侧蠕动泵提供动力，与进料水箱、膜组件组成一个循环。冷循环回路由冷侧蠕动泵提供动力，与膜组件、蒸馏水箱，冷凝槽组成循环，蒸馏水箱的实时质量变化由天平及计量软件测量以确定膜通量变化，电导率仪用来实时监控蒸馏液的电导率变化，膜组件中进料侧膜面与电极及电源相连，所使用的膜为碳纳米管‑PTFE复合膜，通电后可放出大量热量，自动加热流经组件的料液。该复合膜不仅可以缓解PTFE膜自身原本的膜污染和膜润湿现象，另一方面还可以大大减少能耗，具有很好的发展前景。

Description

一种通电自加热的膜蒸馏装置

技术领域

本发明属于膜处理废水领域，具体来说，涉及一种通电自加热的膜蒸馏装置。

背景技术

随着世界经济的发展和人口的爆炸性增长，对于水的需求愈发愈多，而我国作为世界第一人口大国，人均淡水量仅占全世界人均的四分之一，是世界上最缺水的国家之一，对于水尤其是淡水的需求更为迫切，而且水也是推动工业发展的一种重要资源。如果含高盐分的海水能够得到有效淡化和处理，将会是补充工业和生活用水的重要来源，而膜技术处理是目前实现海水淡化的一种重要手段，而且作为新兴的污水处理技术，也可以弥补传统生化处理工艺的不足。故如何改进膜处理技术的效率和适用性，成为了一个重要议题。

现有的膜处理技术主要有电渗析，反渗透，正渗透等，然而电渗析脱盐效率不高，而且由于海水的高电导率，导致其运行和维护成本高，电极板易腐蚀。而反渗透等压力推动膜分离技术，虽是目前最常用的处理技术，但无法处理高盐度废水，而且操作压力大，膜污染也较为严重。

膜蒸馏作为一种新型的膜处理技术，以疏水膜为介质，膜两侧的温差为推动力，被加热的料液通过膜时，其中的挥发性成分变为水蒸气，透过膜孔，得到蒸馏液，由于膜的疏水性，料液无法透过疏水膜，故得到的的蒸馏液十分纯净，所以有望成为大规模制备超纯水的新手段。

但与其他膜技术相比，膜蒸馏出水通量较低，目前市场上所用的PTFE(聚四氯乙烯)，PP(聚丙烯)，PVDF(聚偏氯乙烯)化学稳定性和热稳定不足，而且单独运用处理有机废水，很容易出现膜润湿现象，造成出水质量的下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种通电自加热的膜蒸馏装置，根据PTFE膜和碳纳米管自身的优点，将两者结合，一方面不仅减轻了PTFE膜在处理有废水时易污染和膜润湿的问题，另一方面其无需额外热源，靠碳纳米管通电后产生的热量自加热料液，减少了膜蒸馏的能耗，同时也简化了膜蒸馏装置，对废水有很好的净化作用。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种通电自加热的膜蒸馏装置，该膜蒸馏装置包括热侧蠕动泵、进料水箱、冷侧蠕动泵、蒸馏水箱、冷凝槽和膜组件，膜组件包括壳体和膜，膜设在壳体中，壳体内腔被膜分隔为进料侧与渗透侧，壳体对应进料侧设有进料侧入口和进料侧出口，壳体对应渗透侧设有渗透侧入口和渗透侧出口，其中，热侧蠕动泵、进料水箱和膜组件构成热循环回路，进料水箱出液口连接到热侧蠕动泵入口，热侧蠕动泵出口连接到膜组件的进料侧入口，膜组件的进料侧出口又连接到进料水箱入液口；冷侧蠕动泵、蒸馏水箱、冷凝槽和膜组件构成冷循环回路，蒸馏水箱出液口连接到冷凝槽入口，冷凝槽出口连接到冷侧蠕动泵入口，冷侧蠕动泵出口连接到膜组件的渗透侧入口，膜组件的渗透侧出口连接到蒸馏水箱入液口，

其中，所述膜为复合膜，且电极设在所述复合膜的进料侧膜面上，电极与电源相连，电源通电后，复合膜自动加热料液。

进一步地，复合膜包括PTFE层和设在PTFE层进料侧上的碳纳米管层，该碳纳米管层作为所述进料侧膜面。

进一步地，所述复合膜的制备方式如下：

(1)制备多壁碳纳米管悬浮液：将1-2g/L的羧基官能化的多壁碳纳米管悬浮在去离子水中，对悬浮液进行超声处理，在超声波仪冰浴中保持30-35分钟，离心分离后收集上清液得到多壁碳纳米管悬浮液；

(2)使用喷涂机喷涂膜面：加热PTFE膜，以1-2mm/s的速率移动PTFE膜，喷嘴位于PTFE膜进料侧表面上方8-10cm处高，喷嘴以400-500mm/s的速度穿过PTFE膜，喷嘴使用1.3-1.5bar的空气流进行空气驱动，用注射针将多壁碳纳米管悬浮液注射到空气流中，喷涂扇面与PTFE膜面垂直；

(3)将喷涂后的PTFE膜在363.15K下干燥15-20分钟。

进一步地，碳纳米管层的厚度为10-30μm。

进一步地，电源为20-30V直流电源。

进一步地，该膜蒸馏装置还包括天平，天平与蒸馏水箱可操作地连接以测量蒸馏水箱的实时质量变化，通过计量软件依据该实时质量变化来确定膜通量。

进一步地，该膜蒸馏装置还包括电导率仪，电导率仪连接到蒸馏水箱，用来实时监控蒸馏液的电导率变化。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明将碳纳米管技术与膜蒸馏技术结合在一起，是处理有机废水，减少PTFE膜污染和膜润湿现象的有效手段。此外，碳纳米管孔隙率高的相互贯通的结构，大大提高了其传递水蒸气的速度，从而膜的渗透通量高，同时碳纳米管具有良好的电化学性能，电辅助后会放出热量，加热料液，减少了能耗，此外，也可以用电化学辅助方法过滤油水乳状液，能够显著降低膜污染，提高膜的通量和对油的截留率。

附图说明

图1为膜蒸馏装置示意图。

图2为膜组件结构图

图3为碳纳米管-PTFE复合膜SEM图。

图4为装置处理油状废液通量变化比较图。

其中，1为进料水箱，2为热侧蠕动泵，6为冷侧蠕动泵，3为膜组件，4为蒸馏水箱，5为冷凝槽，7为天平，8为电导率仪，9为电极，10为进料侧入口，11为进料侧出口，12为水蒸气方向，13为复合膜及电极，14为渗透侧入口，15为渗透侧出口，16为导流片。

具体实施方式

近些年来，碳纳米管高速发展，由于其中空结构和结构内的毛细管力，使碳纳米管不仅能够提供水分子传输的通道，增大膜的有效传质表面积，还能吸附水蒸气，增强膜的渗透性能和选择能力，碳纳米管与传统膜组成的复合膜在抗污性、稳定性等方面性能均优于原膜。此外，碳纳米管导热系数较高，在蒸馏膜中掺杂微量的碳纳米管能够降低膜孔中的温度梯度，减弱膜蒸馏过程中的温差极化，防止传质推动力的减小对膜通量产生不利影响。

碳纳米管通电后会放出大量热量，故进一步说，若能用碳纳米管通电后产生的热量加热料液，一方面可以简化膜蒸馏装置的组成，另一方面也可以大大降低能耗，具有很好的发展前景。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明的基于碳纳米管-PTFE复合膜的膜蒸馏装置构成如下：该装置包括两个循环，热循环回路和冷循环回路，其中热循环回路由热侧蠕动泵2提供动力，与进料水箱1、膜组件3组成一个循环。冷循环回路由冷侧蠕动泵6提供动力，与膜组件3、蒸馏水箱4，冷凝槽5组成循环，蒸馏水箱4的实时质量变化由天平7测量以确定膜通量，电导率仪8用来实时监控蒸馏液的电导率变化，膜组件中复合膜进料侧膜面与电极9及电源相连，电源通电后，组件中的复合膜便会自动加热料液。

该装置处理废水时，将待处理废水放置到进料水箱1中，通过热侧蠕动泵2的牵引，废液进入到膜组件3的热侧，热侧的碳纳米管通电后自加热废液，冷侧温度不超过15℃，膜面温度可加热至50℃-80℃，热侧中水受热蒸发成水蒸气透过碳纳米管-PTFE膜并液化成水，以膜两侧的温度梯度为推动力。膜蒸馏冷侧的水通过冷侧蠕动泵6进行循环，通过冷凝槽5冷凝，进入到膜组件3的冷侧，再进入到蒸馏水箱4中，天平7和计量软件实时记录通量变化，每10min记录一次，电导率仪8用来记录处理前后电导率的变化

图2为膜组件结构图，其中，10为进料侧入口，11为进料侧出口，12为水蒸气方向，13为复合膜及电极，电极贴在进料侧膜面上，14为渗透侧入口，15为渗透侧出口，16为导流片。

本发明碳纳米管-PTFE复合膜可采用以下方法制备。

(1)制备多壁碳纳米管悬浮液；将1-2g/L羧基官能化的多壁碳纳米管悬浮在去离子水中。对悬浮液进行超声处理，在超声波仪冰浴中保持30-35分钟，离心分离后收集上清液使用。

(2)使用喷涂机喷涂膜面：以1-2mm/s的速率移动底层(PTFE膜)。喷涂阶段，配备的喷嘴以400-500mm/s的速度穿过膜，该阶段喷嘴位于进料侧膜表面上方8-10cm处高，喷涂扇面与膜面垂直。喷嘴使用1.3-1.5bar的室内空气进行空气驱动。用注射针将多壁碳纳米管悬浮液注射到空气流中。喷涂碳纳米管时，使用空气加热器加热底层(PTFE膜)膜面，以促进溶剂(水)蒸发。

(3)最后，将膜在363.15K下干燥15-20分钟。将制成的膜放入保鲜盒，与通风处备用。

上述步骤中制成的复合膜中，多壁碳纳米管层的厚度为10-30μm。

图3为碳纳米管-PTFE复合膜SEM图，其中，多壁碳纳米管层的厚度为29.49μm，PTFE膜的厚度为10.53μm。

在一项实施例中，以正己烷：水(99:1)的油水乳状液为待处理废水，将配置好的油水乳状液放置到进料水箱中，通过热侧蠕动泵的牵引，废液进入到膜组件的热侧，热侧的碳纳米管通电后自加热废液，冷侧温度为15℃，热侧中水受热蒸发成水蒸气透过碳纳米管-PTFE膜并液化成水，以膜两侧的温度梯度为推动力。膜蒸馏冷侧的水通过冷侧蠕动泵进行循环，通过冷凝槽冷凝，进入到膜组件的冷侧，再进入到蒸馏水箱中，天平和计量软件实时记录通量变化，每10min记录一次，电导率仪用来记录处理前后电导率的变化。将本发明膜蒸馏装置与普通膜蒸馏装置做对比，如图4所示，膜污染情况得到了很好的改善，相对通量的损耗少了60％，且本发明膜蒸馏装置处理油状废液时，初始通量为普通膜蒸馏装置的4倍。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种通电自加热的膜蒸馏装置，该膜蒸馏装置包括热侧蠕动泵、进料水箱、冷侧蠕动泵、蒸馏水箱、冷凝槽和膜组件，膜组件包括壳体和膜，膜设在壳体中，壳体内腔被膜分隔为进料侧与渗透侧，壳体对应进料侧设有进料侧入口和进料侧出口，壳体对应渗透侧设有渗透侧入口和渗透侧出口，其中，热侧蠕动泵、进料水箱和膜组件构成热循环回路，进料水箱出液口连接到热侧蠕动泵入口，热侧蠕动泵出口连接到膜组件的进料侧入口，膜组件的进料侧出口又连接到进料水箱入液口；冷侧蠕动泵、蒸馏水箱、冷凝槽和膜组件构成冷循环回路，蒸馏水箱出液口连接到冷凝槽入口，冷凝槽出口连接到冷侧蠕动泵入口，冷侧蠕动泵出口连接到膜组件的渗透侧入口，膜组件的渗透侧出口连接到蒸馏水箱入液口，

其特征在于：所述膜为复合膜，且电极设在所述复合膜的进料侧膜面上，电极与电源相连，电源通电后，复合膜自动加热料液。

2.根据权利要求1所述的通电自加热的膜蒸馏装置，其特征在于：复合膜包括PTFE层和设在PTFE层进料侧上的碳纳米管层，该碳纳米管层作为所述进料侧膜面。

3.根据权利要求2所述的通电自加热的膜蒸馏装置，其特征在于：

所述复合膜的制备方式如下：

(1)制备多壁碳纳米管悬浮液：将1-2g/L的羧基官能化的多壁碳纳米管悬浮在去离子水中，对悬浮液进行超声处理，在超声波仪冰浴中保持30-35分钟，离心分离后收集上清液得到多壁碳纳米管悬浮液；

(2)使用喷涂机喷涂膜面：加热PTFE膜，以1-2mm/s的速率移动PTFE膜，喷嘴位于PTFE膜进料侧表面上方8-10cm处高，喷嘴以400-500mm/s的速度穿过PTFE膜，喷嘴使用1.3-1.5bar的空气流进行空气驱动，用注射针将多壁碳纳米管悬浮液注射到空气流中，喷涂扇面与PTFE膜面垂直；

(3)将喷涂后的PTFE膜在363.15K下干燥15-20分钟。

4.根据权利要求2所述的通电自加热的膜蒸馏装置，其特征在于：碳纳米管层的厚度为10-30μm。

5.根据权利要求1所述的通电自加热的膜蒸馏装置，其特征在于：电源为20-30V直流电源。

6.根据权利要求1所述的通电自加热的膜蒸馏装置，其特征在于：还包括天平，天平与蒸馏水箱可操作地连接以测量蒸馏水箱的实时质量变化，通过计量软件依据该实时质量变化来确定膜通量。

7.根据权利要求1所述的通电自加热的膜蒸馏装置，其特征在于：还包括电导率仪，电导率仪连接到蒸馏水箱，用来实时监控蒸馏液的电导率变化。