CN111285431A - 一种超声辅助膜蒸馏水处理系统及方法 - Google Patents

一种超声辅助膜蒸馏水处理系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超声辅助膜蒸馏水处理系统及方法，系统包括原水箱、加热器、进水泵、超声辅助膜蒸馏罐、膜组件、冷却水循环泵、冷却器和冷却水箱；膜组件设置在超声辅助膜蒸馏罐内，超声辅助膜蒸馏罐内壁四周布置有超声发生器；原水箱、加热器、进水泵和超声辅助膜蒸馏罐依次连通，并且超声辅助膜蒸馏罐的出口连通原水箱形成循环回路；冷却水箱、冷却器、冷却水循环泵和膜组件相连，膜组件的出口连通冷却水箱形成循环回路；在膜组件的工作环境中增加超声发生器，强化膜表面的传质效果，减缓浓差极化现象，使膜的渗透通量得到提升，对膜组件的表面能够起到清洗作用，减缓膜组件污染，能够充分满足废水脱盐的要求，并得到品质较高的产水。

Description

一种超声辅助膜蒸馏水处理系统及方法
技术领域
本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种超声辅助膜蒸馏水处理系统及方法。
背景技术
随着我国经济的高速发展、城镇化和工业化进程的不断推进，一方面用水需求量快速增加，另一方面水体污染日益严重，加之我国水资源分布不均衡，加剧了水资源短缺的矛盾。因此，对污水进行处理、提高水的循环利用效率是解决水资源短缺的重要措施。
脱盐是水处理中重要的过程，尤其是当前废水零排放工艺中，脱盐工艺被普遍应用。其中，纳滤、反渗透等膜分离工艺是最常见的脱盐技术，但是存在压力高、能耗高、膜污染严重等问题。近年来，膜蒸馏技术在水处理中的应用逐渐受到重视，膜蒸馏利用以膜两侧蒸汽压力差为传质驱动力的膜分离过程，与传统的压力驱动膜相比，膜蒸馏具有操作温度低、可常压操作、可利用低品位热源、截留率高等优点，因此，在替代传统膜分离和浓缩方面，具有较好的应用前景。但是，膜蒸馏存在通量较低，长时间运行膜表面容易结晶或被润湿，影响膜蒸馏的效果等。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种超声辅助膜蒸馏水处理系统及方法，通过超声的辅助作用，一方面加强膜表面附近的传质过程，减缓浓差极化现象，提升膜的渗透通量，另一方面可以减缓膜污染过程，延长运行周期，可以满足含盐等类型废水的处理。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种超声辅助膜蒸馏水处理系统，包括原水箱、加热器、进水泵、超声辅助膜蒸馏罐、膜组件、冷却水循环泵、冷却器和冷却水箱；膜组件设置在超声辅助膜蒸馏罐内，超声辅助膜蒸馏罐内壁四周布置有超声发生器；
其中，沿着废水流向原水箱、加热器、进水泵和超声辅助膜蒸馏罐通过管道依次连通，并且超声辅助膜蒸馏罐的出口连通原水箱的进水口形成循环回路；沿着冷却水流向冷却水箱、冷却器、冷却水循环泵和膜组件通过管道相连，膜组件的出口连通冷却水箱的进水口，形成循环回路。
加热器和冷却器均采用间壁式换热器。
超声发生器的工作参数至少覆盖频率为20-60kHz，功率密度为0.3W/cm2-1.0W/cm2的范围。
膜组件采用微孔滤膜，形状采用中空纤维、板式或管式中的一种或几种。
微孔滤膜的微孔孔径为0.1-1.0μm。
膜组件采用PTFE膜、PVDF膜、PP膜、PE膜中的一种或几种。
一种超声辅助膜蒸馏水处理方法，
原水箱中的废水经过加热器进行预热；
废水经过预热后，通过进水泵打入超声辅助膜蒸馏罐的腔室内；
冷却水箱中的冷却水经过冷却器进行降温；
冷却水经降温后，通过冷却水循环泵打入膜组件的内部；
开启超声辅助膜蒸馏罐的超声发生器，废水在超声辅助膜蒸馏罐经过膜蒸馏后循环回到原水箱中；透过膜组件的水蒸汽在内部冷凝为液体后随着冷却水回到冷却水箱；
废水和冷却水反复循环，废水的量逐渐减少并得到浓缩，冷却水逐渐增多。
废水的预热温度为40℃-100℃。
冷却器将冷却水的温度降温至5℃-30℃。
超声发生器输出的频率为20-60kHz，功率密度为0.3W/cm2-1.0W/cm2，作用方式为连续或间歇式。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：在膜组件的工作环境中增加了超声发生器，通过超声的作用能强化膜表面的传质效果，减缓浓差极化现象，使得膜的渗透通量得到提升，同时，对膜组件的表面能够起到清洗作用，减缓膜组件污染，有利于延长膜组件的运行周期；本发明所述系统结构简单，能够充分满足废水脱盐的要求，实现废水的浓缩，并得到品质较高的产水。
采用本发明所述系统对废水进行处理，膜组件外部为温度较高的废水，内部为温度较低的冷却水，两侧存在蒸汽压力差，驱动废水侧的水以蒸汽形式透过膜进入冷却水侧，由于温度降低而在冷却水侧冷凝为液体，开启超声发生器，提高膜蒸馏的渗透通量，工艺过程简单，处理速率和效果可控。
附图说明
图1一种可实施的超声辅助膜蒸馏水处理系统示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是这些实施例仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
如图1所示，一种超声辅助膜蒸馏水处理系统，包括原水箱1、加热器2、进水泵3、超声辅助膜蒸馏罐4、膜组件5、冷却水循环泵6、冷却器7和冷却水箱8；膜组件5设置在超声辅助膜蒸馏罐4内，超声辅助膜蒸馏罐4内壁四周布置有超声发生器；
其中，沿着废水流向原水箱1、加热器2、进水泵3和超声辅助膜蒸馏罐4通过管道依次连通，并且超声辅助膜蒸馏罐4的出口连通原水箱1的进水口形成循环回路；沿着冷却水流向冷却水箱8、冷却器7、冷却水循环泵6和膜组件5通过管道相连，膜组件5的出口连通冷却水箱8的进水口，形成循环回路。
超声发生器的工作参数至少覆盖频率为20-60kHz，功率密度为0.3W/cm2-1.0W/cm2的范围。
微孔滤膜的微孔孔径为0.1-1.0μm。
一种超声辅助膜蒸馏水处理系统，包括原水箱1、加热器2、进水泵3、超声辅助膜蒸馏罐4、膜组件5、冷却水循环泵6、冷却器7和冷却水箱8；
沿着废水流向，原水箱1、加热器2、进水泵3和超声辅助膜蒸馏罐4的进水口通过管道相连，超声辅助膜蒸馏罐4的出口连通原水箱1的进水口，形成循环回路，废水在所述循环回路中循环，逐渐净化；
沿着冷却水流向冷却水箱8、冷却器7、冷却水循环泵6和膜组件5通过管道相连，膜组件5的出口连通冷却水箱8的进水口，形成循环回路，冷却水在所述循环回路中循环；
加热器2采用间壁式换热器，加热器2内设置有温度监测元件和温度控制器；温度监测元件连接温度控制器的输入端，所述温度控制器的输出端连接加热元件用于废水的预热；冷却器7为间壁式换热器，内部有温度监测和温度控制器，用于冷却水的冷却；膜组件5的出口和和入口设置有流量计，超声辅助膜蒸馏罐4的入口和出口设置有流量计；超声辅助膜蒸馏罐4中设置有温度计。
超声辅助膜蒸馏罐4内设置有膜组件5，罐体内壁四周布置有超声发生器；进水泵3和冷却水循环泵6均采用流量可控的水泵。
膜组件5采用微孔滤膜，形状采用中空纤维、板式或管式中的一种或几种，膜组件5采用PTFE膜、PVDF膜、PP膜、PE膜中的一种或几种，膜组件5的外侧通过废水，膜组件的内部通过冷却液。
可选的，本发明采用PTFE膜、PVDF膜、PP膜以及PE膜组装形成膜组件5，或购买市售包括多种滤膜的膜组件。
可选的，本发明采用中空纤维滤膜、板式滤膜或管式滤膜组装膜组件5或者采用多种形式滤膜组合形成膜组件。
采用本发明所述系统的超声辅助膜蒸馏水处理方法如下：
原水箱1中的废水经过加热器2进行预热；加热器2将废水的温度预热至40-100℃；
废水经过预热后，通过进水泵3打入超声辅助膜蒸馏罐4的腔室内，进水泵的流量可调；冷却水箱8中的冷却水经过冷却器7进行降温；冷却器7将冷却水的温度降温至5-30℃；
冷却水经降温后，通过冷却水循环泵6打入膜组件5的内部，冷却水泵的流量可调；
由于膜组件外部为温度较高的废水，内部为温度较低的冷却水，两侧存在蒸汽压力差，驱动废水侧的水以蒸汽形式透过膜进入冷却水侧，由于温度降低而在冷却水侧冷凝为液体；为了提高膜蒸馏的渗透通量，开启超声辅助膜蒸馏罐4的超声发生器，由于超声的间歇或连续作用，强化了膜面附近的传质过程，减缓了浓差极化，膜的渗透通量得到提高；其中，超声的频率为20-60kHz，功率密度为0.3-1.0W/cm2，作用方式为连续或间歇式；
废水在超声辅助膜蒸馏罐4经过膜蒸馏后循环回到原水箱1中；透过膜组件5的水蒸汽在内部冷凝为液体后随着冷却水回到冷却水箱；废水和冷却水反复循环，废水的量逐渐减少并得到浓缩，冷却水逐渐增多。
实施例1
原水箱1中的废水经过加热器2预热到80℃，通过进水泵3打入超声辅助膜蒸馏罐4的腔室内；冷却水箱8中的冷却水经过冷却器7降温到20℃，通过冷却水循环泵6打入膜组件5的内部；由于膜组件外部为温度较高的废水，内部为温度较低的冷却水，两侧存在蒸汽压力差，驱动废水侧的水以蒸汽形式透过膜进入冷却水侧，由于温度降低而在冷却水侧冷凝为液体；开启超声发生器，调节工作频率为40kHz，功率密度为0.3W/cm2，采用间歇作用方式，每10分钟开启1分钟，膜的渗透通量得到提高；废水在超声辅助膜蒸馏罐4经过膜蒸馏后循环回到原水箱1中；透过膜组件5的水蒸汽在内部冷凝为液体后随着冷却水回到冷却水箱；废水和冷却水反复循环，废水的量逐渐减少并得到浓缩，冷却水逐渐增多，冷却水即为经过处理后的水。
实施例2
如图1所示，本实施例的超声辅助膜蒸馏水处理系统包括原水箱1、加热器2、进水泵3、超声辅助膜蒸馏罐4、膜组件5、冷却水循环泵6、冷却器7和冷却水箱8，膜组件5中的微孔滤膜采用PVDF膜和PP膜组合式膜组件。
原水箱1中的废水经过加热器2预热到40℃，通过进水泵3打入超声辅助膜蒸馏罐4的腔室内；冷却水箱8中的冷却水经过冷却器7降温到5℃，通过冷却水循环泵6打入膜组件5的内部；由于膜组件外部为温度较高的废水，内部为温度较低的冷却水，两侧存在蒸汽压力差，驱动废水侧的水以蒸汽形式透过膜进入冷却水侧，由于温度降低而在冷却水侧冷凝为液体；开启超声发生器，调节工作频率为60kHz，功率密度为1.0W/cm2，采用间歇作用方式，每5分钟开启1分钟，膜的渗透通量得到提高；废水在超声辅助膜蒸馏罐4经过膜蒸馏后循环回到原水箱1中；透过膜组件5的水蒸汽在内部冷凝为液体后随着冷却水回到冷却水箱；废水和冷却水反复循环，废水的量逐渐减少并得到浓缩，冷却水逐渐增多，冷却水即为经过处理后的水。
实施例3
如图1所示，本实施例的超声辅助膜蒸馏水处理系统包括原水箱1、加热器2、进水泵3、超声辅助膜蒸馏罐4、膜组件5、冷却水循环泵6、冷却器7和冷却水箱8；膜组件5采用中空纤维滤膜、板式滤膜和管式滤膜组合式膜组件，材质为PTFE膜。
原水箱1中的废水经过加热器2预热到100℃，通过进水泵3打入超声辅助膜蒸馏罐4的腔室内；冷却水箱8中的冷却水经过冷却器7降温到20℃，通过冷却水循环泵6打入膜组件5的内部；由于膜组件外部为温度较高的废水，内部为温度较低的冷却水，两侧存在蒸汽压力差，驱动废水侧的水以蒸汽形式透过膜进入冷却水侧，由于温度降低而在冷却水侧冷凝为液体；开启超声发生器，调节工作频率为40kHz，功率密度为0.6W/cm2，采用间歇作用方式，每15分钟开启2分钟，膜的渗透通量得到提高；废水在超声辅助膜蒸馏罐4经过膜蒸馏后循环回到原水箱1中；透过膜组件5的水蒸汽在内部冷凝为液体后随着冷却水回到冷却水箱；废水和冷却水反复循环，废水的量逐渐减少并得到浓缩，冷却水逐渐增多，冷却水即为经过处理后的水。
实施例4
如图1所示，本实施例的超声辅助膜蒸馏水处理系统包括原水箱1、加热器2、进水泵3、超声辅助膜蒸馏罐4、膜组件5、冷却水循环泵6、冷却器7和冷却水箱8，膜组件5中的微孔滤膜采用PP膜以及PE膜组合式膜组件。
原水箱1中的废水经过加热器2预热到60℃，通过进水泵3打入超声辅助膜蒸馏罐4的腔室内；冷却水箱8中的冷却水经过冷却器7降温到10℃，通过冷却水循环泵6打入膜组件5的内部；由于膜组件外部为温度较高的废水，内部为温度较低的冷却水，两侧存在蒸汽压力差，驱动废水侧的水以蒸汽形式透过膜进入冷却水侧，由于温度降低而在冷却水侧冷凝为液体；开启超声发生器，调节工作频率为20kHz，功率密度为0.5W/cm2，采用间歇作用方式，每3分钟开启1分钟，膜的渗透通量得到提高；废水在超声辅助膜蒸馏罐4经过膜蒸馏后循环回到原水箱1中；透过膜组件5的水蒸汽在内部冷凝为液体后随着冷却水回到冷却水箱；废水和冷却水反复循环，废水的量逐渐减少并得到浓缩，冷却水逐渐增多，冷却水即为经过处理后的水。
尽管本发明已经进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。

Claims (10)

1.一种超声辅助膜蒸馏水处理系统，其特征在于，包括原水箱(1)、加热器(2)、进水泵(3)、超声辅助膜蒸馏罐(4)、膜组件(5)、冷却水循环泵(6)、冷却器(7)和冷却水箱(8)；膜组件(5)设置在超声辅助膜蒸馏罐(4)内，超声辅助膜蒸馏罐(4)内壁四周布置有超声发生器；
其中，沿着废水流向原水箱(1)、加热器(2)、进水泵(3)和超声辅助膜蒸馏罐(4)通过管道依次连通，并且超声辅助膜蒸馏罐(4)的出口连通原水箱(1)的进水口形成循环回路；沿着冷却水流向冷却水箱(8)、冷却器(7)、冷却水循环泵(6)和膜组件(5)通过管道相连，膜组件(5)的出口连通冷却水箱(8)的进水口，形成循环回路。
2.根据权利要求1所述的超声辅助膜蒸馏水处理系统，其特征在于，加热器(2)和冷却器(7)均采用间壁式换热器。
3.根据权利要求1所述的超声辅助膜蒸馏水处理系统，其特征在于，超声发生器的工作参数至少覆盖频率为20-60kHz，功率密度为0.3W/cm2-1.0W/cm2的范围。
4.根据权利要求1所述的超声辅助膜蒸馏水处理系统，其特征在于，膜组件(5)采用微孔滤膜，形状采用中空纤维、板式或管式中的一种或几种。
5.根据权利要求6所述的超声辅助膜蒸馏水处理系统，其特征在于，微孔滤膜的微孔平均孔径为0.1-1.0μm。
6.根据权利要求1所述的超声辅助膜蒸馏水处理系统，其特征在于，膜组件(5)采用PTFE膜、PVDF膜、PP膜、PE膜中的一种或几种。
7.一种超声辅助膜蒸馏水处理方法，其特征在于，
原水箱(1)中的废水经过加热器(2)进行预热；
废水经过预热后，通过进水泵(3)打入超声辅助膜蒸馏罐(4)的腔室内；
冷却水箱(8)中的冷却水经过冷却器(7)进行降温；
冷却水经降温后，通过冷却水循环泵(6)打入膜组件(5)的内部；
开启超声辅助膜蒸馏罐(4)的超声发生器，废水在超声辅助膜蒸馏罐(4)经过膜蒸馏后循环回到原水箱(1)中；透过膜组件(5)的水蒸汽在内部冷凝为液体后随着冷却水回到冷却水箱；
废水和冷却水反复循环，废水的量逐渐减少并得到浓缩，冷却水逐渐增多。
8.根据权利要求7所述的超声辅助膜蒸馏水处理方法，其特征在于，废水的预热温度为40℃-100℃。
9.根据权利要求7所述的超声辅助膜蒸馏水处理方法，其特征在于，冷却器(7)将冷却水的温度降温至5℃-30℃。
10.根据权利要求7所述的超声辅助膜蒸馏水处理方法，其特征在于，超声发生器输出的频率为20-60kHz，功率密度为0.3W/cm2-1.0W/cm2，作用方式为连续或间歇式。
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