CN111874997A - 基于并联平板式膜蒸馏技术的高盐废水处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于并联平板式膜蒸馏技术的高盐废水处理装置，包括太阳能加热单元、膜蒸馏单元以及冷馏水出水单元；太阳能加热单元包括非聚光式真空管型太阳能集热器和原料液进液罐；膜蒸馏单元包括并联平板式膜组件，并联平板式膜组件包括若干间隔设置的作为热腔的膜组件和作为冷腔的膜组件；冷馏水出水单元包括冷馏水收集罐、半导体制冷片、温度传感器、净水水箱、总溶解固体监测器、信号指示灯，半导体制冷片安装在冷馏水收集罐外壁上，温度传感器设置在冷馏水收集罐内，冷馏水收集罐还与净水水箱相连通，总溶解固体监测器设置在净水水箱内部，且与外部的信号指示灯相连，本发明可高效处理高盐废水。

Description

基于并联平板式膜蒸馏技术的高盐废水处理装置及方法

技术领域

本发明涉及一种废水处理装置，特别涉及一种高盐废水处理装置及方法。

背景技术

膜蒸馏(Membrane distillation，MD)技术原理是利用疏水性多孔膜对废水中的污染物进行截留分离，在一定温度驱动下，膜两侧存在的蒸汽压差使得废水中的水分子以蒸汽形态穿过微孔膜并在膜的另一侧进行冷凝回收，实现了混合溶液的分离与提纯；膜蒸馏技术巧妙地将传统蒸馏方式与膜分离技术相结合，降低了蒸馏过程中的一些操作参数，使得蒸馏过程更加安全，有效减少了设备的体积和能耗。膜蒸馏技术相较于传统蒸馏工艺而言，其所需的热量较少，并且整个过程可以实现热量的循环利用，同时还可以利用废热源、太阳能等低成本能源，使工业化生产成为可能。

本装置集热系统采用非聚光式真空管型太阳能集热系统，真空管太阳能工作原理：采用内管的吸热涂层对太阳光吸收，加热内管里的水来提高水温。作为一种集热板，它在吸热的同时也会进行散热，而热量的传递只有三种方式：辐射，传导，对流；真空管太阳能的三种散热传热方式均很小，内管的水银涂层防止热量辐射；内外管中间的真空层防止热量传导；而热量的对流散发对真空管太阳能而言，几乎为零，温度维持在50-80℃，满足膜蒸馏系统热循环的温度需求。

本装置供电系统采用太阳能电池板、太阳能充电控制器和蓄电池组成的光伏发电系统，光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。光伏发电系统主要由太阳能光伏板（组件）、控制器、蓄电池和逆变器四大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。

随着我国环保要求越来越严格，浓盐水直接外排或倾倒大海的措施已不可实施。传统浓盐水零排放技术，由于其占地面积大、能耗高、启动条件复杂等问题，发展过程中受到了很大的制约，膜蒸馏技术能将浓盐水回收利用，最后实现零排放，是目前较先进的膜处理技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于并联平板式膜蒸馏技术的高盐废水处理装置及方法，不仅能高效处理高盐废水，还能为全国海岛家庭、苦咸水地区家庭、山区家庭等淡水取用困难和电力资源缺乏地区居民提供高浓度盐水淡化服务。

本发明的目的是这样实现的：一种基于并联平板式膜蒸馏技术的高盐废水处理装置，包括太阳能加热单元、膜蒸馏单元以及冷馏水出水单元；

所述太阳能加热单元包括非聚光式真空管型太阳能集热器和原料液进液罐，所述非聚光式真空管型太阳能集热器两端与原料液进液罐的第一进水口、第一出水口相连，形成供热回路，用以为原料液加热；

所述膜蒸馏单元包括并联平板式膜组件，所述并联平板式膜组件包括若干间隔设置的作为热腔的膜组件和作为冷腔的膜组件，作为热腔的膜组件两端分别并联后与原料液进液罐的第二进水口、第二出水口相连，形成回路，作为冷腔的膜组件两端分别并联后连接在冷馏水出水单元的进出口两端形成回路；

所述冷馏水出水单元包括冷馏水收集罐、半导体制冷片、温度传感器、净水水箱、总溶解固体监测器、信号指示灯，所述半导体制冷片安装在冷馏水收集罐外壁上，作为冷源用以对冷馏水收集罐进行制冷，所述温度传感器设置在冷馏水收集罐内，用以监测冷馏水收集罐内的温度，配合半导体制冷片维持冷馏水收集罐内吸收液的温度，所述冷馏水收集罐还与净水水箱相连通，且冷馏水收集罐连通净水水箱的出水口高于其连通膜蒸馏单元的出水口，所述总溶解固体监测器设置在净水水箱内部，且与外部的信号指示灯相连。

作为本发明的进一步限定，所述太阳能加热单元还包括：

太阳能加热循环磁力泵，设置在非聚光式真空管型太阳能集热器与原料液进液罐的第一出水口之间；

自力式温度调节阀，设置在太阳能加热循环磁力泵与原料液进液罐的第一出水口之间，用以控制非聚光式真空管型太阳能集热器的加热温度维持在60-80℃。

作为本发明的进一步限定，所述膜蒸馏单元还包括热侧循环磁力泵、冷测循环磁力泵、热侧转子流量计、冷侧转子流量计、温度监测计；所述热侧循环磁力泵与热侧转子流量计串接在原料液进液罐第二出水口与热腔膜组件进水口之间，所述冷测循环磁力泵与冷侧转子流量计串接在冷馏水收集罐出水口与冷腔膜组件进水口之间，所述温度监测计设置有多个，分别设置在并联平板式膜组件的进水口处与出水口处。

作为本发明的进一步限定，所述并联平板式膜组件的进水口设置在下方，出水口设置在上方。

作为本发明的进一步限定，所述冷馏水收集罐内的温度控制在10-20℃之间。

作为本发明的进一步限定，还包括太阳能光伏发电单元，包括太阳能电池板、太阳能充电控制器、蓄电池，太阳能电池板与太阳能充电控制器通过电导线串联，太阳能充电控制器用以将直流电转化为交流电，太阳能充电控制器与太阳能蓄电池通过电导线串联，所述蓄电池作为电源为太阳能加热单元、膜蒸馏单元、冷馏水出水单元的用电单元供电。

一种基于并联平板式膜蒸馏技术的高盐废水处理方法，包括以下步骤：

步骤1）：向原料液进液罐中加入待处理高浓度盐水，开启太阳能加热循环磁力泵，将罐中高盐水加热到60-80℃；冷馏水收集罐中加入的净水，启动半导体制冷片将冷馏水收集罐中的水温维持在15±2℃；

步骤2）：启动热侧循环磁力泵和冷侧循环磁力泵，调节控制热循环侧的流量至0.5-0.7L/min，冷循环侧的流量至0.1-0.3L/min，监测膜组件热侧进水口、出水口和冷侧进、出水口处的液体温度，膜组件热侧温度控制在55-65℃，膜组件冷侧温度控制在15±2℃左右，待流量和温度稳定之后开始膜蒸馏；

步骤3）：记录起始净水水箱的水位，开启电导率监测器，测定并记录起始冷馏水收集罐中液体的电导率，一小时后，再次测定并记录净水水箱的水位，根据前后体积差值，即可得出膜蒸馏效率。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本装置不仅能处理高盐废水，还能为全国海岛家庭、苦咸水地区家庭、山区家庭等淡水取用困难和电力资源缺乏地区居民提供高浓度盐水淡化服务；

2、本装置处理过程中除太阳能外不消耗其他能源，不仅清洁环保，还节约了电力成本；

3、本装置运行过程中基本实行自动化，不仅方便快捷，还节约了人力成本；

4、本装置采用并联平板式膜蒸馏技术，并通过实验确定了获得最高膜通量的参数条件，淡化水量大，膜材质具有一定的抗污性能及相对较长的使用期限。

附图说明

图1为本发明高盐废水处理装置结构原理图。

其中，1太阳能加热单元、2膜蒸馏单元、3冷馏水出水单元、4、太阳能光伏发电单元、5非聚光式真空管型太阳能集热器、6太阳能加热循环磁力泵、7原料液进液罐、8自力式温度调节阀、9热侧循环磁力泵、10热侧转子流量计、11冷侧循环磁力泵、12冷侧转子流量计、13膜组件、14温度监测计、15温度传感器、16半导体制冷片、17电路开关、18冷馏水收集罐、19净水水箱、20电导率监测器、21信号指示灯、22太阳能电池板阵列、23太阳能充电控制器、24蓄电池。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示的一种基于并联平板式膜蒸馏技术的高盐废水处理装置，由太阳能加热单元1、膜蒸馏单元2、冷馏水出水单元3和太阳能光伏发电单元4四个单元组成；太阳能加热单元1在左，冷馏水出水单元3在右，膜蒸馏单元2位于两者之间，太阳能光伏发电单元4在下。

太阳能加热单元1包括非聚光式真空管型太阳能集热器5、原料液进液罐7、太阳能加热循环磁力泵6、自力式温度调节阀8。非聚光式真空管型太阳能集热器5出水口通过热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)管与原料液进液罐7的太阳能加热循环进水口相连，原料液进液罐7的第一出水口通过TPU管与自力式温度调节阀8相连，自力式温度调节阀8通过TPU管与太阳能加热循环磁力泵6相连，太阳能加热循环磁力泵6通过TPU管与非聚光式真空管型太阳能集热器5进水口相连，非聚光式真空管型太阳能集热器5出水口与原料液进液罐7的第一进水口相连；上述元件通过管道互相连接，形成太阳能加热循环回路，加热温度通过自力式温度调节阀8控制在60-80℃。

膜蒸馏单元2包括膜组件13、热侧循环磁力泵9、11冷测循环磁力泵、热侧转子流量计10、冷侧转子流量计12、温度监测计14；原料液进液罐7第二出水口通过TPU管与热侧循环磁力泵9相连，热侧循环磁力泵9通过TPU管与热侧转子流量计10相连，热侧转子流量计10通过TPU管与膜组件13热侧进水口相连，膜组件13热侧出水口通过TPU管与原料液进液罐7第二进水口相连，上述元件通过管道互相连接，形成膜蒸馏热侧循环回路；冷馏水收集罐18出水口通过TPU管与冷侧循环磁力泵11相连，冷侧循环磁力泵11通过TPU管与冷侧转子流量计12相连，冷侧转子流量计12通过TPU管与膜组件13冷侧进水口相连，膜组件13冷侧出水口通过TPU管与冷馏水收集罐18进水口相连，上述元件通过管道互相连接，形成膜蒸馏冷侧循环回路。膜组件13热侧进水口、出水口和冷侧进、出水口处分别布置一个温度监测计14。13膜蒸馏膜组件由有机玻璃板组成，使用螺钉、螺帽紧固，六个膜组件并联形成一个整体，膜组件13的冷腔与热腔依次交替排开，膜组件进水口与出水口分别进行并联，膜蒸馏用膜采用0.22μm聚偏氟乙烯（PVDF）疏水性膜。

冷馏水出水单元3包括冷馏水收集罐18、净水水箱19、温度传感器15、半导体制冷片16、电路开关17、电导率监测器20、信号指示灯21。半导体制冷片16安装在冷馏水收集罐18外壁，冷馏水收集罐18内设置一个温度传感器15，温度传感器15通过信号线与控制半导体制冷片16的电路开关17相连，冷馏水收集罐18上部出水口通过TPU管与净水水箱19相连接，电导率监测器20放置在净水水箱19中，电导率监测器20通过信号线连接净水水箱19外部的信号指示灯21。

太阳能光伏发电单元4包括太阳能电池板阵列22、太阳能充电控制器23、蓄电池24。四块150W的太阳能电池板并联构成一个600W发电功率的太阳能电池板阵列22，太阳能电池板阵列22与太阳能充电控制器23通过电线串联，太阳能充电控制器23又与蓄电池24通过电线串联，太阳能加热循环磁力泵6、热侧循环磁力泵9、冷侧循环磁力泵11、半导体制冷片16、电导率监测器20和信号指示灯21并联接入蓄电池。

一种基于并联平板式膜蒸馏技术的高盐废水处理方法，包括以下步骤：

步骤1）：原料液进液罐7中加入100L浓度为35g/L左右的待处理高浓度盐水，开启太阳能加热循环磁力泵6，将罐中高盐水加热到60℃；冷馏水收集罐18中加入50L的净水，启动半导体制冷片16将冷馏水收集罐18中的水温维持在15℃左右；

步骤2）：启动热侧循环磁力泵9和冷侧循环磁力泵12，调节控制热循环侧的流量至0.6L/min，冷循环侧的流量至0.2L/min，监测膜组件热侧进水口、出水口和冷侧进、出水口处的液体温度，膜组件热侧温度控制在60℃左右，膜组件冷侧温度控制在15℃左右，待流量和温度稳定之后开始膜蒸馏；

步骤3）：记录起始净水水箱19的水位，开启电导率监测器20，测定并记录起始冷馏水收集罐18中液体的电导率，一小时后，再次测定并记录净水水箱的水位，根据前后体积差值，即可得出膜蒸馏效率。

本发明专利应用过程简要说明：

首先将膜蒸馏用膜固定在膜组件13，把六个膜组件13并联形成整体。把经非聚光式真空管型太阳能集热器5加热到60-80℃的原料液通过热侧循环磁力泵9导入膜组件的热侧，经过膜蒸馏过程后回流至原料液进液罐7中。冷馏水收集罐18中的水经过半导体制冷片16作用，温度降至15℃左右。运行膜组件13，膜两侧冷热温差产生的蒸汽压力差作为传质驱动力，使原料液中的水透过膜孔，以达到盐水分离的目的。冷馏水收集罐18中收集的净水超过收集水位后通过TPU管汇集到净水水箱19中，净水水箱19里设有电导率监测器20，若电导率超标，则通过信号线相连的信号指示灯21亮起。通过22太阳能电池板将太阳能转化为电能，并将电能储存在蓄电池24中，太阳能充电控制器23用来调节光伏板输出的电流、电压。装置运行时，通过蓄电池24给所需用电器供电。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于并联平板式膜蒸馏技术的高盐废水处理装置，其特征在于，包括太阳能加热单元、膜蒸馏单元以及冷馏水出水单元；

所述太阳能加热单元包括非聚光式真空管型太阳能集热器和原料液进液罐，所述非聚光式真空管型太阳能集热器两端与原料液进液罐的第一进水口、第一出水口相连，形成供热回路，用以为原料液加热；

所述膜蒸馏单元包括并联平板式膜组件，所述并联平板式膜组件包括若干间隔设置的作为热腔的膜组件和作为冷腔的膜组件，作为热腔的膜组件两端分别并联后与原料液进液罐的第二进水口、第二出水口相连，形成回路，作为冷腔的膜组件两端分别并联后连接在冷馏水出水单元的进出口两端形成回路；

所述冷馏水出水单元包括冷馏水收集罐、半导体制冷片、温度传感器、净水水箱、总溶解固体监测器、信号指示灯，所述半导体制冷片安装在冷馏水收集罐外壁上，作为冷源用以对冷馏水收集罐进行制冷，所述温度传感器设置在冷馏水收集罐内，用以监测冷馏水收集罐内的温度，配合半导体制冷片维持冷馏水收集罐内吸收液的温度，所述冷馏水收集罐还与净水水箱相连通，且冷馏水收集罐连通净水水箱的出水口高于其连通膜蒸馏单元的出水口，所述总溶解固体监测器设置在净水水箱内部，且与外部的信号指示灯相连。

2.根据权利要求1所述的高盐废水处理装置，其特征在于，所述太阳能加热单元还包括：

太阳能加热循环磁力泵，设置在非聚光式真空管型太阳能集热器与原料液进液罐的第一出水口之间；

自力式温度调节阀，设置在太阳能加热循环磁力泵与原料液进液罐的第一出水口之间，用以控制非聚光式真空管型太阳能集热器的加热温度维持在60-80℃。

3.根据权利要求1所述的高盐废水处理装置，其特征在于，所述膜蒸馏单元还包括热侧循环磁力泵、冷测循环磁力泵、热侧转子流量计、冷侧转子流量计、温度监测计；所述热侧循环磁力泵与热侧转子流量计串接在原料液进液罐第二出水口与热腔膜组件进水口之间，所述冷测循环磁力泵与冷侧转子流量计串接在冷馏水收集罐出水口与冷腔膜组件进水口之间，所述温度监测计设置有多个，分别设置在并联平板式膜组件的进水口处与出水口处。

4.根据权利要求1所述的高盐废水处理装置，其特征在于，所述冷馏水收集罐内的温度控制在10-20℃之间。

5.根据权利要求1所述的高盐废水处理装置，其特征在于，还包括太阳能光伏发电单元，包括太阳能电池板、太阳能充电控制器、蓄电池，太阳能电池板与太阳能充电控制器通过电导线串联，太阳能充电控制器用以将直流电转化为交流电，太阳能充电控制器与太阳能蓄电池通过电导线串联，所述蓄电池作为电源为太阳能加热单元、膜蒸馏单元、冷馏水出水单元的用电单元供电。

6.一种基于并联平板式膜蒸馏技术的高盐废水处理方法，采用如权利要求1-5中任一项所述高盐废水处理装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）：向原料液进液罐中加入待处理高浓度盐水，开启太阳能加热循环磁力泵，将罐中高盐水加热到60-80℃；冷馏水收集罐中加入的净水，启动半导体制冷片将冷馏水收集罐中的水温维持在15±2℃；

步骤2）：启动热侧循环磁力泵和冷侧循环磁力泵，调节控制热循环侧的流量至0.5-0.7L/min，冷循环侧的流量至0.1-0.3L/min，监测膜组件热侧进水口、出水口和冷侧进、出水口处的液体温度，膜组件热侧温度控制在55-65℃，膜组件冷侧温度控制在15±2℃左右，待流量和温度稳定之后开始膜蒸馏；

步骤3）：记录起始净水水箱的水位，开启电导率监测器，测定并记录起始冷馏水收集罐中液体的电导率，一小时后，再次测定并记录净水水箱的水位，根据前后体积差值，即可得出膜蒸馏效率。

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