CN112047409A - 热泵耦合纳米光子疏水膜蒸发处理电镀废水系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热泵耦合纳米光子疏水膜蒸发处理电镀废水系统及方法，属于节能环保领域。其特征在于：该系统膜蒸发器（7）的蒸发膜组件表面布置的纳米光子热涂层（7‑4），对太阳光有着极高的吸收率和极低的反射率，因此纳米光子热涂层(7‑4)间隙中电镀废液的温度远高于膜蒸发器（7）热侧通道电镀废液的温度。与蒸汽渗透率相同的常规疏水膜(20‑3)热泵膜蒸发系统相比，该系统仅需要消耗少量的机械能用于系统启动和夜间运行。本系统主要采用了可再生的太阳光热，整体能耗很低。此外，该系统中冷凝水（18）可再次循环使用，回收的金属盐类结晶（16）可以进行资源化处理，实现了电镀废水的“零排放”，该系统特别适合阳光充足但水资源缺乏地区使用。

Description

热泵耦合纳米光子疏水膜蒸发处理电镀废水系统及方法

技术领域

本发明涉及一种热泵耦合纳米光子疏水膜蒸发处理电镀废水系统及方法，属于节能环保领域。

背景技术

金属制品业中的电镀行业是当今全球的三大污染工业之一，特别是对于工业快速发展的国家，电镀废水占工业废水的比例。电镀废水中的重金属和有机物是造成水体和土壤污染的主要原因，会对生活造成危害。因此，这些废水在排放到环境中之前必须得到适当的处理。

在处理电镀废水的众多常见方法中，蒸发结晶法有着不需要引入新物质和不产生污染的突出优点。现在蒸发结晶法多采用多效蒸发法，但由于该方法能耗高，很少被采用，仅作为辅助手段，因此不少科研工作者尝试使用较为节能的机械蒸气再压缩(MVR)方法处理电镀废水，但对于含有腐蚀性金属盐类的电镀废水处理并不适用，而且不能实现零污染排放。

膜蒸发技术是蒸发与膜过滤耦合的一种水处理方法，具有截留率高，装置结构紧凑、简单和操作压力低等优点，随着膜工艺水平不断提升，膜材料不断改善，膜蒸发技术受到了人们广泛关注研究，虽然膜蒸发在近几年取得巨大发展，但是膜通量与热效率较低，与反渗透和热蒸发法相比，产水效率低的缺点仍没有完全解决，若能改善以上膜蒸发的缺点并将其应用于电镀废水“零排放”处理中将十分具有价值。

因此，开发一种既有节能环保作用，同时也适用处理含有腐蚀性金属盐类的电镀废水的膜蒸发处理方法是十分有意义的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能够提高膜通量和热效率的电镀废水处理系统及方法，能够低能耗和高效率地处理电镀废水，实现废水的“零排放”资源化处理。

该系统包括蒸发器，压缩机，第一冷凝器，电子膨胀阀，循环泵，第二冷凝器，膜蒸发器，换热器，结晶罐，水泵，淡水储罐；蒸发器包括热侧进口、热侧出口、冷侧进口和冷侧出口；第一冷凝器包括热侧进口、热侧出口、冷侧进口和冷侧出口； 第二冷凝器包括热侧进口、热侧出口、冷侧进口和冷侧出口；膜蒸发器由冷壁面、透明热壁面、疏水膜、纳米光子热涂层组成，其组成结构的横截面布置次序依次为：透明热壁面、热侧通道、纳米光子热涂层、疏水膜、冷侧通道和冷壁面；膜蒸发器包括冷侧出口、热侧进口和热侧出口；疏水膜蒸发器由冷壁面、疏水膜和热壁面组成，其组成结构的横截面布置次序依次为：保温层、热壁面、热侧通道、疏水膜、冷侧通道和冷壁面；疏水膜蒸发器包括冷侧出口、热侧进口和热侧出口；换热器包括热侧进口、热侧出口、冷侧进口和冷侧出口；结晶罐包括溶液进口、溶液出口、结晶物出口； 蒸发器冷侧出口通过压缩机与第一冷凝器热侧进口相连，第一冷凝器热侧出口通过电子膨胀阀与蒸发器冷侧进口相连；初始电镀废水与从结晶罐溶液出口排出的饱和电镀废水汇合，经循环泵与第二冷凝器冷侧进口相连，第二冷凝器冷侧出口与第一冷凝器冷侧进口相连，第一冷凝器冷侧出口与膜蒸发器热侧进口相连，膜蒸发器热侧出口与换热器热侧进口相连，换热器热侧出口与蒸发器热侧进口相连，蒸发器热侧出口与结晶罐溶液进口相连，结晶罐结晶物出口与环境相连，从结晶罐溶液出口排出的饱和电镀废水与初始电镀废水汇合，开始下轮循环；膜蒸发器冷侧出口与第二冷凝器热侧进口相连，第二冷凝器热侧出口通过水泵与淡水储罐相连；环境空气与换热器冷侧进口相连，换热器冷侧出口与环境相连。

根据所述的热泵耦合纳米光子疏水膜蒸发处理电镀废水系统的方法，其特征在于包括以下过程：

制冷剂通过蒸发器冷侧，被其热侧的电镀废水加热后蒸发，变成低温低压的制冷剂饱和蒸气，然后进入压缩机被压缩为高温高压的制冷剂蒸气，之后进入第一冷凝器热侧，对其冷侧的电镀废水进行加热，放热后的制冷剂被冷凝为高压的饱和液态并由第一冷凝器热侧出口流出，经电子膨胀阀降温降压后变成汽液混合态，然后再流入蒸发器冷侧进口，开始下一轮循环；

初始电镀废水与从结晶罐溶液出口排出的饱和电镀废水汇合后变为不饱和电镀废水，然后经循环泵送入第二冷凝器冷侧进口，吸收了其热侧水蒸气冷凝潜热后温度升高，并被送入第一冷凝器冷侧，吸收了其热侧高温高压制冷剂冷凝释放的热量后温度继续升高，然后被送入膜蒸发器热侧；

进入膜蒸发器热侧通道的电镀废水，有少部分会进入纳米光子热涂层的纳米间隙中；

在太阳光子辐射作用下，大部分太阳光能透过透明热壁面和热侧通道透明的电镀废水，对纳米光子热涂层进行局部加热，位于纳米光子涂层间隙中的少量电镀废水吸收该区域热能后温度快速升高，且远高于热侧通道内电镀废水的温度。

由于膜蒸发器中的疏水膜是疏水多孔结构，电镀废水在疏水膜表面的接触角大于90°，膜不能被所处理的电镀废水湿润，所以电镀废水无法透过膜进入疏水膜蒸发器的冷侧。

而从纳米光子热涂层蒸发出的相同温度的水蒸气，在纳米光子热涂层处和膜蒸发器冷侧通道压差的作用下，水蒸气可以透过疏水膜进入冷侧通道。纳米光子热涂层中电镀废水浓度升高并与热侧电镀废水进行热值交换后，从膜蒸发器热侧出口排出；

来自膜蒸发器热侧的电镀废液进入换热器热侧，被其冷侧的环境空气冷却至常温后，送入蒸发器热侧，被其冷侧的低温低压制冷剂继续冷却至温度低于其饱和结晶温度；

从蒸发器热侧排出的过饱和电镀废液被送入结晶罐中进行固液分离，金属盐类结晶从结晶物出口排出，饱和电镀废水则从溶液出口排出，并与初始电镀废水混合后再次送入循环泵。

从膜蒸发器冷侧出口排出的水蒸气进入第二冷凝器热侧，向其冷侧的混合电镀废水释放热量后，自身被冷凝为冷凝水，该冷凝水经过水泵增加至常压后送入淡水储罐进行储存。

本发明提出热泵结合膜蒸发处理电镀废水的系统，由于疏水膜上应用了纳米光子热涂层，经太阳光的照射，可以局部产生高温，所以热泵温差不需要非常大，因此热泵具有较高的COP，比单纯使用热泵加热电镀废水使其温度达到纳米光子热涂层表面温度要节能的多；蒸发器无需从外界获得额外热量，只需吸收从换热器出来的电镀废水热量即可，系统的主要能耗仅仅为压缩机的能耗；由于该纳米光子热涂层对太阳光有着极强的吸收率并且可以高效地将光子能量转化为热能，因此可通过太阳光热实现较大的温度提升，且在蒸发过程中，因洁净可再生的太阳光热导致纳米光子热涂层产生较大的温度提升，且该温度提升是废液蒸发的主要能量来源，热泵加热仅作为辅助，所以有着较好的节能效果；纳米光子热涂层可通过太阳光热实现较大的温度提升，从而克服了温度极化，太阳光子蒸发膜两侧的温差也增大，从而增加两侧的饱和蒸汽压差进而提高蒸发效率，从而提升水蒸气产量。电镀废水经过蒸发器后，在结晶罐中达到过饱和，析出的金属盐类结晶可进行资源化处理，蒸发出来的冷凝水也可再次利用，整个过程无废水排出，可以真正做到“零排放”。

根据本发明所述的热泵耦合纳米光子疏水膜蒸发处理电镀废水的系统，其特征在于：该系统膜蒸发器中使用的不是普通商用的疏水膜，而是在疏水膜热侧布置有纳米光子热涂层,纳米光子热涂层具体为碳黑纳米颗粒多孔结构；由于多孔碳黑纳米结构作为涂层，可以对太阳辐射有着极高的吸收率和极低的反射率，能够高效地将光子能量转化为热能，因此纳米光子热涂层可通过太阳光热实现较大的温度提升，从而克服了温度极化，纳米光子疏水膜两侧的温差也增大，从而增加两侧的饱和蒸汽压差进而提高蒸发效率，而疏水膜则正常执行膜蒸发的功能。由于太阳光热资源是洁净的可再生资源，该种膜有较好的节能作用。

根据本发明所述的一种热泵结合纳米光子疏水膜蒸发处理电镀废水的系统及工作方法，该系统不仅可以用于电镀废水“零排放”处理，也可以用于海水淡化、化工原料和蔬果汁等腐蚀性热敏性物料的低温蒸发浓缩；

根据本发明所述的热泵耦合纳米光子疏水膜蒸发处理电镀废水的系统，其特征在于：采用的太阳光子辐射通过透明热壁面的方法，既可以采用平板透过式，也可以采用聚焦式；采用平板透过式的透明壁面，则纳米光子热涂层温度较低，纳米光子热涂层处废水蒸发量较低，为防止过快蒸发引起的结晶盐沉淀堵塞纳米孔通道，因此其更适合高浓度电镀废水操作系统；而采用聚焦式的透明壁面，则纳米光子热涂层温度较高，则更适合高蒸发量和低浓度电镀废水的操作系统。

根据本发明所述的热泵耦合纳米光子疏水膜蒸发处理电镀废水的系统，其特征在于：随着冷凝水产量的增加，饱和电镀废水与初始电镀废水的比例在不断增加。

为了防止纳米光子热涂层内过快蒸发引起的盐沉淀堵塞纳米孔通道，在电镀废水的操作初期，采用饱和电镀废水与初始电镀废水的比例较低，随着冷凝水产量不断提高，该系统中循环的电镀废水浓度不断提高，为了减少金属盐类结晶在纳米孔中沉淀，从而引起的孔堵塞，需要增加饱和电镀废水与初始电镀废水的流量比例。

根据本发明所述的热泵耦合纳米光子疏水膜蒸发处理电镀废水的系统，由于其主要借助纳米光子热涂层与疏水膜冷凝侧温差引起的蒸汽压差，来实现液体中可挥发成分的分离，从而实现溶液的浓缩或结晶，疏水膜能够耐受一定的腐蚀性和高温。因此，该系统及方法不仅可以用于电镀废水“零排放”处理，也可以用于海水淡化、化工原料和蔬果汁等腐蚀性热敏性物料的低温蒸发浓缩。

附图说明

图1是本发明提出的热泵耦合纳米光子疏水膜蒸发处理电镀废水的系统；

图2是本发明提出的膜蒸发器结构及横截面温度分布；

图3常规疏水膜蒸发器结构及横截面温度分布；

图4常规热泵耦合膜蒸发器处理电镀废水的系统及流程；

图中标号名称：1、蒸发器，2、压缩机，3、第一冷凝器，4、电子膨胀阀，5、循环泵，6、第二冷凝器，7、膜蒸发器(冷壁面(7-1)、透明热壁面（7-2）、疏水膜（7-3）、纳米光子热涂层（7-4）)， 8、换热器，9、结晶罐，10、水泵，11、淡水储罐，12、饱和电镀废水，13、初始电镀废水，14、空气，15、制冷剂，16、金属盐类结晶，17、水蒸气，18、冷凝水，19、太阳光子辐射，20、疏水膜蒸发器（冷侧壁面（20-1）、热侧壁面（20-2）、疏水膜（20-3）、保温层（20-4））。

具体实施方法

下面参照附图1说明该热泵结合纳米光子疏水膜蒸发处理电镀废水的系统及工作方法的具体实施方法和工作过程。

该系统启动和关停需要按照如下的步骤进行：

首先，启动循环泵5，使废液循环。

然后，启动压缩机2，开启热泵循环。

最后，启动水泵10。

在热泵循环中，制冷剂15通过蒸发器1冷侧，被其热侧的电镀废水加热后蒸发，变成低温低压的制冷剂15饱和蒸气，然后进入压缩机2被压缩为高温高压的制冷剂15蒸气，之后进入第一冷凝器3热侧，对其冷侧的电镀废水进行加热，放热后的制冷剂15被冷凝为高压的饱和液态并由第一冷凝器3热侧出口流出，经电子膨胀阀4降温降压后变成汽液混合态，然后再流入蒸发器1冷侧进口，开始下一轮循环；

在废水循环中，初始电镀废水13与从结晶罐9溶液出口排出的饱和电镀废水12汇合后变为不饱和电镀废水，然后经循环泵5送入第二冷凝器6冷侧进口，吸收了其热侧水蒸气17冷凝潜热后温度升高，并被送入第一冷凝器3冷侧，吸收了其热侧高温高压制冷剂15冷凝释放的热量后温度继续升高，然后被送入膜蒸发器7热侧入口。

进入膜蒸发器7热侧通道的电镀废水，有少部分会进入纳米光子热涂层7-4的纳米间隙中；

在太阳光子辐射19作用下，大部分太阳光能透过透明热壁面7-2和热侧通道透明的电镀废水，对纳米光子热涂层7-4进行局部加热，位于纳米光子涂层7-4间隙中的少量电镀废水吸收该区域热能后温度快速升高，且远高于热侧通道内电镀废水的温度；

由于膜蒸发器7中的疏水膜7-3是疏水多孔结构，电镀废水在疏水膜表面的接触角大于90°，膜不能被所处理的电镀废水湿润，所以电镀废水无法透过膜进入膜蒸发器7的冷侧通道。

而从纳米光子热涂层7-4蒸发出的相同温度的水蒸气，在纳米光子热涂层7-4处和膜蒸发器7冷侧通道压差的作用下，水蒸气17可以透过疏水膜7-3进入冷侧通道。纳米光子热涂层7-4中电镀废水浓度升高并与热侧电镀废水进行热值交换后，从膜蒸发器7热侧出口排出；

来自膜蒸发器7热侧出口的电镀废液进入换热器8热侧，被其冷侧的环境空气14冷却至常温后，送入蒸发器1热侧进口，被其冷侧的低温低压制冷剂15继续冷却至温度低于其饱和结晶温度；

从蒸发器1热侧出口排出的过饱和电镀废液被送入结晶罐9中进行固液分离，金属盐类结晶16从结晶物出口排出，饱和电镀废水12则从溶液出口排出，并与初始电镀废水13混合后再次送入循环泵5,开始下一轮循环。

从膜蒸发器7冷侧出口排出的水蒸气17进入第二冷凝器6热侧，向其冷侧的混合电镀废水释放热量后，自身被冷凝为冷凝水18，该冷凝水18经过水泵10增加至常压后送入淡水储罐11。

待电镀废水处理完成后，该系统的关闭次序如下：

关闭压缩机2，关闭热泵循环。

关闭循环泵5，使废液停止循环。

关闭水泵10。

Claims (4)

1.一种热泵耦合纳米光子疏水膜蒸发处理电镀废水系统，其特征在于：

该系统包括蒸发器（1），压缩机(2)，第一冷凝器(3)，电子膨胀阀(4)，循环泵（5），第二冷凝器(6)，膜蒸发器(7)，换热器(8)，结晶罐(9)，水泵(10)，淡水储罐(11)；

蒸发器（1）包括热侧进口、热侧出口、冷侧进口和冷侧出口；

第一冷凝器(3)包括热侧进口、热侧出口、冷侧进口和冷侧出口；

第二冷凝器(6)包括热侧进口、热侧出口、冷侧进口和冷侧出口；

膜蒸发器(7)由冷壁面(7-1)、透明热壁面（7-2）、疏水膜（7-3）、纳米光子热涂层（7-4）组成，其组成结构的横截面布置次序依次为：透明热壁面（7-2）、热侧通道、纳米光子热涂层（7-4）、疏水膜（7-3）、冷侧通道和冷壁面（7-1）；

膜蒸发器（7）包括冷侧出口、热侧进口和热侧出口；

疏水膜蒸发器（20）由冷壁面（20-1）、疏水膜（20-3）和热壁面（20-2）组成，其组成结构的横截面布置次序依次为：保温层（20-4）、热壁面（20-2）、热侧通道、疏水膜（20-3）、冷侧通道和冷壁面（20-1）；

疏水膜蒸发器（20）包括冷侧出口、热侧进口和热侧出口；

换热器(8)包括热侧进口、热侧出口、冷侧进口和冷侧出口；

结晶罐(9)包括溶液进口、溶液出口、结晶物出口；

蒸发器(1)冷侧出口通过压缩机(2)与第一冷凝器(3)热侧进口相连，第一冷凝器(3)热侧出口通过电子膨胀阀(4)与蒸发器(1)冷侧进口相连；

初始电镀废水（13）与从结晶罐（9）溶液出口排出的饱和电镀废水（12）汇合，经循环泵(5)与第二冷凝器(6)冷侧进口相连，第二冷凝器(6)冷侧出口与第一冷凝器(3)冷侧进口相连，第一冷凝器(3)冷侧出口与膜蒸发器(7)热侧进口相连，膜蒸发器(7)热侧出口与换热器(8)热侧进口相连，换热器(8)热侧出口与蒸发器(1)热侧进口相连，蒸发器(1)热侧出口与结晶罐(9)溶液进口相连，结晶罐(9)结晶物出口与环境相连，从结晶罐(9)溶液出口排出的饱和电镀废水（12）与初始电镀废水(13)汇合，开始下轮循环；

膜蒸发器（7）冷侧出口与第二冷凝器(6)热侧进口相连，第二冷凝器(6)热侧出口通过水泵（10）与淡水储罐(11)相连；

环境空气（14）与换热器(8)冷侧进口相连，换热器（8）冷侧出口与环境相连。

2.根据权利要求1所述的热泵耦合纳米光子疏水膜蒸发处理电镀废水系统，其特征在于：纳米光子热涂层(7-4)具体为碳黑纳米颗粒多孔结构。

3.根据权利要求1所述的热泵耦合纳米光子疏水膜蒸发处理电镀废水系统，其特征在于：透明热壁面（7-2）为平板透过式，或聚焦式。

4.根据权利要求1所述的热泵耦合纳米光子疏水膜蒸发处理电镀废水系统的方法，其特征在于包括以下过程：

制冷剂(15)通过蒸发器（1）冷侧，被其热侧的电镀废水加热后蒸发，变成低温低压的制冷剂(15)饱和蒸气，然后进入压缩机（2）被压缩为高温高压的制冷剂（15）蒸气，之后进入第一冷凝器（3）热侧，对其冷侧的电镀废水进行加热，放热后的制冷剂（15）被冷凝为高压的饱和液态并由第一冷凝器（3）热侧出口流出，经电子膨胀阀（4）降温降压后变成汽液混合态，然后再流入蒸发器（1）冷侧进口，开始下一轮循环；

初始电镀废水（13）与从结晶罐（9）溶液出口排出的饱和电镀废水（12）汇合后变为不饱和电镀废水，然后经循环泵(5)送入第二冷凝器(6)冷侧进口，吸收了其热侧水蒸气冷凝潜热后温度升高，并被送入第一冷凝器（3）冷侧，吸收了其热侧高温高压制冷剂（15）冷凝释放的热量后温度继续升高，然后被送入膜蒸发器（7）热侧入口；

进入膜蒸发器（7）热侧通道的电镀废水，有少部分会进入纳米光子热涂层（7-4）的纳米间隙中；

在太阳光子辐射（19）作用下，大部分太阳光能透过透明热壁面（7-2）和热侧通道透明的电镀废水，对纳米光子热涂层（7-4）进行局部加热，位于纳米光子涂层（7-4）间隙中的少量电镀废水吸收该区域热能后温度快速升高，且远高于热侧通道内电镀废水的温度；

由于膜蒸发器（7）中的疏水膜(7-3)是疏水多孔结构，电镀废水在疏水膜表面的接触角大于90°，膜不能被所处理的电镀废水湿润，所以电镀废水无法透过膜进入膜蒸发器（7）的冷侧通道；

而从纳米光子热涂层（7-4）蒸发出的相同温度的水蒸气，在纳米光子热涂层（7-4）处和膜蒸发器（7）冷侧通道压差的作用下，水蒸气(17)可以透过疏水膜（7-3）进入冷侧通道；纳米光子热涂层（7-4）中电镀废水浓度升高并与热侧电镀废水进行热值交换后，从膜蒸发器（7）热侧出口排出；

来自膜蒸发器（7）热侧出口的电镀废液进入换热器（8）热侧，被其冷侧的环境空气（14）冷却至常温后，送入蒸发器（1）热侧进口，被其冷侧的低温低压制冷剂（15）继续冷却至温度低于其饱和结晶温度；

从蒸发器（1）热侧出口排出的过饱和电镀废液被送入结晶罐（9）中进行固液分离，金属盐类结晶（16）从结晶物出口排出，饱和电镀废水（12）则从溶液出口排出，并与初始电镀废水（13）混合后再次送入循环泵（5）,开始下一轮循环；

从膜蒸发器（7）冷侧出口排出的水蒸气（17）进入第二冷凝器（6）热侧，向其冷侧的混合电镀废水释放热量后，自身被冷凝为冷凝水（18），该冷凝水(18)经过水泵（10）增加至常压后送入淡水储罐（11）。

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