CN113354013B - 一种从核废水中分离浓缩重水的膜蒸馏装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种从核废水中分离浓缩重水的膜蒸馏装置，包括：上侧端板(1)、下侧端板(2)和膜分离浓缩组件(3)；上侧端板(1)包括热侧物料入口(11)、冷侧物料出口(12)、冷却物料入口(13)、加热物料出口(14)；下端板(2)包括热侧物料出口(21)、冷侧物料入口(22)、冷却物料出口(23)、加热物料入口(24)；膜分离浓缩组件(3)包括多级串联的浓缩室(31)、多级串联的透过室(32)、辅热室(33)和冷却室(34)。本发明膜蒸馏装置实现了组件内部多级膜蒸馏过程，避免外加辅助设备。同时，本发明通过调节冷却室(32)、辅热室(33)的厚度来平衡因料液重水比例增加而造成的渗透通量降低，提高分离效率，减少热量损失。

Description

一种从核废水中分离浓缩重水的膜蒸馏装置和方法

技术领域

本发明属于膜蒸馏技术领域，具体涉及一种从核废水中分离浓缩重水的膜蒸馏装置和方法。

背景技术

重水的主要用途是在核反应堆中做“减速剂”，减小中子速度，控制核裂变过程，同时作为冷却剂。重水研究化学和生理变化中是一种宝贵的示踪材料，当前的价格16元/mg，是非常昂贵的工业原料。重水虽然在尖端技术上是宝贵的资源，但对人却是有害的。从核废水中实现重水浓缩分离技术的重点是尽可能的回收浓缩重水与此同时减少其向自然界排放，产生污染。

采用电解法进行重水分离，因为轻水通电后会产生氢气和氧气而重水无法电解，这样可以从轻水中把它分离出来。此种方法一方面对于重水含量较低的体系来说将轻水完全电离是难以实现的。另一方面过程消耗的电能巨大成本高昂。

金子克美等人发明了一种以低成本制造低氘水的工艺过程。是一种从水中将重水及半重水除去来制造低氘水的方法，具有吸附工序，在该吸附工序中，采取特殊的吸附材料，重水及半重水吸附于吸附材料而轻水难以吸附，以实现组分分离。其优点在于能够实现较为高效的分离效果，但特殊的吸附材料造价昂贵、难以实现批量生产。

重水在天然水中的浓度约为0.014％，余国琮所带领团队为提取纯度达99.9％的重水提供了关键设计，实现了重水生产的突破。但传统的精馏方式存在设备造价高、占地面积大、耗能高等缺点。

膜蒸馏过程是利用疏水性微孔膜两侧的温度差所产生的蒸汽压差作为推动力，来实现溶质和溶剂分离的膜过程。膜蒸馏技术作为一种将传统蒸发与膜技术相结合的新型膜技术，与电解、吸附、传统蒸发等工艺相比，在重水浓缩分离方面具有较为明显的优势：①膜蒸馏依靠蒸汽压差作为推动力来实现溶质和溶剂分离，其能耗和对装置安全性的要求均显著低于其他工艺；②由于膜具有在无静压力差的情况下只允许气体透过膜，而截留液体的特点，使得其具有浓缩效率高，可以实现高品位浓缩；③与传统蒸发相比，膜蒸馏装置简便、占地面积少、可以利用低品位热源(太阳能、地热、废热、余热等)、经济性高。因此，膜蒸馏技术为重水浓缩分离提供了一种新的思路。

现有技术对核废水中重水的进行浓缩处理时，传统精馏、电解设备占地面积大投入成本高。由于重水与普通水物理化学性质较为接近，如何实现有效分离提高分离效率是目前膜蒸馏技术面临的技术难题。现有的膜蒸馏过程中汽化潜热的存在降低了热能的利用率，从而产生能耗成本。

美国专利3562116，用疏水微孔膜孔膜替代精馏塔板分离重水，减少了装置的占地面积，但组件的结构复杂，分离效果较低。

中国专利申请201110428029.6，将有限数量的膜蒸馏组件通过外部串联以获得多级效果。但外部设备的投入限制了其膜蒸馏级数的增加，不能适应相对挥发度较低物料的分离。

中国专利申请201410458960.2，通过设置隔板开孔的不同位置使得膜组件中热料液串联，但其热液室和冷液室相互接触传热，降低了热效率。

中国专利申请201910768135.5，发明了一种能量回收利用的膜蒸馏系统采用气隙回收渗透蒸汽的能量，使得传质阻力变大，渗透通量较低。

为了解决以上问题，提出本发明。

发明内容

本发明第一方面提供一种从核废水中分离浓缩重水的膜蒸馏装置，其包括：上侧端板1、下侧端板2和膜分离浓缩组件3；

所述上侧端板1包括热侧物料入口11、冷侧物料出口12、冷却物料入口13、加热物料出口14、减压口15；

所述下端板2包括热侧物料出口21、冷侧物料入口22、冷却物料出口23、加热物料入口24；

所述膜分离浓缩组件3包括多级串联的浓缩室31、多级串联的透过室32、辅热室33和冷却室34；所述浓缩室31和所述透过室32交替排列，两者之间具有分离膜35；所述冷却室34位于级别相邻的两个所述透过室32之间，所述辅热室33位于级别相邻的两个所述浓缩室31之间。

以上各部件的连接关系为：

所述热侧物料入口11连通至所述浓缩室31，进而连通至所述热侧物料出口21；所述冷侧物料入口22连通至所述透过室32，进而连通至所述冷侧物料出口12；所述冷却物料入口13连通至所述冷却室34，进而连通至所述冷却物料出口23；所述加热物料入口24连通至所述辅热室33，进而连通至所述加热物料出口14。

所述透过室32内通入第一冷却介质，所述冷却室34内通入第二冷却介质。两种冷却介质可相同也可不同，所述透过室32内的蒸汽在第一冷却介质的作用下冷凝，并随所述第一冷却介质进入下一级的所述透过室32。所述第二冷却介质进一步为透过室32维持较低的温度，以保持浓缩室31和透过室32有稳定的温度差。所述辅热室33所述加热物料入口24通入加热物料，为两侧浓缩室31补充因自身蒸发而降低的热量。

综上可知，本发明中所述热侧物料入口11、所述浓缩室31和所述热侧物料出口21形成的流动方向，与所述冷侧物料入口22、所述透过室32和所述冷侧物料出口12形成的流动方向是相反的，两者呈逆流状态。

其中，所述从核废水中分离浓缩重水的膜蒸馏装置还包括隔板，因疏水微孔膜孔膜为软膜需要有隔板支撑，并且不同的料液种类需要流过不同的区域，比如热料液就必须进入各级浓缩室而不能进入透过室。隔板为不同料液进入不同区域提供导流作用。隔板的空腔就成为了所述的浓缩室31和透过室32。

优选地，所述膜分离浓缩组件3包括0-40级串联的浓缩室31，且不为0；所述膜分离浓缩组件3包括0-40级串联的透过室32，且不为0。也就是说级别数是0-40。

优选地，所述减压口15有四个。本发明通过设置减压口可以实现整个装置在较低的压力环境下运行，在提升分离效率的同时降低了热料液入口温度，降低能耗。而4个减压口的设置目的在于在减压过程中尽可能保持组件内部膜面各处所承受的压力较为均衡，增强膜的使用寿命。

优选地，所述分离膜35为不透水只透气的疏水微孔膜孔膜。

优选地，所述上侧端板1、下侧端板2和膜分离浓缩组件3三者之间通过密封材料相互固定和彼此密封隔开。使用密封件原因在于端板与夹在其中的组件不是一体成型。并且要在端板上连接管件，膜组件整体需要减压所以选用密封件连接密封。

采用密封件的原因在于方便在实际应用过程中如果膜堆出现了破损、渗漏等就可以通过只更换不直接连接管路的膜组件，而不需要更换与管件直接相连的端板，一定程度上节约维修、维护成本。

优选地，所述冷却室34通过密封件与两侧的所述透过室32隔开，所述辅热室33通过密封件与两侧的所述浓缩室31隔开。

优选地，所述透过室32内通入第一冷却介质，所述透过室32内的蒸汽在第一冷却介质的作用下冷凝，并随所述第一冷却介质进入下一级的所述透过室32。

本发明第二方面提供一种本发明第一方面所述的膜蒸馏装置从核废水中分离浓缩重水的方法，包括以下步骤：

(1)使用本膜蒸馏装置时待处理高温料液经所述上侧端板1的所述热侧物料入口11进入膜蒸馏装置，经由第一级浓缩室31，料液在第一级浓缩室31中蒸发产生蒸汽，该蒸汽透过所述分离膜35后进入第一级透过室32，经第一级浓缩室31浓缩后的料液进入第二级浓缩室31，以此类推直至原料液浓缩成为目标重水从所述下侧端板2的所述热侧物料出口21排出；

(2)第一级透过室32中的蒸汽经由各级透过室32富集，并由第一冷却介质冷却后，形成冷凝水，由所述上侧端板1的冷侧物料出口12排出；

(3)第一冷却介质经所述冷却物料入口13进入，随蒸汽冷却后的冷凝液经所述冷侧物料出口12排出；

(4)所述辅热室33为两侧浓缩室31补充因自身蒸发而降低的热量；

(5)所述冷却室34为透过室32维持较低的温度，以保持浓缩室31和透过室32有稳定的温度差；

以上步骤不区分先后顺序。

优选地，所述第一冷却介质为纯水。此处纯水指不包含重水，或者经本发明第一方面所述的膜蒸馏装置处理后经所述冷侧物料出口12排出的冷凝液。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明膜蒸馏装置其包括上侧端板1、下侧端板2和膜分离浓缩组件3，所述膜分离浓缩组件3包括多级串联的浓缩室31、多级串联的透过室32、辅热室33和冷却室34。本发明膜蒸馏装置实现了组件内部多级膜蒸馏过程，减少了外加辅助设备降低设备成本，使得设备更紧凑占地面积更小。

2、本发明膜分离浓缩组件3中每两级之间具有辅热室33和冷却室34，辅热室33设置最大程度上为两侧浓缩室31补充料液自身蒸发所造成的热量损失，提高分离效率。而所述冷却室34为透过室32维持较低的温度，以保持浓缩室31和透过室32有稳定的温度差。

3、本发明中可以通过调节冷却室32、辅热室33的不同厚度来平衡因料液重水比例增加而造成的渗透通量降低，提高分离效率，减少热量损失。

4、本发明通过设置减压口15可以实现整个装置在较低的压力环境下运行，在提升分离效率的同时降低了热料液入口温度，降低能耗。

附图说明

图1为本发明从核废水中分离浓缩重水的膜蒸馏装置的结构示意图；

图2为膜分离浓缩组件3的结构示意图。

附图标记的名称为：1-上侧端板、2-下侧端板、3-膜分离浓缩组件、11-侧物料入口、12-冷侧物料出口、13-冷却物料入口、14-加热物料出口、15-减压口、21-热侧物料出口、22-冷侧物料入口、23-冷却物料出口、24-加热物料入口、31-浓缩室、32-透过室、33-辅热室、34-冷却室。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行说明，但本发明的实施方式不限于此。实施例中未注明具体条件的实验方法,通常按照常规条件以及手册中所述的条件,或按照制造厂商所建议的条件所用的通用设备、材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。以下实施例和对比例中所需要的原料均为市售。

实施例1

本膜蒸馏装置通入含有0.0014％重水的天然水，保持组件内部压力为0.5bar,浓缩室温度维持在81-85℃，冷侧温度保持在15-20℃，辅热侧维持温度在85-90℃，冷侧温度维持在10-15℃，采用40级的膜蒸馏装置处理，24-26小时，可以实现回收率25％。此处回收率即浓缩后的重水量占通入原料天然水量的比重。

实施例2

改变实施例1中的隔板、冷却室和辅热室的厚度，通入含有0.0014％重水的天然水，保持组件内部压力为0.5bar,浓缩室温度维持在81-85℃，冷侧温度保持在15-20℃，辅热侧维持温度在85-90℃，冷侧温度维持在10-15℃，采用40级的膜蒸馏装置处理，24-26小时，可以实现回收率30％。此处回收率即浓缩后的重水量占通入原料天然水量的比重。

Claims (7)

1.一种从核废水中分离浓缩重水的膜蒸馏装置，其特征在于，其包括：上侧端板（1）、下侧端板（2）和膜分离浓缩组件（3）；

所述上侧端板（1）包括热侧物料入口（11）、冷侧物料出口（12）、冷却物料入口（13）、加热物料出口（14）、减压口（15）；

所述下侧端板（2）包括热侧物料出口（21）、冷侧物料入口（22）、冷却物料出口（23）、加热物料入口（24）；

所述膜分离浓缩组件（3）包括多级串联的浓缩室（31）、多级串联的透过室（32）、辅热室（33）和冷却室（34）；所述浓缩室（31）和所述透过室（32）交替排列，两者之间具有分离膜（35）；所述冷却室（34）位于级别相邻的两个所述透过室（32）之间，所述辅热室（33）位于级别相邻的两个所述浓缩室（31）之间；

以上各部件的连接关系为：

所述热侧物料入口（11）连通至所述浓缩室（31），进而连通至所述热侧物料出口（21）；所述冷侧物料入口（22）连通至所述透过室（32），进而连通至所述冷侧物料出口（12）；所述冷却物料入口（13）连通至所述冷却室（34），进而连通至所述冷却物料出口（23）；所述加热物料入口（24）连通至所述辅热室（33），进而连通至所述加热物料出口（14）；

所述热侧物料入口（11）、所述浓缩室（31）和所述热侧物料出口（21）形成的流动方向，与所述冷侧物料入口（22）、所述透过室（32）和所述冷侧物料出口（12）形成的流动方向是相反的，两者呈逆流状态；

所述分离膜（35）为不透水只透气的疏水微孔膜；

所述透过室（32）内通入第一冷却介质，所述透过室（32）内的蒸汽在第一冷却介质的作用下冷凝，并随所述第一冷却介质进入下一级的所述透过室（32）；

所述第一冷却介质为纯水，所述纯水指不包含重水。

2.根据权利要求1所述的从核废水中分离浓缩重水的膜蒸馏装置，其特征在于，所述膜分离浓缩组件（3）包括0-40级串联的浓缩室（31），且不为0；所述膜分离浓缩组件（3）包括0-40级串联的透过室（32），且不为0。

3.根据权利要求1所述的从核废水中分离浓缩重水的膜蒸馏装置，其特征在于，所述减压口（15）有四个。

4.根据权利要求1所述的从核废水中分离浓缩重水的膜蒸馏装置，其特征在于，所述上侧端板（1）、下侧端板（2）和膜分离浓缩组件（3）三者之间通过密封材料相互固定和彼此密封隔开。

5.根据权利要求1所述的从核废水中分离浓缩重水的膜蒸馏装置，其特征在于，所述冷却室（34）通过密封件与两侧的所述透过室（32）隔开，所述辅热室（33）通过密封件与两侧的所述浓缩室（31）隔开。

6.一种权利要求1-5任一项所述的膜蒸馏装置从核废水中分离浓缩重水的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）使用所述膜蒸馏装置时待处理高温料液经所述上侧端板（1）的所述热侧物料入口（11）进入膜蒸馏装置，经由第一级浓缩室（31），料液在第一级浓缩室（31）中蒸发产生蒸汽，该蒸汽透过所述分离膜（35）后进入第一级透过室（32），经第一级浓缩室（31）浓缩后的料液进入第二级浓缩室（31），以此类推直至原料液浓缩成为目标重水从所述下侧端板（2）的所述热侧物料出口（21）排出；

（2）第一级透过室（32）中的蒸汽经由各级透过室（32）富集，并由第一冷却介质冷却后，形成冷凝水，由所述上侧端板（1）的冷侧物料出口（12）排出；

（3）第一冷却介质经所述冷却物料入口（13）进入，随蒸汽冷却后的冷凝液经所述冷侧物料出口（12）排出；

（4）所述辅热室（33）为两侧浓缩室（31）补充因自身蒸发而降低的热量；

（5）所述冷却室（34）为透过室（32）维持较低的温度，以保持浓缩室（31）和透过室（32）有稳定的温度差；

以上步骤不区分先后顺序。

7.根据权利要求6所述膜蒸馏装置从核废水中分离浓缩重水的方法，其特征在于，所述第一冷却介质为纯水，所述纯水指不包含重水。

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