CN113716785B - 一种半导体制冷膜蒸馏装置及污水处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体制冷膜蒸馏装置及污水处理方法。其技术方案是：预处理池内设有过滤网，预处理池通过管线连接到料液池，料液池内设有加热装置，所述的料液池通过管线连接到一级以上的膜组件，有益效果具体如下：本发明的膜组件热腔用于通过待处理的油田污水，膜组件冷腔用于形成制冷空间，促使水蒸汽在冷凝板上的凝结；蠕动泵是污水进行水力运动的装置，也是整个处理系统的循环装置；真空泵是为增大膜通量所设置的装置，同时配以压力表；本发明能够利用油田污水中本身带有的低品位热源进行污水处理，很好地利用了这部分热能，且膜蒸馏技术对污水中非挥发性组分的截留率很高，从而顺应了高效、节能的污水处理要求。

Description

一种半导体制冷膜蒸馏装置及污水处理方法
技术领域
本发明涉及一种油田污水处理装置及方法，特别涉及一种半导体制冷膜蒸馏装置及污水处理方法。
背景技术
油田污水的处理方法中，有些已经发展得比较成熟甚至已经广泛使用，但它们普遍都具有成本高、操作复杂、局限性大等问题，选择采用膜蒸馏技术处理油田污水，意在解决或者减轻这些问题。
膜蒸馏过程是将膜技术与传统蒸馏技术结合而出现的一种新型分离技术。与常规蒸馏相比，膜蒸馏的操作温度更低，一般在60~70℃左右温度下操作，无需将溶液加热至沸腾，只要膜两侧维持适当的温差，该过程就可以进行，有可能利用太阳能、地热、温泉、工厂的余热和温热的工业废水等廉价能源；是目前水质净化和纯化的最有效手段之一。
考虑到油田污水中含有热量，也就是低品位热能，平常很难用到这部分热量，本身其利用价值也并不大，但应用膜蒸馏技术后，这一部分热量就成为了膜蒸馏过程的热源，任何组分通过膜的推动力是该组分的蒸汽压梯度。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种半导体制冷膜蒸馏装置及污水处理方法，利用油田污水中本身带有的低品位热源进行污水处理，且膜蒸馏技术对污水中非挥发性组分的截留率很高，从而顺应了高效、节能的污水处理要求。
本发明提到的一种半导体制冷膜蒸馏装置，其技术方案是：包括预处理池（a）、过滤网（b）、加热装置（c）、料液池（d）、纯净水储水罐（e）和膜组件（f），所述预处理池（a）内设有过滤网（b），预处理池（a）通过管线连接到料液池（d），料液池（d）内设有加热装置（c），所述的料液池（d）通过管线连接到一级以上的膜组件（f），所述膜组件（f）包括膜组件热腔（1）、多孔疏水膜（2）、金属固定格网（3）、气隙（4）、冷凝板（5）、膜组件冷腔（6）、净化水出口（7）、半导体制冷装置（9）、真空泵（11）和外壳体（15），所述外壳体（15）的左侧设有膜组件热腔（1），右侧设有膜组件冷腔（6），中间设有气隙（4），在外壳体（15）的右端外壁设有半导体制冷装置（9）；所述膜组件热腔（1）的右侧设有金属固定格网（3），金属固定格网（3）的右侧设有多孔疏水膜（2）；所述气隙（4）内腔设有真空泵（11），气隙（4）的底部设有净化水出口（7），净化水出口（7）的下方设有纯净水储水罐（e）；所述的膜组件冷腔（6）的左侧设有冷凝板（5）。
优选的，在膜组件热腔（1）的上侧设有蠕动泵（12），蠕动泵（12）的上侧设有污水出口（14）。
优选的，上述膜组件热腔（1）的底部设有污水进水口（13）。
优选的，上述的半导体制冷装置（9）包括第一金属片（9.1）、P型半导体（9.2）、N型半导体（9.3）、第二金属片（9.4）、直流电源（9.5）、第三金属片（9.6）、热端绝缘陶瓷（9.7）、冷端绝缘陶瓷（9.8），所述第三金属片（9.6）、N型半导体（9.3）、第一金属片（9.1）、P型半导体（9.2）、第二金属片（9.4）和直流电源（9.5）依次串接，形成电回路，所述第二金属片（9.4）和第三金属片（9.6）的右侧设有热端绝缘陶瓷（9.7），所述第一金属片（9.1）的左侧设有冷端绝缘陶瓷（9.8）。
优选的，上述的P型半导体（9.2）的左端与第一金属片（9.1）的上侧接触，P型半导体（9.2）的右端与第二金属片（9.4）接触。
优选的，上述的N型半导体（9.3）的左端与第一金属片（9.1）的上侧接触，N型半导体（9.3）的右端与第三金属片（9.6）接触。
优选的，上述的多孔疏水膜（2）采用多孔金属复合膜，通过溶胶一凝胶法在多孔金属膜表面涂覆一层聚二甲基硅氧烷薄膜，加强膜的疏水性和抗污染性。
优选的，上述的冷凝板（5）的右表面为光滑面，左侧表面上1/3为半圆凸面，中1/3为倾斜角450的锯齿形结构，下部为弧形结构。
优选的，上述的冷凝板（5）的右表面为光滑面，左侧表面为锯齿形结构。
优选的，上述的金属固定格网（3）采用纯银材料制作，将网格设成大孔隙网状结构。
本发明提到的采用半导体制冷膜蒸馏装置实现油田污水处理的方法，包括以下过程：
首先，油田产生的污水经过预处理池（a）处理，过滤网（b）可以过滤大颗粒的污物，然后，污水进入料液池（d）中，经过加热装置（c）的加热后送入膜组件（f）中的膜组件热腔（1），污水就可以通过金属固定格网（3）分散多孔疏水膜（2）所受的静水压力，减小多孔疏水膜（2）的变形程度，增大多孔疏水膜（2）的受力范围；由于膜组件热腔（1）水溶液与多孔疏水膜（2）膜界面的水蒸汽压高于膜组件冷腔（6）与多孔疏水膜（2）膜界面的水蒸汽压，水蒸汽会透过膜孔从热侧进入冷侧，并且在半导体制冷装置的作用下，水蒸汽就在冷凝板（5）的左侧表面凝结，凝结成的蒸馏水经气隙（4）底部的净化水出口（7）流出到纯净水储水罐（e），得到纯净水；
其次，污水流经第一级的膜组件（f），水蒸汽通过第一级的多孔疏水膜（2）的膜孔在冷凝板（5）上冷凝，剩下的污水会继续进入第二级的膜组件（f）及第三级的膜组件（f）继续进行膜蒸馏过程，最终流回料液池（d）进行循环，膜组件（f）中的真空泵（11）可以增大膜两侧的压差，增大膜蒸馏过程的膜通量。
与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：
本发明的膜组件热腔用于通过待处理的油田污水，膜组件冷腔用于形成制冷空间，促使水蒸汽在冷凝板上的凝结；蠕动泵是污水进行水力运动的装置，也是整个处理系统的循环装置；真空泵是为增大膜通量所设置的装置，同时配以压力表；本发明能够利用油田污水中本身带有的低品位热源进行污水处理，很好地利用了这部分热能，且膜蒸馏技术对污水中非挥发性组分的截留率很高，从而顺应了高效、节能的污水处理要求；
另外，本发明的污水处理过程简单、设备体积小、经济性能好；可在常温下进行连续操作、可实现集成化，膜性能具有可调性、可专一配备膜；相比于反渗透技术，操作压力更低，对膜的机械性能要求也相对较低；可处理高浓度溶液，当溶液过饱和时将会析出晶体，可以减少液体排放。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是膜组件的立体结构示意图；
图3是膜组件的内部结构示意图；
图4是半导体制冷装置的结构示意图；
图5是金属固定格网的外形是示意图；
图6是冷凝板的结构示意图；
图7是冷凝板的另一种结构示意图；
上图中：预处理池a、过滤网b、加热装置c、料液池d、纯净水储水罐e、膜组件f、膜组件热侧1、多孔疏水膜2、金属固定格网3、气隙4、冷凝板5、膜组件冷腔6、净化水出口7、压力表8、半导体制冷装置9、保温层10、真空泵11、蠕动泵12、污水进水口13、污水出口14、外壳体15。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，参照图1-图6，本发明提到的一种半导体制冷膜蒸馏装置，包括预处理池a、过滤网b、加热装置c、料液池d、纯净水储水罐e和膜组件f，所述预处理池a内设有过滤网b，预处理池a通过管线连接到料液池d，料液池d内设有加热装置c，所述的料液池d通过管线连接到三级膜组件f，所述膜组件f包括膜组件热腔1、多孔疏水膜2、金属固定格网3、气隙4、冷凝板5、膜组件冷腔6、净化水出口7、半导体制冷装置9、真空泵11和外壳体15，所述外壳体15的左侧设有膜组件热腔1，右侧设有膜组件冷腔6，中间设有气隙4，在外壳体15的右端外壁设有半导体制冷装置9；所述膜组件热腔1的右侧设有金属固定格网3，金属固定格网3的右侧设有多孔疏水膜2；所述气隙4内腔设有真空泵11，气隙4的底部设有净化水出口7，净化水出口7的下方设有纯净水储水罐e；所述的膜组件冷腔6的左侧设有冷凝板5。
其中，在膜组件热腔1的上侧设有蠕动泵12，设置在装置的上部，目的是实现一体化结构，减少空间的占用和方便协调维护，蠕动泵12的上侧设有污水出口14。
上述膜组件热腔1的底部设有污水进水口13，通过管线与料液池d连通。
参照图4，上述的半导体制冷装置9包括第一金属片9.1、P型半导体9.2、N型半导体9.3、第二金属片9.4、直流电源9.5、第三金属片9.6、热端绝缘陶瓷9.7、冷端绝缘陶瓷9.8，所述第三金属片9.6、N型半导体9.3、第一金属片9.1、P型半导体9.2、第二金属片9.4和直流电源9.5依次串接，形成电回路，所述第二金属片9.4和第三金属片9.6的右侧设有热端绝缘陶瓷9.7，所述第一金属片9.1的左侧设有冷端绝缘陶瓷9.8。
其中，上述的P型半导体9.2的左端与第一金属片9.1的上侧接触，P型半导体9.2的右端与第二金属片9.4接触；上述的N型半导体9.3的左端与第一金属片9.1的上侧接触，N型半导体9.3的右端与第三金属片9.6接触。
另外，上述的多孔疏水膜2采用多孔金属复合膜，区别于传统的有机膜和陶瓷膜，多孔金属膜机械强度高、膜通量大、化学侵蚀的抵抗性好，膜组件使用寿命长；利用溶胶一凝胶法在多孔金属膜表面涂覆一层聚二甲基硅氧烷薄膜，加强膜的疏水性和抗污染性。
多孔疏水膜2也可以采用PVDF多孔疏水膜，增加金属纤维以增加膜的机械强度，通过模板刻蚀法增大膜的粗糙度，增大水滴与膜的接触角；涂覆聚二甲基硅氧烷进行处理，从而加强膜的疏水性和抗污染性。
参照图6，上述的冷凝板5的右表面为光滑面，左侧表面为锯齿形结构，以在增加接触面积的同时，有利于收集冷凝水进入净化水出口7。
优选的，上述的金属固定格网3采用纯银材料制作，将网格设成大孔隙网状结构。
在使用真空泵时，在一定时间内，改变真空泵的功率，通过观察压力表可以得到最大膜通量时气隙中的压力数值。
水蒸汽通过膜的传质动力为膜两侧蒸汽压差，影响蒸汽压差的最主要的还是膜两侧的温度差，此外还有料液流速、料液浓度等因素。
针对以上问题，通过调研发现在一定范围内，热侧料液的温度当然是越高越好，但高到一定程度，继续再升高，膜通量就不会再增大，所以说温度的大小也有一个最优的点使膜通量达到最大值；另一方面，降低冷侧温度，虽然能够改变温度差，但对膜通量大小的影响并不大，所以冷侧温度应保持恒定。
上述结论的验证方法为：冷侧冷腔温度不变，通过控制水浴加热锅的温度，记录相同时间内产水量的多少，其是间接反应的就是膜通量的大小，找到相同时间内最大的产水量，其热侧料液温度就是进行膜蒸馏处理时，膜通量最大的温度。
流体流速越大，其压力就会越小，为维持膜两侧的高蒸汽压差，应保证热侧料液流速不宜过快，所以选择可低速运行的蠕动泵，但如果增大热侧料液流速，可以冲击热侧边界层，使边界层的厚度减小，使水蒸气更容易通过膜孔。增大或减小料液的流速都对增大膜通量有利有弊，经考虑，还是选择低速进行，这样可以是冷热两侧充分进行热交换，使水蒸气能更大程度上通过膜孔。
上述结论的验证方法为：在膜蒸馏过程中，控制其他条件不变，通过改变蠕动泵的功率大小来调节料液流动的速度，分别在不同流速下，记录相同时间内的产水量，从而验证处料液流速为何值时，膜通量最大。
不同浓度下的相同组分料液，其溶质和溶剂比例是不一样的，所以在混合物污水溶液中，相同体积的不同浓度的水溶液其水蒸汽的含量就会不同。所以当热侧料液浓度过高时，能通过膜孔的水蒸汽就会变少，水蒸汽的活跃度就会降低，随着膜蒸馏过程的进行，产水量呈逐渐减少的趋势就可以看出，随着料液浓度的增加，膜通量逐渐减少.
上述结论的验证方法为：以较低浓度的料液浓度进行膜蒸馏过程，随着膜蒸馏过程的进行，料液浓度会逐渐增加，记录相同时间内产出水的体积，就可知料液浓度对膜通量有何影响。
上述验证过程均要在外覆保温材料的实验装置中进行。
本发明提到的采用半导体制冷膜蒸馏装置实现油田污水处理的方法，包括以下过程：
首先，油田产生的污水经过预处理池a处理，过滤网b可以过滤大颗粒的污物，然后，污水进入料液池d中，经过加热装置c的加热后送入膜组件f中的膜组件热腔1，污水就可以通过金属固定格网3分散多孔疏水膜2所受的静水压力，减小多孔疏水膜2的变形程度，增大多孔疏水膜2的受力范围；由于膜组件热腔1水溶液与多孔疏水膜2膜界面的水蒸汽压高于膜组件冷腔6与多孔疏水膜2膜界面的水蒸汽压，水蒸汽会透过膜孔从热侧进入冷侧，并且在半导体制冷装置的作用下，水蒸汽就在冷凝板5的左侧表面凝结，凝结成的蒸馏水经气隙4底部的净化水出口7流出到纯净水储水罐e，得到纯净水；
其次，污水流经第一级的膜组件f，水蒸汽通过第一级的多孔疏水膜2的膜孔在冷凝板5上冷凝，剩下的污水会继续进入第二级的膜组件f及第三级的膜组件f继续进行膜蒸馏过程，最终流回料液池d进行循环，膜组件f中的真空泵11可以增大膜两侧的压差，增大膜蒸馏过程的膜通量。
还需要说明的是：
本发明在该膜蒸馏装置应用于实际处理油田污水的过程中，首先要进行对污水的预处理。
如上所述，油田污水需要先流经预处理池，经过滤网将油田污水中钻屑等较大体积固体颗粒物进行拦截，然后需加入特定的化学剂以沉降污水中的不溶性物质，对油田污水的预处理必须严格，因为如果污水预处理不彻底，其中的不溶性杂质将会堵塞处理装置，减少装置的使用寿命。
经处理后的油田污水流道料液池，料液由料液池中被抽入到新型膜蒸馏装置中进行膜蒸馏过程。
因为经处理装置处理后的料液最终还是要回到料液池，在进行处理的过程中，热量会有大量的损失，为保证膜蒸馏过程高质高量地进行，在料液池中设置加热装置，保证料液的温度。
蠕动泵、真空泵、压力表、半导体制冷装置共同组成了处理装置单元，此油田污水处理流程中使用了三个该装置单元，其实还可以更多，主要目的是增加处理过程的产水效率，每个处理装置上都配备蠕动泵，从而保证在整个处理过程中料液可以自由地流通。
膜蒸馏过程中产生的水为高品质纯净水，可储存在收集罐中另做他用。
随着膜蒸馏过程的进行，料液浓度逐渐增大，当料液浓度大于饱和浓度时，溶质晶体将会析出，析出后沉淀到料液池底部，需要定时对这些底部沉淀物进行处理，所以料液浓度永远也不会超过饱和浓度，所以浓度的升高对膜通量的影响应该不会太大。
实施例2，本发明提到的一种半导体制冷膜蒸馏装置，包括预处理池a、过滤网b、加热装置c、料液池d、纯净水储水罐e和膜组件f，所述预处理池a内设有过滤网b，预处理池a通过管线连接到料液池d，料液池d内设有加热装置c，所述的料液池d通过管线连接到一级膜组件f，所述膜组件f包括膜组件热腔1、多孔疏水膜2、金属固定格网3、气隙4、冷凝板5、膜组件冷腔6、净化水出口7、半导体制冷装置9、真空泵11和外壳体15，所述外壳体15的左侧设有膜组件热腔1，右侧设有膜组件冷腔6，中间设有气隙4，在外壳体15的右端外壁设有半导体制冷装置9；所述膜组件热腔1的右侧设有金属固定格网3，金属固定格网3的右侧设有多孔疏水膜2；所述气隙4内腔设有真空泵11，气隙4的底部设有净化水出口7，净化水出口7的下方设有纯净水储水罐e；所述的膜组件冷腔6的左侧设有冷凝板5。
与实施例1不同之处是：所述的料液池d通过管线连接到一级膜组件f，本实用新型为简易结构，用于实验用。
参照图7，本发明的冷凝板5的右表面为光滑面，左侧表面上1/3为半圆凸面，中1/3为倾斜角450的锯齿形结构，下部为弧形结构，可以在增加接触面积的同时，有利于收集冷凝水进入净化水出口7。
以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的相应简单修改或等同变换，尽属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种半导体制冷膜蒸馏装置，其特征是：包括预处理池（a）、过滤网（b）、加热装置（c）、料液池（d）、纯净水储水罐（e）和膜组件（f），所述预处理池（a）内设有过滤网（b），预处理池（a）通过管线连接到料液池（d），料液池（d）内设有加热装置（c），所述的料液池（d）通过管线连接到一级以上的膜组件（f），所述膜组件（f）包括膜组件热腔（1）、多孔疏水膜（2）、金属固定格网（3）、气隙（4）、冷凝板（5）、膜组件冷腔（6）、净化水出口（7）、半导体制冷装置（9）、真空泵（11）和外壳体（15），所述外壳体（15）的左侧设有膜组件热腔（1），右侧设有膜组件冷腔（6），中间设有气隙（4），在外壳体（15）的右端外壁设有半导体制冷装置（9）；所述膜组件热腔（1）的右侧设有金属固定格网（3），金属固定格网（3）的右侧设有多孔疏水膜（2）；所述气隙（4）内腔设有真空泵（11），气隙（4）的底部设有净化水出口（7），净化水出口（7）的下方设有纯净水储水罐（e）；所述的膜组件冷腔（6）的左侧设有冷凝板（5）；
在膜组件热腔（1）的上侧设有蠕动泵（12），蠕动泵（12）的上侧设有污水出口（14）；
所述的多孔疏水膜（2）采用多孔金属复合膜或者PVDF多孔疏水膜，其中，多孔金属复合膜通过溶胶一凝胶法在多孔金属膜表面涂覆一层聚二甲基硅氧烷薄膜，加强膜的疏水性和抗污染性；
PVDF多孔疏水膜，增加金属纤维以增加膜的机械强度，通过模板刻蚀法增大膜的粗糙度，增大水滴与膜的接触角；涂覆聚二甲基硅氧烷进行处理，从而加强膜的疏水性和抗污染性；
所述的冷凝板（5）的右表面为光滑面，左侧表面上1/3为半圆凸面，中1/3为倾斜角450的锯齿形结构，下部为弧形结构；
所述的金属固定格网（3）采用纯银材料制作，将网格设成大孔隙网状结构。
2.根据权利要求1所述的半导体制冷膜蒸馏装置，其特征是：所述膜组件热腔（1）的底部设有污水进水口（13）。
3.根据权利要求1所述的半导体制冷膜蒸馏装置，其特征是：所述的半导体制冷装置（9）包括第一金属片（9.1）、P型半导体（9.2）、N型半导体（9.3）、第二金属片（9.4）、直流电源（9.5）、第三金属片（9.6）、热端绝缘陶瓷（9.7）、冷端绝缘陶瓷（9.8），所述第三金属片（9.6）、N型半导体（9.3）、第一金属片（9.1）、P型半导体（9.2）、第二金属片（9.4）和直流电源（9.5）依次串接，形成电回路，所述第二金属片（9.4）和第三金属片（9.6）的右侧设有热端绝缘陶瓷（9.7），所述第一金属片（9.1）的左侧设有冷端绝缘陶瓷（9.8）。
4.根据权利要求3所述的半导体制冷膜蒸馏装置，其特征是：所述的P型半导体（9.2）的左端与第一金属片（9.1）的上侧接触，P型半导体（9.2）的右端与第二金属片（9.4）接触。
5.根据权利要求4所述的半导体制冷膜蒸馏装置，其特征是：所述的N型半导体（9.3）的左端与第一金属片（9.1）的上侧接触，N型半导体（9.3）的右端与第三金属片（9.6）接触。
6.一种采用权利要求1-5中任一项半导体制冷膜蒸馏装置实现的油田污水处理方法，其特征是包括以下过程：
首先，油田产生的污水经过预处理池（a）处理，过滤网（b）可以过滤大颗粒的污物，然后，污水进入料液池（d）中，经过加热装置（c）的加热后送入膜组件（f）中的膜组件热腔（1），污水就可以通过金属固定格网（3）分散多孔疏水膜（2）所受的静水压力，减小多孔疏水膜（2）的变形程度，增大多孔疏水膜（2）的受力范围；由于膜组件热腔（1）水溶液与多孔疏水膜（2）膜界面的水蒸汽压高于膜组件冷腔（6）与多孔疏水膜（2）膜界面的水蒸汽压，水蒸汽会透过膜孔从热侧进入冷侧，并且在半导体制冷装置的作用下，水蒸汽就在冷凝板（5）的左侧表面凝结，凝结成的蒸馏水经气隙（4）底部的净化水出口（7）流出到纯净水储水罐（e），得到纯净水；
其次，污水流经第一级的膜组件（f），水蒸汽通过第一级的多孔疏水膜（2）的膜孔在冷凝板（5）上冷凝，剩下的污水会继续进入第二级的膜组件（f）及第三级的膜组件（f）继续进行膜蒸馏过程，最终流回料液池（d）进行循环，膜组件（f）中的真空泵（11）可以增大膜两侧的压差，增大膜蒸馏过程的膜通量。
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