膜蒸馏系统及膜蒸馏方法与流程

本发明涉及一种废水的处理装置，更具体地，涉及一种膜蒸馏系统及膜蒸馏方法。

背景技术：

膜蒸馏(Membrane distillation，MD)过程是将膜技术与传统蒸馏技术结合而出现的一种新型淡化除盐技术。与常规蒸馏相比，MD的操作温度低，一般在70℃左右温度下操作，无需将溶液加热至沸腾，而且蒸发面积大、蒸气空间小，因而其能够脱除更高浓度的盐分以及具有更高的脱盐率。

通常上，膜蒸馏所采用的为微孔疏水膜，虽然基于膜蒸馏所用的抗污染能力较强的微孔疏水膜的传质机理，但也不可避免地形成膜污染，膜蒸馏所用微孔疏水膜的污染主要为膜面污染，膜孔内污染相对较少。与渗透汽化过程一样，膜蒸馏是热量和质量同时传递的过程，是有相变的膜过程，传质推动力为膜两侧透过组分的蒸气压差，温差极化与浓差极化现象也会同时产生，从而对膜蒸馏的过程产生不利影响，因此要尽量避免或降低温差极化与浓差极化现象。

避免或降低膜污染、温差极化、浓差极化等的常规做法是采用循环系统，使热的进料液循环流动起来，便于在膜表面形成流场，但是针对大规模的膜蒸馏工艺而言，循环系统的能耗较高，造成水处理的经济成本较高。消除浓差极化现象的其他方法还有在膜组件内进行扰动的方法。

在现有技术中，已经有使用扰动的方法消除浓差极化现象，例如中国专利CN105642120A，提出一种膜蒸馏的扰动方式，扰动方式为鼓入空气或者采用超声波进行扰动，虽然通过膜组件内部的扰动减少了浓差极化现象，但是该扰动方式需要对膜组件内部进行改造，额外增加扰动装置，增加了设备的使用难度和使用成本。

技术实现要素：

针对相关技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种无需对膜组件内部进行改造即可消除浓差极化现象的膜蒸馏系统。

本发明的一方面提供了一种膜蒸馏系统，包括进料装置和膜组件，以及与膜组件连接的产水装置，还包括设置在从进料装置通向膜组件的进料液管上的扰动模块。

根据本发明，扰动模块包括设置在进料液管上的气液混合装置、与气液混合装置连接的控制装置、以及与控制装置连接的气体供给装置。

根据本发明，气液混合装置的进气端设置有只允许扰动气体通过而不允许进料液通过的第一单向组件，气液混合装置的进料端设置有只允许进料液通过而不允许扰动气体通过的第二单向组件。

根据本发明，第一单向组件为止回阀和/或单向材料；第二单向组件为止回阀和/或单向材料。

根据本发明，气液混合装置的出口端和/或进气端设置有滤网。

根据本发明，气体供给装置通过控制装置向气液混合装置提供扰动气体，扰动气体为惰性气体。

另一方面，本发明提供了一种膜蒸馏方法，包括如下步骤：

S10，将进料装置中的进料液输入进料管道中；

S20，将进料液在进入膜组件之前的进料管道上与来自扰动模块的扰动气体混合；

S30，与扰动气体混合的进料液在膜组件中进行膜蒸馏。

根据本发明，随着进料液的流量或盐浓度值的增加，通过扰动模块的控制装置呈梯度增加扰动气体的扰动气量。

根据本发明，扰动气体的扰动气量的增加方式为：

当0＜进料液的盐浓度值≤5％时，气水比值为：0.2～0.8；

当5％＜进料液的盐浓度值≤10％时，气水比值为：0.8～1.2；

当10％＜进料液的盐浓度值≤15％时，气水比值为：1.0～1.3；

当进料液的盐浓度值在＞15％时，气水比值为：1.2～1.5；

其中，气水比值为扰动气体的进气流量与进料液的流量的比值。

根据本发明，通过扰动模块的控制装置设定扰动气体的加入方式，加入方式包括连续式扰动和间歇式扰动。

根据本发明，在如下情形时采用连续式扰动：

当进料液的盐浓度值＞20％时；或者

当进料液中摩尔质量＞70g/mol的离子含量浓度值之和＞10000mg/L时；或者

当15％＜进料液的盐浓度值≤20％时，且进料液中摩尔质量＞70g/mol的离子含量浓度值之和在5000～10000mg/L时；

在如下情形时采用间歇式扰动：

当进料液的盐浓度值＜15％时；或者

当15％＜进料液的盐浓度值≤20％时，且摩尔质量＞70g/mol的离子含量浓度值之和＜5000mg/L时。

根据本发明，间歇式扰动中扰动气体的扰动频率和扰动时间随着进料液的盐度值的增加而呈梯度增加。

根据本发明，摩尔质量＞70g/mol的离子包括SO₄^2-、PO₄^3-、SiO₃^2-中的一种或几种。

根据本发明，扰动气体的扰动频率和扰动时间设定为：

当0＜进料液的盐浓度值≤5％时，扰动频率为0.2～0.5次/min，扰动时间为3～5s/次；

当5％＜进料液的盐浓度值≤10％时，扰动频率为0.5～1次/min，扰动时间为5～10s/次；

当10％＜进料液的盐浓度值≤15％时，扰动频率为1～2次/min，扰动时间为5～10s/次；

当15％＜进料液的盐浓度值≤20％时，且摩尔质量＞70g/mol的离子含量浓度值之和＜5000mg/L时，扰动频率为2～5次/min，扰动时间为5～10s/次。

本发明的有益技术效果在于：

本发明提供的膜蒸馏系统及膜蒸馏方法，在进料装置和膜组件之间的进料液管道上采用外接扰动模块进行鼓气扰动的方法，与传统的扰动方式相比，实现了降低浓差极化现象的同时，没有对膜组件的内部构造进行额外的改造，提高了膜蒸馏系统的使用稳定性，同时也降低了膜蒸馏系统的使用难度和使用成本。

附图说明

图1是本发明的膜蒸馏系统的第一实施例的示意图。

图2是膜蒸馏系统的气液混合装置的第一实施例的示意图。

图3是膜蒸馏系统的气液混合装置的第二实施例的示意图。

图4是本发明的膜蒸馏系统的第二实施例的示意图。

图5是本发明的膜蒸馏系统的第三实施例的示意图。

图6是本发明的膜蒸馏系统的第四实施例的示意图。

图7是本发明的膜蒸馏方法的流程图。

具体实施方式

参考附图公开示出的实施例。然而，应当理解，所公开的实施例仅为可以以各种和替代形式显示的实施例。附图未必按比例绘制，并且可能放大或缩小一些特征来显示特定部件的细节。所公开的具体结构和功能性细节不应解释为限制，而是作为用于教导本领域技术人员如何实践本公开的代表性基础。

参考图1，在本发明的第一实施例中，本发明的提供了一种膜蒸馏系统，包括构成循环回路的进料装置11和膜组件15，以及与膜组件15连接的产水装置16，其特征在于，还包括设置在从进料装置11通向膜组件15的进料液管上的扰动模块。根据本发明，扰动模块包括设置在进料液管上的气液混合装置14、与气液混合装置14连接的控制装置13、以及与控制装置13连接的气体供给装置12。进料装置11用来输出热态的进料液，膜组件15的作用是接收热态的进料液然后过滤并产生蒸气，产水装置16用来收集膜组件15处理后的干净水。此外，在本发明中，在进料装置和膜组件之间的进料液管道上采用外接扰动模块进行鼓气扰动的方法，气体供给装置12用来提供扰动气体，控制装置13用来控制扰动气体的扰动频率、扰动时间、扰动气量，气液混合装置14用来使得上述扰动气体与上述热态的进料液混合。本发明通过在膜组件15前面的进料液主管路上增加外接的扰动模块，消除了膜组件热液侧的浓差极化现象，提高了膜通量和工艺的产水量，降低了水处理成本。与现有的通过扰动方法降低浓差极化现象相比，减少了因增加扰动装置而对膜组件的改动，提高了装置和系统稳定性、降低了能耗。此外，也减少了膜组件清洗频率，降低了膜污染几率，简化了系统设备安装调试过程，提高了工艺的可操作性。

参考图2，如图所示，示出的是膜蒸馏系统的气液混合装置14的第一实施例的示意图。根据本发明，气液混合装置14的进气端设置有只允许扰动气体通过而不允许进料液通过的第一单向组件b1，在气液混合装置14的进气端进入的是扰动气体c，气液混合装置14的进料端设置有只允许进料液通过而不允许扰动气体通过的第二单向组件b2，在气液混合装置14的进料端进入的是进液料a(相同于图1的进液料)。扰动气体c和进料液a在气液混合装置14内混合，形成进料混合液e从出口端流出。扰动过程中，通过控制装置13来设定扰动气体c扰动气量的大小。扰动气体c扰动气量的数值大小用气水比值来衡量，气水比值是指扰动气体c的进气流量与进料液a流量的比值，无量纲。并且根据进料液的水质参数通过控制装置13选择不同的扰动方式、扰动气量、扰动频率、扰动时，提高了扰动气体的可控性，并且提高了扰动气体和进料液的混合效果，进而增加了扰动效果。

参考图3，如图所示，示出的是膜蒸馏系统的气液混合装置14的第二实施例的示意图。与图2中第一实施例的气液混合装置14相比，在进气端和出口端分别增加设置有滤网d，滤网d的作用是使气液混合的更加快速和均匀。可以理解的是，滤网d可以仅设置在进气端和出口端的其中一处。

结合图2和图3，在本发明的优选实施例中，图2和图3的第一单向组件b1和第二单向组件b2分别构造止回阀。在本发明的另一个优选的实施例中，图2和图3的第一单向组件b1和第二单向组件b2分别构造为单向材料。根据本发明，第一单向组件为止回阀和/或单向材料；第二单向组件为止回阀和/或单向材料。单向材料可以包括例如：GORE-TEX薄膜是一种每平方英吋有90亿个极微小细孔的聚四氟乙烯(PTFE)薄膜，只允许气体通过，而液体不能通过；聚乙烯醇(PVA)薄膜，PVA的分子链上存在大量羟基(-OH)，对液体水分具有较强的透过性，但对氧气、氮气、氢气、氦气、氩气及二氧化碳等具有优越的阻隔性。此外，根据本发明，图1的气体供给装置通过控制装置13向气液混合装置14提供的扰动气体为惰性气体。在优选的实施例中，惰性气体为空气、氮气、二氧化碳等。可以理解的是，在其它可选的实施例中，惰性气体可以为上述气体之外的其它气体。

参考图4至图6，分别示出了膜蒸馏系统的第二实施例、第三实施例，以及第四实施例。如图4所示，膜蒸馏系统的第二实施例在膜蒸馏系统的第一实施例基础上增加了凉水塔47和循环泵48，同时气液混合装置44如图3所示。从图中可以看出，凉水塔47、循环泵48与膜组件45三者构成冷媒介质的循环回路。与膜蒸馏系统的第一实施例不同的是，进料装置41内的进料液a输送至膜组件45内。在浓缩液返回进料装置41内的同时，循环泵48把冷凝作用的液体输入至膜组件45内，与膜组件45热交换后的冷凝液体输入凉水塔47降温后，循环利用。由膜组件45排出的产水注入产水装置46内。

如图5所示，膜蒸馏系统的第三实施例在膜蒸馏系统的第一实施例基础上增加了冷凝装置59、凉水塔57、循环泵58以及真空泵510，从图中可以看出，真空泵510与产水装置56相连接，冷凝装置59位于膜组件55和产水装置56之间，同时凉水塔57、循环泵58与冷凝装置59三者构成的循环回路。进料装置51内的进料液输送至膜组件55内，浓缩液返回进料装置51内的同时，膜组件55产生的蒸气进入冷凝装置59内，在冷凝装置59内与冷却液进行热交换后以液态的形式进入产水装置56内，同时，真空泵510对产水装置56进行抽真空，并一直保持一定的真空度；同时，由循环泵58从凉水塔57内持续抽取冷却液至冷凝装置59内，与冷凝装置59内的蒸气进行热交换。

如图6所示，膜蒸馏系统的第三实施例在膜蒸馏系统的第一实施例基础上增加了冷凝装置69、凉水塔67、循环泵68以及鼓风装置611，从图中可以看出，鼓风装置611与膜组件65相连接，冷凝装置69位于膜组件65和产水装置66之间，同时凉水塔67、循环泵68与冷凝装置69三者构成的循环回路。进料装置61内的进料液输送至气液混合装置64内，气体供给装置62内提供的压缩空气通过控制装置63连续扰动。通过鼓风装置611向膜组件65内鼓风，膜组件65内产生的蒸气输入至冷凝装置69内，通过循环泵68把凉水塔67内的冷却循环水输送至冷凝装置69内，与蒸气进行热交换，热蒸气冷凝为液态产水输送至产水装置66内。热交换后的冷却循环水返回凉水塔67内冷却循环使用。

参考图7，另一方面，本发明提供了一种膜蒸馏方法，包括如下步骤：S10，将进料装置中的进料液输入进料管道中；S20，将进料液在进入膜组件之前的进料管道上与来自扰动模块的扰动气体混合；S30，与扰动气体混合的进料液在膜组件中进行膜蒸馏。

由于，进料液盐度越高，粘度系数越大，在膜表面的浓差极化程度越大，同时形成浓差极化现象的时间越短；所以一方面，单位时间内需要更多的扰动气体破坏浓差极化现象，另一方面，每次的扰动时间也相应变长。同时，扰动时间和扰动气量也不能无限大，超过一定范围后，会造成能源损失。即根据进料液盐度值的不同来选择不同的气水比值的方法，可以保证消除浓差极化现象的同时尽可能的降低能源消耗。因此，在本发明的实施例中，随着进料液的流量或盐浓度值或摩尔质量＞70g/mol的离子含量的增加，通过扰动模块的控制装置呈梯度增加扰动气体的扰动气量。

在本发明的实施例中，扰动气体的扰动气量的判断方式为：当0＜进料液的盐浓度值≤5％时，气水比值为：0.2～0.8；当5％＜进料液的盐浓度值≤10％时，气水比值为：0.8～1.2；当10％＜进料液的盐浓度值≤15％时，气水比值为：1.0～1.3；当进料液的盐浓度值＞15％时，气水比值为：1.2～1.5；其中，气水比值为扰动气体的进气流量与进料液的流量的比值。

在本发明的实施例中通过扰动模块的控制装置设定扰动气体的加入方式，加入方式包括连续式扰动和间歇式扰动。在本发明的实施例中，一方面，在如下情形时采用连续式扰动：当进料液的盐浓度值＞20％时；或者当进料液中摩尔质量＞70g/mol的离子含量浓度值之和＞10000mg/L时；或者当15％＜进料液的盐浓度值≤20％时，且进料液中摩尔质量＞70g/mol的离子含量浓度值之和在5000～10000mg/L时。另一方面，在如下情形时采用间歇式扰动：当进料液的盐浓度值＜15％时；或者当15％＜进料液的盐浓度值≤20％时，且摩尔质量＞70g/mol的离子含量浓度值之和＜5000mg/L时。在本发明的一个实施例中，进料液盐度：12％；主要离子：SO₄^2-、PO₄^3-、SiO₃^2-含量浓度值之和为6500mg/L，进料液的流量为：4m³/h，进料液的温度为：65℃；若根据技术方案中的判定标准，扰动方式应选择间歇扰动，扰动气量：4～5.2m³/h，扰动频率：1～2次/min，扰动时间：5～10s/次；在实际的膜蒸馏过程中可以把扰动气量减少，扰动频率增加，或者扰动时间增加，具体为：间歇扰动，扰动气量：3m³/h，扰动频率：3次/min，扰动时间：5s/次。

根据本发明，根据间歇式扰动的扰动频率和扰动时间设置原则，扰动气体的扰动频率和扰动时间随着进料液的盐度、离子含量的增加而逐渐呈梯度增加。在本发明的优选实施例中，扰动气体的扰动频率和扰动时间设定为：当0＜进料液的盐浓度值≤5％时，扰动频率为0.2～0.5次/min，扰动时间为3～5s/次；当5％＜进料液的盐浓度值≤10％时，扰动频率为0.5～1次/min，扰动时间为5～10s/次；当10％＜进料液的盐浓度值≤15％时，扰动频率为1～2次/min，扰动时间为5～10s/次；当15％＜进料液的盐浓度值≤20％时，且摩尔质量＞70g/mol的离子含量浓度值之和＜5000mg/L时，扰动频率为2～5次/min，扰动时间为5～10s/次。

优选地，摩尔质量＞70g/mol的离子包括SO₄^2-、PO₄^3-、SiO₃^2-中的一种或几种。

可以理解的是，在实际膜蒸馏工艺过程参数选择时，当确定了进料液的盐度、离子浓度后，扰动方法、扰动气量、扰动频率、扰动时间等的具体参数选择也可以根据具体的实验效果进行相应的调整。

例如，在图4的膜蒸馏系统的第二实施例中，在一个实施例中，进料液参数如下所示：盐度：5％，主要离子：SO₄^2-、PO₄^3-、SiO₃^2-含量浓度值之和为4500mg/L，进料液的流量为：4m³/h，进料液的设定温度为：65℃。那么工艺参数的选择为：气水比值为0.5，扰动气体的扰动气量为：2m³/h，扰动频率为：0.5次/min，每次扰动时间为：5s/次。在工艺过程中，根据单位时间内的产水体积可以计算产水量为：0.05m³/h，产水量随着时间的延长缓慢下降，当产水量下降至0.04m³/h时，开启气体供给装置，气体供给装置内提供的压缩空气通过控制装置设定扰动气体的扰动气量为：2m³/h，扰动频率为：0.5次/min，每次扰动时间为：5s/次。扰动气体与进料液在气液混合装置内混合，气液混合物经膜组件后，浓缩液返回进料装置内。其余操作不变。计算产水装置内的产水量可知，产水量恢复到0.05m³/h。间歇扰动1小时后，停止扰动，当产水量下降至0.04m³/h时，重复扰动操作步骤。

还有，例如，在图5的膜蒸馏系统的第三实施例中，在一个实施例中，进料液参数如下所示：盐度：15％，主要离子：SO₄^2-、PO₄^3-、SiO₃^2-含量浓度值之和为4000mg/L，进料液的流量为：8m³/h，进料液的设定温度为：65℃。那么工艺参数的选择为：气水比值为1，扰动气体的扰动气量为：8m³/h，扰动频率为：2次/min，每次扰动时间为：5s/次。在工艺过程中，根据单位时间内的产水体积可以计算产水量为：0.045m³/h，产水量随着时间的延长缓慢下降，当产水量下降至0.035m³/h时，开启气体供给装置，气体供给装置内提供的压缩空气通过控制装置设定扰动气体的扰动气量为8m³/h，扰动频率为：2次/min，每次扰动时间为：5s/次。扰动气体与进料液在气液混合装置内混合，气液混合物经膜组件后，浓缩液返回进料装置内。其余操作不变。计算产水装置内的产水量可知，产水量恢复到0.045m³/h。间歇扰动1.5小时后，停止扰动，当产水量下降至0.035m³/h时，重复扰动操作步骤。

还有，例如，在图6的膜蒸馏系统的第四实施例中，在一个实施例中，进料液参数如下所示：盐度：10％，主要离子：SO₄^2-、PO₄^3-、SiO₃^2-含量浓度值之和为12000mg/L，进料液的流量为16m³/h，进料液的设定温度为70℃。那么工艺参数的选择为：气水比值为1，扰动气体的扰动气量为16m³/h，扰动方法为连续扰动。在工艺过程中，进料液为70℃，扰动气量为16m³/h，其它过程如上所述，这里不再重复。

还有，例如，在图4的膜蒸馏系统的第二实施例中，在一个实施例中，进料液参数如下所示：盐度：5％，主要离子：SO₄^2-、PO₄^3-、SiO₃^2-含量浓度值之和为4500mg/L，进料液的流量为：4m³/h，进料液的设定温度为：65℃。那么工艺参数的选择为：扰动气体的扰动气量为2m³/h～6m³/h，扰动频率为0.5次/min～1次/min，每次扰动时间为：5s/次。在工艺过程中，进料装置1内的进料液加热至65℃，输送至气液混合装置4内。气体供给装置2内提供的压缩二氧化碳通过控制装置3设定扰动气量的扰动气量为：2m³/h，扰动频率为：1min/次，每次扰动时间为：5s/次。扰动气体与进料液在气液混合装置4内混合，气液混合物经膜组件5后，浓缩液返回进料装置1内。通过循环泵8把凉水塔7内的冷却循环水输送至膜组件5内，使膜组件5内产生的蒸气冷凝成产水，产水输送至产水装置6内。热交换后的冷却循环水返回凉水塔7内冷却循环使用。工艺持续运行，进料装置1内的进料液盐度不断上升，当盐度达到10％时，通过控制装置3重新设定扰动气量的扰动流量为：4m³/h，扰动频率为：0.5min/次，每次扰动时间为：5s/次，继续进行上述步骤。工艺持续运行，进料装置1内的进料液盐度不断上升，当盐度达到15％时，通过控制装置3重新设定扰动气量的扰动流量为：6m³/h，扰动频率为：0.5min/次，每次扰动时间为：5s/次，继续进行上述步骤。工艺持续运行，进料装置1内的进料液盐度不断上升，当盐度达到20％时，停止运行，进料装置1内的高浓度进料液入蒸发结晶工段。

还有，例如，在图4的膜蒸馏系统的第二实施例中，同时，在气液混合装置如图2所示的情况下。在在一个实施例中，进料液参数如下所示：盐度：22％，主要离子：SO₄^2-、PO₄^3-、SiO₃^2-含量浓度值之和为4500mg/L，进料液的流量为：4m³/h，进料液的设定温度为：65℃。那么工艺参数的选择为：气水比值选择1.5，扰动方式为连续扰动，扰动气量为6m³/h。工艺过程为：进料装置1内的进料液加热至65℃，输送至气液混合装置4内，气体供给装置2内提供的压缩空气通过控制装置3设定扰动气体的扰动气量为：6m3/h，连续扰动。扰动气体与进料液在气液混合装置4内混合，气液混合物经膜组件5后，浓缩液返回进料装置1内。通过循环泵8把凉水塔7内的冷却液输送至膜组件5内，与产生的蒸气进行热交换，蒸气冷凝为液态进入产水装置6内。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。