专利名称：一种基于气凝胶的膜蒸馏及相关膜过程用膜的制作方法
技术领域：
本项发明属于水处理、生物制药、环保及石油工业等领域。涉及物料的分离、浓缩、 提纯技术，尤其涉及以实现高通量、高热效率膜蒸馏及相关膜过程为目的的膜材料的研究。
背景技术：
膜蒸馏(Membrane Distillation, MD)是一种膜技术与蒸发过程相结合的膜分离 过程，该过程采用疏水性微孔膜，以膜两侧的蒸汽压力差为驱动力。膜蒸馏由于具有截留率 高(若膜不被润湿，可达100% )、操作温度低(可有效利用地热、工业废水余热等廉价能 源，降低能耗)、操作压力低、能处理高浓度废水、设备简单、蒸馏用膜抗污染力强等显著特 点，被认为是一种节能、高效的分离技术，为人类解决能源、资源紧张提供了简单、有效的技 术方法。膜蒸馏可用于海水或苦咸水淡化、化学物质分离、浓缩或提纯，在化工生产、生物制 药、果汁生产、废水处理等领域都有巨大的应用前景。对膜蒸馏的性能起着决定性影响的是膜蒸馏用的膜材料。用于膜蒸馏的膜材料至 少应满足疏水性和多孔性两个要求，以保证水不会渗入到微孔内和具有较高的通量。目前 膜蒸馏用膜的研究开发主要集中于三种材料，即聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)和 聚丙烯(PP)。这些聚合物表面能很低，具有疏水性，并且有很好的化学稳定性和热稳定。但 目前膜蒸馏所使用的微孔膜多是用于微滤的商品膜，专门开发用于膜蒸馏的膜还很少。而 且采用以上膜材料的膜蒸馏虽然能实现一定的分离目的，有很高的截留率，但仍存在比较 大的缺陷，如⑴通量小——虽然个别设计很好的膜系统水通量可达75kg/m2*h，但一般膜 蒸馏的通量无法与反渗透膜相比；(2)热效率低——膜蒸馏的热效率一般只有30%左右， 大部分的热量通过热传导损失。以上两个主要原因使得膜蒸馏技术至今未能在大规模工业 生产中得到应用。专利CN200410037319提出了一种能同时提高膜通量和热效率的方法，但 仅仅是从工艺的角度出发，增加了膜组件和设备的复杂性，并且改善程度有限。要真正解决 以上两个问题，还要从最基本的膜材料入手。因此，研制新型的膜材料以提高MD技术的水 通量、热效率是当前迫切需要解决的问题。只有新型理想的膜材料研制成功，结合相宜的膜 组件及膜工艺，膜蒸馏技术才具有更广阔的应用空间。气凝胶是一种分散介质为气体、作为凝胶网络骨架的固体相及网络的孔隙结构均 为纳米级别的轻质多孔纳米固态材料。其具有高孔隙率(可高达99.8%)、纳米级的孔洞、 三维纳米骨架颗粒、高比表面积(可高达1000m2/g)、低密度(可低至0. 003g/cm3)、低导热 率(比空气的导热系数还低)等特点。这些独特的结构和性能使其在航天航空、医药、建筑、 军事等各个领域都有巨大的应用潜力，被称为“将会改变未来的材料”。气凝胶独特的结构特性使其非常符合MD及相关膜过程用膜的要求，特别是气凝 胶的高孔隙率、纳米孔洞以及低热导率。首先，高的孔隙率能保证MD及相关膜过程的高通 量——孔隙率越大，气体传递的通路就越大，传质有效面积增大，传质通量就大。气凝胶的 孔隙率可高达99. 8%，用作MD及相关膜过程用膜将大大提高膜通量。其次，适当的纳米孔 洞亦能保证MD及相关膜过程的高通量——孔径太小，传质阻力就大；孔径太大，水溶液渗入膜孔而造成短路。气凝胶纳米孔洞范围在1 lOOnm，可根据不同要求实现最优化。最后， 低的热导率能实现MD的高热效率——由于膜蒸馏过程中热工质与膜材料直接接触，热量中 有相当一部分热量通过膜传递而散失，从而使热效率降低，造成能源浪费。气凝胶是目前世 界上隔热性能最好的固态材料，用作MD膜将大大提高MD热效率。综上所述，如果能利用气 凝胶的这些独特优势将其开发研制为MD及相关膜过程用膜，将会大大改善MD及相关膜过 程用膜的结构性能，提高MD及相关膜过程效率，从而扩展MD及相关膜过程的应用空间，最 终实现MD及相关膜过程技术的大规模、产业化应用，服务社会、造福人类。
发明内容
本发明的目的是为解决现有膜蒸馏及相关膜过程用膜的不足，提供一种新型的膜 蒸馏用膜材料，该膜材料是基于气凝胶独特的结构性能，使其膜蒸馏及相关膜过程具有高 通量、高热效率的显著特点。气凝胶MD膜的制备包括以下内容
1.选定一种气凝胶材料，制作成膜状，在制备过程中或者制备完成后进行疏水化 处理。用于制备气凝胶MD膜的气凝胶材料可以是疏水性无机气凝胶、有机气凝胶以及炭气 凝胶中的一种或几种。疏水性属于材料的表面性质，可以通过一定手段将其表面进行疏水 化改性。2.可以是单一气凝胶膜作为MD膜，也可以是将气凝胶同其他膜材料复合而成的 复合气凝胶MD膜，复合用的气凝胶材料可以是膜状，也可以是粉末状、颗粒状。复合用的其 他膜材料可以是任何疏水性或经疏水改性的材料，如有机材料制成的膜，如纤维素类、聚砜 类、聚酰胺类、聚醚类、聚脂类、聚烯烃类、乙烯基聚合物类、芳杂环聚合物类和无机膜。3.气凝胶MD膜的形态可以是平板膜、螺旋卷式膜、圆管式膜、中空纤维膜或毛细 管膜。气凝胶MD膜可以用于膜蒸馏及任何相关膜过程，其特征在于所述传质机理均为 膜将水溶液隔住，水蒸气或者挥发组分蒸气可透过膜孔。可以是直接接触式膜蒸馏、气隙膜 蒸馏、气扫式膜蒸馏、真空式膜蒸馏、减压膜蒸馏、蒸发吸收、渗透蒸馏、疏水微孔膜的渗透 汽化的任何一种膜过程。本发明有如下优点(1)利用气凝胶独特的结构性能，大大提高了 MD及相关膜过程的通量及热效率；(2)气凝胶材料广泛，结构可控，扩展了疏水MD及相关膜过程用膜的原材料来源；(3)气凝胶MD膜与PTFE膜对比试验结果表明，在同等条件下，气凝胶MD膜的通量 与热效率均高于PTFE膜。
具体实施例方式实施例1疏水性二氧化硅气凝胶为气凝胶MD平板膜用于膜蒸馏。气凝胶MD膜热导率为 0. 04ff/m. K，孔隙率为90%，平均孔径为200nm，膜厚度为200 μ m。暖侧为3%的NaCl溶液， 温度为90D,冷侧为纯水，温度为20D，通量为53kg/m2h，热效率为73%。实施例2
二氧化硅气凝胶/PVDF复合膜膜组件用于渗透蒸馏。气凝胶复合MD膜热导率 为1.52ff/m. K，孔隙率为81 %，平均孔径为200nm，膜厚度为380 μ m,膜组件形式为中空纤 维，总体积为0. 6L，表面积为1. 4m2。55%的CaCl2溶液为提取相(盐溶液)，室温条件下浓 缩8. 5° Brix澄清橙汁，进料速度为60L/h。橙汁浓缩浓度达到62° Brix，膜通量最大为 4. lkg/m2h。
权利要求
一种基于气凝胶的膜蒸馏及相关膜过程用膜，其特征在于将具有独特结构、特性的气凝胶材料开发为膜蒸馏及相关膜过程用膜，使其膜蒸馏及相关膜过程具有高通量、高热效率的显著特点。
2.根据权利要求1所述的气凝胶MD膜，其特征在于可制作成多种形式——单独的气 凝胶膜，或与其他膜材料复合成气凝胶复合MD膜。复合用的气凝胶材料可以是膜状，也可 以是粉末状、颗粒状。复合用的其他膜材料可以是任何疏水性或经疏水改性的材料，如有 机材料制成的膜，如纤维素类、聚砜类、聚酰胺类、聚醚类、聚脂类、聚烯烃类、乙烯基聚合物 类、芳杂环聚合物类和无机膜。
3.根据权利要求1和2所述的气凝胶MD膜，其特征在于气凝胶MD膜的形态可以是 平板膜、螺旋卷式膜、圆管式膜、中空纤维膜或毛细管膜。
4.根据权利要求1和2所述的气凝胶MD膜，其特征在于可以用于膜蒸馏及任何相关 膜过程，即所述传质机理均为膜将水溶液隔住，水蒸气或者挥发组分蒸气可透过膜孔。可以 是直接接触式膜蒸馏、气隙膜蒸馏、气扫式膜蒸馏、真空式膜蒸馏、减压膜蒸馏、蒸发吸收、 渗透蒸馏、疏水微孔膜的渗透汽化的任何一种膜过程。
全文摘要
本项发明提供了一种新型的膜蒸馏用膜材料，该膜材料是基于气凝胶独特的结构性能，使其膜蒸馏及相关膜过程具有高通量、高热效率的显著特点。包括以下内容(1)可以是单一气凝胶膜作为MD膜，也可以是将气凝胶同其他膜材料复合而成的复合气凝胶MD膜；(2)气凝胶MD膜的形态可以是平板膜、螺旋卷式膜、圆管式膜、中空纤维膜或毛细管膜；(3)气凝胶MD膜可以用于膜蒸馏及任何相关膜过程，其特征在于所述传质机理均为膜将水溶液隔住，水蒸气或者挥发组分蒸气可透过膜孔。本发明利用气凝胶独特的结构性能，大大提高了膜蒸馏及相关膜过程的通量及热效率。
文档编号B01D61/36GK101829502SQ20101020017
公开日2010年9月15日 申请日期2010年6月3日 优先权日2010年6月3日
发明者刘亚, 张鹏, 杜如虚 申请人:张鹏;杜如虚