一种膜蒸馏料液预处理方法及装置与流程

本发明属于膜蒸馏技术领域，涉及疏水膜的润湿问题，尤其是一种膜蒸馏料液预处理方法及装置。

背景技术

膜蒸馏是传统膜蒸馏技术与膜技术相结合的一种工艺。以疏水性微孔膜作为热料液与蒸馏液的屏障，以疏水膜两侧透过组分的蒸汽分压压差为传质驱动力。透过组分的蒸汽，穿过疏水膜的微孔通道，收集蒸馏液，从而实现溶液分离、浓缩或提纯的目的。由于其在高盐浓度水深度浓缩方面的应用潜力，成为膜领域中被广泛研究关注的热点方向之一。

疏水膜的润湿问题，是膜蒸馏技术未能在实际中大规模工业化应用的主要原因之一。当前，针对疏水膜的润湿问题，主要有表面涂覆和表面接枝两种方法来提高膜材料自身的疏水性。膜润湿是气-固界面被液-固界面逐渐取代的过程，是料液中的污染物吸附在疏水性多孔膜表面，并沿孔壁向内铺展，形成疏水基吸附在疏水壁上，亲水基指向料液内部的吸附层，孔壁疏水性降低，直至料液在孔壁中完全铺展。

针对膜蒸馏料液中具有强润湿作用的表面活性物质，本发明将气-液界面萃取法，作为膜蒸馏原料液的预处理方法，通过气-液界面萃取法/膜蒸馏耦合工艺，以期减缓润湿进程，延长膜蒸馏可持续运行时间。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种膜蒸馏料液预处理装置及方法，采用气-液界面萃取法进行预处理脱除料液中的表面活性物质，可以有效减缓疏水性膜材料的亲水化渗漏进程，延长膜蒸馏有效运行时间。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种膜蒸馏料液预处理方法，采用气-液界面萃取法去除膜蒸馏液中的表面活性物质。

而且，所述的气-液界面萃取法是采用疏水膜进行曝气，将蒸馏液中的表面活性物质吸附在气泡表面，气泡上升到蒸馏液表面通过泡沫刮除装置使其从原料液中脱除。

一种膜蒸馏料液预处理装置，包括曝气水槽、曝气膜组件、泡沫刮除装置及空压机，在曝气水槽的底部安装曝气膜组件，曝气膜组件通过气管连接空压机，在曝气水槽的上方安装泡沫刮除装置，曝气水槽通过进液管连接原料液罐。

而且，曝气膜组件上端至曝气水槽内原料液液面间的高度为10～20cm。

优选的，曝气膜组件上端至曝气水槽内原料液液面间的高度为15cm。

而且，曝气水槽内的水力停留时间为10～50min。

优选的，曝气水槽内的水力停留时间为30min。

而且，曝气强度为0.1～1nl/min。

优选的，曝气强度为0.5nl/min。

更优选的处理条件为：海藻式曝气膜组件上端至曝气水槽内原料液液面间的高度为15cm、曝气水槽内的水力停留时间为30min、曝气强度0.5nl/min。

本发明的优点和积极效果是：

本发明提出气-液界面萃取法作为膜蒸馏原料液的预处理方法，通过除去原料液中表面活性物质，可有效延长疏水膜到达亲水化渗漏的时间，效果显著，提高膜蒸馏处理效率。

附图说明

图1为气-液界面萃取/减压膜蒸馏耦合工艺流程图。

图2为vmd到达亲水化渗漏时间与各参数交互影响的响应面图和等高线。(a)水力停留时间与曝气强度

(b)水力停留时间与气液萃取高度

(c)曝气强度与气液萃取高度

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种膜蒸馏料液预处理装置，包括曝气水槽10、曝气膜组件9、泡沫刮除装置11及空压机4，在曝气水槽的底部安装曝气膜组件，所述的曝气膜组件为疏水膜组件，可以采用海藻式或帘式膜组件。

曝气膜组件通过气管连接空压机，在气管上还安装有气动定值器5、压缩空气净化器6、气体流量计7及精密压力表8。在曝气水槽的上方安装泡沫刮除装置，在曝气水槽的下方放置泡沫储槽12。曝气水槽通过进液管连接原料液罐1，在进液管上还安装有液体流量计2及进液开关3。

曝气水槽底部装有曝气膜组件，气体经空压机，压缩空气净化过滤器过滤，由曝气膜组件使气泡充溢于曝气水槽内，曝气水槽内连续注入膜蒸馏原料液，曝气水槽上端安装有泡沫刮除装置，气动定值器、气体流量计用来监测和控制气体流速，液体流量计用来监测和控制液体流速，经气-液界面萃取法处理后的原料液注入减压膜蒸馏原料液罐13进行减压膜蒸馏操作。

减压膜蒸馏装置由热料液循环部分、真空部分和冷凝部分三部分构成。热料液循环部分包括恒温水浴锅、减压膜蒸馏原料液罐、磁力驱动循环泵14和液体流量计、温度计19；真空部分包括pvdf膜组件20、缓冲罐17、循环水式多用真空泵18、u型水银压力计、产水收集锥形瓶16；冷凝部分包括蛇形冷凝管15和自来水。电导率仪测定产水水质。

本实施例中减压膜蒸馏操作条件均为，热料液侧温度70℃，原料液流速0.50l/min，系统真空度为0.083mpa；减压膜蒸馏膜组件参数完全相同。热料液经由膜组件管程循环，膜组件壳程抽真空。待膜蒸馏系统启动并系统稳定后，每隔10min取产水样，并测定产水电导率，以减压膜蒸馏产水电导率≥5μs/cm为界限，定为vmd亲水化渗漏时间。

选取水力停留时间(a)、曝气强度(b)、气液萃取高度(c)作为气-液界面萃取法影响对于含表面活性物质的膜蒸馏原料液到达亲水化渗漏时间的3个因素。

曝气强度为标准大气压力下每分钟鼓入压缩空气的体积，单位，nl/min；气液萃取高度为曝气膜组件上端至液面间的有效高度，单位，cm；水力停留时间为分离柱有效体积与进水流量之比，单位，min。

其中曝气对目标响应的影响最为显著，其次依次为水力停留时间、气液萃取高度影响最不显著，水力停留时间与曝气强度、水力停留时间与气液萃取高度交互作用较显著，其次为曝气强度与气液萃取高度，这也与anova分析结果相符合。

图2(a)当气液萃取高度为20cm时，水力停留时间与曝气强度对vmd到达亲水化渗漏时间的交互作用的3d响应面图。可观察到水力停留时间较短时，vmd到达亲水化渗漏时间随曝气强度增强无显著变化；而当水力停留时间较长时，vmd到达亲水化渗漏时间随曝气强度增强显著延长。可解释为水力停留时间增加使气泡在液相中停留时间延长，而较长的停留时间保证了气泡与溶液中表面活性物质充分接触，因而更多表面活性物质吸附在气-液界面上。vmd到达亲水化渗漏时间最高延长至534min，此时水力停留时间为30min，曝气强度0.60nl/min，气液萃取高度20cm。

图2(b)当曝气强度为0.50nl/min时，水力停留时间与气液萃取高度对vmd到达亲水化渗漏时间的交互作用的3d响应面图。可观察到气液萃取高度较高时，vmd到达亲水化渗漏时间随水力停留时间增加无显著变化；而当气液萃取高度降低时，vmd到达亲水化渗漏时间随水力停留时间延长而显著延长。可解释为，当气液萃取高度在一定范围内时，气液萃取高度升高会导致气泡在液相中停留时间的增加，溶液中表面活性物质在气液界面上的吸附趋近于动态平衡。vmd到达亲水化渗漏时间最高延长至609min，此时水力停留时间为30min，曝气强度0.50nl/min，气液萃取高度15cm。

图2(c)当水力停留时间为20min时，曝气强度与气液萃取高度对vmd到达亲水化渗漏时间的交互作用的3d响应面图。可观察到曝气强度较弱时，vmd到达亲水化渗漏时间随气液萃取高度增加无显著变化；而当曝气强度显著提高时，vmd到达亲水化渗漏时间随气液萃取高度升高而缩短。可以解释为，曝气强度增强，产生气泡数量增多，气-液界面比表面积增大，表面活性物质可吸附界面面积增大，泡沫量增大，经处理后注入vmd原料液罐中的表面活性物质含量随曝气强度增加而降低。与此同时，会加快气泡破裂与合并，气泡在液相中停留时间缩短，气泡排液能力降低。vmd到达亲水化渗漏时间最高延长至384min，此时水力停留时间为20min，曝气强度0.60nnl/min，气液萃取高度15cm。

得到采用气-液界面萃取法对于含表面活性物质的膜蒸馏原料液进行预处理的最佳条件，参数如下：

水力停留时间为30min，曝气强度为0.50nl/min，气液萃取高度为15cm。

为验证响应面法优化的最佳去除条件的可靠性，进行了3组平行试验，在此条件下，测得亲水化渗漏时间由初始浓度的15min(未经预处理原料液的亲水化渗漏时间)延长至609min，亲水化渗漏时间延长了594min，膜蒸馏运行时间提高41倍，说明本文提出的气-液界面萃取/减压膜蒸馏耦合工艺效果显著，为膜蒸馏工业化应用提供有效解决途径。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。