本发明属于污水资源化利用技术领域，涉及一种用于净化污水与有用组分回收的磁分离-膜蒸馏装置及其应用。
背景技术：
膜蒸馏技术是近20年迅速发展起来的重要的化工单元，其应用已从早期的脱盐发展到化工、食品、医药、电子等工业的废水处理、产品分离和高纯水制备等领域。膜蒸馏是一种新型的分离技术，是一种是以疏水性微孔膜两侧蒸汽压差为传质推动力的膜分离过程，例如当不同温度的水溶液被疏水微孔膜分隔开时，由于膜的疏水性，两侧的水溶液均不能透过膜孔进入另一侧，但由于暖侧水溶液与膜界面的水蒸汽压高于冷侧，水蒸汽就会透过膜孔从暖侧进入冷侧而冷凝，这与常规蒸馏中的蒸发、传质、冷凝过程十分相似，所以称其为膜蒸馏过程。膜蒸馏过程几乎是在常压下进行，设备简单、操作方便，在技术力量较薄弱的地区也有实现的可能性；在非挥发性溶质水溶液的膜蒸馏过程中，因为只有水蒸汽能透过膜孔，所以蒸馏液十分纯净，对离子、大分子、胶体、细胞及其他非挥发性物质能达到100％的截留，可望成为大规模、低成本制备超纯水的有效手段；该过程能够处理反渗透等不能处理的高浓度废水溶液，如果溶质是容易结晶的物质，可以把溶液浓缩到过饱和状态而出现膜蒸馏结晶现象，是目前唯一能从溶液中直接分离出结晶产物的膜过程；该过程中无需把溶液加热到沸点，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,降低能耗。
但随着膜蒸馏过程的进行，原料液中的难溶盐如caco3、caso4及其他大分子等将不可避免的在膜表面沉积，导致膜的产水通量衰减严重，甚至会使膜表面润湿，不仅会使出水水质下降，而且会在短时间内损坏膜组件，为了维持膜蒸馏过程长时间稳定运行，延长膜组件的使用寿命，适当的预处理是很有必要的。
技术实现要素：
解决的技术问题：针对现有技术中膜蒸馏过程中膜污染问题，本发明提供一种用于净化污水与有用组分回收的磁分离-膜蒸馏装置及其应用，可以有效净化废水，减少废水对后续膜蒸馏处理技术的污染问题，提高膜蒸馏的处理效率，延长膜的使用寿命。
技术方案：一种用于净化污水与有用组分回收的磁分离-膜蒸馏装置，所述装置包括高梯度磁分离器、储液罐、磁力泵a、恒温加热水浴锅、转子流量计a、膜组件、转子流量计b、低温恒温水槽、磁力泵b、产水收集装置和膜蒸馏出水罐，高梯度磁分离器顶部设有出水口、反洗用加压水入口和反洗用空气入口，所述高梯度磁分离器底部设有废水进口和反洗液出口；所述储液罐顶部一侧设有进水口，另一侧设有热液进口，底部设有出水口，所述储液罐一侧进水口与高梯度磁分离器顶部出水口管道相接；所述膜组件顶端设有热液出口，一侧顶部设有冷水出口，底端设有热液进口，另一侧底部设有冷水进口，所述膜组件底端热液进口依次通过转子流量计a、恒温加热水浴锅、磁力泵a和储液罐底部出水口管道相接，所述膜组件顶端热液出口与储液罐顶部热液进口管道相接；所述产水收集装置顶部设有冷水进口、底部设有冷水出口、一侧设有膜蒸馏出水口，所述产水收集装置顶部冷水进口与膜组件顶部冷水出口管道相接，所述产水收集装置底部冷水出口依次通过磁力泵b、低温恒温水槽和转子流量计b与膜组件底部冷水进口管道相接，所述膜蒸馏出水罐与所述产水收集装置一侧膜蒸馏出水口管道相接。
作为优选，所述高梯度磁分离器包括电磁线圈和内部中空容器，所述电磁线圈设于内部中空容器外侧，所述内部中空容器顶部设有出水口、反洗用加压水入口和反洗用空气入口，底部设有废水进口和反洗液出口，所述内部中空容器内部填充填料。
作为优选，所述内部中空容器内部填充的填料为纤维状或棒状铁磁性非晶质合金。
作为优选，所述膜组件内部设有疏水膜，所述疏水膜为聚丙烯膜。
作为优选，所述高梯度磁分离器中磁场强度为0.5～1.5t。
本发明的另一个技术方案为所述的装置在净化污水和回收有用组分中的应用。
所述应用包括以下步骤：
步骤一.向污水中投放絮凝剂和磁种，絮凝剂为pac，投放量控制在100～130mg/l，磁种为四氧化三铁，投放量控制在150～200mg/l，然后将污水从废水进口送入高梯度磁分离器中进行预处理；
步骤二.将经过步骤一磁分离预处理后的污水送入储液罐，打开磁力泵a和恒温加热水浴锅，将加热后经过磁分离预处理的污水送入膜组件底端热液进口，从膜组件溢流出的污水从顶端热液出口回流至储液罐；
步骤三.打开磁力泵b和低温恒温水槽，将产水收集装置中的水冷却后送入膜组件底部冷水进口，出水从膜组件顶部冷水出口出来后送回产水收集装置，产水收集装置装满水后的溢出水送至膜蒸馏出水罐；
步骤四.待污水回收完毕后，将整套装置关闭，然后向高梯度磁分离器顶部反洗用加压水入口注入加压水，反洗用空气入口中充入空气，冲洗后的混合物从高梯度磁分离器底部反洗液出口流出。
作为优选，所述步骤二中恒温加热水浴锅中温度为55～80℃，所述步骤三中低温恒温水槽中温度为15～30℃。
作为优选，所述步骤二中恒温加热水浴锅中温度为75℃，所述步骤三中低温恒温水槽中温度为25℃。
作为优选，所述步骤四中加压水的水压为0.05～0.1mpa，流速为35～45m/h，反洗用空气入口中充入空气的流速为1.5～2m/min。
有益效果：
1.通过向污水中投加絮凝剂与磁种，从而形成包裹磁种的具有磁性的悬浮絮凝体，污水通过梯度磁场时，污染物就被分离出来；经过磁分离预处理的污水进入膜蒸馏单元热侧，通过膜冷侧循环水冷却作用，使热侧水蒸气跨膜进入冷水侧，热侧水分流失体积减小，得到更高浓度的浓缩液甚至固体。
2.采用高梯度磁分离技术进行污水的预处理，一个内部填充填料的容器外加一个磁场就构成了高梯度磁分离器，填料采用纤维状或棒状铁磁性非晶质合金，形成较强的磁场和磁场梯度。磁场强度为0.5～1.5t，填料磁性越强，磁分离效果越好；对同一填料来说，填料越细，填充程度较好，磁分离效果越好，本发明中填料当量直径在50～100μm，优选为50μm，；但是填充度越高，流体阻力会增大，在4％～6％左右，优选控制在5％。
3.所述膜蒸馏处理装置，采取直接接触式膜蒸馏。
4.磁分离技术可以高效分离废水中杂质颗粒，能量消耗较少，经过预处理的污水进入膜蒸馏处理单元中，不会造成膜污染，大大延长了膜组件的使用寿命，提高出水水质；磁种可重复使用，多次使用后造成表面结垢，可以通过机械或化学方法再生。
综上所述，本发明提供的磁分离-膜蒸馏装置，既能解决污水排放造成的环境污染问题，又可以实现有用组分的回收利用，具有能耗低、效率高、设备简单、处理能力大等优点。
附图说明
图1为本发明所述装置的工艺流程图。
图中各标号数字代表如下：1.高梯度磁分离器；2.电磁线圈；3.储液罐；4.磁力泵a；5.恒温加热水浴锅；6.转子流量计a；7.膜组件；8.转子流量计b；9.低温恒温水槽；10.磁力泵b；11.产水收集装置；12.膜蒸馏出水罐。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种用于净化污水与有用组分回收的磁分离-膜蒸馏装置，所述装置包括高梯度磁分离器1、储液罐3、磁力泵a4、恒温加热水浴锅5、转子流量计a6、膜组件7、转子流量计b8、低温恒温水槽9、磁力泵b10、产水收集装置11和膜蒸馏出水罐12。
所述高梯度磁分离器1中磁场强度为0.5～1.5t，高梯度磁分离器1顶部设有出水口、反洗用加压水入口和反洗用空气入口，所述高梯度磁分离器1底部设有废水进口和反洗液出口，所述高梯度磁分离器1包括电磁线圈2和内部中空容器，所述电磁线圈2设于内部中空容器外侧，所述内部中空容器顶部设有出水口、反洗用加压水入口和反洗用空气入口，底部设有废水进口和反洗液出口，所述内部中空容器内部填充填料，所述内部中空容器内部填充的填料为纤维状或棒状铁磁性非晶质合金，填料当量直径在50μm，填充度为4％。
所述储液罐3一端顶部设有进水口，另一端顶部设有热液进口，底部设有出水口，所述储液罐3一端进水口与高梯度磁分离器1顶部出水口管道相接。
所述膜组件7内部设有疏水膜，所述疏水膜为聚丙烯膜，采取直接接触式膜蒸馏。所述膜组件7顶端设有热液出口，顶部一侧设有冷水出口，底端设有热液进口，底部另一侧设有冷水进口，所述膜组件7底端热液进口依次通过转子流量计a6、恒温加热水浴锅5、磁力泵a4和储液罐3底部出水口管道相接，所述膜组件7顶端热液出口与储液罐3顶部热液进口管道相接。
所述产水收集装置11顶部设有冷水进口、底部设有冷水出口、一侧设有膜蒸馏出水口，所述产水收集装置11顶部冷水进口与膜组件7顶部冷水出口管道相接，所述产水收集装置11底部冷水出口依次通过磁力泵b10、低温恒温水槽9和转子流量计b8与膜组件7底部冷水进口管道相接，所述膜蒸馏出水罐12与所述产水收集装置11一侧膜蒸馏出水口管道相接。
所述装置在净化污水和回收有用组分中的应用，具体步骤为：(1)预处理，向污水中投加絮凝剂与磁种，从而形成包裹磁种的具有磁性的悬浮絮凝体，絮凝剂为pac(聚氯化铝)，投放量控制在100mg/l，磁种为四氧化三铁，投放量控制在150mg/l，污水通过梯度磁场时，污染物就被分离出来；(2)经过磁分离预处理的污水送入储液罐3，打开磁力泵a4和恒温加热水浴锅5，将加热后经过磁分离预处理的污水送入膜组件7底端热液进口，然后从膜组件7顶端热液出口出来后送回储液罐3，所述恒温加热水浴锅5中温度为55℃；(3)打开磁力泵b10和低温恒温水槽9，将产水收集装置11中的水冷却后送入膜组件7底部冷水进口，出水从膜组件7顶部冷水出口出来后送回产水收集装置11，产水收集装置11装满水后溢出水送至膜蒸馏出水罐12，通过膜冷侧循环水冷却作用，使热侧水蒸气跨膜进入冷水侧，热侧水分流失体积减小，得到更高浓度的浓缩液甚至固体，所述低温恒温水槽9中温度为15℃；(4)待污水回收完毕后，将整套装置关闭，然后向高梯度磁分离器1顶部反洗用加压水入口注入加压水，反洗用空气入口中充入空气，加压水和空气混合后对吸附饱和的磁种进行消磁，冲洗后的混合物从高梯度磁分离器1底部反洗液出口流出。
利用高梯度磁分离器对污水中的杂质颗粒进行分离，对于水中磁性或非磁性的颗粒，利用磁性接种技术使得它们具有磁性。借助外力磁场的作用，将污水中有磁性的悬浮固体分离出来。
采用高梯度磁分离技术进行污水的预处理，一个内部填充填料的容器外加一个磁场就构成了高梯度磁分离器，填料采用纤维状或棒状铁磁性非晶质合金，形成较强的磁场和磁场梯度。
为了使絮凝阶段高速高效化，向污水中同时投加絮凝剂和磁种，从而形成包裹磁种的具有磁性的悬浮絮凝体，污水通过梯度磁场时，污染物就会被分离出来，使得污水得到净化。
膜蒸馏处理单元中的疏水膜能有效拦截水溶液，但允许水分子以气态通过疏水膜，来实现对污水中有用组分的分离浓缩。
实施例2
一种用于净化污水与有用组分回收的磁分离-膜蒸馏装置，所述装置包括高梯度磁分离器1、储液罐3、磁力泵a4、恒温加热水浴锅5、转子流量计a6、膜组件7、转子流量计b8、低温恒温水槽9、磁力泵b10、产水收集装置11和膜蒸馏出水罐12。
所述高梯度磁分离器1中磁场强度为0.5～1.5t，高梯度磁分离器1顶部设有出水口、反洗用加压水入口和反洗用空气入口，所述高梯度磁分离器1底部设有废水进口和反洗液出口，所述高梯度磁分离器1包括电磁线圈2和内部中空容器，所述电磁线圈2设于内部中空容器外侧，所述内部中空容器顶部设有出水口、反洗用加压水入口和反洗用空气入口，底部设有废水进口和反洗液出口，所述内部中空容器内部填充填料，所述内部中空容器内部填充的填料为纤维状或棒状铁磁性非晶质合金，填料当量直径为100μm，填充度为6％。
所述储液罐3一端顶部设有进水口，另一端顶部设有热液进口，底部设有出水口，所述储液罐3一端进水口与高梯度磁分离器1顶部出水口管道相接。
所述膜组件7内部设有疏水膜，所述疏水膜为聚丙烯膜，采取直接接触式膜蒸馏。所述膜组件7顶端设有热液出口，顶部一侧设有冷水出口，底端设有热液进口，底部另一侧设有冷水进口，所述膜组件7底端热液进口依次通过转子流量计a6、恒温加热水浴锅5、磁力泵a4和储液罐3底部出水口管道相接，所述膜组件7顶端热液出口与储液罐3顶部热液进口管道相接。
所述产水收集装置11顶部设有冷水进口、底部设有冷水出口、一侧设有膜蒸馏出水口，所述产水收集装置11顶部冷水进口与膜组件7顶部冷水出口管道相接，所述产水收集装置11底部冷水出口依次通过磁力泵b10、低温恒温水槽9和转子流量计b8与膜组件7底部冷水进口管道相接，所述膜蒸馏出水罐12与所述产水收集装置11一侧膜蒸馏出水口管道相接。
所述装置在净化污水和回收有用组分中的应用，具体步骤为：(1)预处理，向污水中投加絮凝剂与磁种，从而形成包裹磁种的具有磁性的悬浮絮凝体，絮凝剂为pac，投放量控制在130mg/l，磁种为四氧化三铁，投放量控制在200mg/l，污水通过梯度磁场时，污染物就被分离出来；(2)经过磁分离预处理的污水送入储液罐3，打开磁力泵a4和恒温加热水浴锅5，将加热后经过磁分离预处理的污水送入膜组件7底端热液进口，然后从膜组件7顶端热液出口出来后送回储液罐3，所述恒温加热水浴锅5中温度为80℃；(3)打开磁力泵b10和低温恒温水槽9，将产水收集装置11中的水冷却后送入膜组件7底部冷水进口，出水从膜组件7顶部冷水出口出来后送回产水收集装置11，产水收集装置11装满水后溢出水送至膜蒸馏出水罐12，通过膜冷侧循环水冷却作用，使热侧水蒸气跨膜进入冷水侧，热侧水分流失体积减小，得到更高浓度的浓缩液甚至固体，所述低温恒温水槽9中温度为30℃；(4)待污水回收完毕后，将整套装置关闭，然后向高梯度磁分离器1顶部反洗用加压水入口注入加压水，反洗用空气入口中充入空气，加压水和空气混合后对吸附饱和的磁种进行消磁，冲洗后的混合物从高梯度磁分离器1底部反洗液出口流出。
利用高梯度磁分离器对污水中的杂质颗粒进行分离，对于水中磁性或非磁性的颗粒，利用磁性接种技术使得它们具有磁性。借助外力磁场的作用，将污水中有磁性的悬浮固体分离出来。
采用高梯度磁分离技术进行污水的预处理，一个内部填充填料的容器外加一个磁场就构成了高梯度磁分离器，填料采用纤维状或棒状铁磁性非晶质合金，形成较强的磁场和磁场梯度。
为了使絮凝阶段高速高效化，向污水中同时投加絮凝剂和磁种，从而形成包裹磁种的具有磁性的悬浮絮凝体，污水通过梯度磁场时，污染物就会被分离出来，使得污水得到净化。膜蒸馏处理单元中的疏水膜能有效拦截水溶液，但允许水分子以气态通过疏水膜，来实现对污水中有用组分的分离浓缩。
实施例3
一种用于净化污水与有用组分回收的磁分离-膜蒸馏装置，所述装置包括高梯度磁分离器1、储液罐3、磁力泵a4、恒温加热水浴锅5、转子流量计a6、膜组件7、转子流量计b8、低温恒温水槽9、磁力泵b10、产水收集装置11和膜蒸馏出水罐12。
所述高梯度磁分离器1中磁场强度为0.5～1.5t，高梯度磁分离器1顶部设有出水口、反洗用加压水入口和反洗用空气入口，所述高梯度磁分离器1底部设有废水进口和反洗液出口，所述高梯度磁分离器1包括电磁线圈2和内部中空容器，所述电磁线圈2设于内部中空容器外侧，所述内部中空容器顶部设有出水口、反洗用加压水入口和反洗用空气入口，底部设有废水进口和反洗液出口，所述内部中空容器内部填充填料，所述内部中空容器内部填充的填料为纤维状或棒状铁磁性非晶质合金，填料当量直径为50μm，填充度为5％。
所述储液罐3一端顶部设有进水口，另一端顶部设有热液进口，底部设有出水口，所述储液罐3一端进水口与高梯度磁分离器1顶部出水口管道相接。
所述膜组件7内部设有疏水膜，所述疏水膜为聚丙烯膜，采取直接接触式膜蒸馏。所述膜组件7顶端设有热液出口，顶部一侧设有冷水出口，底端设有热液进口，底部另一侧设有冷水进口，所述膜组件7底端热液进口依次通过转子流量计a6、恒温加热水浴锅5、磁力泵a4和储液罐3底部出水口管道相接，所述膜组件7顶端热液出口与储液罐3顶部热液进口管道相接。
所述产水收集装置11顶部设有冷水进口、底部设有冷水出口、一侧设有膜蒸馏出水口，所述产水收集装置11顶部冷水进口与膜组件7顶部冷水出口管道相接，所述产水收集装置11底部冷水出口依次通过磁力泵b10、低温恒温水槽9和转子流量计b8与膜组件7底部冷水进口管道相接，所述膜蒸馏出水罐12与所述产水收集装置11一侧膜蒸馏出水口管道相接。
所述装置在净化污水和回收有用组分中的应用，具体步骤为：(1)预处理，向污水中投加絮凝剂与磁种，从而形成包裹磁种的具有磁性的悬浮絮凝体，絮凝剂为pac，投放量控制在120mg/l，磁种为四氧化三铁，投放量控制在180mg/l，污水通过梯度磁场时，污染物就被分离出来；(2)经过磁分离预处理的污水送入储液罐3，打开磁力泵a4和恒温加热水浴锅5，将加热后经过磁分离预处理的污水送入膜组件7底端热液进口，然后从膜组件7顶端热液出口出来后送回储液罐3，所述恒温加热水浴锅5中温度为75℃；(3)打开磁力泵b10和低温恒温水槽9，将产水收集装置11中的水冷却后送入膜组件7底部冷水进口，出水从膜组件7顶部冷水出口出来后送回产水收集装置11，产水收集装置11装满水后溢出水送至膜蒸馏出水罐12，通过膜冷侧循环水冷却作用，使热侧水蒸气跨膜进入冷水侧，热侧水分流失体积减小，得到更高浓度的浓缩液甚至固体，所述低温恒温水槽9中温度为25℃；(4)待污水回收完毕后，将整套装置关闭，然后向高梯度磁分离器1顶部反洗用加压水入口注入加压水，加压水的水压为0.1mpa，流速为40m/h，反洗用空气入口中充入空气，空气的流速为2m/min，加压水和空气混合后对吸附饱和的磁种进行消磁，冲洗后的混合物从高梯度磁分离器1底部反洗液出口流出。
利用高梯度磁分离器对污水中的杂质颗粒进行分离，对于水中磁性或非磁性的颗粒，利用磁性接种技术使得它们具有磁性。借助外力磁场的作用，将污水中有磁性的悬浮固体分离出来。
采用高梯度磁分离技术进行污水的预处理，一个内部填充填料的容器外加一个磁场就构成了高梯度磁分离器，填料采用纤维状或棒状铁磁性非晶质合金，形成较强的磁场和磁场梯度。
为了使絮凝阶段高速高效化，向污水中同时投加絮凝剂和磁种，从而形成包裹磁种的具有磁性的悬浮絮凝体，污水通过梯度磁场时，污染物就会被分离出来，使得污水得到净化。膜蒸馏处理单元中的疏水膜能有效拦截水溶液，但允许水分子以气态通过疏水膜，来实现对污水中有用组分的分离浓缩。
实施例4
废水中各污染物含量如下：bod200mg/l；cod400mg/l；总氮40mg/l；总磷：12mg/l；悬浮性颗粒：180mg/l。
采用实施例3的装置和应用步骤，向废水中投加絮凝剂与磁种，从而形成包裹磁种的具有磁性的悬浮絮凝体，絮凝剂为pac(聚氯化铝，polyaluminumchloride)，投放量控制在120mg/l，磁种为四氧化三铁，投放量控制在180mg/l。废水(流速200m/h，流量100m3/h)首先进入高梯度磁分离器组件进行预处理，在磁场和混凝的作用下，大多数重金属、放射性物质、油类、病毒、藻类、磷酸盐等得以有效地分离，bod、cod、总氮、总磷、悬浮性颗粒物去除率分别达到65％、75％、68％、52％、73％。经过预处理的废水进入膜蒸馏处理单元，疏水膜能有效截留水溶液及颗粒物，bod、cod、总氮、总磷、悬浮性颗粒物等含量可以得到有效去除，通过水浴锅加热使得疏水膜一侧温度升高，水溶液在高温作用下以气态通过疏水膜，水分减少得到浓缩液以便回收固体，膜另一侧通过低温作用使得水分子凝结进入产水收集装置，回收有用组分。
作为对比，采取砂滤-膜蒸馏处理废水，砂滤工艺可参考中国专利公开号cn206508609u，结合膜蒸馏，废水处理效果见下表。
采取沉淀法-膜蒸馏工艺对废水进行处理，沉淀法处理工艺可参考中国专利公开号为cn101698527a，结合膜蒸馏工艺，处理效果见下表。
具体测定结果参照下表。
通过对比可以发现，本发明提供的磁分离-膜蒸馏技术可以极大提高废水处理效果。