专利名称：一种渗透汽化的装置和方法
技术领域：
本发明属于渗透汽化分离领域，具体涉及利用不对称静电场耦合渗透汽化的装置和方法，提高渗透通量和分离效果。
背景技术：
渗透汽化是一种新型的膜分离技术。该技术突出的优点是能够以低能耗实现蒸馏、萃取、吸收等传统方法难以完成的分离任务。该技术对有机溶剂和混合溶剂中微量水的脱除及水中脱微量有机物具有明显的技术上和经济上的优势；还可以同生物及化学反应耦合，将反应生成物不断脱除，提高反应转化率。因此，渗透汽化技术在石油化工、医药、食品、 环保等工业领域中具有广阔的应用前景及市场。渗透汽化的推动力是膜两侧即原料液和膜另一侧组分的化学位梯度，直观表现为该组分在膜两侧的蒸汽压差。渗透物通过膜的过程分为三步首先，在膜的料液侧渗透物在膜表面被吸附并溶入膜中；然后，渗透物在膜内扩散至膜的另一侧；最后，在膜另一侧渗透物解吸，离开膜。各组分透过膜的快慢与其质量、几何形状、极性等及膜的性质都有关系。 有些组分和膜有较强的亲和能力，较易溶解于膜中(如水分子在亲水性的膜中)，而有些组分较难溶解于膜中；溶解在膜中的组分，有些可以较快的速度在膜中扩散(如直径较小的分子)，而有些则以较慢的速度扩散。由于溶解度及扩散速率上的差别，有些组分能较快地透过膜(称为“优先透过组分”)。这样“优先透过组分”在透过侧的百分含量将比原料侧该组分所占的百分含量高，于是在透过侧形成了“优先透过组分”的富集，从而实现分离。溶解与解吸过程很快，而膜内的扩散过程较慢，是各组分透过膜的速率控制步骤。 由于膜内扩散的传质推动力仅是化学位梯度，渗透速率过慢，渗透通量小，制约了渗透汽化过程在实际生产中的推广应用。中国专利 CN1379697A、CN1994536A、CN101104537A、CN101596406A、CN101721914A、 CN101716465A等公开了利用静电场作用于膜分离过程。CN1379697A公开了利用静电场改变悬浮颗粒的表面电荷，减少生物膜的形成，提高膜分离性能；CN101104537A公开了在电场作用下形成强氧化源氧化分解水中的有机物；CN101721914A公开了在膜过滤中通过电场作用，使带电荷的有机物或颗粒发生电泳迁移、电凝聚等作用，减少带电荷有机物或颗粒造成的浓差极化与膜污染；CN101716465A、CN101596406A公开了在直流电场作用下，使带电的分子或微粒产生背离或者透过膜面的电泳运动，抑制在膜面的浓差极化和膜污染； CN1994536A公开了利用电场作用于多组分多糖膜分离过程，减少浓差极化和膜污染，提高分离性能。检索国内外的研究，还没有通过附加静电力作为传质推动力提高渗透汽化的渗透通量和选择性的报道。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种不对称静电场耦合渗透汽化的装置，本发明还提供了一种不对称静电场耦合渗透汽化的方法，增加了传质推动力，增大渗透通量，提高分离效果。根据本发明的一个方面，提供了一种不对称静电场耦合渗透汽化的装置。在一个实施例中，装置包括原料室、透过室、膜和电极，所述电极产生不对称静电场。根据本发明提供的装置，在一个实施例中，不对称静电场在平板电极和针状电极之间产生，对所述电极施加的直流电压为IO1 IO4伏。根据本发明提供的装置，所述平板电极位于原料室一侧(可以在原料室的内部或外部)，可以为石墨、不锈钢、钛、钼或镀钌的不锈钢、钛等。针状电极位于透过室一侧(可以在透过室的内部或外部)，可具有与平板电极同样的材质。进入原料室的原料液中的极性液体分子，在所述不对称静电场的电位梯度和化学位梯度双重作用下，能以比仅靠化学位梯度作为推动力时更快的速度透过膜，形成透过物蒸汽并从透过室流出，渗余液从原料室流出O根据本发明提供的装置，根据分离体系的不同，平板电极和针状电极的位置可以互换，即平板电极位于渗透室一侧(可以在透过室的内部或外部)，针状电极位于原料室一侧(可以在原料室的内部或外部)。根据本发明提供的装置，渗透汽化过程是在不对称的静电场的作用下完成的。液体分子分为极性分子和非极性分子。非极性分子的结构对称，在无外电场作用下，正负电荷的重心重合，偶极距为零，如烷烃等。极性分子的结构不对称，在无外电场作用下，正负电荷的重心不重合，它们之间有一定的距离，具有固有偶极距，如水、乙醇等。极性分子在没有外加电场时，由于分子的无规则热运动，排列是紊乱的。在外电场作用下，非极性分子和极性分子的正负电荷重心会被沿电场方向拉开，使分子发生变形并产生一个附加的偶极，这个过程即分子的极化，这个偶极即诱导偶极，其强度大小和电场强度及分子的变形极化率成正比。在实际可以得到的电场中，非极性分子的诱导偶极距比极性分子的偶极距小，受电场力作用很弱。极性分子在外电场作用下发生转动，趋向于沿着外电场方向进行有序排列，外电场越强，排列越整齐。在均勻电场下，当取向完毕，即电场能量变至最小时，达到平衡，作用力为零，偶极子不会产生平移运动。当附加一个不对称静电场时，空间各处电场不均勻， 偶极子在电场力的作用下向电场强的方向迁移，这种由电位梯度导致的动力学现象称为电迁移传质。电迁移速率与电场强度、分子极性及分子质量等有关，非极性分子可以认为基本没有电迁移，仍然以无规则热运动为主。当把渗透汽化的体系置于不对称静电场中时，原料液为场强较弱的一侧，膜透过侧即透过物蒸汽侧为场强较强的一侧。一方面，与传统的渗透汽化相同，各组分由高浓度的原料液侧向低浓度的膜透过侧扩散传质，推动力为化学位梯度；另一方面，电场力的作用引起向电场变为最大的方向的电迁移传质，推动力为电位梯度。把这个过程称为“不对称静电场耦合渗透汽化”。当大量极性分子的液体中含少量非极性分子的液体时，会选择疏水膜，使非极性分子优先透过，这时可以反向施加不对称静电场，即平板电极位于渗透室一侧，针状电极位于原料室一侧。此时不对称静电场给极性分子施加反向作用力，使其难以透过膜，虽不能提高非极性分子透过膜的推动力，但是可以降低极性分子透过膜的几率，从而提高透过液中非极性液的比例。根据本发明提供的装置，所述膜为致密膜，包括均质膜和复合膜。根据分离不同体系的需要，可以采用任何适宜的已知的渗透汽化膜。
根据本发明提供的装置，在一个实施例中，在透过室内形成真空，将扩散进入透过室的透过物蒸汽抽走，以维持透过室内较低的蒸汽压。在本发明的其他实施例中，可以用惰性气体吹扫透过室，将透过膜的渗出物蒸汽带走，以维持透过室内低的组分蒸汽压。另外，还可将透过膜的渗出物蒸汽用适当的溶剂吸收出去，以维持透过室内低的组分蒸汽压。根据本发明提供的装置，不对称静电场耦合渗透汽化装置还可包括加热或其他保温装置，使渗透汽化分离过程的温度保持在一定的范围，优选的渗透汽化操作温度的范围为5 95°C。若膜可以承受，温度也可更高。根据本发明的另一方面，提供了一种不对称静电场耦合渗透汽化的方法，包括原料液被引入原料室；引入所述原料室的原料液中的极性液体分子，在化学位梯度和不对称静电场的电位梯度双重作用下，以比仅有化学位梯度作为推动力时更快的速度透过膜，并在膜表面汽化形成透过物蒸汽，从透过室流出；渗余液从原料室流出。根据本发明提供的方法，在一个实施例中，不对称电场是由平板电极和针状电极产生的，优选向所述电极施加的直流电压为IO1 IO4伏。根据本发明提供的方法，所述渗透汽化的操作温度范围为5 95°C。若膜可以承受，温度也可更高。根据本发明提供的方法，在一个实施例中，所述膜为亲水性的复合分离膜。根据本发明提供的装置或方法，相比传统渗透汽化过程仅有化学位梯度一个推动力而言，本发明的过程有两个推动力，即化学位梯度和电位梯度。传质速率是扩散速率和电迁移速率的叠加。非极性分子由于受静电场的作用很弱，静电场的有无对其传质基本无影响；而极性分子在附加静电场后的传质速率要比无电场时快，并且传质速率的提高与在静电场中的偶极距有关，因此可以提高渗透汽化过程的速度。本发明适用于包含极性和非极性分子的液体体系的分离(如苯/水体系)，也可用于各组分的极性相差较大的液体体系的分离，如乙醇/水体系。本发明的优点在于突破了传统的渗透汽化仅有一个传质推动力(即化学位梯度)的模式，提出通过耦合一个不对称静电场附加另一个传质推动力(即电位梯度)的方法和装置从而提高不同极性分子的分离，通过两个推动力的叠加，使渗透速率以及分离效果在溶解-扩散分离的基础上进一步强化。由于现代材料工业和电工技术的发展使静电电源的制造成本大大减低，实现耦合场的设备造价低。因此，通过本发明能够降低现有技术中的能耗和成本，具有广泛的适用性和良好的实用性。
附图提供用来便于对本公开内容的理解，其构成说明书的一部分但并不构成对本公开内容任何方面的限制。在附图中图1以剖面图的形式显示了一个实例的渗透汽化分离装置。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但不作为对本发明的限制。实施例如图1所示，一个示例性的不对称静电场耦合渗透汽化装置10，包括原料室7、透过室8、平板膜9。在一个实施例中，原料室7包含原料液的进口 1和出口 2。原料液是含 500ppm水6-2的苯6_1，原料液体积100ml，，蠕动泵循环，流速为2. lcm/s。原料侧为常压。 渗透汽化操作温度为60°C。透过室8内压力为lkPa。在原料室7及透过室8分别植入平板电极4及针状电极5，平板电极4为阴极，针状电极5为阳极，施加给两侧电极的电压为 2000 伏。原料液由进口 1进入原料室7，与聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯/聚丙烯腈复合致密膜9的膜面相接触(膜面积16cm2)，该分离膜为亲水膜，原料液中的微量水6-2在化学位梯度和不对称静电场产生的电位梯度双重作用下透过膜9，并在透过室侧的膜面上汽化形成水蒸气11，从透过室8的出口 3被抽出。而渗余液则从原料室7的出口 2流出。液体的流动方向如图1中箭头所示。水的渗透方向如图1中横向的箭头所示。渗透汽化处理时间5 小时，原料液含水量降至70ppm，水的平均渗透通量为5. 41g/m2. h。对比例原料液为含微量水的苯，操作温度、含水率同实施例，原料室、透过室、膜同实施例，与实施例不同之处是没有给电极施加直流电压，渗透汽化处理时间5小时，原料液含水量降至250ppm，所得到的水的平均渗透通量为3. 28g/m2. h。结果以上数据可以得知，通过附加不对称静电场，苯中微量水的渗透速率增大近 65%，可以使苯中的微量水得到更快速的去除。最后应说明的是以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明， 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本技术领域的普通技术人员来说， 其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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。
权利要求
1.一种渗透汽化的装置，包括原料室、透过室、膜和电极，其特征在于，所述电极能产生不对称静电场。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电极为平板电极和针状电极，所述平板电极位于所述原料室，所述针状电极位于所述透过室。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，原料液中的极性分子，在所述不对称静电场的电位梯度和化学位梯度双重作用下，能够以比仅有化学位梯度作为推动力时更快的速度透过膜并在膜面上汽化，形成透过物蒸汽。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述平板电极位于透过室，所述针状电极位于所述原料室。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，向所述电极施加的直流电压为IO1 IO4伏。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述渗透汽化的操作温度为5 95°C。
7.—种渗透汽化的方法，包括将原料液引入原料室；在所述原料室和透过室之间存在不对称静电场，所述原料液中的极性分子在化学位梯度和不对称静电场的电位梯度的双重作用下以比仅有化学位梯度作为推动力时更快的速度透过膜，并在膜面上汽化形成透过物蒸汽，从透过室流出；渗余物从所述原料室流出。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述不对称静电场由平板电极和针状电极产生。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，向所述电极施加的直流电压为IO1 IO4伏。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述渗透汽化的操作温度为5 95°C。
全文摘要
本发明涉及一种不对称静电场耦合渗透汽化的装置，包括原料室、透过室、膜和电极，电极能够产生不对称静电场。所述电极包括平板电极和针状电极。向所述电极施加的直流电压为101～104伏。原料液中的极性分子，在化学位梯度和电极产生的不对称静电场形成的电位梯度的双重作用下，以比仅有化学位梯度作为推动力时更快的速度透过膜后在膜表面上汽化形成透过物蒸汽。本发明还涉及一种不对称静电场耦合渗透汽化的方法。
文档编号B01D61/36GK102284246SQ20111003555
公开日2011年12月21日 申请日期2011年2月10日 优先权日2011年2月10日
发明者杜润红 申请人:天津工业大学