一种微波强化膜蒸馏过程的装置及方法

专利名称：一种微波强化膜蒸馏过程的装置及方法
技术领域：
本发明属于膜蒸馏技术领域，特别涉及到一种微波辅助膜蒸馏脱盐技术的方法与
>J-U ρ α装直。
二
背景技术：
膜蒸馏(MD)技术近三十年以来的快速发展带动了疏水微孔膜制备技术的不断突破。其中，中空纤维膜以其较高的装填密度，组件易于安装操作，占地面积小等优势逐渐成为膜蒸馏用膜的首选。虽然膜蒸馏技术发展很快，研究也越来越广泛，但要将膜蒸馏应用·于实际生产，依然面临三个亟待解决的问题1)当前常用的相转化法制备的中空纤维疏水膜为追求膜通量，而使得膜壁厚较薄，造成膜丝机械强度较低，实际使用寿命较短；2)，膜蒸馏运行过程中，温度极化、浓度极化、沟流效应导致膜通量下降；3)膜污染及膜润湿现象难以避免，且当前尚无高效的清洗及干燥方法，使得膜蒸馏稳定运行性能较差。要解决上述问题，可以从两方面入手，一是通过改进现有疏水膜制备技术，制备出强度更高疏水性更好的膜蒸馏用中空纤维膜材料，有文献报道，通过采用溶液相转移涂覆法进行PVDF膜的表面超疏水改性，可以改变膜表面的物理形态结构，使得PVDF疏水膜的接触角最高可以达到160° ;二是通过开发新型的膜蒸馏工艺系统，以期缓解膜污染及温差极化等影响膜通量的现象，来强化膜蒸馏过程。在膜材料制备尚无重大突破的前提下，开发新型的膜蒸馏工艺系统就显得尤为重要，这主要包括膜组件的设计及反应器的设计。国外研究人员通过在流道内加入格网等构件，或使膜丝构型复杂化以缓解膜蒸馏过程中的温度极化和浓度极化现象，强化了传质过程。也有文献报道，采用超声波技术强化真空膜蒸馏过程取得了良好效果，但超声波机械振荡作用对膜材料损伤较为严重，且操作过程中噪声大，超声热能量损失大，其应用前景并不乐观。微波技术是一项十分成熟的技术，已广泛应用于社会生活的各个方面，如医疗，干燥杀菌，固废处理，食品加热等。微波的工作原理可以归结为两个方面的效应，热效应和非热效应，热效应是指物质在微波场中均匀快速加热，微波加热的原理是，极性分子处于微波电场中时，会诱导产生电偶极子，而电偶极子会随着微波产生的交变电场发生每秒数亿次的高速变向，在变向过程中，相邻分子间磨擦生热，表观上使得物质本身快速加热，即热效应主要体现在加热的快速性和均匀性；非热效应是指极性分子在微波场吸收微波能量，使得分子的运动能力加强。我们的研究结果表明，微波技术与膜蒸馏技术集成，可以缓解MD的温度极化现象，并强化MD的传质速率，进而可提高MD膜通量，提高溶液中挥发性溶质的快速分离；亦可利用微波技术实现膜的辅助快速清洗与快速干燥。因此，通过微波技术与MD技术的集成有望解决上述制约MD工业化应用的三个主要关键问题。总之，微波强化膜蒸馏过程的方法与相关装置目前尚未见报道，该发明具有明显创新性与应用前景。

发明内容
本发明提出将微波技术与膜蒸馏技术相耦合，设计制作出一种可实现高产水通量、实现污染膜的在线清洗与干燥，并可在实际生产中有大规模应用前景的膜蒸馏工艺装置。采用的主要设备及材料包括疏水微孔膜，微波反应腔，微波磁控管及相应配件等。本发明的出发点在于在一定程度上解决膜蒸馏过程中存在的一些问题，这里主要是规模化应用后膜通量较低和膜污染的问题。其中，膜通量的根本制约因素是料液侧膜表面的温度，一方面是膜组件放大后组件进出口温差较大，导致单位有效膜面积的膜通量较低，膜面积利用率下降，另一方面是温度极化的问题，所谓温度极化是指膜蒸馏过程中，由于蒸馏不断带走热量而导致膜面处料液温度低于料液主体的温度，膜蒸馏的相关研究已经证明，温度极化是影响膜蒸馏通量不可忽视的现象。膜污染也是制约膜蒸馏过程的一个重要因素，膜污染源于膜蒸馏长时间运行过程中，待分离料液中的溶质在膜表面的沉积，膜污染严重后会影响膜蒸馏的通量及产物的纯度，目前污染膜的清洗及干燥还主要采用常规方法，即采用化学酸碱清洗剂清洗污染膜，清洗后的湿膜或自然干燥或用空气压缩机吹干，效率较低。解决上述问题，当前主要依靠在料液侧增加“扰动因素”，如增大料液流速，设置格网等。但对于规模化尤其是进出口流程较长的膜组件，机械扰动作用毕竟是有限的，且增大机械扰动会增加动力的消耗，使工艺构造复杂程度加剧。通过微波和膜蒸馏的耦合集成可以更好地解决上述问题，微波的高效均相加热及“机械微搅动”作用可以在较长的膜组件流程上实现温度的均一性，并可在一定程度上缓解温度极化和膜污染现象，并有助于污染膜的清洗及干燥。本发明装置的设计制造需着重考虑以下几个方面(I)所采用的疏水微孔膜在多孔性基础上，应有非常优良的非极性；(2)所设计的微波反应器应是便于膜组件安装，并可保证气体及微波的双重密封性；(3)所设计的装置应有非常良好的实际大规模应用前景。本发明的基本思路是首先设计出外形适用于微波场中操作的膜组件，并根据膜组件外形的实际尺寸设计制作出可实现微波及气体双重密封的微波反应腔；鉴于微波操作下的安全性及密封性要求，过膜蒸汽的收集需采用气体捕集、腔体外冷凝的方式；然后再辅以相应的配件以完成本套工艺装置。基于本发明设计思想，采用中空纤维膜制作膜组件最便于实现组件的安装。下面详细阐述本发明内容。图3描述了中空纤维膜微波膜蒸馏装置的工作过程，待处理料液从中空纤维膜组件14的一端进入，从另一端流出，并与外部水泵及加热设备连接形成循环，通过外界清洗液储罐亦可实现膜污染的微波辅助在线清洗，清洗后的膜可进行微波在线干燥；磁控管11在外部微波源激发下产生交变电磁场，经过微波头13进入微波反应腔对中空纤维膜组件进行辐照，散热风扇12为磁控管散热；蒸汽捕集设备接口 9和10连接外部设备，收集过膜蒸汽至腔体外冷凝。所述的中空纤维膜组件其形式为两端有螺纹式膜头，中间无外壳包裹，即除两端膜头外，中间实际膜蒸馏工作部分的膜为裸露状态，即过膜侧直接暴露在微波环境中，一方面便于微波能量直接作用到膜丝上，另一方面避免了增加气体收集管道，简化了腔体内部结构；膜头采用聚四氟乙烯(PTFE)材料制作，因为PTFE的非极性良好，几乎不吸收微波，且性质稳定，膜头的一部分为外螺纹结构，该结构使组件便于与外部管道连接，且便于其穿过微波反应腔上的组件固定法兰；膜组件需粘接部分采用环氧树脂和缩胺固化剂硬质胶及不吸收微波的聚胺脂软质胶两种粘结剂，固化后硬质胶部分便于组件的后续切割加工，该部分吸收微波，处于微波反应腔外侧，软质胶部分可保护膜不易受损伤，该部分不吸收微波，接近微波反应腔内侧；膜丝均匀分布，相邻两根膜丝间保持一定距离，以减小蒸汽及热量向外界传递的阻力。除中空纤维膜组件外，本发明亦可采用平板膜组件和管式膜组件。所述的微波反应腔是本发明的核心部分，具体规格尺寸根据膜组件的装填数目设定；腔体顶盖与腔体以法兰方式连接，以实现方便安装和拆卸，便于对腔体内部膜组件安装进行操作；组件固定法兰固定膜组件在腔体中的位置，并由压紧法兰及膜头紧锁件锁定膜组件，并实现对腔体的密封，包括微波场的密封及气体的密封；腔体部分直接与蒸汽接触，抗腐蚀性要求高，为加强腔体在负压操作下的安全性，采用3mm厚优质316不锈钢板制作，根据实际要求，腔体外部可安装加强筋；其它配件相对要求较低，采用304不锈钢制作。设备内部所有与微波接触的部分需打磨光滑，防止在微波场中打火。所述的微波反应腔根据微波谐振腔的要求，外形可以设计为圆柱体，长方体，立方体等。所述的中空纤维膜组件微波膜蒸馏的安装如图3所示。微波磁控管和散热风扇附着在内部为空腔的微波头上，磁控管发射极嵌入微波头，微波能量通过微波头的空腔进入微波反应腔作用在膜组件上，其中，微波头和微波头接口间的凹陷处嵌入厚度为3mm的PTFE材料的垫片，一方面起到密封作用，且刚性较强的PTFE材料在腔体的负压环境中不至产生过大的变形，另一方面PTFE材料对微波的吸收很弱，不会明显削弱微波能量；微波反应腔安装多根组件时，需均匀安装，且相邻组件间保持约2cm的距离，以增大蒸汽传递空间，避免累积蒸汽吸收微波能致使热量在腔体内大量积聚，增大传质阻力。基于过膜蒸馏汽捕集方式的不同，本发明可采用气扫式膜蒸馏和真空膜蒸馏两种操作方式，鉴于真空膜蒸馏通量较高，其应用前景更好。综上所述，本发明的根本目的是将微波与膜蒸馏过程结合起来，通过设计制作微波反应腔及相应形状的膜组件以实现这一目的，从而实现增大膜通量，缓解温度极化和膜污染的目标，延长膜蒸馏过程的稳定运行周期，并为膜污染的抑制及在线清洗和干燥提供全新的思路及方法。
四


附图1是负压式中空纤维膜组件图；附图2是微波反应腔及配件图；附图3是中空纤维膜组件微波真空膜蒸馏安装图。其中，全部附图中的细弧线表示外螺纹。附图1是本发明中的无外壳式中空纤维膜组件结构示意图。图中，I是螺纹式膜头，2中的粗实线表示中空纤维膜丝。附图2是本发明中的主要设备微波反应腔，全部由不锈钢制作。图中，3是腔体顶盖，4是微波头接口，5是膜头紧锁件，6是压紧法兰，7是组件固定法兰，8是腔体，9是真空表接口，9和10为气体设备接口。微波头接口 4焊接在腔体顶盖上，组件固定法兰7与焊接在腔体上。附图3为中空纤维膜组件微波膜蒸馏的安装图。图中，11是微波磁控管，12是散热风扇，13是微波头，14是中空纤维膜组件。微波磁控管11和磁控管散热风扇12附着在微波头13上；微波头13和微波头接口 4之间以法兰方式连接。
五
具体实施例方式鉴于真空膜蒸馏过程通量更大，本实施例分别采用真空膜蒸馏和微波真空膜蒸馏操作，并进行污染膜的微波辅助在线清洗及干燥，本发明的具体应用范围不受本实施例的限制。下面以氯化钠水溶液为进料液，通过比较试验来验证本发明的可实施性。基本条件(I)进料液NaCl水溶液，电导率约为6000 U s/cm ;清洗液去离子水，电导率约为2 ii s/cm ;微波功率IOOOff ；(2)腔体参数腔体规格350mm X 215mm X 330mm，腔体体积25L ；(3)中空纤维膜组件参数PVDF中空纤维膜组件，膜头直径320mm，有效工作长度 180mm，有效膜面积0. 107m2 ；(4)运行过程中，忽略微量料液损失。运行模式⑴膜蒸馏设定进料温度为60°C，真空度为_96kPa，进料流速0. 14m/s。操作及运行分别将磁控管外接微波源，膜组件两端外接水泵、料液罐及加热设备，真空设备接口外接冷凝及抽真空设备，以形成装置的连续运行模式。NaCl水溶液在膜组件及料液罐中循环流动，真空设备使腔体形成_96kPa的负压环境，过膜水蒸气通过管道进入冷凝设备冷凝收集，在微波启动前和启动后分别运行膜蒸馏过程。真空膜蒸馏运行过程中，料液罐内的料液会不断减少，这里采用连续性的补水设施向罐内补充纯水，以维持料液的浓度恒定。分别进行真空膜蒸馏和微波真空膜蒸馏过程各100小时，并连续监测电导率，结果表明，两者的产水电导率都基本稳定在2 i! s/cm左右，但微波真空膜蒸馏过程的膜通量是真空膜蒸馏的1. 9倍，通过计算摒除微波对料液的加热因素，微波仍然使真空膜蒸馏的传质系数提高了 26%。证明了微波作用可强化膜蒸馏传质过程，因此可实现高产水通量的目的。(2)污染膜的微波辅助在线清洗及干燥设定清洗液温度为30°C，流速为0. 40m/s。操作及运行首先用高浓度NaCl水溶液运行较长时间膜蒸馏过程，当膜通量下降至初始通量的50%左右，即膜面出现明显大量的NaCl结晶体时，停止膜蒸馏过程。连接膜污染清洗设备及管道，管道连接方式与上述膜蒸馏过程相似，只是将料液罐换成清洗液罐，在清洗液罐中加入去离子水清洗液500mL，分别进行10分钟的污染膜常规清洗和微波辅助清洗，在清洗前及清洗过程中，可通过调节加热设备使两种清洗条件下的进出口清洗液温度平均值均保持在30°C左右，以保证除微波外，两种清洗其它条件的一致性。清洗结果为，常规清洗后去离子水清洗液的电导率增大为520 y s/cm，而微波清洗后，去离子水清洗液的电导率增大为780 ii s/cm，这表明，微波清洗的效率是常规清洗的1. 5倍。以上比较试验证明了本发明的可实施性。
权利要求
1.一种微波强化膜蒸馏过程的装置及方法，包括膜组件，微波反应腔，微波磁控管及相关配件；膜组件与外部水泵、加热设备和料液罐连接形成循环；通过微波源及相应地膜蒸馏操作方式，以实现微波强化膜蒸馏过程。
2.一种微波强化膜蒸馏过程的装置及方法，其特征在于只需要将膜组件与外部设备连接的料液罐换做清洗液罐，就可在微波作用下实现对膜蒸馏过程中膜污染的清洗与干燥。
3.按照权利要求1所述的微波反应腔，其特征在于腔体形状可为圆柱体，立方体和长方体，反应腔的容积为O. 02m3 20m3。
4.按照权利要求1所述的膜组件，其特征在于采用环氧树脂711、618和固化剂缩胺 105，以及聚胺脂两种胶为粘结剂粘接制作膜组件；组件两端膜头以外螺纹式与外部设备连接；膜组件料液流程的长度为O. 2m 2m ;膜组件可采用平板式，管式和中空纤维式膜组件。
5.按照权利要求1所述的膜组件，其特征在于膜材料可采用聚偏氟乙烯(PVDF)，聚丙烯(PP)，聚四氟乙烯(PTFE)及其它非极性疏水膜材料，微孔孔径为O. 05 O. 5 μ m。
6.按照权利要求1所述的一种微波强化膜蒸馏过程的装置及方法，其特征在于根据实际生产要求，可采用气隙式膜蒸馏和真空膜蒸馏操作；腔体中可放置多根膜组件，组件之间距离大于2cm ;并在腔体周围除膜组件占据的两面以外，安装多支微波磁控管，实现对腔体内部的全方位辐射；微波频率可采用915MHz和2450MHz。
7.按照权利要求1所述的一种微波强化膜蒸馏过程的装置及方法，其特征在于膜组件料液侧流速为O. 05m/s O. 5m/s，料液温度为50°C 80°C，对于真空膜蒸馏操作过程，真空度要大于-96Kpa。
全文摘要
本发明提出一种微波强化膜蒸馏过程的装置及方法，制作出可适于进行微波及负压操作的微波反应腔，其包括腔体，腔体顶盖，微波头接口，组件固定法兰，压紧法兰，膜头紧锁件六部分；设计制作出适于微波场中操作的膜组件，并将其穿过腔体上的组件固定法兰，并通过压紧法兰、膜头紧锁件及硅胶垫片等配件将膜组件固定；通过微波头接口将微波磁控管连接到腔体顶盖上以在腔体内实现微波环境；再辅之以循环水泵，蒸汽捕集，冷凝等设备即可实现微波辐射，膜组件和膜蒸馏过程三者的有机结合，进而实现微波强化膜蒸馏过程，并可同时实现污染膜的微波辅助在线清洗及干燥。
文档编号B01D65/08GK102989319SQ201110274818
公开日2013年3月27日 申请日期2011年9月16日 优先权日2011年9月16日
发明者王军, 纪仲光, 栾兆坤, 贾智萍 申请人:中国科学院生态环境研究中心