一种用于导热真空膜蒸馏的改性热载体、膜组件以及蒸馏方法

本发明属于膜蒸馏领域，尤其是涉及一种用于导热真空膜蒸馏的改性热载体、膜组件以及蒸馏方法。

背景技术：

1、导热真空膜蒸馏(ch-vmd)可以有效降低温度极化带来的负面影响，使得渗透通量高于传统膜蒸馏。但是，系统的热效率和渗透通量仍有待提升，这是制约该技术发展的关键因素。现有技术中，有人提出了一种简单的纳米颗粒-水系统，在水面上沉积一层疏水性二氧化硅纳米颗粒，能够有效提高水的蒸汽产生效率。但这种方式只适用于静态的液体，在流动的液体中无法保证纳米颗粒的覆盖。另外还有一种方式，通过氮掺杂制备了用于蒸汽生成的多功能三维多孔石墨烯，通过热局部化有效地实现从太阳光到高能蒸汽的能量转换。但是两种方式都存在一定的弊端，如何在不增加能耗的情况下提高系统的渗透通量，从而降低产水的比能耗，同时优化操作条件，提高膜蒸馏热量利用率，成为亟待解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种用于导热真空膜蒸馏的改性热载体、膜组件以及蒸馏方法，制备出能够有效提高系统传热传质过程的新型复合热载体，在不增加能耗的情况下提高系统的渗透通量，从而降低产水的比能耗，同时优化操作条件，为解决膜蒸馏技术中的渗透通量和热量利用率低的问题提供新的策略。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种用于导热真空膜蒸馏的改性热载体，铝制热载体的表面通过石墨烯散热涂层和/或超疏水二氧化硅涂层改性。

4、优选的，石墨烯散热涂层使用的树脂型水性石墨烯散热涂料，通过如下步骤制备得到，

5、1)将石墨烯添加到蒸馏水中，超声5～30min，将其分散至均匀，制备得到石墨烯悬浮液，其中石墨烯的质量浓度为0.5～1.5％；优选的，石墨烯的质量浓度为1％；

6、2)在600～1000r/min的转速下，将石墨烯悬浮液缓慢地添加到分散均匀的环氧树脂乳液中，使其均匀地分散30～60min，其中石墨烯与环氧树脂的质量比为(0.8～1.2)：(1.8～2.2)；优选的，石墨烯与环氧树脂的质量比为1：2；

7、3)加入碳化硅粉末，电磁搅拌2h得到树脂型水性石墨烯散热涂料，其中石墨烯悬浮液与碳化硅质量比为(7.5～8.5)：1；优选的，石墨烯悬浮液与碳化硅质量比为8：1。

8、优选的，石墨烯散热涂层通过以下步骤获得，将配制好的树脂型水性石墨烯散热涂料装入喷枪中，将铝制热载体固定在玻璃板上进行喷涂，每40cm2的喷涂量为6ml～15ml，干燥后即得到通过石墨烯散热涂层改性的铝制载体即gpe-al热载体。

9、优选的，超疏水二氧化硅涂层使用的疏水性纳米二氧化硅胶体溶液，通过如下步骤制备得到，

10、1)正硅酸乙酯teos在乙醇etoh中水解缩合而成硅溶胶；

11、2)加入氨水搅拌1h，混合液在室温下老化3～7d，形成适合涂覆的硅溶胶；

12、3)将8-12ml六甲基二硅氮烷(hmds)加入到溶胶中搅拌1h，放置1天后即得到可使用的疏水性纳米二氧化硅胶体溶液；

13、其中，teos：etoh：nh3：h2o的摩尔比为(0.9～1.1)：(34.2～41.8)：(0.9～1.2)：(2.7～3.3)；优选的，1：38：1：3。

14、优选的，超疏水二氧化硅涂层通过以下步骤获得，利用喷枪将配制好的疏水性纳米二氧化硅胶体溶液喷涂在铝制热载体，使纳米颗粒附着在铝制热载体上，每40cm2的喷涂量为6ml～15ml；干燥1～10min后即可获得超疏水表面，超疏水二氧化硅涂层改性的铝制热载体。

15、优选的，铝制热载体在喷涂疏水性纳米二氧化硅胶体溶液之前进行刻蚀处理，刻蚀处理包括如下步骤，

16、1)用600目的砂纸以“十”字形上下打磨铝制热载体，再用蒸馏水冲洗铝制热载体；

17、2)将其放在体积浓度为1:(2.5～3.5)的盐酸中浸泡10～14h，使其表面变得均匀，再用钳子将其取下，用水冲洗掉其表面残留的酸液；优选的，盐酸的体积浓度为1:3；

18、3)将其放入90～100℃恒温水浴中，20～40min后，再用钳子将其从水浴缸中取出来，在氮中70～90℃下烘干1.5～2.5h，即可获得刻蚀过的铝制热载体。

19、刻蚀是为提高纳米颗粒在热载体上的附着性，当采用二氧化硅改性时需要对热载体进行刻蚀。

20、优选的，铝制热载体上进行打孔处理，孔径3mm，每孔横向间距10cm，纵向间距2cm，居中打孔。

21、本发明还提供一种膜组件，包括如上所述的改性热载体。

22、本发明同时提供一种导热真空膜蒸馏的方法，使用如上所述的改性热载体组装的膜组件，其中，进料液层厚度为1～4mm，进料流速为22～26cm/s，热源温度为180～220℃，真空度为85～95kpa条件下进行；优选的，进料液层厚度为1mm，进料流速为24cm/s，热源温度为200℃，真空度为90kpa条件下进行

23、相对于现有技术，本发明具有以下优势：

24、将gpe-al热载体应用于ch-vmd系统，获得的渗透通量由9.28l/(m2·h)上升到10.55l/(m2·h)，提升幅度为13.7％。

25、将sio2-al热载体应用于ch-vmd系统，系统的渗透通量由9.28l/(m2·h)提升到10.81l/(m2·h)，提升幅度为16.5％。

26、通过将石墨烯散热涂层与疏水性二氧化硅纳米颗粒改性技术结合制备了gpe/sio2-al热载体，在ch-vmd系统内将其与al热载体(液层厚度4mm与1mm)、gpe-al热载体和sio2-al热载体进行了对比，考察渗透通量的差异；通过温度记录仪记录了使用不同热载体类型时系统内部的温度分布以及变化情况。结果表明gpe/sio2-al热载体可使渗透通量提升71.6％，系统内部整体温度提升约为0.5～1.7℃，展现出明显的优势。通过对本专利中使用不同类型热载体时系统的热效率以及比能耗的对比可知，采用gpe/sio2-al热载体时可得到最高的热效率以及最低的比能耗。

27、ch-vmd系统采用上述几种热载体类型时的盐截留率均能达到99.99％以上，产水水质优异。

技术特征：

1.一种用于导热真空膜蒸馏的改性热载体，其特征在于：铝制热载体的表面通过石墨烯散热涂层和/或超疏水二氧化硅涂层改性。

2.根据权利要求1所述用于导热真空膜蒸馏的改性热载体，其特征在于：石墨烯散热涂层使用的树脂型水性石墨烯散热涂料，通过如下步骤制备得到，

3.根据权利要求2所述的用于导热真空膜蒸馏的改性热载体，其特征在于：石墨烯散热涂层通过以下步骤获得，将配制好的树脂型水性石墨烯散热涂料装入喷枪中，将铝制热载体固定在玻璃板上进行喷涂，每40cm2的喷涂量为6ml～15ml，干燥后即得到通过石墨烯散热涂层改性的热载体，即gpe-al热载体。

4.根据权利要求1所述的用于导热真空膜蒸馏的改性热载体，其特征在于：超疏水二氧化硅涂层使用的疏水性纳米二氧化硅胶体溶液，通过如下步骤制备得到，

5.根据权利要求4所述的用于导热真空膜蒸馏的改性热载体，其特征在于：超疏水二氧化硅涂层通过以下步骤获得，利用喷枪将配制好的疏水性纳米二氧化硅胶体溶液喷涂在铝制热载体表面，每40cm2的喷涂量为6ml～15ml；干燥1～10min后即可获得超疏水二氧化硅涂层改性的热载体。

6.根据权利要求5所述的用于导热真空膜蒸馏的改性热载体，其特征在于：铝制热载体在喷涂疏水性纳米二氧化硅胶体溶液之前进行刻蚀处理，刻蚀处理包括如下步骤，

7.根据权利要求1所述的用于导热真空膜蒸馏的改性热载体，其特征在于：铝制热载体上进行打孔处理，孔径3mm，每孔横向间距10cm，纵向间距2cm，居中打孔。

8.一种膜组件，其特征在于：包括如权利要求1～5任一项所述的改性热载体。

9.一种导热真空膜蒸馏的方法，其特征在于：使用如权利要求1～7任一项所述的改性热载体组装的膜组件，其中，进料液层厚度为1～4mm，进料流速为22～26cm/s，热源温度为180～220℃，真空度为85～95kpa条件下进行；优选的，进料液层厚度为1mm，进料流速为24cm/s，热源温度为200℃，真空度为90kpa条件下进行。

技术总结
本发明提供了一种用于导热真空膜蒸馏的改性热载体、膜组件以及蒸馏方法，铝制热载体的表面通过石墨烯散热涂层和/或超疏水二氧化硅涂层改性，以制备出能够有效提高系统传热传质过程的新型复合热载体，提高了导热真空膜蒸馏的各项性能。

技术研发人员：韩非,刘树勋,尹春阳
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17