專利名稱：一種微波強化膜蒸餾過程的裝置及方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于膜蒸餾技術(shù)領域，特別涉及到一種微波輔助膜蒸餾脫鹽技術(shù)的方法與
>J-U ρ α裝直。
二
背景技術(shù)：
膜蒸餾(MD)技術(shù)近三十年以來的快速發(fā)展帶動了疏水微孔膜制備技術(shù)的不斷突破。其中，中空纖維膜以其較高的裝填密度，組件易于安裝操作，占地面積小等優(yōu)勢逐漸成為膜蒸餾用膜的首選。雖然膜蒸餾技術(shù)發(fā)展很快，研究也越來越廣泛，但要將膜蒸餾應用·于實際生產(chǎn)，依然面臨三個亟待解決的問題1)當前常用的相轉(zhuǎn)化法制備的中空纖維疏水膜為追求膜通量，而使得膜壁厚較薄，造成膜絲機械強度較低，實際使用壽命較短；2)，膜蒸餾運行過程中，溫度極化、濃度極化、溝流效應導致膜通量下降；3)膜污染及膜潤濕現(xiàn)象難以避免，且當前尚無高效的清洗及干燥方法，使得膜蒸餾穩(wěn)定運行性能較差。要解決上述問題，可以從兩方面入手，一是通過改進現(xiàn)有疏水膜制備技術(shù)，制備出強度更高疏水性更好的膜蒸餾用中空纖維膜材料，有文獻報道，通過采用溶液相轉(zhuǎn)移涂覆法進行PVDF膜的表面超疏水改性，可以改變膜表面的物理形態(tài)結(jié)構(gòu)，使得PVDF疏水膜的接觸角最高可以達到160° ;二是通過開發(fā)新型的膜蒸餾工藝系統(tǒng)，以期緩解膜污染及溫差極化等影響膜通量的現(xiàn)象，來強化膜蒸餾過程。在膜材料制備尚無重大突破的前提下，開發(fā)新型的膜蒸餾工藝系統(tǒng)就顯得尤為重要，這主要包括膜組件的設計及反應器的設計。國外研究人員通過在流道內(nèi)加入格網(wǎng)等構(gòu)件，或使膜絲構(gòu)型復雜化以緩解膜蒸餾過程中的溫度極化和濃度極化現(xiàn)象，強化了傳質(zhì)過程。也有文獻報道，采用超聲波技術(shù)強化真空膜蒸餾過程取得了良好效果，但超聲波機械振蕩作用對膜材料損傷較為嚴重，且操作過程中噪聲大，超聲熱能量損失大，其應用前景并不樂觀。微波技術(shù)是一項十分成熟的技術(shù)，已廣泛應用于社會生活的各個方面，如醫(yī)療，干燥殺菌，固廢處理，食品加熱等。微波的工作原理可以歸結(jié)為兩個方面的效應，熱效應和非熱效應，熱效應是指物質(zhì)在微波場中均勻快速加熱，微波加熱的原理是，極性分子處于微波電場中時，會誘導產(chǎn)生電偶極子，而電偶極子會隨著微波產(chǎn)生的交變電場發(fā)生每秒數(shù)億次的高速變向，在變向過程中，相鄰分子間磨擦生熱，表觀上使得物質(zhì)本身快速加熱，即熱效應主要體現(xiàn)在加熱的快速性和均勻性；非熱效應是指極性分子在微波場吸收微波能量，使得分子的運動能力加強。我們的研究結(jié)果表明，微波技術(shù)與膜蒸餾技術(shù)集成，可以緩解MD的溫度極化現(xiàn)象，并強化MD的傳質(zhì)速率，進而可提高MD膜通量，提高溶液中揮發(fā)性溶質(zhì)的快速分離；亦可利用微波技術(shù)實現(xiàn)膜的輔助快速清洗與快速干燥。因此，通過微波技術(shù)與MD技術(shù)的集成有望解決上述制約MD工業(yè)化應用的三個主要關鍵問題?？傊?，微波強化膜蒸餾過程的方法與相關裝置目前尚未見報道，該發(fā)明具有明顯創(chuàng)新性與應用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出將微波技術(shù)與膜蒸餾技術(shù)相耦合，設計制作出一種可實現(xiàn)高產(chǎn)水通量、實現(xiàn)污染膜的在線清洗與干燥，并可在實際生產(chǎn)中有大規(guī)模應用前景的膜蒸餾工藝裝置。采用的主要設備及材料包括疏水微孔膜，微波反應腔，微波磁控管及相應配件等。本發(fā)明的出發(fā)點在于在一定程度上解決膜蒸餾過程中存在的一些問題，這里主要是規(guī)?；瘧煤竽ね枯^低和膜污染的問題。其中，膜通量的根本制約因素是料液側(cè)膜表面的溫度，一方面是膜組件放大后組件進出口溫差較大，導致單位有效膜面積的膜通量較低，膜面積利用率下降，另一方面是溫度極化的問題，所謂溫度極化是指膜蒸餾過程中，由于蒸餾不斷帶走熱量而導致膜面處料液溫度低于料液主體的溫度，膜蒸餾的相關研究已經(jīng)證明，溫度極化是影響膜蒸餾通量不可忽視的現(xiàn)象。膜污染也是制約膜蒸餾過程的一個重要因素，膜污染源于膜蒸餾長時間運行過程中，待分離料液中的溶質(zhì)在膜表面的沉積，膜污染嚴重后會影響膜蒸餾的通量及產(chǎn)物的純度，目前污染膜的清洗及干燥還主要采用常規(guī)方法，即采用化學酸堿清洗劑清洗污染膜，清洗后的濕膜或自然干燥或用空氣壓縮機吹干，效率較低。解決上述問題，當前主要依靠在料液側(cè)增加“擾動因素”，如增大料液流速，設置格網(wǎng)等。但對于規(guī)?；绕涫沁M出口流程較長的膜組件，機械擾動作用畢竟是有限的，且增大機械擾動會增加動力的消耗，使工藝構(gòu)造復雜程度加劇。通過微波和膜蒸餾的耦合集成可以更好地解決上述問題，微波的高效均相加熱及“機械微攪動”作用可以在較長的膜組件流程上實現(xiàn)溫度的均一性，并可在一定程度上緩解溫度極化和膜污染現(xiàn)象，并有助于污染膜的清洗及干燥。本發(fā)明裝置的設計制造需著重考慮以下幾個方面(I)所采用的疏水微孔膜在多孔性基礎上，應有非常優(yōu)良的非極性；(2)所設計的微波反應器應是便于膜組件安裝，并可保證氣體及微波的雙重密封性；(3)所設計的裝置應有非常良好的實際大規(guī)模應用前景。本發(fā)明的基本思路是首先設計出外形適用于微波場中操作的膜組件，并根據(jù)膜組件外形的實際尺寸設計制作出可實現(xiàn)微波及氣體雙重密封的微波反應腔；鑒于微波操作下的安全性及密封性要求，過膜蒸汽的收集需采用氣體捕集、腔體外冷凝的方式；然后再輔以相應的配件以完成本套工藝裝置?；诒景l(fā)明設計思想，采用中空纖維膜制作膜組件最便于實現(xiàn)組件的安裝。下面詳細闡述本發(fā)明內(nèi)容。圖3描述了中空纖維膜微波膜蒸餾裝置的工作過程，待處理料液從中空纖維膜組件14的一端進入，從另一端流出，并與外部水泵及加熱設備連接形成循環(huán)，通過外界清洗液儲罐亦可實現(xiàn)膜污染的微波輔助在線清洗，清洗后的膜可進行微波在線干燥；磁控管11在外部微波源激發(fā)下產(chǎn)生交變電磁場，經(jīng)過微波頭13進入微波反應腔對中空纖維膜組件進行輻照，散熱風扇12為磁控管散熱；蒸汽捕集設備接口 9和10連接外部設備，收集過膜蒸汽至腔體外冷凝。所述的中空纖維膜組件其形式為兩端有螺紋式膜頭，中間無外殼包裹，即除兩端膜頭外，中間實際膜蒸餾工作部分的膜為裸露狀態(tài)，即過膜側(cè)直接暴露在微波環(huán)境中，一方面便于微波能量直接作用到膜絲上，另一方面避免了增加氣體收集管道，簡化了腔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)；膜頭采用聚四氟乙烯(PTFE)材料制作，因為PTFE的非極性良好，幾乎不吸收微波，且性質(zhì)穩(wěn)定，膜頭的一部分為外螺紋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使組件便于與外部管道連接，且便于其穿過微波反應腔上的組件固定法蘭；膜組件需粘接部分采用環(huán)氧樹脂和縮胺固化劑硬質(zhì)膠及不吸收微波的聚胺脂軟質(zhì)膠兩種粘結(jié)劑，固化后硬質(zhì)膠部分便于組件的后續(xù)切割加工，該部分吸收微波，處于微波反應腔外側(cè)，軟質(zhì)膠部分可保護膜不易受損傷，該部分不吸收微波，接近微波反應腔內(nèi)側(cè)；膜絲均勻分布，相鄰兩根膜絲間保持一定距離，以減小蒸汽及熱量向外界傳遞的阻力。除中空纖維膜組件外，本發(fā)明亦可采用平板膜組件和管式膜組件。所述的微波反應腔是本發(fā)明的核心部分，具體規(guī)格尺寸根據(jù)膜組件的裝填數(shù)目設定；腔體頂蓋與腔體以法蘭方式連接，以實現(xiàn)方便安裝和拆卸，便于對腔體內(nèi)部膜組件安裝進行操作；組件固定法蘭固定膜組件在腔體中的位置，并由壓緊法蘭及膜頭緊鎖件鎖定膜組件，并實現(xiàn)對腔體的密封，包括微波場的密封及氣體的密封；腔體部分直接與蒸汽接觸，抗腐蝕性要求高，為加強腔體在負壓操作下的安全性，采用3mm厚優(yōu)質(zhì)316不銹鋼板制作，根據(jù)實際要求，腔體外部可安裝加強筋；其它配件相對要求較低，采用304不銹鋼制作。設備內(nèi)部所有與微波接觸的部分需打磨光滑，防止在微波場中打火。所述的微波反應腔根據(jù)微波諧振腔的要求，外形可以設計為圓柱體，長方體，立方體等。所述的中空纖維膜組件微波膜蒸餾的安裝如圖3所示。微波磁控管和散熱風扇附著在內(nèi)部為空腔的微波頭上，磁控管發(fā)射極嵌入微波頭，微波能量通過微波頭的空腔進入微波反應腔作用在膜組件上，其中，微波頭和微波頭接口間的凹陷處嵌入厚度為3mm的PTFE材料的墊片，一方面起到密封作用，且剛性較強的PTFE材料在腔體的負壓環(huán)境中不至產(chǎn)生過大的變形，另一方面PTFE材料對微波的吸收很弱，不會明顯削弱微波能量；微波反應腔安裝多根組件時，需均勻安裝，且相鄰組件間保持約2cm的距離，以增大蒸汽傳遞空間，避免累積蒸汽吸收微波能致使熱量在腔體內(nèi)大量積聚，增大傳質(zhì)阻力?；谶^膜蒸餾汽捕集方式的不同，本發(fā)明可采用氣掃式膜蒸餾和真空膜蒸餾兩種操作方式，鑒于真空膜蒸餾通量較高，其應用前景更好。綜上所述，本發(fā)明的根本目的是將微波與膜蒸餾過程結(jié)合起來，通過設計制作微波反應腔及相應形狀的膜組件以實現(xiàn)這一目的，從而實現(xiàn)增大膜通量，緩解溫度極化和膜污染的目標，延長膜蒸餾過程的穩(wěn)定運行周期，并為膜污染的抑制及在線清洗和干燥提供全新的思路及方法。
四


附圖1是負壓式中空纖維膜組件圖；附圖2是微波反應腔及配件圖；附圖3是中空纖維膜組件微波真空膜蒸餾安裝圖。其中，全部附圖中的細弧線表示外螺紋。附圖1是本發(fā)明中的無外殼式中空纖維膜組件結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，I是螺紋式膜頭，2中的粗實線表示中空纖維膜絲。附圖2是本發(fā)明中的主要設備微波反應腔，全部由不銹鋼制作。圖中，3是腔體頂蓋，4是微波頭接口，5是膜頭緊鎖件，6是壓緊法蘭，7是組件固定法蘭，8是腔體，9是真空表接口，9和10為氣體設備接口。微波頭接口 4焊接在腔體頂蓋上，組件固定法蘭7與焊接在腔體上。附圖3為中空纖維膜組件微波膜蒸餾的安裝圖。圖中，11是微波磁控管，12是散熱風扇，13是微波頭，14是中空纖維膜組件。微波磁控管11和磁控管散熱風扇12附著在微波頭13上；微波頭13和微波頭接口 4之間以法蘭方式連接。
五
具體實施例方式鑒于真空膜蒸餾過程通量更大，本實施例分別采用真空膜蒸餾和微波真空膜蒸餾操作，并進行污染膜的微波輔助在線清洗及干燥，本發(fā)明的具體應用范圍不受本實施例的限制。下面以氯化鈉水溶液為進料液，通過比較試驗來驗證本發(fā)明的可實施性?；緱l件(I)進料液NaCl水溶液，電導率約為6000 U s/cm ;清洗液去離子水，電導率約為2 ii s/cm ;微波功率IOOOff ；(2)腔體參數(shù)腔體規(guī)格350mm X 215mm X 330mm，腔體體積25L ；(3)中空纖維膜組件參數(shù)PVDF中空纖維膜組件，膜頭直徑320mm，有效工作長度 180mm，有效膜面積0. 107m2 ；(4)運行過程中，忽略微量料液損失。運行模式⑴膜蒸餾設定進料溫度為60°C，真空度為_96kPa，進料流速0. 14m/s。操作及運行分別將磁控管外接微波源，膜組件兩端外接水泵、料液罐及加熱設備，真空設備接口外接冷凝及抽真空設備，以形成裝置的連續(xù)運行模式。NaCl水溶液在膜組件及料液罐中循環(huán)流動，真空設備使腔體形成_96kPa的負壓環(huán)境，過膜水蒸氣通過管道進入冷凝設備冷凝收集，在微波啟動前和啟動后分別運行膜蒸餾過程。真空膜蒸餾運行過程中，料液罐內(nèi)的料液會不斷減少，這里采用連續(xù)性的補水設施向罐內(nèi)補充純水，以維持料液的濃度恒定。分別進行真空膜蒸餾和微波真空膜蒸餾過程各100小時，并連續(xù)監(jiān)測電導率，結(jié)果表明，兩者的產(chǎn)水電導率都基本穩(wěn)定在2 i! s/cm左右，但微波真空膜蒸餾過程的膜通量是真空膜蒸餾的1. 9倍，通過計算摒除微波對料液的加熱因素，微波仍然使真空膜蒸餾的傳質(zhì)系數(shù)提高了 26%。證明了微波作用可強化膜蒸餾傳質(zhì)過程，因此可實現(xiàn)高產(chǎn)水通量的目的。(2)污染膜的微波輔助在線清洗及干燥設定清洗液溫度為30°C，流速為0. 40m/s。操作及運行首先用高濃度NaCl水溶液運行較長時間膜蒸餾過程，當膜通量下降至初始通量的50%左右，即膜面出現(xiàn)明顯大量的NaCl結(jié)晶體時，停止膜蒸餾過程。連接膜污染清洗設備及管道，管道連接方式與上述膜蒸餾過程相似，只是將料液罐換成清洗液罐，在清洗液罐中加入去離子水清洗液500mL，分別進行10分鐘的污染膜常規(guī)清洗和微波輔助清洗，在清洗前及清洗過程中，可通過調(diào)節(jié)加熱設備使兩種清洗條件下的進出口清洗液溫度平均值均保持在30°C左右，以保證除微波外，兩種清洗其它條件的一致性。清洗結(jié)果為，常規(guī)清洗后去離子水清洗液的電導率增大為520 y s/cm，而微波清洗后，去離子水清洗液的電導率增大為780 ii s/cm，這表明，微波清洗的效率是常規(guī)清洗的1. 5倍。以上比較試驗證明了本發(fā)明的可實施性。
權(quán)利要求
1.一種微波強化膜蒸餾過程的裝置及方法，包括膜組件，微波反應腔，微波磁控管及相關配件；膜組件與外部水泵、加熱設備和料液罐連接形成循環(huán)；通過微波源及相應地膜蒸餾操作方式，以實現(xiàn)微波強化膜蒸餾過程。
2.一種微波強化膜蒸餾過程的裝置及方法，其特征在于只需要將膜組件與外部設備連接的料液罐換做清洗液罐，就可在微波作用下實現(xiàn)對膜蒸餾過程中膜污染的清洗與干燥。
3.按照權(quán)利要求1所述的微波反應腔，其特征在于腔體形狀可為圓柱體，立方體和長方體，反應腔的容積為O. 02m3 20m3。
4.按照權(quán)利要求1所述的膜組件，其特征在于采用環(huán)氧樹脂711、618和固化劑縮胺 105，以及聚胺脂兩種膠為粘結(jié)劑粘接制作膜組件；組件兩端膜頭以外螺紋式與外部設備連接；膜組件料液流程的長度為O. 2m 2m ;膜組件可采用平板式，管式和中空纖維式膜組件。
5.按照權(quán)利要求1所述的膜組件，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)及其它非極性疏水膜材料，微孔孔徑為O. 05 O. 5 μ m。
6.按照權(quán)利要求1所述的一種微波強化膜蒸餾過程的裝置及方法，其特征在于根據(jù)實際生產(chǎn)要求，可采用氣隙式膜蒸餾和真空膜蒸餾操作；腔體中可放置多根膜組件，組件之間距離大于2cm ;并在腔體周圍除膜組件占據(jù)的兩面以外，安裝多支微波磁控管，實現(xiàn)對腔體內(nèi)部的全方位輻射；微波頻率可采用915MHz和2450MHz。
7.按照權(quán)利要求1所述的一種微波強化膜蒸餾過程的裝置及方法，其特征在于膜組件料液側(cè)流速為O. 05m/s O. 5m/s，料液溫度為50°C 80°C，對于真空膜蒸餾操作過程，真空度要大于-96Kpa。
全文摘要
本發(fā)明提出一種微波強化膜蒸餾過程的裝置及方法，制作出可適于進行微波及負壓操作的微波反應腔，其包括腔體，腔體頂蓋，微波頭接口，組件固定法蘭，壓緊法蘭，膜頭緊鎖件六部分；設計制作出適于微波場中操作的膜組件，并將其穿過腔體上的組件固定法蘭，并通過壓緊法蘭、膜頭緊鎖件及硅膠墊片等配件將膜組件固定；通過微波頭接口將微波磁控管連接到腔體頂蓋上以在腔體內(nèi)實現(xiàn)微波環(huán)境；再輔之以循環(huán)水泵，蒸汽捕集，冷凝等設備即可實現(xiàn)微波輻射，膜組件和膜蒸餾過程三者的有機結(jié)合，進而實現(xiàn)微波強化膜蒸餾過程，并可同時實現(xiàn)污染膜的微波輔助在線清洗及干燥。
文檔編號B01D65/08GK102989319SQ201110274818
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月16日
發(fā)明者王軍, 紀仲光, 欒兆坤, 賈智萍 申請人:中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心