[發(fā)明專利]一種微波強(qiáng)化膜蒸餾過程的裝置及方法

無效

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• 申請日: 2011-09-16
• 公開（公告）號: CN102989319A
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王軍;紀(jì)仲光;欒兆坤;賈智萍
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心
• 主分類號: B01D61/36
• 分類號: B01D61/36;B01D65/08
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一?技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于膜蒸餾技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種微波輔助膜蒸餾脫鹽技術(shù)的方法與裝置。

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(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，依然面臨三個亟待解決的問題：1)當(dāng)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(jī)械強(qiáng)度較低，實(shí)際使用壽命較短；2)，膜蒸餾運(yùn)行過程中，溫度極化、濃度極化、溝流效應(yīng)導(dǎo)致膜通量下降；3)膜污染及膜潤濕現(xiàn)象難以避免，且當(dāng)前尚無高效的清洗及干燥方法，使得膜蒸餾穩(wěn)定運(yùn)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(jìn)現(xiàn)有疏水膜制備技術(shù)，制備出強(qiáng)度更高疏水性更好的膜蒸餾用中空纖維膜材料，有文獻(xiàn)報(bào)道，通過采用溶液相轉(zhuǎn)移涂覆法進(jìn)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(dá)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(qiáng)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(shè)計(jì)及反應(yīng)器的設(shè)計(jì)。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(fù)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(qiáng)化了傳質(zhì)過程。也有文獻(xiàn)報(bào)道，采用超聲波技術(shù)強(qiáng)化真空膜蒸餾過程取得了良好效果，但超聲波機(jī)械振蕩作用對膜材料損傷較為嚴(yán)重，且操作過程中噪聲大，超聲熱能量損失大，其應(yīng)用前景并不樂觀。

微波技術(shù)是一項(xiàng)十分成熟的技術(shù)，已廣泛應(yīng)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(yīng)，熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)，熱效應(yīng)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(dǎo)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(yīng)主要體現(xiàn)在加熱的快速性和均勻性；非熱效應(yīng)是指極性分子在微波場吸收微波能量，使得分子的運(yùn)動能力加強(qiáng)。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(qiáng)化MD的傳質(zhì)速率，進(jìn)而可提高M(jìn)D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(shí)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(yīng)用的三個主要關(guān)鍵問題。

總之，微波強(qiáng)化膜蒸餾過程的方法與相關(guān)裝置目前尚未見報(bào)道，該發(fā)明具有明顯創(chuàng)新性與應(yīng)用前景。

三?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(shè)計(jì)制作出一種可實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)水通量、實(shí)現(xiàn)污染膜的在線清洗與干燥，并可在實(shí)際生產(chǎn)中有大規(guī)模應(yīng)用前景的膜蒸餾工藝裝置。采用的主要設(shè)備及材料包括：疏水微孔膜，微波反應(yīng)腔，微波磁控管及相應(yīng)配件等。

本發(fā)明的出發(fā)點(diǎn)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)模化應(yīng)用后膜通量較低和膜污染的問題。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(jìn)出口溫差較大，導(dǎo)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(dǎo)致膜面處料液溫度低于料液主體的溫度，膜蒸餾的相關(guān)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(yùn)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(yán)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(xué)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(jī)吹干，效率較低。

解決上述問題，當(dāng)前主要依靠在料液側(cè)增加“擾動因素”，如增大料液流速，設(shè)置格網(wǎng)等。但對于規(guī)模化尤其是進(jìn)出口流程較長的膜組件，機(jī)械擾動作用畢竟是有限的，且增大機(jī)械擾動會增加動力的消耗，使工藝構(gòu)造復(fù)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(jī)械微攪動”作用可以在較長的膜組件流程上實(shí)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。