[發明專利]集成料液加熱功能的平板式膜組件及在膜蒸餾中的應用

在審

• 申請號: 202110047460.X
• 申請日: 2021-01-14
• 公開（公告）號: CN112933978A
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發明（設計）人: 關國強;汪奇
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: B01D61/36
• 分類號: B01D61/36;B01D63/08;C02F1/44
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 蔡茂略

本發明公開了集成料液加熱功能的平板式膜組件及在膜蒸餾中的應用；該平板式膜組件主要包括加熱部件、加熱板、微孔疏水膜、密封墊、膜支撐板和料液側流道；加熱板寬度方向兩端下部設有密封墊，密封墊位于微孔疏水膜外端，加熱板寬度方向兩端中設有進料通道和出料通道，兩個密封墊之間的加熱板和微孔疏水膜形成料液側流道，料液側流道兩端分別與進料通道和出料通道連通，料液側流道的高度為0.8?1.8mm。本發明通過有效控制料液側流道的高度在0.8?1.8mm范圍內顯著提高膜分離效能同時降低采用MD方法實現海水淡化、污水處理和食品濃縮等蒸發濃縮過程的能耗和成本。

技術領域

本發明涉及膜分離技術領域，具體涉及一種集成料液加熱功能的平板式膜組件及在膜蒸餾中的應用。通過本發明可獲得一種緊湊、高效的平板膜蒸餾膜單元，降低采用膜蒸餾方法海水淡化、污水處理和食品濃縮等蒸發濃縮過程的能耗和成本。

背景技術

膜蒸餾(membrane distillation,MD)是以微孔疏水膜兩側蒸汽壓差驅動蒸汽滲透的節能膜分離技術，廣泛應用于海水淡化、污水處理和食品濃縮等領域。區別于傳統熱法蒸發濃縮方法(如多效蒸發、多級閃蒸等)和其他膜分離技術(如反滲透、納濾、電滲析等)，MD能在較溫和的操作條件下(絕對壓力為101kPa、溫度低于80℃)在獲得純凈的滲透液(純水)同時將料液濃縮至飽和狀態，在礦物鹽回收、高鹽度工業廢水處理、果汁和奶制品濃縮等領域展現出巨大的應用前景，受到產業界的廣泛關注，目前與MD技術相關的公開專利已超1300件。

根據滲透側的捕集方式，MD一般可分為直接接觸式(direct contact MD,DCMD)、氣隙式(air gap MD,AGMD)、氣體吹掃式(sweeping gas MD,SGMD)和真空式(vacuum MD,VMD)。各種形式MD的料液側都需要加熱料液，而加熱所需的熱源一般可利用過程工業中的余熱資源(如低溫蒸汽、熱水等)，通過外置的熱交換設備加熱料液后進入膜單元的熱側。傳統MD膜單元包含被膜物理分隔的料液側和滲透側兩個組件，較高溫度的料液和較低溫度的滲透液分別在相應料液側和滲透側膜組件的流道中流動。由于較高溫的料液比較低溫的滲透液具有較高的蒸汽壓，料液在膜面熱側蒸發的蒸汽壓差的驅動下跨膜滲透到膜面冷側，由此實現了料液的蒸發濃縮。

在傳統MD膜單元中料液沿膜面流動，由于料液的蒸發傳熱以及跨膜導熱損失，膜表面熱側溫度將沿料液流動方向降低，由此造成了膜兩側平均溫差小于膜單元冷熱兩側物流的進口溫差；此外，流體在膜單元流道中的流動、傳熱和傳質都受膜表面的邊界層影響而產生了極化現象，即料液側流道中的平均溫度高于膜表面溫度。這種無可避免的極化現象將進一步降低了MD膜單元的分離效能。

為提高MD膜單元的分離效能，當前主要采用逆流操作、提高膜單元兩側流體流率和強化流道中流體擾動等方法提高膜面平均溫差和緩解極化作用。然而這些方法雖緩解了極化現象和減少了膜單元料液側的溫度降低問題，但卻大幅增加了流體輸送的動力消耗，難以顯著提升MD系統的綜合能效。近期隨著太陽能利用的廣泛應用，發現直接將太陽能加熱部件與MD膜單元集成可促進太陽能的轉化利用。

當前在MD膜組件中集成加熱部件主要用于膜面加熱或料液加熱。中國發明專利申請CN 110078150A公開了一種光伏發電海水淡化DCMD復合裝置，采用具有紅外吸收功能的疏水膜，即直接在膜表面加熱料液實現膜蒸餾分離，雖然直接在膜料液側表面加熱能有效抑制溫差極化影響，但同時也因增加了膜兩側表面的溫差而加劇了膜的導熱散熱損失；此外，應用該技術時，要先通過光伏電池組件將太陽光的短波光轉換為電能，而長波紅外光透過電池板冷卻后輻射加熱料液，由此造成紅外光在透過聚光多結太陽能電池板時損耗了較大的光能，而且為維持光伏電池板高效發電還需對玻璃基板進行冷卻，由此顯著降低了紅外輻射表面的溫度，從而降低了輻射傳熱效能，故此MD效能提高較少。