CN101693559A - 一种真空或直接接触两用的卧式太阳能膜蒸馏装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空或直接接触两用的卧式太阳能膜蒸馏装置，包括膜组件、热工质加热系统和冷工质冷却系统，热工质加热系统为太阳能集热储水器、膜组件热水入口、膜组件热水出口、热侧循环泵组成的热侧回路；冷工质冷却系统为膜组件冷凝水出口、换热器、冷凝水收集器、冷侧控制阀门、冷侧循环泵、冷凝水入口组成的冷侧回路，并且，冷凝水收集器通过真空控制阀门与真空泵连通。本发明装置把膜蒸馏真空式和直接接触式两种方式集合于一体，两种不同制备饮用水方式转换很灵活，便捷。

Description

一种真空或直接接触两用的卧式太阳能膜蒸馏装置

技术领域

本发明涉及一种膜蒸馏装置，尤其涉及一种利用低品位能源太阳能作为膜蒸馏驱动力的真空或直接接触两用的卧式的膜蒸馏制饮用水装置。

背景技术

众所周知，中国是一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6％，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2200立方米，仅为世界平均水平的1/4、美国的1/5，在世界上名列121位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。据统计，全国600多个城市中有一半以上城市不同程度缺水，沿海城市也不例外，甚至更为严重。目前我国城市供水以地表水或地下水为主，或者两种水源混合使用，有些城市因地下水过度开采，造成地下水位下降，有的城市形成了几百平方公里的大漏斗，使海水倒灌数十公里。由于工业废水的肆意排放，导致80％以上的地表水、地下水被污染。

在一些交通不方便、电力不发达的地区，例如：海岛、沙漠及偏远地区淡水资源贫乏的地方，且中西部地区饮用的地表水多为高矿高氟苦咸水，完全可以利用这些地区丰富的太阳能资源和膜蒸馏技术来为这些地区提供长期连续的生活用水和饮用水，这种利用再生能源既解决能源短缺问题有保护环境，对可持续利用水资源具有重要意义。

因为地球上的海水和咸水储量巨大，约占地球总储水量的97％。因此，海水和苦咸水脱盐是有效解决淡水资源短缺的方法之一。目前膜蒸馏技术，尤其是太阳能膜蒸馏技术主要在海水淡化和苦咸水、制备产纯水等方面可以运用。也是由于膜蒸馏技术具有可在常压和稍高于常温的条件下进行分离的独特优点、而且膜蒸馏系统简单、操作方便。

其中成熟的海水淡化技术主要可分为蒸馏法和膜法。蒸馏法主要包括多效蒸发、多级闪蒸等，他们可利用废热、核能等经济能源，但设备体积大、运行费用高。

反渗透(RO)是应用最广泛的膜法海水淡化技术，其过程中需要加高压，目前最佳值虽已降至5.0～5.5MPa以下，但这意味着仍需消耗较大能量，且对设备和膜的要求都较严格。同时RO技术对水质有较高要求，海水必须经过各种形式预处理，除去海水中的油污、颗粒、菌藻，使其接近纯净盐水标准。膜材定期清洗，消除堵塞、污染、结垢，这些都是要求很严的复杂工作。因此，膜法海水淡化技术-膜蒸馏(Membrane Distillation，MD)得到越来越多研究者的关注。

膜蒸馏是一种采用疏水微孔膜以膜两侧蒸汽压力差为传质驱动力的膜过程。与其他膜过程相比，膜蒸馏具有可在常压和稍高于常温的条件下进行分离的独特优点，可以充分利用太阳能、风能、地热、工业余热和废热等经济能源，且设备简单、操作方便。

迄今为止膜通量低依旧是阻碍膜蒸馏大规模应用的主要因素。分析其深层次的原因主要有以下几个方面：

1.传统膜蒸馏用膜通量低、易污染，因此制备耐污染的高通量膜蒸馏用膜的研究有待进一步深入。

2.传统膜蒸馏组件传质、传热性能较差，因此膜组件结构设计有待进一步优化。

近几年来，太阳能膜蒸馏技术得到了较快的发展，我国有关太阳能膜蒸馏方面的专利不断被公开和授权：

张信荣；任建勋等人(专利名称：利用太阳能或废热的膜蒸馏式水处理装置；公开号：CN1396120；公开日期：2003.02.12)发明了一种属于热能利用、水处理以及环保技术领域，包括膜组件、太阳能集热器或废热集热器、一个以上的循环泵及其驱动装置以及连接各部件的管路；分别构成了原料液的回路，蒸馏液侧的回路，以及原料液的补充管路。该发明可以连续地处理原料液，源源不断地得到生活及饮用水；还可以省去电加热，无需任何电耗；并且可以利用换热器回收冷凝潜热，大大减小所需太阳能集热器的规模。

田瑞；杨晓宏等人(专利名称：一种太阳能膜蒸馏系统；专利号：200520005444；公开日期：2006年09月27日)提供一种太阳能膜蒸馏系统实用新型发明，包括：热工质加热系统、膜组件、冷工质冷却系统、驱动系统和连接各部件的管路，其中在所述热工质加热系统中加入热太阳能加热系统、冷工质冷却系统采用太阳能冷却系统、驱动系统采用太阳能发电系统。这样可以利用太阳能加热和冷却工质、驱动循环泵工作，节约了大量的电能；太阳能是一种清洁能源，可以保护环境，使得太阳能资源得到了有效的利用。

田瑞；杨晓宏等人(专利名称：一种便携式太阳能膜蒸馏海水淡化装置；专利号：CN1827532；公开日期：2006.09.06)发明为一种便携式太阳能膜蒸馏海水淡化装置，该装置包括：海水容器，所述海水容器的底面为疏水性膜，与海水容器的周边密封连接，所述疏水性膜的下方相隔一定的间隙设置一冷却板，该冷却板上有淡水出口，所述间隙为空气隙，海水容器设有进水管，该海水容器设有太阳能加热装置。放置在海面上使用时，还可包括一漂浮装置，该装置倾斜漂浮在海面上，充分吸收太阳能。该装置应用了空气隙膜蒸馏原理，充分利用了海岛地区丰富的太阳能资源和海水资源；结构简单、便于携带、成本低，给海岛地区的居民和保卫海岛的战士的工作生活带来极大的方便。

周先桃；潘家祯(专利名称：一种膜蒸馏水处理装置；公开号：CN201049894；公开日期：2008.04.23)发明一种膜蒸馏水处理装置，其特征在于包括原料液进口管路、膜侧原料液室、原料出口管路、疏水性微孔膜组件、膜侧蒸馏液室和蒸馏液出口管路；所述的膜侧原料液室中与微孔膜组件相对应的间壁的外侧是与环境相接触的干壁面，膜侧蒸馏液室中与微孔膜组件相对应的间壁的外侧是与环境相接触的湿壁面。该装置自动从环境中获取热量来加热原料液，自动从环境中获取冷源来冷却蒸馏液，不需要人为地为装置的运行提供能源；该装置可以连续地处理原料液，源源不断地得到蒸馏液；该装置不仅可以在没有太阳的情况下运行，也可以在夜间运行；既可以小规模分散实施，也可以集成化应用。

目前经济较发达地区的太阳能热水器已经普遍使用，但受季节的影响，在夏天时太阳能的利用率不高，大量获得的热能不能得到有效的利用，本发明的太阳能膜组件可与目前大量使用的光热集热器连用，特别是宾馆，饭店，学校等大规模太阳能集热器相连接，匹配使用，用于纯净水的制备。给利用太阳能制备纯净水提供了空间。

发明内容

本发明提供了一种膜通量高、产水成本低、膜可更换且能够大规模应用的卧式两用太阳能中空纤维膜膜蒸馏装置。

一种真空或直接接触两用的卧式太阳能膜蒸馏装置，包括膜组件、热工质加热系统和冷工质冷却系统，其中热工质加热系统为太阳能集热储水器、膜组件热水入口、膜组件热水出口、热侧循环泵组成的热侧回路；冷工质冷却系统为膜组件冷凝水出口、换热器、冷凝水收集器、冷侧控制阀门、冷侧循环泵、冷凝水入口组成的冷侧回路，并且，冷凝水收集器通过真空控制阀门与真空泵连通。

所述膜组件包含若干根单支膜元件，单支膜元件嵌入到带有嵌入槽的法兰式封头中密封固定，在膜组件的中段设有隔离板，单支膜元件之间利用隔离板隔开，内部膜组件的分散有助于膜蒸馏的过程的转热，传质，提高膜蒸馏的效率；此中间隔离板的作用亦可使中段的中空纤维膜保持与原料液流体方向平行，不至于太弯曲影响膜蒸馏的效率。单支膜元件另一端也同样插入法兰式封头的嵌入槽中，套上外壳，然后两端套上封盖。

所述的单支膜元件由多孔疏水性中空纤维膜组成，多孔疏水性中空纤维膜采用分散网格分散，以使在膜蒸馏过程中，透过膜孔的水蒸气不扩散到邻近的中空纤维膜壁上去。

所述的单支膜元件嵌入到带有嵌入槽的法兰式封头中密封固定方法为：在嵌入槽中嵌入橡皮垫圈，然后把单支膜元件的封头挤压入嵌入槽中。另一头采用相同的橡皮垫圈挤压固定的方法。这种单支膜元件嵌入到带有嵌入槽的法兰式封头中密封固定方法是可拆卸式的，也即如果单支膜元件存在断丝、泄漏、膜孔堵塞等情况发生时，可以拆卸并更换。

按以上操作，整个组件中可以嵌入若干根同样规格的单支膜元件，使单支膜元件之间保持良好的空间间隙，有利于膜蒸馏的转热，转质过程，提高膜蒸馏的效率。膜组件在装置运行时可以保持良好的密封性，组件分散性好，单组件体积小，重量轻，与组件封头，外壳易拆分，提高了封装效率，方便组件的维护，更换。

多孔疏水性中空纤维膜的材料为一些传统的中空纤维膜聚合物，如：聚丙烯，聚砜，聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯等，本发明优选的是聚丙烯和聚偏氟乙烯。多孔疏水性中空纤维膜内径为0.1～2mm，外径为0.6～2.8mm，壁厚0.1～0.3mm，中空纤维膜壁的空隙率50～85％，最大孔径0.1-1.0μm，单根膜组件长度50～100cm。

膜束分散的方式不仅通过减少单支膜元件封装的中空纤维膜根数，而且采用了特殊的网格来分散单支膜元件中中空纤维膜，及采用隔离板使单支膜元件与单支膜元件之间保持良好的空间间隙，保证中空纤维膜不过度下垂弯曲，起到很好的分散膜束的效果。

装置中还包含一些优化装置的控制阀门、流量计、温度计等，可根据实际生产设计需要设置。

此种太阳能膜蒸馏卧式两用传质的制备饮用水工艺过程为：

1.有原水提供水源，原水经过太阳能集热储水器被加热成一定温度的热水后进入膜组件中，热水沿着膜表面进行传质、传热，部分蒸汽透过膜孔，热水在循环泵的作用下流回太阳能集热储水器内，构成了热侧热水循环回路；在冷侧，打开真空控制阀门，关闭冷侧控制阀门，此时利用真空泵抽吸，透过膜的水蒸气快速经过冷凝器液化后被收集在冷凝水收集器中，通过收集器可以随时取水检测水质。此冷侧系统就为冷侧提供低压冷凝收集冷凝水式膜蒸馏系统(真空膜蒸馏)。

2.有原水提供水源，原水经过太阳能集热储水器后被加热一定温度的热水后进入膜组件中，热水沿着膜表面进行传质、传热，部分蒸汽透过膜孔，热水在循环泵的作用下流回太阳能集热储水器，构成了热侧回路；在冷侧，关闭真空控制阀门，打开冷侧控制阀门，此时利用冷侧循环泵，在冷侧形成冷却循环水，透过膜的水蒸气快速经过循环冷却水及冷凝器冷却后进入循环水中，在冷凝水收集器中液位均匀升高此构成冷侧回路，通过收集器可以随时取水检测水质。此冷侧系统就为冷侧提供冷工质循环冷却膜蒸馏系统(直接接触式膜蒸馏)。

本发明装置采用特殊设计的卧式膜组件，水蒸气可在真空条件下释放。并且冷侧回路可采用两种方案，分别是：一种是冷侧提供低压及冷凝器冷却收集冷凝水；另一种在冷侧进出口通过管路于循环泵组成回路，在冷侧利用冷工质直接冷却收集冷凝水，此装置把膜蒸馏真空式和直接接触式两种方式集合于一体，两种不同制备饮用水方式转换很灵活，便捷。

附图说明

图1为本发明卧式太阳能膜蒸馏装置结构示意图；

其中，1-太阳能集热储水器、2-流量计、3-膜组件、4-热侧循环泵、5-换热器、6-冷凝水收集器、7-冷侧循环泵、8-流量计、9-真空泵、10-第一阀门、11-第二阀门、13-流量控制阀

图2为膜组件示意图；

其中，31-嵌入槽、32-膜组件外壳、33-法兰式封头、34-封盖、35热水入口、36-单根膜组件密封胶、37-冷却水入口、38-冷却水出口、39-多孔疏水性中空纤维膜、310-热水出口、311-分隔板

图3(a)为分隔板示意图；

图3(b)为膜组件嵌入槽和分隔板的六边形孔的配合图；

图3(c)为单根膜组件的中空纤维膜的分散网格示意图；

图4为膜组件的剖视图；

图5为实施例1膜组件透过水通量随进口热水温度的变化图；

图6为实施例1纯净水电导率随操作时间的变化图；

图7为实施例1中8月7日这一天太阳能集热器热水显示温度，膜组件进口与出口热水显示温度的比较图；

图8为实施例1累积透过水通量随操作时间的变化图；

图9为实施例1太阳能集热器热水温度与膜蒸馏利用热量的关系图；

图10为实施例18.7；8.11；8.12天中太阳能随温度时间的变化图；

图11为实施例2透过水通量随出口热水温度变化图；

图12为实施例2直接接触式与真空膜蒸馏的膜组件透过水通量对比图。

具体实施方式

如图1所示的卧式太阳能膜蒸馏装置，包括膜组件3、热工质加热系统和冷工质冷却系统，其中热工质加热系统为太阳能集热储水器1、流量控制阀13、膜组件热水入口35、膜组件热水出口310、热侧循环泵4组成的热侧热水循环回路；冷工质冷却系统为膜组件冷凝水出口38、换热器5、冷凝水收集器6、冷侧控制阀门(第一阀门10和第二阀门11)、冷侧循环泵7、流量计8、冷凝水入口37组成的冷侧冷凝水循环回路，并且，冷凝水收集器6通过真空控制阀门12与真空泵9连通。

所述膜组件结构如图2所示，用分散网格分散适量的多孔疏水性中空纤维膜9用单支膜元件密封胶36封装成单支膜元件，把单支膜元件嵌入到规格匹配的嵌入槽31的法兰式封头33中，套上膜组件外壳32，再盖上封盖34；在膜组件3的中段用隔离板311使单个分散的单支膜元件之间进一步分散，膜组件另一端也同样插入法兰式封头中，两端密封固定。

该装置制备饮用水工艺流程为：

1.有原水提供水源，原水经过太阳能集热储水器1后变成一定温度的热水，再流经流量计2进入膜组件3中，水温可以通过膜组件进口温度计观察得，热水沿着膜表面进行传质、传热，部分汽化的蒸汽透过膜孔，膜组件3出口处亦有温度计，可以读取出口出水温度，然后在热侧循环泵4的作用下降温的热水流回太阳能集热储水器1，构成了热侧热水循环回路；在冷侧，打开真空控制阀门12，关闭第一阀门10和第二阀门11，此时利用真空泵9抽吸，透过膜的水蒸气经过热交换器5快速冷却，液化后被收集在冷凝水收集器6中，通过冷凝水收集器6可以随时取水检测水质。

2.有原水提供水源，原水经过太阳能集热储水器1被加热后变成一定温度的热水，再流经流量计2进入膜组件3中，水温可以通过组件进口温度计观察得，热水沿着膜表面进行传质、传热，部分蒸汽透过膜孔，膜组件3出口处亦有温度计，可以读取出口出水温度，然后在热侧循环泵4的作用下降温的热水流回到太阳能集热储水器1，构成了热侧热水循环回路；在冷侧，关闭真空控制阀门12，打开第一阀门10和第二阀门11，此时利用冷侧循环泵7，在冷侧形成冷却循环水，透过膜的水蒸气快速经过循环冷却水及冷凝器5冷却后进入循环水中，在冷凝水收集器6中液位均匀升高，进出口温度计和流量计8可分别检测冷却循环水循环进出口的温度和流量，冷侧循环水的温度控制在15℃～30℃，此构成冷侧冷凝水循环的回路，通过冷凝水收集器6可以随时取水检测水质。

实施例1

太阳能真空膜蒸馏法

热原水经过太阳能集热储水器1被加热后变成一定温度的热水，再流经流量计2(流量控制在50L/h～200L/h)进入膜组件3中，水温可以通过组件进口温度计观察得，热水沿着膜表面进行传质、传热，部分蒸汽透过膜孔，膜组件出口处亦有温度计，可以读取出口出水温度，然后在热侧循环泵4的作用下流回太阳能集热储水器1，构成了热侧循环；在冷侧，打开真空控制阀门12，关闭第一阀门10和第二阀门11，此时利用真空泵9(真空侧的真空度保持在0.1Mpa)抽吸，透过膜的水蒸气快速经过冷凝器5液化后被收集在冷凝水收集器6中，冷凝后的纯净水20℃～30℃构成冷侧回路。

多孔疏水性中空纤维膜9内径平均为1mm，外径为1.5mm，壁厚0.25mm，孔隙率85％，最大孔径0.84μm。

根据太阳能集热器吸收太阳能的情况，膜通量在4～18L/m²h之间，若每天可运行时间5～8小时，可产水总量达20～100L，每天太阳照射效果比较好的情况下，上午10点至下午4点之间膜蒸馏系统能保持较好的膜通量，产水效率会比较高，产水电导率低于8μs/cm。

真空膜蒸馏数据如图5-11所示。

实施例2

太阳能直接接触法膜蒸馏

热原水经过太阳能集热储水器1加热后变成一定温度的热水，再流经流量计2(流量控制在50L/h～200L/h)进入膜组件3中，水温可以通过组件进口温度计观察得，热水沿着膜表面进行传质、传热，部分蒸汽透过膜孔，膜组件出口处亦有温度计，可以读取出口出水温度，然后在热侧循环泵4的作用下降温的热水部分流回太阳能集热储水器，构成了热侧热水循环回路；在冷侧，关闭真空控制阀门12，打开第一阀门10和第二阀门11，此时利用冷侧循环水泵7，在冷侧形成冷却循环水，透过膜的水蒸气快速经过循环冷却水及冷凝器5冷却后进入循环水中，在冷凝水集水器6中液位均匀升高，进出口温度计和流量计8可分别检测冷却循环水循环进出口的温度和流量，冷侧循环水的温度控制在15℃～30℃，此构成冷侧冷凝水循环回路。

膜通量在1.5～9L/m²h，根据天气状况，太阳光照时间比较好的情况下，每天运行时间5～8小时，可产水总量达10～50L，每天上午10点至下午四点之间膜蒸馏系统能保持较好的膜通量，产水效率会比较高，产水电导率低于10μs/cm。

直接接触式膜蒸馏数据如图12-13所示。

Claims (6)

1.一种真空或直接接触两用的卧式太阳能膜蒸馏装置，包括膜组件、热工质加热系统和冷工质冷却系统，其特征在于：热工质加热系统为太阳能集热储水器、膜组件热水入口、膜组件热水出口、热侧循环泵组成的热侧回路；冷工质冷却系统为膜组件冷凝水出口、换热器、冷凝水收集器、冷侧控制阀门、冷侧循环泵、冷凝水入口组成的冷侧回路，并且，冷凝水收集器通过真空控制阀门与真空泵连通。

2.如权利要求1所述的卧式太阳能膜蒸馏装置，其特征在于：所述膜组件包含若干根中空纤维膜组成的单支膜元件，单支膜元件两端由环氧树脂或聚氨酯密封，单支膜元件嵌入到带有嵌入槽的法兰式封头中密封固定，在膜组件的中段设有隔离板，单支膜元件之间利用隔离板隔开。

3.如权利要求2所述的卧式太阳能膜蒸馏装置，其特征在于：所述的单支膜元件由多根多孔疏水性中空纤维膜组成，多孔疏水性中空纤维膜之间采用分散网格分散。

4.如权利要求3所述的卧式太阳能膜蒸馏装置，其特征在于：所述的多孔疏水性中空纤维膜的材料为聚丙烯、聚乙烯或聚偏氟乙烯。

5.如权利要求3或4所述的卧式太阳能膜蒸馏装置，其特征在于：所述的多孔疏水性中空纤维膜内径为0.1～2mm，外径为0.6～2.8mm，壁厚0.1～0.3mm，中空纤维膜壁的空隙率50～85％，最大孔径0.1-1.0μm。

6.如权利要求2所述的卧式太阳能膜蒸馏装置，其特征在于：所述的单支膜元件嵌入到带有嵌入槽的法兰式封头中密封固定方法为：在嵌入槽中嵌入橡皮垫圈，然后把单支膜元件的封头挤压入嵌入槽中。

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