CN101874983B - 一种减压膜蒸发浓缩方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种减压鼓泡膜蒸发浓缩方法。利用空气鼓泡作用，将膜蒸馏过程与膜孔干燥、膜表面气体冲洗、处理液气浮除杂三个过程同时进行。同时，利用在膜产水侧施加负压抽吸作用，获得更高的产水通量。通过减压抽吸同时不间歇压缩空气连续在线鼓泡，在控制膜污染与膜亲水性的同时，获得更高的膜产水通量。本发明设备简单，操作方便，易于实现自动控制。

Description

一种减压膜蒸发浓缩方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种膜蒸发浓缩方法及其装置，尤其涉及水净化处理和化工分离的膜分离处理方法及其装置。

背景技术

膜蒸馏技术与普通蒸发器比较，膜蒸馏的一个最显著的特征是单位体积的蒸发面积大，因而可以使装置在常压、较低温度的蒸发过程中高效地运行，且蒸馏操作所需的汽相空间很小。与反渗透相比，膜蒸馏是热驱动过程，操作压力低，因此对膜机械性能的要求低，设备费用也低，过程安全性得到了提高，而且，膜蒸馏的操作压力低，脱盐率高，膜污染少。因此，近年来，膜蒸馏技术得到了广泛关注。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分离过程。在微孔疏水膜两侧的蒸汽压差的驱动下，水蒸汽从被加热的原水一侧穿过疏水膜后再被冷凝为液态的分离过程。由于膜的疏水性，只有水蒸汽能透过膜孔，原水以及溶解在其中的非挥发性溶质无法穿过膜孔，所以膜蒸馏过程理论上可以对离子、大分子、胶体、细胞和其它非挥发物实现100％的脱除。微孔疏水膜在膜蒸馏过程中起两相之间的支撑屏蔽作用。在膜蒸馏的过程中，同时发生传热与传质两种过程，温差极化与温差极化现象也会同时产生，从而对膜蒸馏的过程产生不利的影响。

膜蒸馏过程的操作温度低于传统的蒸馏过程，而操作压力又低于传统的膜分离过程；对膜的机械性能要求较低；与传统的蒸馏过程相比，蒸汽空间显著减少。膜蒸馏的组件可以设计成潜热回收形式，并具有以高效的小型膜组件构成大规模生产体系的灵活性。该过程可以处理浓度极高的水溶液，如果溶质是容易结晶的物质，可以把溶液浓缩到过饱和状态而实现膜蒸馏结晶，是目前唯一能从溶液中直接分离出结晶产物的膜过程，且只要膜两侧维持适当的温差，该过程就可以进行，可以利用太阳能、地热、温泉、工厂余热和温热的工业废水等廉价能源。

减压膜蒸馏是在疏水膜的透过侧施加一个负压，将透过多孔膜的水蒸汽抽出到膜组件以外的冷凝器内进行冷凝液化。

膜蒸馏技术具有操作压力低，可得到99.99％的脱盐率和在良好操作条件下高于反渗透的水通量，显示了它作为反渗透技术的替代(大规模纯水制备)或补充技术(如用于船舶饮用水等)的应用潜力，在降低投资和运行费用，提高水的利用率，减少浓水排放方面，可望取得显著的经济效益和社会效益。

但是，膜蒸馏过程中一般都存在着：1、疏水膜使用过程中出现的疏水膜亲水化渗漏问题。2、随着膜蒸发浓缩过程的进行，原料液不断被浓缩，导致料液中COD等污染物浓度增大，使膜污染问题严重。3、常规减压膜蒸馏过程虽产水水质好，效率高，但运行能耗较大。这些都是膜蒸馏技术实现工业化应用必需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种新的膜蒸发浓缩(Vacuum Bubble Membrane Distillation，VBMD)方法及其装置。

本发明提供一种减压鼓泡膜蒸发浓缩装置，其特征在于，包括以下部件：在原水侧设置的原水槽；膜组件，用于处理原水；连接于原水槽上的供水泵，将原水槽中的待处理液体供入膜组件；鼓风机，设置在膜组件的外侧，空气经鼓风机增压，供入膜组件中；连接于膜组件上的第一级冷凝器，用于对鼓入的空气进行预热；第二级冷凝器，与第一级冷凝器连通，用于将饱和含湿的空气进行冷凝，获得蒸馏产水；化学药剂槽，连接在膜组件与原水槽之间，容纳絮凝剂等药剂，上述药剂经计量泵供入膜组件中；浓水收集容器，设置在膜组件下方，从膜组件中排出的浓水在重力作用下流入浓水收集容器；水槽，收集容器中的液体在重力作用下，流入水槽；水槽中设置有浸没式多孔膜；真空泵，在产水侧产生负压抽吸。

膜组件设置有膜丝，压缩空气通过膜丝向原水鼓入气泡。

膜组件中设置浓水出口和溢流管，蒸发絮凝后的浓水由气浮作用经溢流管和浓水出口流出膜组件。

浓水收集容器具有常开的入口阀门、常闭的进气阀门、以及常闭的出口阀门，浓水收集容器中还设置有液位开关，当流入容器的液体水位达到液位开关时，进口阀门自动关闭，进气阀门、出口阀门自动打开，容器中的液体在重力作用下流入水槽。

水槽还设置有低位出口和上清液排出口；经过置于水槽中的浸没式多孔膜过滤后，上清液返回到膜组件；污泥则排出水槽外。

鼓风机，设置在膜组件的外侧，空气经鼓风机增压，进入第一级冷凝器进行预热。

本发明还提供一种减压鼓泡膜蒸发浓缩方法，其特征在于：膜蒸馏过程与膜孔干燥、膜表面气体冲洗、处理液气浮除杂三个过程同时进行；膜蒸馏过程与膜孔干燥过程中，原水槽中的原水经过水泵进入膜组件中进行膜蒸发；膜表面气体冲洗过程中，压缩空气通过疏水膜鼓泡进入膜组件，对膜表面进行冲洗；处理液气浮除杂过程中，通过计量泵将絮凝剂等药剂打入膜组件中；蒸发絮凝后的浓水由气浮作用流出膜组件，在重力作用下流入下方的水槽；经过置于水槽中的浸没式多孔膜过滤后，上清液返回膜组件；压缩空气通过疏水膜鼓泡进入膜组件，饱和吸湿后，在减压抽吸作用下，进入冷凝器液化，获得产水。

在膜蒸发过程中，连续鼓入空气，同时，在产水侧连续减压抽吸。

通过本发明取得如下效果：

本发明特征在于，通过减压抽吸与不间歇压缩空气连续在线鼓泡：1、使压缩空气穿过膜孔，防止水分在膜孔中凝结导致的亲水化，从而保持疏水膜的干燥性；2、防止污染物在膜表面沉积，解决膜污染问题；3、通过同时在料液中加入絮凝剂等化学药剂，将污染物絮凝吹带出膜蒸发池，实现高浓度浓缩；4、利用空气泡的吸湿夹带作用和减压抽吸作用，将水蒸气带离膜蒸发池，不需要高压压缩空气，运行能耗大为降低；5、压缩空气经过疏水膜的过滤，产水水质好。

设备简单，操作方便，易于实现自动控制。

附图说明

图1是本发明的减压鼓泡膜蒸发浓缩工艺装置示意图。

具体实施方式

本发明的系统如图1所示。本发明涉及的鼓气减压膜蒸馏装置从原水侧看，包括依次连接的如下部件：

在原水侧设置的原水槽1；膜组件5，用于处理原水；连接于原水槽上的供水泵2，将原水槽中的待处理液体通过入口4供入膜组件5；设置于膜组件下方的压缩空气进口25，将空气供入膜组件5中；设置在膜组件5中的膜丝26，通过膜丝26向原水鼓入气泡；连接于膜组件5上的第一级冷凝器23，用于对鼓入的空气进行预热；第二级冷凝器28，与第一级冷凝器连通，用于将饱和含湿的空气进行冷凝，获得蒸馏产水；蒸馏水收集容器29，收集冷凝后的蒸馏水；化学药剂槽31，连接在膜组件5与原水槽1之间，容纳絮凝剂等药剂，上述药剂经计量泵32在进药口3中供入膜组件5中；膜组件5中设置浓水出口7和溢流管6，蒸发絮凝后的浓水由气浮作用经溢流管6和浓水出口7流出膜组件5；浓水收集容器44，设置在膜组件5下方，从膜组件5中排出的浓水在重力作用下经由入口阀门41流入浓水收集容器44；浓水收集容器44连接的入口阀门41常开，进气阀门42、出口阀门45常闭。当流入容器44的液体水位达到液位开关43时，进口阀门41自动关闭，进气阀门42、出口阀门45自动打开，使容器44中的液体在重力作用下，通过入口8流入水槽9；水槽9中设置有浸没式多孔膜10，水槽9还设置有低位出口12和上清液排出口；经过置于水槽9中的浸没式多孔膜10过滤后，上清液通过阀门13的控制，通过入口11返回到膜组件5；污泥则由低位出口12排出水槽外；鼓风机21，设置在膜组件5的外侧，空气经鼓风机21增压，经过空气入口22进入第一级冷凝器23，预热后，经压缩空气进口25进入膜组件5，经膜丝26鼓泡进入待处理液体中，在高温下饱和吸湿后，经排出口27流出膜组件5，进入第一级冷凝器23，与新空气进行换热，然后在冷凝器28中被冷水完全冷凝，冷凝水流入容器29。以上未说明的附图标记30为真空泵。

本发明提供的减压鼓泡膜蒸发浓缩方法，是将膜蒸馏过程与膜孔干燥、膜表面气体冲洗、处理液气浮除杂三个过程同时进行。原水槽中的原水经过水泵，进入膜组件中进行膜蒸发；通过计量泵将絮凝剂等药剂打入膜组件中；蒸发絮凝后的浓水由气浮作用流出膜组件，在重力作用下流入下方的水槽；经过置于水槽中的浸没式多孔膜过滤后，上清液返回原水槽；污泥则排出水槽外；压缩空气通过疏水膜鼓泡进入膜组件，饱和吸湿后，在减压抽吸作用下，进入冷凝器液化，获得产水。

原水可以是被预加热或未加热或直接被加热至蒸发所需温度，膜蒸发温度一般为50～90℃。

根据膜蒸发系统的处理量大小，需要预置空气段高度ha，使膜组件5中的沸腾状气液混合相，在重力作用下充分气液分离，防止由于水滴的飞沫夹带现象影响产水电导率。可以设置ha值为0.3～3.0米。

根据膜蒸发系统的处理量大小，需要预置空气泡饱和吸湿液位高度h，h与鼓入的压缩空气气压有关，使透过疏水膜的空气泡在热液体中自然上升时，与热液体有足够的界面接触时间而被加热与湿化。可以设置h值为0.3～3.0米。

本发明特征在于，通过减压抽吸同时不间歇压缩空气连续在线鼓泡，在控制膜污染与膜亲水性的同时，获得更高的膜产水通量。

设备简单，操作方便，易于实现自动控制。

Claims (8)

1.一种减压鼓泡膜蒸发浓缩装置，其特征在于，包括以下部件：

在原水侧设置的原水槽(1)；

膜组件(5)，用于处理原水；

连接于原水槽上的供水泵(2)，将原水槽中的待处理液体供入膜组件(5)；

鼓风机(21)，设置在膜组件(5)的外侧，空气经鼓风机(21)增压，供入膜组件(5)中；

连接于膜组件(5)上的第一级冷凝器(23)，用于对鼓入的空气进行预热；

第二级冷凝器(28)，与第一级冷凝器连通，用于将饱和含湿的空气进行冷凝，获得蒸馏产水；

化学药剂槽(31)，连接在膜组件(5)与原水槽(1)之间，容纳絮凝剂药剂，上述药剂经计量泵(32)供入膜组件(5)中；

浓水收集容器(44)，设置在膜组件(5)下方，从膜组件(5)中排出的浓水在重力作用下流入浓水收集容器(44)；

水槽(9)，浓水收集容器(44)中的液体在重力作用下，流入水槽(9)；

水槽(9)中设置有浸没式多孔膜(10)；

真空泵(30)，在产水侧产生负压抽吸。

2.根据权利要求1所述的减压鼓泡膜蒸发浓缩装置，其特征在于：

膜组件(5)设置有膜丝(26)，压缩空气通过膜丝(26)向原水鼓入气泡。

3.根据权利要求1所述的减压鼓泡膜蒸发浓缩装置，其特征在于：

膜组件(5)中设置浓水出口(7)和溢流管(6)，蒸发絮凝后的浓水由气浮作用经溢流管(6)和浓水出口(7)流出膜组件(5)。

4.根据权利要求1所述的减压鼓泡膜蒸发浓缩装置，其特征在于：

浓水收集容器(44)具有常开的入口阀门(41)、常闭的进气阀门(42)、以及常闭的出口阀门(45)，浓水收集容器(44)中还设置有液位开关(43)，当流入容器(44)的液体水位达到液位开关(43)时，进口阀门(41)自动关闭，进气阀门(42)、出口阀门(45)自动打开，容器(44)中的液体在重力作用下流入水槽(9)。

5.根据权利要求5所述的减压鼓泡膜蒸发浓缩装置，其特征在于：

水槽(9)还设置有低位出口(12)和上清液排出口；经过置于水槽(9)中的浸没式多孔膜(10)过滤后，上清液返回到膜组件(5)；污泥则排出水槽外。

6.根据权利要求1所述的减压鼓泡膜蒸发浓缩装置，其特征在于：

鼓风机(21)，设置在膜组件(5)的外侧，空气经鼓风机(21)增压，进入第一级冷凝器(23)进行预热。

7.一种减压鼓泡膜蒸发浓缩方法，其特征在于：

膜蒸馏过程与膜孔干燥、膜表面气体冲洗、处理液气浮除杂三个过程同时进行；

膜蒸馏过程与膜孔干燥过程中，原水槽中的原水经过水泵进入膜组件中进行膜蒸发；

膜表面气体冲洗过程中，压缩空气通过疏水膜鼓泡进入膜组件，对膜表面进行冲洗；

处理液气浮除杂过程中，通过计量泵将絮凝剂药剂打入膜组件中；蒸发絮凝后的浓水由气浮作用流出膜组件，在重力作用下流入下方的水槽；经过置于水槽中的浸没式多孔膜过滤后，上清液返回膜组件；

压缩空气通过疏水膜鼓泡进入膜组件，饱和吸湿后，在减压抽吸作用下，进入冷凝器液化，获得产水。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：在膜蒸发过程中，连续鼓入空气，同时，在产水侧连续减压抽吸。