CN108862478A - 一种用于淡化海水的膜蒸馏装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于海水淡化的膜蒸馏装置，其中，该膜蒸馏装置包括热液输入腔、真空冷却腔和冷凝管，装置外层为壳壁，装置内设有蒸馏膜层，该蒸馏膜层为超疏水膜，壳壁与蒸馏膜层之间为热液输入腔，蒸馏膜层内部为真空冷却腔，真空冷却腔内穿设冷凝管，本申请结构设置合理，具有蒸馏效率高，节能性好，运行稳定的特点。
Description
技术领域
本发明涉及膜分离领域，尤其涉及一种用于淡化海水的膜蒸馏装置。
背景技术
世界上淡水资源不足，已成为人们日益关切的问题，作为水资源的开源增量技术，海水淡化已经成为解决全球水资源危机的重要途径，尤其是对于沿海地区，但海水淡化属于能量密集型产业，高的能耗使得淡化成本居高，经济性低，且目前的海水淡化多采用化石燃料，给自然环境带来了巨大的压力，简化淡化方法、降低淡化成本是有待解决的关键问题。
当前工厂低温余热的利用率较低，有不少低温余热被直接排放，既造成能源浪费，又对环境产生热污染。
发明内容
本发明旨在提供一种用于淡化海水的膜蒸馏装置，以解决上述提出问题，海水经低温余热或太阳能预热后进入蒸馏装置淡化分离，可充分利用工厂热或太阳能等廉价能源,过程易自动化、设备简单。
本发明的实施例中提供了一种用于海水淡化的膜蒸馏装置，包括热液输入腔、真空冷却腔和冷凝管，装置外层为壳壁，装置内设有蒸馏膜层，壳壁与蒸馏膜层之间为热液输入腔，蒸馏膜层内部为真空冷却腔，真空冷却腔内穿设冷凝管，
优选地，所述壳壁为耐热透光材料，
优选地，冷凝管内通有冷流体，
优选地，蒸馏膜层为光热型自修复超疏水膜；
进一步优选地，所述光热型自修复超疏水膜包括基底膜、光热层、自修复超疏水层、银纳米线层，基底膜上设置有光热层，光热层上设置有自修复超疏水层，自修复超疏水层上设置有银纳米线层。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明结构设置合理，简单，能高效进行海水的淡化；基底膜提高成膜的疏水性能，增强成膜的使用稳定性；光热层将光能转化为热能，使边界层区域的料液温度升高，提高蒸馏过程推动力和效率；自修复超疏水层可在光热层提供的热作用下进行自修复，为蒸馏膜提供稳定持久的超疏水性；银纳米线层的设置进一步增强了膜层的光热效应，协同光热层与自修复超疏水层形成夹层结构，保护超疏水层并促进其自修复，形成超疏水性所需的微纳结构。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明的基本结构示意图。
附图标记：1-热液输入腔；2-真空冷却腔；3-冷凝管；4-蒸馏膜；5-壳壁。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
膜蒸馏是使用疏水的多微孔膜为气液界面支承层，对含非挥发溶质的水溶液进行分离的一种膜技术，由于水的表面张力作用，常压下液态水不能透过膜的微孔,而水蒸气则可以，以膜两侧的蒸汽压差为推动力，让料液在膜表面蒸发，蒸汽通过膜孔，在另一侧冷凝，从而实现蒸馏过程。
膜两侧的温度差是膜蒸馏过程中跨膜传质的推动力，提高和保持膜两侧的温度差是提高分离效率的关键问题，而在膜蒸馏过程中，料液的蒸发发生在膜表面，汽化需要吸收大量的热量，导致在膜附近的料液温度要比料液主体温度低，造成传质推动力的降低，即发生温差极化现象，温差极化是影响分离性能的主要因素之一。
为提高界面处的膜蒸馏推动力并有效节约能源，需要提高边界层区域的料液温度，可以在膜的蒸发一侧安装加热器，当电流通过导体时因电阻所引起发热，但电加热不仅需要额外消耗电能，还可能存在安全性问题。
膜的疏水性能是膜蒸馏中的另一个关键问题，一方面，超疏水材料表面的低表面能物质容易在环境刺激下发生降解，另一方面，超疏水材料表面结构容易在机械摩擦或刮擦下受到损伤，这些损伤都会使超疏水材料失去其超疏水性能。
本发明的实施例涉及一种用于海水淡化的膜蒸馏装置，包括热液输入腔、真空冷却腔和冷凝管，装置外层为壳壁，装置内设有蒸馏膜层，壳壁与蒸馏膜层之间为热液输入腔，蒸馏膜层内部为真空冷却腔，真空冷却腔内穿设冷凝管，
优选地，所述壳壁为耐热透光材料，
优选地，冷凝管内通有冷流体，
优选地，蒸馏膜层为光热型自修复超疏水膜；
进一步优选地，所述光热型自修复超疏水膜包括基底膜、光热层、自修复超疏水层、银纳米线层，基底膜上设置有光热层，光热层上设置有自修复超疏水层，自修复超疏水层上设置有银纳米线层，
优选地，所述基底膜为聚偏二氟乙烯，聚四氟乙烯，聚六氟丙烯及其共聚物经静电纺丝制成；
进一步优选地，静电纺丝参数为：电压30kv，针头内径0.5mm，纺丝液推注速度为1ml/min，接收滚筒转速为100r/min，喷丝口到接收滚筒的距离为20cm，纺丝环境温度35℃，相对湿度50％；
以疏水性有机高分子材料为基底膜，提高成膜的疏水性能，增强成膜的使用稳定性，优选为含氟高分子材料，其具有强的抗腐蚀性能和低的表面能，采用静电纺丝可制得多孔纳米纤维膜；
优选地，所述光热层由Ti3C2TX纳米片与纳米氧化铁颗粒经抽滤堆积在基底膜上，再经盐酸处理除去纳米氧化铁颗粒致孔得到；
相关技术是在表面增加加热器，如喷涂碳纳米管，或在制膜时混入银纳米粒子来进行膜表面加热，本发明通过在基底膜上堆积Ti3C2TX纳米片层并造孔得到具有多孔结构的光热层；Ti3C2TX纳米片是一种二维层状过渡金属碳化物，有优良的微波吸收和电磁屏蔽性能，兼具金属和陶瓷特点，具有在高吸光率条件下高效地进行光热转换的特点，由于蒸发作用仅存在于膜界面，在膜上堆积该纳米片层可以利用其光热效应，将光热转化所得的能量限制在界面附近的区域，可以大大提高能量利用率，增加水蒸发效率；为产生更多的水传输通道，提高蒸馏通量，以粒径为10-30nm的纳米氧化铁颗粒做致孔剂，混合后共抽滤，再进行热压处理，盐酸溶液浸泡，除去其中的纳米氧化铁颗粒，得到多孔纤维膜，致孔增加了膜表面的粗糙度，进一步增强膜的疏水性；
进一步优选地，Ti3C2TX纳米片的沉积密度为5-10g/m2；
进一步优选地，致孔剂为粒径在10-30nm的纳米氧化铁颗粒；
进一步优选地，真空热压处理时间为1-3h，温度为80-300℃，热压压力为0.2-5MPa；
优选地，自修复超疏水层为聚丙烯酸酯-聚硅氧烷-十八胺-二氧化硅超疏水涂层；
超疏水层破坏后，在膜的光热效应热作用下，内部未反应的含氢聚二甲基硅氧烷和十八胺链段往外层迁移，遇到空气中水分固化，降低表面自由能，涂层具有优良的热响应自修复超疏水特性；
优选地，自修复超疏水层上设置有银纳米线层；
银纳米线由于具有特殊的纳米结构，易发生等离子体共振光热效应，进一步提高了边界层的温度，有效提升界面处的膜蒸馏推动力，协同光热层为超疏水膜的自修复提供热作用，为超疏水涂层表面提供微纳米粗糙结构；
进一步优选地，银纳米线直径60-70nm，长度15-35μm。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
本实施例中，一种用于海水淡化的膜蒸馏装置包括热液输入腔、真空冷却腔和冷凝管，装置外层为壳壁，装置内设有蒸馏膜层，壳壁与蒸馏膜层之间为热液输入腔，蒸馏膜层内部为真空冷却腔，真空冷却腔内穿设冷凝管；
所述壳壁为耐热透光材料，冷凝管内通有冷流体，蒸馏膜层为光热型自修复超疏水膜；所述光热型自修复超疏水膜包括基底膜、光热层、自修复超疏水层、银纳米线层，基底膜上设置有光热层，光热层上设置有自修复超疏水层，自修复超疏水层上设置有银纳米线层；
自修复超疏水膜的制备包括以下步骤：
S1、高压静电纺丝制基底膜
将聚偏二氟乙烯溶于DMF中，质量百分比为10％，经搅拌得到高聚物纺丝液，设定高压静电纺丝参数为：电压30kv，针头内径0.5mm，纺丝液推注速度为1ml/min，接收滚筒转速为100r/min，喷丝口到接收滚筒的距离为20cm，纺丝环境温度35℃，相对湿度50％，进行静电纺丝制膜，得到纳米纤维膜；
S2、光热层
Ti3AlC2粉体过400目筛，缓慢加入到两倍质量的质量百分比为50％的氢氟酸溶液中，反应过程如下：Ti3A1C2+3HF＝AlF3+3/2H2+Ti3C2，室温下500rpm搅拌2h后，5000rpm离心10min，沉淀用去离子水洗涤，重复离心和洗涤，至上清液pH呈中性，将沉淀按1:200比例分散于去离子水中，按与沉淀1:2的比例加入粒径30nm的纳米氧化铁颗粒，超声处理2h，抽滤于基底膜上，沉积密度为5g/m2，烘箱中70℃干燥24h，真空热压，热压时间1-3h，温度为80-300℃，热压压力为0.2-5MPa，热压完成后用1mol/L盐酸溶液浸泡处理1h，去离子水洗涤至中性，烘箱中70℃干燥24h；
S3、自修复超疏水膜
将甲基丙烯酸己酯、甲基丙烯酸月桂酯、含氢聚二甲基硅氧烷、十八胺、3-氨基丙基三乙氧基硅烷按比例为2.5:4：4:1.5:4.5搅拌溶解在无水乙醇中，加入溶液5％质量分数的纳米二氧化硅，超声分散，加入溶液0.1％质量分数的辛酸亚锡，加入溶液0.5％质量分数的安息香二甲醚，搅拌1h，涂布于膜上，进行紫外处理，光强150mW/cm2，固化时间2min，烘箱中70℃保温缩合12h；
S4、银纳米线层
取190mL丙三醇在100℃下回流30min，边缓慢搅拌边加入5.8g的聚乙烯基吡咯烷酮，继续加热1h至完全溶解，待温度下降至室温后，加入1.58g硝酸银粉末，丙三醇10ml，氯化钠0.06g，去离子水0.5ml，加热，保持搅拌速率在50rpm，温度升至210℃后停止加热，自然冷却至室温后进行8000rpm×10min离心，用无水乙醇洗涤，体积比1:1，重复三次离心和洗涤，最后向产物中加入无水乙醇得到银纳米线的乙醇分散液，将银纳米线的乙醇分散液滴涂到膜上，乙醇挥发后，在膜上形成一层银纳米线膜。
测试实验：
接触角测定实验：使用DSA30型光学接触角分析仪观测膜表面水滴的接触角变化情况。将4μL去离子水滴于膜表面，通过分析仪实时记录水滴在薄膜表面的形状变化。
经模拟测得接触角为158°，滚动角为3°，经空气等离子体破坏后，测得接触角为86°，经80℃热处理后，测得接触角为156°，相比较空白膜，处理膜的膜表温度高2-3℃。
经测试，处理膜的平均孔径0.68μm，孔隙率为65％，膜厚100μm。
实施例2
本实施例中，一种用于海水淡化的膜蒸馏装置包括热液输入腔、真空冷却腔和冷凝管，装置外层为壳壁，装置内设有蒸馏膜层，壳壁与蒸馏膜层之间为热液输入腔，蒸馏膜层内部为真空冷却腔，真空冷却腔内穿设冷凝管；
所述壳壁为耐热透光材料，冷凝管内通有冷流体，蒸馏膜层为光热型自修复超疏水膜；所述光热型自修复超疏水膜包括基底膜、光热层、自修复超疏水层、银纳米线层，基底膜上设置有光热层，光热层上设置有自修复超疏水层，自修复超疏水层上设置有银纳米线层；
自修复超疏水膜的制备包括以下步骤：
S1、高压静电纺丝制基底膜
将聚四氟乙烯溶于DMF中，质量百分比为10％，经搅拌得到高聚物纺丝液，设定高压静电纺丝参数为：电压30kv，针头内径0.5mm，纺丝液推注速度为1ml/min，接收滚筒转速为100r/min，喷丝口到接收滚筒的距离为20cm，纺丝环境温度35℃，相对湿度50％，进行静电纺丝制膜，得到纳米纤维膜；
S2、光热层
Ti3AlC2粉体过400目筛，缓慢加入到两倍质量的质量百分比为50％的氢氟酸溶液中，反应过程如下：Ti3A1C2+3HF＝AlF3+3/2H2+Ti3C2，室温下500rpm搅拌2h后，5000rpm离心10min，沉淀用去离子水洗涤，重复离心和洗涤，至上清液pH呈中性，将沉淀按1:200比例分散于去离子水中，按与沉淀1:2的比例加入粒径20nm的纳米氧化铁颗粒，超声处理2h，抽滤于基底膜上，沉积密度为10g/m2，烘箱中70℃干燥24h，真空热压，热压时间1-3h，温度为80-300℃，热压压力为0.2-5MPa，热压完成后用1mol/L盐酸溶液浸泡处理1h，去离子水洗涤至中性，烘箱中70℃干燥24h；
S3、自修复超疏水膜
将甲基丙烯酸己酯、甲基丙烯酸月桂酯、含氢聚二甲基硅氧烷、十八胺、3-氨基丙基三乙氧基硅烷按比例为2.5:4：4:1.5:4.5搅拌溶解在无水乙醇中，加入溶液5％质量分数的纳米二氧化硅，超声分散，加入溶液0.1％质量分数的辛酸亚锡，加入溶液0.5％质量分数的安息香二甲醚，搅拌1h，涂布于膜上，进行紫外处理，光强150mW/cm2，固化时间2min，烘箱中70℃保温缩合12h；
S4、银纳米线层
取190mL丙三醇在100℃下回流30min，边缓慢搅拌边加入5.8g的聚乙烯基吡咯烷酮，继续加热1h至完全溶解，待温度下降至室温后，加入1.58g硝酸银粉末，丙三醇10ml，氯化钠0.06g，去离子水0.5ml，加热，保持搅拌速率在50rpm，温度升至210℃后停止加热，自然冷却至室温后进行8000rpm×10min离心，用无水乙醇洗涤，体积比1:1，重复三次离心和洗涤，最后向产物中加入无水乙醇得到银纳米线的乙醇分散液，将银纳米线的乙醇分散液滴涂到膜上，乙醇挥发后，在膜上形成一层银纳米线膜。
测试实验：
接触角测定实验：使用DSA30型光学接触角分析仪观测膜表面水滴的接触角变化情况。将4μL去离子水滴于膜表面，通过分析仪实时记录水滴在薄膜表面的形状变化。
经模拟测得接触角为160°，滚动角为4°，经空气等离子体破坏后，测得接触角为89°，经80℃热处理后，测得接触角为159°，相比较空白膜，处理膜的膜表温度高2-3℃。
经测试，处理膜的平均孔径0.45μm，孔隙率为67％，膜厚200μm。
以上所述仅为本发明的较佳方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于海水淡化的膜蒸馏装置，其特征在于，包括热液输入腔、真空冷却腔和冷凝管，装置外层为壳壁，装置内设有蒸馏膜层，壳壁与蒸馏膜层之间为热液输入腔，蒸馏膜层内部为真空冷却腔，真空冷却腔内穿设冷凝管，所述蒸馏膜层为光热型自修复超疏水膜。
2.根据权利要求1所述的一种用于海水淡化的膜蒸馏装置，其特征在于，所述光热型自修复超疏水膜包括基底膜、光热层、自修复超疏水层、银纳米线层，基底膜上设置有光热层，光热层上设置有自修复超疏水层，自修复超疏水层上设置有银纳米线层。
3.根据权利要求2所述的一种用于海水淡化的膜蒸馏装置，其特征在于，所述基底膜为聚偏二氟乙烯，聚四氟乙烯，聚六氟丙烯及其共聚物经静电纺丝制成。
4.根据权利要求2所述的一种用于海水淡化的膜蒸馏装置，其特征在于，所述光热层由Ti3C2TX纳米片与纳米氧化铁颗粒经抽滤堆积在基底膜上，再经盐酸处理除去纳米氧化铁颗粒致孔得到。
5.根据权利要求2所述的一种用于海水淡化的膜蒸馏装置，其特征在于，所述自修复超疏水层为聚丙烯酸酯-聚硅氧烷-十八胺-二氧化硅超疏水涂层。
6.根据权利要求2所述的一种用于海水淡化的膜蒸馏装置，其特征在于，所述光热型自修复超疏水膜的制备包括以下步骤：
S1、高压静电纺丝制基底膜
将膜原料溶于DMF中，质量百分比为10％，经搅拌得到高聚物纺丝液，设定高压静电纺丝参数为：电压30kv，针头内径0.5mm，纺丝液推注速度为1ml/min，接收滚筒转速为100r/min，喷丝口到接收滚筒的距离为20cm，纺丝环境温度35℃，相对湿度50％，进行静电纺丝制膜，得到纳米纤维膜；
S2、光热层
Ti3AlC2粉体过400目筛，缓慢加入到两倍质量的质量百分比为50％的氢氟酸溶液中，反应过程如下：Ti3A1C2+3HF＝AlF3+3/2H2+Ti3C2，室温下500rpm搅拌2h后，5000rpm离心10min，沉淀用去离子水洗涤，重复离心和洗涤，至上清液pH呈中性，得到Ti3C2TX纳米片沉淀，将沉淀按1:200比例分散于去离子水中，按与沉淀1:2的比例加入纳米氧化铁颗粒，超声处理2h，抽滤于基底膜上，烘箱中70℃干燥24h，真空热压，热压时间1-3h，温度为80-300℃，热压压力为0.2-5MPa，热压完成后用1mol/L盐酸溶液浸泡处理1h，去离子水洗涤至中性，烘箱中70℃干燥24h；
S3、自修复超疏水膜
将甲基丙烯酸己酯、甲基丙烯酸月桂酯、含氢聚二甲基硅氧烷、十八胺、3-氨基丙基三乙氧基硅烷按比例为2.5:4：4:1.5:4.5搅拌溶解在无水乙醇中，加入溶液5％质量分数的纳米二氧化硅，超声分散，加入溶液0.1％质量分数的辛酸亚锡，加入溶液0.5％质量分数的安息香二甲醚，搅拌1h，涂布于膜上，进行紫外处理，光强150mW/cm2，固化时间2min，烘箱中70℃保温缩合12h；
S4、银纳米线层
取190mL丙三醇在100℃下回流30min，边缓慢搅拌边加入5.8g的聚乙烯基吡咯烷酮，继续加热1h至完全溶解，待温度下降至室温后，加入1.58g硝酸银粉末，丙三醇10ml，氯化钠0.06g，去离子水0.5ml，加热，保持搅拌速率在50rpm，温度升至210℃后停止加热，自然冷却至室温后进行8000rpm×10min离心，用无水乙醇洗涤，体积比1:1，重复三次离心和洗涤，最后向产物中加入无水乙醇得到银纳米线的乙醇分散液，将银纳米线的乙醇分散液滴涂到膜上，乙醇挥发后，在膜上形成一层银纳米线膜。
7.根据权利要求4所述的一种用于海水淡化的膜蒸馏装置，其特征在于，所述Ti3C2TX纳米片的沉积密度为5-10g/m2。
8.根据权利要求4所述的一种用于海水淡化的膜蒸馏装置，其特征在于，所述致孔剂为粒径在10-30nm的纳米氧化铁颗粒。
9.根据权利要求6所述的一种用于海水淡化的膜蒸馏装置，其特征在于，所述银纳米线直径60-70nm，长度15-35μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20181123 |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |