CN111386147A - 膜式水处理系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本文描述了使用膜组件处理和回收进料溶液中的水的系统和方法，该膜组件具有封装在收集室中的多个中空纤维膜和连接到膜组件的出口的膨胀室。

Description

膜式水处理系统及其方法

技术领域

本发明总体上涉及用于处理进料溶液的系统和方法。更具体地说，本发明公开了用于从进料溶液回收水和资源的基于膜的蒸馏系统和方法，其具有提高的效率和零液体排放。

背景技术

在许多国家，具有高的总溶解固体(TDS)或/化学需氧量(COD)的工业废水(例如来自采矿、油气、半导体制造、电镀、制药、染料/纺织品和核能生产等)排放到下水道或天然水体中被禁止，以防止水处理工厂过载或破坏海洋生物。

反渗透(RO)是已被用于处理低浓度工业废水、海水、表面废水以便再利用或饮用的主要技术之一。然而，RO的缺点，例如在海水淡化中，是其从海水中回收水的低回收率(约45％)，这是由于从具有高渗透强度的溶液中回收水所需的高压系统的限制。此外，RO对处理在回收水之后残留的盐水或者高浓度的工业废水提出了挑战。

因此，具有零液体排放(ZLD)的盐水/高浓度工业废水处理系统是潜在有利的。目前，常规的热分离方法(诸如多级蒸发器和结晶器技术等)已经被用作后RO方法以回收更多的水并从废水中分离其它污染物/盐。然而，这些热分离方法对能量要求很高。

最近，膜蒸馏被认为是上述热分离方法的低成本、节能的替代方法。在膜蒸馏系统中，可透过蒸气但不可透过液态水的膜将加热的进料水流与较冷的产物水流分离。由于蒸气压的梯度，从加热的进料流蒸发的水蒸气通过膜并在产物水物流中冷凝。与常规的基于热的分离方法相比，膜蒸馏系统的优点是相对低的操作压力和温度，因此降低了能量需求。

因此，膜蒸馏是处理废水的良好替代方案。然而，所使用的蒸馏膜对改变膜的润湿性的酸和有机溶剂非常敏感。如果膜被润湿，则在常规膜蒸馏方法中使用的润湿的膜将允许污染物穿过膜并污染产物水。

本发明的目的是提供用于处理水的基于膜的系统及其方法，其相对于当前热分离和水蒸馏方法具有增强的能量效率。本发明还理想地提供零液体排放，并且可以补充其它水处理，诸如但不限于RO，以改进水回收。本发明还能够分离具有不同沸点的液体(例如，酒精：水/丙酮：水/油：水/二醇：水/等)。

发明内容

根据本发明，解决了本领域中的上述和其它问题，并且在本领域中取得了进步。

根据本发明的膜式水处理系统(membrane water treatment system)的第一个优点是，可以从废水或污染的进料溶液中回收高达100％的水。

根据本发明的膜式水处理系统的第二个优点是，该系统比现有的膜蒸馏系统更节能。

根据本发明的膜式水处理系统的第三个优点是，与现有的膜蒸馏系统相比，该系统能够以更快的速率回收水，同时消耗更少的能量。

根据本发明的膜式水处理系统的第四个优点是该系统是可扩展的。

根据本发明的膜式水处理系统的第五个优点是，该系统能够分离具有不同沸点的液体。

根据本发明的第一方面，本发明包括用于处理进料溶液的系统，所述系统包括：膜组件、膨胀室以及冷凝器，所述膜组件包括：至少一个中空纤维膜，其在所述膜组件的入口与出口之间延伸，所述中空纤维膜具有用于接收经加压和加热的进料溶液并供经加压和加热的进料溶液通过的内孔，以及收集室，其具有部分真空度，所述收集室构造为从所述中空纤维膜的所述孔收集水蒸气；所述膨胀室具有另一部分真空度，所述膨胀室设置在所述膜组件的所述出口处，用于使来自所述膜组件的所述出口的所述进料溶液在所述进料溶液离开所述膜组件的所述出口时膨胀；以及所述冷凝器构造为接收并冷凝来自收集室和膨胀室的水蒸气。

根据本发明的第一方面的实施例，所述收集室和所述膨胀室连接到真空发生器，由此所述真空发生器向所述收集室和所述膨胀室供应负压。

根据本发明的第一方面的实施例，所述膜组件还包括加压室，所述加压室设置为与所述膜组件的所述入口相邻，用于在待加压的进料溶液被引导至所述膜组件的所述入口之前对所述进料溶液加压。

根据本发明的第一方面的实施例，所述系统还包括气泡发生器，所述气泡发生器设置为与所述膜组件的所述入口相邻，用于在待起泡的进料溶液被引导至所述膜组件的所述入口之前使所述进料溶液起泡。

根据本发明的第一方面的实施例，所述系统还包括加热器，所述加热器设置为与所述膜组件的所述入口相邻，用于在将待加热的进料溶液引导至所述膜组件的所述入口之前加热所述进料溶液。

根据本发明的第一方面的实施例，所述系统还包括冷凝器，所述冷凝器构造为在待加热的进料溶液被引导至所述膜组件的所述入口之前，利用从所述水蒸气吸收的热量来加热所述进料溶液。

根据本发明的第一方面的实施例，所述系统还包括设置在所述膜组件的所述入口处的止回阀，用于确保所述进料溶液单向流动至所述中空纤维膜的所述内孔。

根据本发明的第一方面的实施例，中空纤维膜包含微孔结构，所述微孔结构具有1纳米至100000纳米的平均孔径，其中，优选的孔径为50纳米至500纳米。

根据本发明的第一方面的实施例，该系统还包括：进料罐，其连接到所述膨胀室，所述进料罐构造为收集来自所述膨胀室的所述进料溶液；管，其具有连接到所述进料罐的第一端和连接到所述膜组件的所述入口的第二端，所述管构造为将所述进料溶液从所述进料罐引导到所述膜组件的所述入口，由此所述管的一部分与热交换器接触，使得来自所述热交换器的热量被所述管的所述一部分吸收。

根据本发明的第二方面，公开了一种使用膜组件处理进料溶液的方法，所述膜组件具有在所述膜组件的入口和出口之间延伸的至少一个中空纤维膜，并且具有有部分真空度的收集室，所述方法包括：在所述膜组件的所述入口处接收经加压和加热的进料溶液；使所述经加压和加热的进料溶液通过所述至少一个中空纤维膜的内孔；在所述收集室处收集来自所述至少一个中空纤维膜的所述内孔的水蒸气；当所述进料溶液离开所述膜组件的所述出口时，在设置于所述膜组件的所述出口处的膨胀室处使来自所述膜组件的所述出口的进料溶液膨胀，由此所述膨胀室具有另一部分真空度；以及使用冷凝器接收并冷凝来自所述收集室和所述膨胀室的水蒸气。

根据本发明的第二方面的实施例，所述收集室和所述膨胀室连接到真空发生器，由此所述真空发生器向所述收集室和所述膨胀室供应负压。

根据本发明的第二方面的实施例，其中，在所述膜组件的所述入口处接收所述经加压和加热的进料溶液的步骤之前，所述方法包括以下步骤：在将待加压的进料溶液引导到所述膜组件的所述入口之前，使用设置为与所述膜组件的所述入口相邻的加压室对所述进料溶液加压。

根据本发明的第二方面的实施例，其中，在所述膜组件的所述入口处接收所述经加压和加热的进料溶液的步骤之前，所述方法包括以下步骤：在将待起泡的进料溶液引导至所述膜组件的所述入口之前，使用设置为与所述膜组件的所述入口相邻的气泡发生器使所述进料溶液起泡。

根据本发明的第二方面的实施例，其中，在所述膜组件的所述入口处接收所述经加压和加热的进料溶液的步骤之前，所述方法包括以下步骤：在将待加热的进料溶液引导至所述膜组件的所述入口之前，使用设置为与所述膜组件的所述入口相邻的加热器加热所述进料溶液。

根据本发明第二方面的实施例，其中，所述中空纤维膜包括微孔结构，所述微孔结构具有1纳米至100000纳米的平均孔径，并且其中优选的孔径为50纳米至500纳米。

根据本发明第二方面的实施例，所述方法还包括：使用连接至所述膨胀室的进料罐从所述膨胀罐收集所述进料溶液；使用具有连接到所述进料罐的第一端和连接到所述膜组件的所述入口的第二端的管，将所述进料溶液从所述进料罐引导到所述膜组件的所述入口，由此所述管的一部分与所述热交换器接触；以及当所述进料溶液通过所述管的与所述热交换器接触的所述一部分时，加热所述管内的所述进料溶液。

附图说明

附图通过示例的方式示出了本发明的示例性实施例，并且不应被认为是限制本发明的范围。

图1是根据本发明的实施例的水处理系统的实施例的示意图。

图2是根据本发明的实施例的水处理系统的实施例的示意图，其中该实施例利用热泵。

图3是根据本发明的实施例的水处理系统的实施例的示意图，其中该实施例利用用于加热进料溶液的初始预热器以及与热交换器流体连通的压缩机。

图4示出了根据本发明的实施例的水处理过程的实施例的流程图。

图5示出了当废水温度升高时，根据本发明的实施例的水处理系统的通量密度的变化。

图6示出了当系统运行一段时间时，根据本发明的实施例的水处理系统的通量密度的变化。

图7示出了当废水的流速增加时，根据本发明的实施例的水处理系统的通量密度的变化。

图8示出了当中空纤维膜的孔中的加压废水与膨胀室中的压力之间的压力差增加时，根据本发明的实施例的水处理系统的通量密度的变化。

图9示出了随着引入到废水中的气泡的流速增加，根据本发明的实施例的水处理系统的通量密度的变化。

图10示出了当废水保持在70℃、废水的流速设定为60升/小时(LPH)并且引入到废水中的气泡的流速设定为120LPH时，在一段时间内根据本发明的实施例的水处理系统的通量密度的变化。

图11示出了根据本发明的实施例(即，膜处理并膨胀)、根据没有膨胀室的实施例(即，仅收集)以及根据没有膜组件的实施例(即，仅膨胀)的水处理系统的通量密度随时间的变化。

具体实施方式

在此描述本发明的各实施例。本领域普通技术人员将认识到，本发明的以下描述仅用于说明性目的，并且不应以任何方式视为限制本发明的范围。在不背离本发明的情况下，本领域技术人员可以设计本发明的其它实施例。

本发明提供了用于处理水的系统和方法，特别是用于从包括但不限于工业废水、海水或来自诸如反渗透等上游水处理过程的废水的来源回收水的系统和方法。本发明还可以用于分离具有不同沸点的液体(例如，酒精：水/丙酮：水/油：水/二醇：水/等)。在本发明的其它实施例中，本发明还可以用作冷却器的一部分，这是因为本发明通过增强液体的蒸发而从液体介质中移除热量。

在本发明的一个方面中，提供了一种用于处理废水的水处理系统。图1示出了根据本发明的水处理系统(100)的示例性实施例。

水处理系统(100)包括：进料罐(101)；一个或多个加热元件(103)；

加压单元(104)；膜组件(105)；膨胀室(106)和冷凝器(107)。

进料罐(100)构造为接收并存储将由水处理系统(100)处理的液体。如前所述，待处理的液体可以是工业废水、海水或来自上游水处理过程的废水，并且从这里开始统称为进料溶液或废水，本领域技术人员将认识到，在不背离本发明的情况下，大多数类型的液体可以用作进料溶液或废水。通过使废水通过一个或多个加热元件(103)来加热废水。这可以通过离心泵或磁力泵(108)来实施。一个或多个加热元件(103)可以是从电源(109)产生热量的加热器(103)或已经构造为将热量从外部蒸气或热水传递到废水的热交换器。

加压单元(104)构造为在将废水供给到膜组件(105)之前对废水加压。本领域技术人员将认识到，加热和加压的顺序可以互换或者可以同时发生，并且液体的加压导致温度的相应增加，因此在加热废水时可以消耗更少的能量。

在一些实施例中，加压单元(104)可以是将压缩气体输送到废水的压缩气体供应部。除了用于加压废水之外，压缩气体还用作气泡发生器，气泡发生器增强了水处理系统(100)的后续阶段中的废水的蒸发。

在一些实施例中，水处理系统(100)可以进一步包括在加压单元(104)之前的止回阀(110)以确保废水单向流动到膜组件(105)中。

在一些实施例中，水处理系统(100)还可以包括构造成从加热元件(103)接收加热的废水的加压室(111)。加压室(111)可以是膜组件(105)的一部分，或者是位于膜组件(105)的相邻位置的单独单元。加压室(111)与加压单元(104)流体连通，以在加压室(111)内压缩加热的废水并将经加热加压的废水供给到膜组件(105)中。在一些实施例中，加压室(111)可以进一步与加热元件(103)流体连通，使得加压室内的任何水蒸气可以被引导到加热元件(103)以加热废水。

膜组件(105)包括用于接收经加热加压的废水的第一端或入口以及与膨胀室(106)流体连接的第二端或出口。膜组件(105)还包括多个中空纤维膜(112)和收集室(113)。在本发明的实施例中，中空纤维膜(112)可以由围绕内部中空孔的可渗透水蒸气但不可渗透液体的多孔膜制成。收集室(113)形成在膜组件(105)的腔内，并且如图1所示，收集室(113)包封膜组件(105)内的多个中空纤维膜(112)。收集室(113)保持部分真空度，以确保在中空纤维膜(112)的内部中空孔和收集室(113)之间存在压力差。收集室(113)中的部分真空度可通过使用真空发生器(114)来保持，然而，本领域技术人员将认识到，在不背离本发明的情况下，可以使用其它装置来保持收集室(113)内的部分真空度。

膜组件(105)构造为这样：在操作中，经加热加压的废水被引导到膜组件(105)的入口中，这又使得经加热加压的废水通过中空纤维膜(112)的第一端流入中空纤维膜(112)的中空孔中。当经加热加压的废水沿中空纤维膜(112)流动时，部分废水蒸发，并且水蒸气从中空纤维膜(112)的孔侧到壳侧传输通过中空纤维膜(112)进入周围的收集室(113)。中空纤维膜(112)的孔中与收集室(113)中的经加热加压的废水之间的压力差进一步促进水蒸气传送到收集室(113)中。然后剩余的废水离开中空纤维膜(112)的第二端。

在优选实施例中，多个中空纤维膜(112)被布置成沿着膜组件(105)的长度延伸，中空纤维膜(112)的第一端与第二端分别对应于膜组件(105)的第一端或入口与第二端或出口。每个中空纤维膜(112)由微孔结构构成，其中该结构具有1纳米至100000纳米的平均孔径。在本发明的实施例中，平均孔径优选为50纳米至500纳米。

在一些实施例中，多个中空纤维膜(112)在中空纤维膜(112)的第一端和第二端处通过粘合剂块捆扎和保持在一起。粘合剂块还用于限定收集室(113)的一部分并且将收集室(113)与膜组件(105)的外部周围环境隔离。

膨胀室(106)与膜组件(105)的第二端或出口流体连接，并且还保持部分真空度，以确保在中空纤维膜(112)的中空内孔和膨胀室(106)之间存在压力差。膨胀室(106)中的部分真空度可以通过使用真空发生器(114)来保持，然而，本领域技术人员将认识到，在不背离本发明的情况下，可以使用其它装置来保持膨胀室(106)内的部分真空度。膨胀室(106)中的部分真空度可以与收集室(113)中的部分真空度相同，或者可以不同，这留给本领域技术人员作为设计选择。在经加热加压的废水经由膜组件(105)的出口离开中空纤维膜(112)的第二端之后，膨胀室(106)随后接收经加热加压的废水。由于当经加热加压的废水进入膨胀室(106)时，经加热加压的废水的压力突然下降，因此经加热加压的废水在膨胀室(106)中突然膨胀。部分地由于焦耳-汤姆逊效应，经加热加压的废水的突然膨胀促进经加热加压的废水的进一步蒸发。

在优选实施例中，真空泵(114)可与膨胀室(106)和收集室(113)流体连接，并且该真空泵(114)用于保持中空纤维膜(112)的中空孔和收集室(113)之间的压力差，并且用于保持中空纤维膜(112)的孔和膨胀室(106)之间的压力差。在一些实施例中，膨胀室(106)内的压力保持在约-0.5巴的负压，并且本领域技术人员将认识到，在不背离本发明的情况下，可以应用其它值的负压，只要在中空纤维膜(112)的中空孔内存在与膨胀室(106)和收集室(113)相比更高的压力即可。

收集在收集室(113)和膨胀室(106)中的水蒸气然后可以被引导到冷凝器107以便冷凝。所得到的不含污染物的水可以储存在冷凝器(107)中或被引导离开以使用或储存在诸如容器(116)等单独的容器中。当要利用水时，随后可以根据需要从出口(117)获得水。

在一些实施例中，收集室(113)和膨胀室(106)可以流体连通以促进水蒸气从中空纤维膜(112)的孔侧到壳侧穿过中空纤维膜(112)的运动。

在优选的实施例中，未蒸发的废水收集在膨胀室(106)的底部并被引导至固体分离器装置(118)。固体分离器装置(118)去除或过滤出可能在剩余废水中形成的任何固体，并且这些去除的固体随后通过出口(120)被抽出。然后，过滤后的剩余废水沿着路径(119)被引导回到进料罐(101)中，以再次流过水处理系统(100)，从而增加水的回收率。因此，由于没有液体过早地排放，水处理系统(100)可以被认为是零液体排放系统。有用的是，注意到在膨胀室(106)底部的废水与进入膜组件(105)的入口的废水相比要冷得多。这是因为当废水通过膜组件(105)并进入膨胀室(106)时，大部分热量已经通过蒸发从废水中移除。

该阶段需要注意的是，本发明的水处理系统(100)提供了优于传统水处理系统的几个优点，例如由于施加了分压和适度的操作压力而具有较低的操作温度，增强了从液态到气态的质量传递，导致较高的回收率，较高的增益输出比，因此提高了能量效率。

图2中示出了水处理系统200的另一实施例。除了图1中公开的元件之外，在该实施例中还使用了热泵(205)。本领域技术人员将认识到，热泵(205)是可用于将任何热量从回路(210)中的液体传递到回路(215)中的液体的标准装置，并且为了简洁起见，已经省略了热泵(205)的具体作业。随后，在回路(210)中流动的液体可用来帮助在冷凝器(107)中发生的冷凝过程，而回路(215)中的液体可用来进一步加热元件(103)。

在一些实施例中，水处理系统可以包括热管，热管用于将在冷凝器(107)处冷凝期间释放的热量直接传递到加热元件(103)，或者热管可用于在废水被引导到膜组件(105)中之前直接加热废水。在其它实施例中，来自冷凝器(107)、膨胀室(106)或收集空间(113)的水蒸气的一部分可以被引导到加热元件(103)或在废水从进料罐(101)流动进入膜组件(105)之前直接加热水处理系统内的管道中的废水。

图3中示出了本发明的又一实施例。在该实施例中，使用压缩机(305)和附加的热交换器(315)。当废水最初从进料罐(101)泵送时，加热元件(103)将用于最初加热废水。然后，如前所述，加热的废水被加压并被引导到膜组件105中。如图3所示，压缩机305用于将收集室(113)和膨胀室(106)中的环境压力保持在部分真空状态。压缩机(305)还用于从收集室(113)和膨胀室(106)提取水蒸气。然后，在经由路径(310)将提取的水蒸气引导至热交换器(315)之前，通过压缩机(305)对提取的水蒸气加压。来自加压的水蒸气的热量和压力随后被热交换器(315)用于加热来自进料罐(101)的废水。在该实施例中，热交换器(315)还用作冷凝器。当热交换器(315)从水蒸气中移除热量时，这使得水蒸气冷凝，并且随后将干净水收集在容器(325)中。设置在热交换器(315)和容器(325)之间的阀(320)可以用于控制来自热交换器(315)的冷凝水的流动。这进而控制热交换器(315)的温度，由此当热交换器(315)中的温度下降时，更多的水释放到容器(325)中。

在系统300已经运行了一定时间段之后，热交换器(315)将从由压缩机(305)泵送的水蒸气获得足够的热量和压力。当这种情况发生时，由于来自收集的水蒸气的余热和压力将足以在热交换器(315)中加热和加压废水，因此将不再需要加热元件(103)来加热来自进料罐(101)的废水。因此，加热元件(103)可以被绕过，并且废水可以从进料罐(101)直接引导到热交换器(315)。系统300在该阶段变得非常节能，因为所有产生的热量或压力都被有效地再利用。

应当注意，一系列的管或管道可用于将水处理系统(100)、(200)和(300)中所示的各种构件连接在一起。还需要注意的是，系统(100)、(200)和(300)是可扩展的，由此多个膜组件(105)可并联连接到进料罐(100)，并且由初始膜组件产生的热量可用于加热用于后续膜组件的进料溶液。

在本发明的另一方面中，进料罐(100)可以构造为接收和存储将由水处理系统处理的液体。在该实施例中，液体可以包括传热液体，诸如液体干燥剂、冷却剂或能够容易地传热的任何类型的液体，并且对于该实施例，这些液体还可以统称为进料溶液或废水。如前述实施例中所述，当进料溶液通过热交换器时，进料溶液将从热交换器吸收热量。然后加热的进料溶液被加压并通过膜组件(105)和膨胀室(106)。由于在该过程中热量被损耗，因此从膨胀室(106)收集的所得进料溶液现在处于比进料溶液进入膜组件(105)时的温度低得多的温度。当系统(100)、(200)或(300)被如此使用时，这些系统随后可以被用作冷却器系统以从热交换器移除热量。

在本发明的又一方面中，提供了处理废水或进料溶液的方法。图4示出了根据本发明的实施例的过程400的流程图，其阐述了各个步骤。在步骤401中，废水被加热，并且随后在步骤402中废水被加压。本领域技术人员将容易理解，在不背离本发明的情况下，步骤401和步骤402可以互换或同时发生。对废水加压的步骤减少了将废水加热到所需温度的能量需求。

在步骤403中，将经加热和加压的废水在中空纤维膜的第一端处供给到至少一个中空纤维膜的中空孔中。中空纤维膜包括围绕内部中空孔的可渗透水蒸气但不可渗透液体的多孔膜。当经加热和加压的废水沿中空纤维膜流动时，部分废水蒸发，并且由于孔侧和壳侧之间的蒸气压力差，所得水蒸气从中空纤维膜的孔侧穿过中空纤维膜到达中空纤维膜的壳侧。

在中空纤维膜的中空孔内流动的、未蒸发的经加热加压的废水离开中空纤维膜的第二端并且经受压力的突然降低。这种压力的突然降低导致排出的废水膨胀和蒸发。在本发明的实施例中，当排出的废水迅速膨胀时，产生水蒸气。

在一些实施例中，可以施加真空或负压以产生跨过中空纤维膜的中空孔和中空纤维膜的第二端或跨过中空纤维膜的壁的压力差，该压力差分别促进离开中空纤维膜的废水的膨胀或改善从中空纤维膜的孔侧到中空纤维膜的壳侧的水蒸气传输。

在步骤405中，来自膨胀废水的水蒸气和/或从中空纤维膜的孔侧传输到壳侧的水蒸气被冷凝以获得处理过的水。

在一些实施例中，来自步骤405中的水蒸气的冷凝的热量可以被利用来加热废水。

在优选的实施例中，未蒸发的废水在步骤406被收集并返回到步骤401用于随后的处理。

各实例的设定

在以下各实例中，使用具有0.015m²的有效膜面积的微孔和疏水中空纤维(HF)膜组件，同时使用3.5wt％的氯化钠溶液作为进料溶液或废水。为了将氯化钠溶液的浓度保持在恒定水平，将新鲜水加入到进料罐中以补偿在水处理过程中损失的任何水。

在操作中，在将进料溶液的压力保持在0.032巴(3.2kPa)的同时，将加热的进料溶液以60升每小时(LPH)的恒定流速泵入膜组件的入口。将-0.2巴(-20kPa)的负压施加到膜组件中的收集室以及膨胀室，以确保这两个室中的环境压力处于部分真空状态。对于该实例，应注意的是，使用本领域技术人员已知的标准重量损失方法计算通量密度，其中通量密度定义为每单位时间流过每单位面积的膜的体积。

实例1：改变进料溶液的温度对系统通量的影响：

为了评价进料溶液的温度对水处理系统的性能的影响，在将进料溶液加热到40℃和90℃之间的不同温度时，测量系统的通量密度。如图5所示，可以看出，随着进料溶液温度的升高，系统的通量密度增加，这是由于存在跨过膜的高蒸气压梯度的缘故。这种跨过膜的高蒸气压梯度对水处理过程有很大贡献。可以看出，当进料溶液的温度为90℃时，达到的最高通量密度为39L/m²·hr。还在不同的进料溶液温度下测量了氯化钠脱除率(rejection)，并且发现对于所有温度，盐脱除率都大于99％(＞99％)。

实例2：在较长时间段内运行系统的效果：

在该实例中，进料溶液的温度保持在70℃，进料溶液使用3.5wt％氯化钠溶液。每小时测量系统的通量密度和盐脱除率，结果绘制在图6中。从实验数据可以看出，系统的通量密度在整个实验中是稳定的。更重要的是，在该实验期间发现该系统的盐脱除率大于99％(＞99％)。

实例3：进料流速对系统通量的影响：

通过将进料溶液的流速从60LPH调节到210LPH，评价进料流速对系统通量密度的影响。对于该实例，进料溶液的温度保持恒定在70℃，并且膨胀室和收集室中的真空度保持恒定在-0.2巴(-20kPa)。图7中示出了改变进料溶液的流速对系统通量密度的影响。

图7显示了系统的通量密度随着进料流速的增加而增加。这是由于跨过膜(膜的内部中空孔与收集室/膨胀室)的蒸气压力梯度(ΔVp)增加。还发现，在210LPH的进料流速下，在该实验期间达到的最高通量密度是44LMH，且盐脱除率大于99％(＞99％)。

实例4：压力差对系统通量的影响：

通过在将膨胀室和收集室中的环境压力保持在-20kPa的适度真空的同时，将进料压力从3.2kPa调节到70.1kPa，评价改变中空纤维膜的内部中空孔中的压力与收集室和膨胀室中的压力之间的压力差对系统通量的影响。所得结果绘制在图8中。

注意到，系统的通量密度随着中空纤维的内部中空孔与膨胀室和收集室之间的压力差的增加而增加。这是由于跨过膜(膜的内部中空孔与膨胀室/收集室)的蒸气压力梯度(ΔVp)的增加而发生的。还发现当压力差为90.1kPa时，在该实例中达到的最高通量密度为42LMH，且盐脱除率大于99％(＞99％)。

实例5：气泡注入进料溶液的影响：

在将进料溶液导入中空纤维膜的内部中空孔内之前，通过使用气泡发生器将气泡注入进料溶液中，评价经加热加压的进料溶液中的气泡对系统通量密度的影响。然后在将进料溶液的流速保持恒定在60LPH的同时，将气泡发生器的空气流速从0.0LPH调节至120LPH。

图9示出了当膨胀室和收集室中的真空度保持恒定在-0.2巴(-20kPa)同时进料溶液的温度恒定在70℃时，将气泡引入进料溶液的效果。

可以看出，系统的通量密度随着气泡发生器的空气流速的增加而增加。这是因为气泡导致进料溶液的表面积增加，从而增加了跨过膜的蒸气转移过程。还发现当气泡发生器的空气流速为120LPH时，在该实验中达到的最高通量密度为43LMH，且盐脱除率大于99％(＞99％)。

实例6：在较长的时间段内和在某些条件下运行系统的效果：

对于该实例，进料溶液包含3.5wt％的温度为70℃的氯化钠溶液，并且进料溶液的流速保持恒定在60LPH。另外，将气泡发生器设定在120LPH的恒定气流下，以将气泡引入进料溶液中。

每小时测量系统的通量密度和盐脱除率并绘制在图10中。从实验数据可以看出，整个实验(约400小时)中系统的通量密度是稳定的，并且更重要的是，在整个实验中发现盐脱除率大于99％(＞99％)。如图10所示，当气泡被引入到进料溶液中时，获得了更高的通量密度。

实例6：从(i)仅收集室：(ii)仅膨胀室：以及(iii)收集室和膨胀室收集水蒸气的 效果：

对于该实例，在仅从收集室(即，单独的收集室)收集水蒸气时，在仅从膨胀室收集水蒸气时，以及在从收集室和膨胀室两个室收集水蒸气时，测量系统的通量密度。结果绘制在图11中。可以看出，当从收集室和膨胀室两个室收集水蒸气时，实现了最高的输出通量。

以上是对具有膜组件的水处理系统的描述，该膜组件包括在膜组件的入口和出口之间延伸的一个或多个中空纤维膜，并且一个或多个中空纤维膜具有用于接收经加压和加热的进料溶液并供经加压和加热的进料溶液通过的内孔。膜组件还包括保持部分真空度的收集室，由此收集室构造为从中空纤维膜的内孔收集水蒸气。该系统还包括具有部分真空度的膨胀室。膨胀室设置在膜组件的出口处，并且该膨胀室使得来自膜组件出口的进料溶液在进料溶液离开膜组件出口时突然并迅速地膨胀。然后通过冷凝器收集来自膨胀室和收集室的水蒸气。

可以预见，本领域技术人员可以并将设计如所附权利要求中所阐述的本发明的替代实施例。

Claims (18)

1.一种用于处理进料溶液的系统，包括：

膜组件，包括：

至少一个中空纤维膜，其在所述膜组件的入口与出口之间延伸，所述中空纤维膜具有用于接收经加压和加热的进料溶液并供经加压和加热的进料溶液通过的内孔；以及

收集室，其具有部分真空度，所述收集室构造为从所述中空纤维膜的所述孔收集水蒸气；

膨胀室，其具有另一部分真空度，所述膨胀室设置在所述膜组件的所述出口处，用于使来自所述膜组件的所述出口的所述进料溶液在所述进料溶液离开所述膜组件的所述出口时膨胀；以及

冷凝器，其构造为接收并冷凝来自所述收集室和所述膨胀室的水蒸气。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述收集室和所述膨胀室连接到真空发生器，由此所述真空发生器向所述收集室和所述膨胀室供应负压。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述膜组件还包括加压室，所述加压室设置为与所述膜组件的所述入口相邻，用于在待加压的进料溶液被引导至所述膜组件的所述入口之前对所述进料溶液加压。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，还包括气泡发生器，所述气泡发生器设置为与所述膜组件的所述入口相邻，用于在待起泡的进料溶液被引导至所述膜组件的所述入口之前使所述进料溶液起泡。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，还包括加热器，所述加热器设置为与所述膜组件的所述入口相邻，用于在将待加热的进料溶液引导至所述膜组件的所述入口之前加热所述进料溶液。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，所述冷凝器构造为在待加热的进料溶液被引导至所述膜组件的所述入口之前，利用从所述水蒸气吸收的热量来加热所述进料溶液。

7.根据权利要求1所述的系统，还包括设置在所述膜组件的所述入口处的止回阀，用于确保所述进料溶液单向流动至所述中空纤维膜的所述内孔。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述中空纤维膜包括微孔结构，所述微孔结构具有1纳米至100000纳米的平均孔径。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，优选的孔径为50纳米至500纳米。

10.根据权利要求1所述的系统，还包括：

进料罐，其连接到所述膨胀室，所述进料罐构造为收集来自所述膨胀室的所述进料溶液；

管，其具有连接到所述进料罐的第一端和连接到所述膜组件的所述入口的第二端，所述管构造为将所述进料溶液从所述进料罐引导到所述膜组件的所述入口，由此所述管的一部分与热交换器接触，使得来自所述热交换器的热量被所述管的所述一部分吸收。

11.一种使用膜组件处理进料溶液的方法，所述膜组件具有在所述膜组件的入口和出口之间延伸的至少一个中空纤维膜，并且具有有部分真空度的收集室，所述方法包括：

在所述膜组件的所述入口处接收经加压和加热的进料溶液；

使所述经加压和加热的进料溶液通过所述至少一个中空纤维膜的内孔；

在所述收集室处收集来自所述至少一个中空纤维膜的所述内孔的水蒸气；

当所述进料溶液离开所述膜组件的所述出口时，在设置于所述膜组件的所述出口处的膨胀室处使来自所述膜组件的所述出口的进料溶液膨胀，由此所述膨胀室具有另一部分真空度；以及

使用冷凝器接收并冷凝来自所述收集室和所述膨胀室的水蒸气。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述收集室和所述膨胀室连接到真空发生器，由此所述真空发生器向所述收集室和所述膨胀室供应负压。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，在所述膜组件的所述入口处接收所述经加压和加热的进料溶液的步骤之前，所述方法包括以下步骤：

在将待加压的进料溶液引导到所述膜组件的所述入口之前，使用设置为与所述膜组件的所述入口相邻的加压室对所述进料溶液加压。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，在所述膜组件的所述入口处接收所述经加压和加热的进料溶液的步骤之前，所述方法包括以下步骤：

在将待起泡的进料溶液引导至所述膜组件的所述入口之前，使用设置为与所述膜组件的所述入口相邻的气泡发生器使所述进料溶液起泡。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中，在所述膜组件的所述入口处接收所述经加压和加热的进料溶液的步骤之前，所述方法包括以下步骤：

在将待加热的进料溶液引导至所述膜组件的所述入口之前，使用设置为与所述膜组件的所述入口相邻的加热器加热所述进料溶液。

16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述中空纤维膜包括微孔结构，所述微孔结构具有1纳米至100000纳米的平均孔径。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，优选的孔径为50纳米至500纳米。

18.根据权利要求11所述的方法，还包括：

使用连接至所述膨胀室的进料罐从所述膨胀罐收集所述进料溶液；

使用具有连接到所述进料罐的第一端和连接到所述膜组件的所述入口的第二端的管，将所述进料溶液从所述进料罐引导到所述膜组件的所述入口，由此所述管的一部分与所述热交换器接触；以及

当所述进料溶液通过所述管的与所述热交换器接触的所述一部分时，加热所述管内的所述进料溶液。

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