專利名稱：一種膜蒸餾的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種膜蒸餾的裝置和方法，具體涉及一種利用不對(duì)稱靜電場(chǎng)耦合膜蒸餾的裝置和方法，提高了水的滲透通量。
背景技術(shù)：
膜蒸餾是一種用于處理水溶液的膜分離過程。實(shí)現(xiàn)膜蒸餾分離的兩個(gè)基本條件是疏水性微孔膜的使用和膜兩側(cè)物料存在溫度差。以直接接觸式膜蒸餾為例，將多孔疏水膜的一側(cè)直接接觸熱的原料液(稱為高溫側(cè))，當(dāng)孔徑合適，由于表面張力的作用，液態(tài)水不能直接通過膜孔流到透過側(cè)(稱為低溫側(cè))；又由于膜兩側(cè)的物料處于不同的溫度，在膜的兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生水蒸汽壓差，高溫側(cè)水溶液中的水在膜表面汽化形成蒸汽，水蒸氣在壓差的作用下擴(kuò)散通過膜孔，蒸汽在膜的透過側(cè)逸出并冷凝，而非揮發(fā)性的離子、大分子、膠體、細(xì)胞等物質(zhì)因不能形成蒸汽而不能透過疏水膜，從而實(shí)現(xiàn)溶液分離、濃縮或提純的目的。膜蒸餾的特征是只有蒸汽能通過膜孔傳質(zhì)，膜起到分隔汽液流體的作用。膜蒸餾的傳質(zhì)推動(dòng)力是膜兩側(cè)的水蒸汽壓差，而水蒸汽壓差是由于兩側(cè)的溫度差造成的。膜蒸餾的過程中溫度差一般不大，否則能耗太高，而且由于膜非常薄，容易出現(xiàn)溫差極化，很難實(shí)現(xiàn)大的溫度差，因此往往利用太陽(yáng)能、地?zé)?、余熱等廉價(jià)能源加溫原料側(cè)，由于推動(dòng)力不大， 傳質(zhì)速率低，影響膜蒸餾的推廣。中國(guó)專利 CN1379697A、CN1994536A、CN101104537A、CN101596406A、CN101721914A、 CN101716465A等公開了利用靜電場(chǎng)作用于膜分離過程。CN1379697A公開了利用靜電場(chǎng)改變懸浮顆粒的表面電荷，減少生物膜的形成，提高膜分離性能；CN101104537A公開了在電場(chǎng)作用下形成強(qiáng)氧化源氧化分解水中的有機(jī)物；CN101721914A公開了在膜過濾中通過電場(chǎng)作用，使帶電荷的有機(jī)物或顆粒發(fā)生電泳遷移、電凝聚等作用，減少帶電荷有機(jī)物或顆粒造成的濃差極化與膜污染；CN101716465A、CN101596406A公開了在直流電場(chǎng)作用下，使帶電的分子或微粒產(chǎn)生背離或者透過膜面的電泳運(yùn)動(dòng)，抑制在膜面的濃差極化和膜污染； CN1994536A公開了利用電場(chǎng)作用于多組分多糖膜分離過程，減少濃差極化和膜污染，提高分離性能。檢索國(guó)內(nèi)外的研究，還沒有通過附加靜電力作為傳質(zhì)推動(dòng)力提高膜蒸餾中水的滲透通量的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有膜蒸餾技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明旨在提供一種不對(duì)稱靜電場(chǎng)耦合膜蒸餾的裝置，本發(fā)明的另一目的在于提供一種不對(duì)稱靜電場(chǎng)耦合膜蒸餾的方法，以提高膜蒸餾效率。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種不對(duì)稱靜電場(chǎng)耦合膜蒸餾的裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，裝置包括原料室、透過室、膜和電極，所述電極能夠產(chǎn)生不對(duì)稱靜電場(chǎng)。預(yù)熱的水溶液進(jìn)入原料室，在溫差和所述不對(duì)稱靜電場(chǎng)的作用下，水分子在膜表面汽化形成水蒸氣，以比僅存在溫差作為推動(dòng)力時(shí)更快的速度穿過膜，最后從透過室流出；處理后的水溶液從原料室流出。根據(jù)本發(fā)明提供的裝置，在一個(gè)實(shí)施例中，所述不對(duì)稱靜電場(chǎng)由平板電極和針狀電極產(chǎn)生，向所述電極施加的直流電壓為IO1 IO4伏。平板電極位于原料室一側(cè)(可以在原料室的內(nèi)部或外部)，可以為石墨、不銹鋼、鈦、鉬或鍍釕的不銹鋼、鈦等。針狀電極位于透過室一側(cè)(可以在透過室的內(nèi)部或外部)，可具有與平板電極同樣的材質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明提供的裝置，膜蒸餾過程是在不對(duì)稱的靜電場(chǎng)的協(xié)同作用下完成的。 水分子是極性分子，在沒有外加電場(chǎng)時(shí)，由于分子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，排列是紊亂的。在外電場(chǎng)作用下，由于極化作用，發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于沿著外電場(chǎng)方向進(jìn)行平行排布。在勻強(qiáng)電場(chǎng)下， 當(dāng)取向完畢，即電場(chǎng)能量變至最小時(shí)，達(dá)到平衡，作用力為零，不會(huì)產(chǎn)生平移運(yùn)動(dòng)。當(dāng)附加一個(gè)不對(duì)稱靜電場(chǎng)時(shí)，空間各處電場(chǎng)不均勻，水分子在電場(chǎng)力的作用下將向電場(chǎng)強(qiáng)的方向遷移。在膜蒸餾體系處于不對(duì)稱靜電場(chǎng)中時(shí)，靜電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)弱的一側(cè)位于原料室一側(cè)，靜電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)強(qiáng)的一側(cè)位于透過室一側(cè)，對(duì)于水蒸汽分子，電位梯度成為一個(gè)附加的推動(dòng)力，與溫度差形成的推動(dòng)力耦合，加快水分子透過膜，進(jìn)入透過室。將這種不對(duì)稱靜電場(chǎng)和膜蒸餾的協(xié)同過程稱為“不對(duì)稱靜電場(chǎng)耦合膜蒸餾”根據(jù)本發(fā)明提供的裝置，所述膜為疏水性微孔膜，可用現(xiàn)有技術(shù)中的任何適宜的膜材料，如聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯疏水膜等。根據(jù)本發(fā)明提供的裝置，透過室可包含冷卻水進(jìn)口和冷卻水出口。預(yù)熱的水溶液和冷卻水分別與膜的兩側(cè)接觸，傳遞到透過室的水蒸汽被直接冷凝到冷卻水中。另外，透過室還可包含冷卻板，進(jìn)口為冷卻水進(jìn)口，出口包括冷卻水出口和冷凝水出口。預(yù)熱的水溶液和膜面相接觸，冷卻水和冷卻板相接觸，穿過膜孔傳遞至透過室的水蒸氣經(jīng)一個(gè)空氣間隙后在冷卻板上冷凝后，流出透過室。冷卻水與熱液可以逆流流動(dòng)，也可并流流動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明提供的裝置，透過室的進(jìn)口和出口可為載氣體進(jìn)口和氣體出口?？捎幂d氣體吹掃透過室，并帶走透過的水蒸氣。透過室內(nèi)氣體的流動(dòng)方向可以與原料液的流動(dòng)方向相同，也可與原料液的流動(dòng)方向不同。在一個(gè)實(shí)施例中，在透過室內(nèi)形成真空態(tài)，將擴(kuò)散進(jìn)入透過室的水蒸氣抽走。根據(jù)本發(fā)明提供的不對(duì)稱靜電場(chǎng)耦合膜蒸餾的裝置，其還可包括加熱或其他保溫裝置，使膜蒸餾過程的溫度保持在一定的范圍，優(yōu)選的膜蒸餾的操作溫度范圍為5 95°C。 若膜可以承受，水溫也可更高。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種不對(duì)稱靜電場(chǎng)耦合膜蒸餾的方法，包括預(yù)熱的水溶液被引入原料室；引入所述原料室的水溶液中的水，在不對(duì)稱靜電場(chǎng)和溫差的雙重作用下，在膜表面汽化形成水蒸氣并以比僅存在溫差為推動(dòng)力時(shí)更快的速度透過膜，進(jìn)入透過室，在透過室內(nèi)冷凝或在室外冷凝；處理后的水溶液從原料室流出。根據(jù)本發(fā)明提供的方法，在一個(gè)實(shí)施例中，不對(duì)稱電場(chǎng)是由平板電極和針狀電極產(chǎn)生的。優(yōu)選向所述電極施加的直流電壓為IO1 IO4伏。根據(jù)本發(fā)明提供的方法，所述膜蒸餾的操作溫度范圍為5 95°C。若膜可以承受， 水溫也可更高。根據(jù)本發(fā)明提供的方法，所述膜為疏水性微孔膜，可用現(xiàn)有技術(shù)中的任何適宜的膜材料，如聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯疏水膜等。
本發(fā)明提供的裝置和方法，可用來處理含鹽量高的水溶液，還可以用來處理高溫下可能被破壞的體系，如含有生物活性組分的水溶液，還可以用來處理工業(yè)廢水等。根據(jù)本發(fā)明提供的裝置和方法，相比傳統(tǒng)膜蒸餾過程僅有溫度差一個(gè)推動(dòng)力而言，本發(fā)明的耦合場(chǎng)膜蒸餾過程有兩個(gè)推動(dòng)力，即溫度差和不對(duì)稱靜電場(chǎng)的電位梯度。這一附加的推動(dòng)力可以加速水蒸汽分子穿過疏水膜孔的滲透速率，提高了水的滲透通量，從而提高膜蒸餾的效率。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于首次提出通過耦合不對(duì)稱靜電場(chǎng)附加推動(dòng)力用于提高水蒸汽分子的透過通量，附加的電場(chǎng)推動(dòng)力不受溫度推動(dòng)力大小的限制。電遷移是在電場(chǎng)力的作用下實(shí)現(xiàn)的，因此能耗低。由于現(xiàn)代材料工業(yè)和電工技術(shù)的發(fā)展使靜電電源的制造成本大大降低，實(shí)現(xiàn)耦合場(chǎng)的設(shè)備造價(jià)低。提高了滲透通量，有利于降低成本，利于膜蒸餾技術(shù)的推廣應(yīng)用。


附圖提供用來便于對(duì)本公開內(nèi)容的理解，其構(gòu)成說明書的一部分但并不構(gòu)成對(duì)本公開內(nèi)容任何方面的限制。在附圖中圖1以剖面圖的形式顯示了一個(gè)實(shí)例的膜蒸餾裝置。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1如圖1所示，一個(gè)示例性的不對(duì)稱靜電場(chǎng)耦合膜蒸餾裝置10，包括原料室7和透過室8，平板膜9。在一個(gè)實(shí)施例中，原料室7包含水溶液的進(jìn)口 1和出口 2。水溶液為NaCl 水溶液，水溶液中的水分子11-2，Na+離子11-1和Cl_離子11_3，NaCl含量為8wt%，原料流速為0. 6L/min，原料側(cè)溫度為50°C，原料側(cè)為常壓。在原料室7中設(shè)有平板電極5，為陰極；在透過室8內(nèi)設(shè)有針狀電極6，為陽(yáng)極。施加2000伏的直流電壓在平板電極5和針狀電極6上。透過室8內(nèi)壓力為lkPa。NaCl水溶液由進(jìn)口 1進(jìn)入原料室7，與聚偏氟乙烯微孔平板膜9的膜面接觸，聚偏氟乙烯微孔平板膜9的平均孔徑為0.2 μ m。由于膜兩側(cè)溫度不同，溫差導(dǎo)致蒸汽壓差。 NaCl水溶液中的水分子11-2在膜表面汽化形成蒸汽并透過膜孔進(jìn)入透過室8。進(jìn)入透過室8的水蒸氣12被抽走，從出口 4抽出。對(duì)于無機(jī)鹽氯化鈉，因不能氣化而不能透過膜9， 膜蒸餾處理后的氯化鈉溶液從出口 2流出。在不對(duì)稱電場(chǎng)的電位梯度和溫差的作用下，水分子在膜表面汽化形成水蒸氣并透過膜。液體的流動(dòng)方向如圖1中箭頭所示。水的滲透方向如圖1中橫向的箭頭所示。在電場(chǎng)力作用下的滲透通量為0. lmol/m2. s。對(duì)比例NaCl水溶液的溫度、濃度同實(shí)施例，原料室、透過室、膜的設(shè)置同實(shí)施例，與實(shí)施例不同之處是沒有給電極施加直流電壓，所得到的滲透通量為0. 05mol/m2. s。結(jié)果以上數(shù)據(jù)可以得知，通過附加不對(duì)稱靜電場(chǎng)，水的滲透通量增大一倍。最后應(yīng)說明的是以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明， 盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種膜蒸餾裝置，包括原料室、透過室、膜和電極，其特征在于，所述電極能產(chǎn)生不對(duì)稱靜電場(chǎng)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，進(jìn)入所述原料室的水溶液中的水分子能在所述不對(duì)稱靜電場(chǎng)和溫差的作用下在膜表面汽化形成水蒸氣并以比僅存在溫差為推動(dòng)力時(shí)更快的速度通過膜。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述電極為平板電極和針狀電極，所述平板電極位于所述原料室一側(cè)，所述針狀電極位于透過室一側(cè)。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，向所述電極施加的直流電壓為IO1 IO4伏。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述膜蒸餾的溫度為5 95°C。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述透過室內(nèi)為真空或用氣體吹掃，或者用低于料液溫度的純水從所述透過室流過，使透過的水蒸氣冷凝匯入低溫水中流出。
7.一種膜蒸餾的方法，包括水溶液由進(jìn)口被引入原料室；引入所述原料室的水溶液中的水分子，在不對(duì)稱靜電場(chǎng)產(chǎn)生的電位梯度和溫差的雙重作用下，在膜表面汽化形成水蒸氣并以比僅存在溫差為推動(dòng)力時(shí)更快的速度透過膜，進(jìn)入透過室，水蒸氣在透過室內(nèi)冷凝或在室外冷凝；處理后的水溶液流出原料室。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述不對(duì)稱靜電場(chǎng)由平板電極和針狀電極產(chǎn)生。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，向所述電極施加的直流電壓為IO1 IO4伏。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述膜蒸餾的操作溫度為5 95°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種不對(duì)稱靜電場(chǎng)耦合膜蒸餾的裝置，包括原料室、透過室、膜和電極，所述電極能夠形成不對(duì)稱靜電場(chǎng)。所述電極包括平板電極和針狀電極。向所述電極施加的直流電壓為101～104伏。水溶液中的水分子，在溫差和不對(duì)稱靜電場(chǎng)的電位梯度雙重作用下，在膜表面汽化生成水蒸氣并以比僅存在溫差為推動(dòng)力時(shí)更快的速度透過膜，進(jìn)入透過室。本發(fā)明還涉及一種不對(duì)稱靜電場(chǎng)耦合膜蒸餾的方法。
文檔編號(hào)B01D61/36GK102274691SQ20111003555
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月10日
發(fā)明者杜潤(rùn)紅 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)