專利名稱：一種滲透汽化的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于滲透汽化分離領(lǐng)域，具體涉及利用不對稱靜電場耦合滲透汽化的裝置和方法，提高滲透通量和分離效果。
背景技術(shù)：
滲透汽化是一種新型的膜分離技術(shù)。該技術(shù)突出的優(yōu)點是能夠以低能耗實現(xiàn)蒸餾、萃取、吸收等傳統(tǒng)方法難以完成的分離任務(wù)。該技術(shù)對有機(jī)溶劑和混合溶劑中微量水的脫除及水中脫微量有機(jī)物具有明顯的技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢；還可以同生物及化學(xué)反應(yīng)耦合，將反應(yīng)生成物不斷脫除，提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。因此，滲透汽化技術(shù)在石油化工、醫(yī)藥、食品、 環(huán)保等工業(yè)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景及市場。滲透汽化的推動力是膜兩側(cè)即原料液和膜另一側(cè)組分的化學(xué)位梯度，直觀表現(xiàn)為該組分在膜兩側(cè)的蒸汽壓差。滲透物通過膜的過程分為三步首先，在膜的料液側(cè)滲透物在膜表面被吸附并溶入膜中；然后，滲透物在膜內(nèi)擴(kuò)散至膜的另一側(cè)；最后，在膜另一側(cè)滲透物解吸，離開膜。各組分透過膜的快慢與其質(zhì)量、幾何形狀、極性等及膜的性質(zhì)都有關(guān)系。 有些組分和膜有較強(qiáng)的親和能力，較易溶解于膜中(如水分子在親水性的膜中)，而有些組分較難溶解于膜中；溶解在膜中的組分，有些可以較快的速度在膜中擴(kuò)散(如直徑較小的分子)，而有些則以較慢的速度擴(kuò)散。由于溶解度及擴(kuò)散速率上的差別，有些組分能較快地透過膜(稱為“優(yōu)先透過組分”)。這樣“優(yōu)先透過組分”在透過側(cè)的百分含量將比原料側(cè)該組分所占的百分含量高，于是在透過側(cè)形成了“優(yōu)先透過組分”的富集，從而實現(xiàn)分離。溶解與解吸過程很快，而膜內(nèi)的擴(kuò)散過程較慢，是各組分透過膜的速率控制步驟。 由于膜內(nèi)擴(kuò)散的傳質(zhì)推動力僅是化學(xué)位梯度，滲透速率過慢，滲透通量小，制約了滲透汽化過程在實際生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用。中國專利 CN1379697A、CN1994536A、CN101104537A、CN101596406A、CN101721914A、 CN101716465A等公開了利用靜電場作用于膜分離過程。CN1379697A公開了利用靜電場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，抑制在膜面的濃差極化和膜污染； CN1994536A公開了利用電場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。檢索國內(nèi)外的研究，還沒有通過附加靜電力作為傳質(zhì)推動力提高滲透汽化的滲透通量和選擇性的報道。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種不對稱靜電場耦合滲透汽化的裝置，本發(fā)明還提供了一種不對稱靜電場耦合滲透汽化的方法，增加了傳質(zhì)推動力，增大滲透通量，提高分離效果。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種不對稱靜電場耦合滲透汽化的裝置。在一個實施例中，裝置包括原料室、透過室、膜和電極，所述電極產(chǎn)生不對稱靜電場。根據(jù)本發(fā)明提供的裝置，在一個實施例中，不對稱靜電場在平板電極和針狀電極之間產(chǎn)生，對所述電極施加的直流電壓為IO1 IO4伏。根據(jù)本發(fā)明提供的裝置，所述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)。進(jìn)入原料室的原料液中的極性液體分子，在所述不對稱靜電場的電位梯度和化學(xué)位梯度雙重作用下，能以比僅靠化學(xué)位梯度作為推動力時更快的速度透過膜，形成透過物蒸汽并從透過室流出，滲余液從原料室流出O根據(jù)本發(fā)明提供的裝置，根據(jù)分離體系的不同，平板電極和針狀電極的位置可以互換，即平板電極位于滲透室一側(cè)(可以在透過室的內(nèi)部或外部)，針狀電極位于原料室一側(cè)(可以在原料室的內(nèi)部或外部)。根據(jù)本發(fā)明提供的裝置，滲透汽化過程是在不對稱的靜電場的作用下完成的。液體分子分為極性分子和非極性分子。非極性分子的結(jié)構(gòu)對稱，在無外電場作用下，正負(fù)電荷的重心重合，偶極距為零，如烷烴等。極性分子的結(jié)構(gòu)不對稱，在無外電場作用下，正負(fù)電荷的重心不重合，它們之間有一定的距離，具有固有偶極距，如水、乙醇等。極性分子在沒有外加電場時，由于分子的無規(guī)則熱運(yùn)動，排列是紊亂的。在外電場作用下，非極性分子和極性分子的正負(fù)電荷重心會被沿電場方向拉開，使分子發(fā)生變形并產(chǎn)生一個附加的偶極，這個過程即分子的極化，這個偶極即誘導(dǎo)偶極，其強(qiáng)度大小和電場強(qiáng)度及分子的變形極化率成正比。在實際可以得到的電場中，非極性分子的誘導(dǎo)偶極距比極性分子的偶極距小，受電場力作用很弱。極性分子在外電場作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向于沿著外電場方向進(jìn)行有序排列，外電場越強(qiáng)，排列越整齊。在均勻電場下，當(dāng)取向完畢，即電場能量變至最小時，達(dá)到平衡，作用力為零，偶極子不會產(chǎn)生平移運(yùn)動。當(dāng)附加一個不對稱靜電場時，空間各處電場不均勻， 偶極子在電場力的作用下向電場強(qiáng)的方向遷移，這種由電位梯度導(dǎo)致的動力學(xué)現(xiàn)象稱為電遷移傳質(zhì)。電遷移速率與電場強(qiáng)度、分子極性及分子質(zhì)量等有關(guān)，非極性分子可以認(rèn)為基本沒有電遷移，仍然以無規(guī)則熱運(yùn)動為主。當(dāng)把滲透汽化的體系置于不對稱靜電場中時，原料液為場強(qiáng)較弱的一側(cè)，膜透過側(cè)即透過物蒸汽側(cè)為場強(qiáng)較強(qiáng)的一側(cè)。一方面，與傳統(tǒng)的滲透汽化相同，各組分由高濃度的原料液側(cè)向低濃度的膜透過側(cè)擴(kuò)散傳質(zhì)，推動力為化學(xué)位梯度；另一方面，電場力的作用引起向電場變?yōu)樽畲蟮姆较虻碾娺w移傳質(zhì)，推動力為電位梯度。把這個過程稱為“不對稱靜電場耦合滲透汽化”。當(dāng)大量極性分子的液體中含少量非極性分子的液體時，會選擇疏水膜，使非極性分子優(yōu)先透過，這時可以反向施加不對稱靜電場，即平板電極位于滲透室一側(cè)，針狀電極位于原料室一側(cè)。此時不對稱靜電場給極性分子施加反向作用力，使其難以透過膜，雖不能提高非極性分子透過膜的推動力，但是可以降低極性分子透過膜的幾率，從而提高透過液中非極性液的比例。根據(jù)本發(fā)明提供的裝置，所述膜為致密膜，包括均質(zhì)膜和復(fù)合膜。根據(jù)分離不同體系的需要，可以采用任何適宜的已知的滲透汽化膜。
根據(jù)本發(fā)明提供的裝置，在一個實施例中，在透過室內(nèi)形成真空，將擴(kuò)散進(jìn)入透過室的透過物蒸汽抽走，以維持透過室內(nèi)較低的蒸汽壓。在本發(fā)明的其他實施例中，可以用惰性氣體吹掃透過室，將透過膜的滲出物蒸汽帶走，以維持透過室內(nèi)低的組分蒸汽壓。另外，還可將透過膜的滲出物蒸汽用適當(dāng)?shù)娜軇┪粘鋈?，以維持透過室內(nèi)低的組分蒸汽壓。根據(jù)本發(fā)明提供的裝置，不對稱靜電場耦合滲透汽化裝置還可包括加熱或其他保溫裝置，使?jié)B透汽化分離過程的溫度保持在一定的范圍，優(yōu)選的滲透汽化操作溫度的范圍為5 95°C。若膜可以承受，溫度也可更高。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種不對稱靜電場耦合滲透汽化的方法，包括原料液被引入原料室；引入所述原料室的原料液中的極性液體分子，在化學(xué)位梯度和不對稱靜電場的電位梯度雙重作用下，以比僅有化學(xué)位梯度作為推動力時更快的速度透過膜，并在膜表面汽化形成透過物蒸汽，從透過室流出；滲余液從原料室流出。根據(jù)本發(fā)明提供的方法，在一個實施例中，不對稱電場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，所述滲透汽化的操作溫度范圍為5 95°C。若膜可以承受，溫度也可更高。根據(jù)本發(fā)明提供的方法，在一個實施例中，所述膜為親水性的復(fù)合分離膜。根據(jù)本發(fā)明提供的裝置或方法，相比傳統(tǒng)滲透汽化過程僅有化學(xué)位梯度一個推動力而言，本發(fā)明的過程有兩個推動力，即化學(xué)位梯度和電位梯度。傳質(zhì)速率是擴(kuò)散速率和電遷移速率的疊加。非極性分子由于受靜電場的作用很弱，靜電場的有無對其傳質(zhì)基本無影響；而極性分子在附加靜電場后的傳質(zhì)速率要比無電場時快，并且傳質(zhì)速率的提高與在靜電場中的偶極距有關(guān)，因此可以提高滲透汽化過程的速度。本發(fā)明適用于包含極性和非極性分子的液體體系的分離(如苯/水體系)，也可用于各組分的極性相差較大的液體體系的分離，如乙醇/水體系。本發(fā)明的優(yōu)點在于突破了傳統(tǒng)的滲透汽化僅有一個傳質(zhì)推動力(即化學(xué)位梯度)的模式，提出通過耦合一個不對稱靜電場附加另一個傳質(zhì)推動力(即電位梯度)的方法和裝置從而提高不同極性分子的分離，通過兩個推動力的疊加，使?jié)B透速率以及分離效果在溶解-擴(kuò)散分離的基礎(chǔ)上進(jìn)一步強(qiáng)化。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減低，實現(xiàn)耦合場的設(shè)備造價低。因此，通過本發(fā)明能夠降低現(xiàn)有技術(shù)中的能耗和成本，具有廣泛的適用性和良好的實用性。


附圖提供用來便于對本公開內(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實例的滲透汽化分離裝置。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但不作為對本發(fā)明的限制。實施例如圖1所示，一個示例性的不對稱靜電場耦合滲透汽化裝置10，包括原料室7、透過室8、平板膜9。在一個實施例中，原料室7包含原料液的進(jìn)口 1和出口 2。原料液是含 500ppm水6-2的苯6_1，原料液體積100ml，，蠕動泵循環(huán)，流速為2. lcm/s。原料側(cè)為常壓。 滲透汽化操作溫度為60°C。透過室8內(nèi)壓力為lkPa。在原料室7及透過室8分別植入平板電極4及針狀電極5，平板電極4為陰極，針狀電極5為陽極，施加給兩側(cè)電極的電壓為 2000 伏。原料液由進(jìn)口 1進(jìn)入原料室7，與聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯/聚丙烯腈復(fù)合致密膜9的膜面相接觸(膜面積16cm2)，該分離膜為親水膜，原料液中的微量水6-2在化學(xué)位梯度和不對稱靜電場產(chǎn)生的電位梯度雙重作用下透過膜9，并在透過室側(cè)的膜面上汽化形成水蒸氣11，從透過室8的出口 3被抽出。而滲余液則從原料室7的出口 2流出。液體的流動方向如圖1中箭頭所示。水的滲透方向如圖1中橫向的箭頭所示。滲透汽化處理時間5 小時，原料液含水量降至70ppm，水的平均滲透通量為5. 41g/m2. h。對比例原料液為含微量水的苯，操作溫度、含水率同實施例，原料室、透過室、膜同實施例，與實施例不同之處是沒有給電極施加直流電壓，滲透汽化處理時間5小時，原料液含水量降至250ppm，所得到的水的平均滲透通量為3. 28g/m2. h。結(jié)果以上數(shù)據(jù)可以得知，通過附加不對稱靜電場，苯中微量水的滲透速率增大近 65%，可以使苯中的微量水得到更快速的去除。最后應(yīng)說明的是以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明， 盡管參照前述實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說， 其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(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
1.一種滲透汽化的裝置，包括原料室、透過室、膜和電極，其特征在于，所述電極能產(chǎn)生不對稱靜電場。
2.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，所述針狀電極位于所述透過室。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，原料液中的極性分子，在所述不對稱靜電場的電位梯度和化學(xué)位梯度雙重作用下，能夠以比僅有化學(xué)位梯度作為推動力時更快的速度透過膜并在膜面上汽化，形成透過物蒸汽。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述平板電極位于透過室，所述針狀電極位于所述原料室。
5.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。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述滲透汽化的操作溫度為5 95°C。
7.—種滲透汽化的方法，包括將原料液引入原料室；在所述原料室和透過室之間存在不對稱靜電場，所述原料液中的極性分子在化學(xué)位梯度和不對稱靜電場的電位梯度的雙重作用下以比僅有化學(xué)位梯度作為推動力時更快的速度透過膜，并在膜面上汽化形成透過物蒸汽，從透過室流出；滲余物從所述原料室流出。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述不對稱靜電場由平板電極和針狀電極產(chǎn)生。
9.如權(quán)利要求7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，所述滲透汽化的操作溫度為5 95°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種不對稱靜電場耦合滲透汽化的裝置，包括原料室、透過室、膜和電極，電極能夠產(chǎn)生不對稱靜電場。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。原料液中的極性分子，在化學(xué)位梯度和電極產(chǎn)生的不對稱靜電場形成的電位梯度的雙重作用下，以比僅有化學(xué)位梯度作為推動力時更快的速度透過膜后在膜表面上汽化形成透過物蒸汽。本發(fā)明還涉及一種不對稱靜電場耦合滲透汽化的方法。
文檔編號B01D61/36GK102284246SQ20111003555
公開日2011年12月21日 申請日期2011年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月10日
發(fā)明者杜潤紅 申請人:天津工業(yè)大學(xué)