專利名稱：一種將螺旋式膜組件應用于真空膜蒸餾的方法
技術領域：
本發明屬于螺旋式膜組件應用的技術領域，特別涉及將螺旋式膜組件應用于真空 膜蒸餾的技術方法。
背景技術：
真空膜蒸餾(VMD)是在膜蒸餾的基礎上，在蒸汽透過側制造低壓環境，從而在疏 水膜兩側實現蒸汽壓差，驅動蒸汽透過膜并直接將蒸汽抽出組件外冷凝的操作方式。當前， 真空膜蒸餾以其通量更大，熱效率更高的優點逐漸得到眾多研究人員的青睞。由于要在蒸汽透過側保持低壓環境，所以真空膜蒸餾對組件密封性的要求比傳統 膜蒸餾要高，常見的膜組件主要有管式，中空纖維式和平板式，其中管式膜組件主要應用于 超濾和反滲透，在真空膜蒸餾中應用研究較少，中空纖維式和平板式在真空膜蒸餾中的研 究更為廣泛。當前最受關注的莫過于中空纖維式膜組件，近年來，關于中空纖維膜的理論和應 用研究均有大量的文獻發表，研究采用的膜原材料多為聚偏氟乙烯(PVDF)，中空纖維膜的 優勢在于無需支撐體，組件制備相對簡單，且裝填密度大，但它的劣勢在于一些重要的疏水 性材料不適于紡絲，如聚四氟乙烯(PTFE)，在一定程度上限制了膜蒸餾技術的發展。平板式膜組件在膜生物反應器(MBR)中的應用研究非常成熟，在膜蒸餾乃至真空 膜蒸餾中的應用亦有一些研究人員進行嘗試，但均不太成功，一是組件的制作上膜面積損 失比較大，單位膜面積的組件占地空間大，二是組件裝配上也比中空纖維膜組件更為復雜， 而真空膜蒸餾的操作方式更是為組件的制作和裝配增加了難度。通過分析，可以看到中空纖維式膜組件和平板式膜組件對于真空膜蒸餾來說都不 是最理想的組件，理想的真空膜蒸餾組件應至少包括兩方面的特點一是適于絕大多數有 機疏水膜材料，從而可以從中選擇在通量和強度等方面綜合性能更好的膜材料，膜的形式 應該是平膜；二是組件的制作和裝配應相對簡單。考慮這兩點要求，開發出一種新型的真空 膜蒸餾組件，這是本發明的出發點。主要參考文獻(1)吳庸烈。膜蒸餾技術及其應用進展。膜科學與技術，2003，23 ) :67。(2)高振，徐世昌，馬友光等。真空膜蒸餾技術應用研究現狀及進展。海湖鹽與化 X, 2003, 32 (6) 21 24。(3)郝高峰，丁忠偉，劉麗英等。中空纖維膜組件結構對其膜蒸餾性能的影響。北 京化工大學學報(自然科學版)，2009，36 (5) :9 12。
發明內容
本發明提出將螺旋式膜組件應用于真空膜蒸餾，組件采用的原材料包括有機疏 水平膜，粗網，無紡布，細網，UVPC中心導流管，粘結劑，膜殼及相應UVPC管件。現對照附圖 詳細說明如下。
附圖1是螺旋式膜組件的內部三層結構圖；附圖2螺旋式膜組件的外 觀結構圖；附圖3是將螺旋式膜組件置于膜殼后裝置的剖面形狀圖。其中，附圖1和附圖 3中的箭頭代表流體的流動方向，粗實線箭頭代表進料液的流動方向，細實線箭頭代表蒸汽 的流動方向。附圖1呈現的是本發明中螺旋式膜組件的內部三層結構示意圖，圖中，1是粗網， 2是篩絹，3是膜片，4是細網，箭頭表示的是蒸汽的運行方向，按蒸汽的運行方向，從上到下 共分為三層結構，其中粗網和篩絹共同組成第一層結構，作為料液流動的格網，稱其為料液 側，粗網的孔徑和厚度都比較大，其網面的菱形結構可強化對料液的擾動作用，篩絹襯于粗 網和膜片之間，作為保護層；膜片作為第二層結構，是整個結構中的核心材料，也是料液側 和真空側的分界面；細網為第三層結構，稱其為真空側，一方面作為蒸汽向中心管運行的螺 旋型流道，流道內部為高真空環境，另一方面也作為膜組件的外層包裹材料。附圖2呈現的是螺旋式膜組件的外觀結構以及三層結構在組件內部的具體組織 形式，圖中，1是中心導流管，2是膜片，3是粗網，4是細網，5是條狀孔隙，在細網表面與膜片 直接接觸的區域采用了規則排列的條狀孔隙結構，具體排列形式見卷軸表面，最外側的孔 隙距細網邊緣要保持一定距離，作為粘結劑的粘結空間，孔隙的縱向長度要比膜片的縱向 長度略短，孔隙的寬度為3mm，兩條孔隙間的距離為5mm，條狀孔隙的存在可以拓寬真空側 的流道空間。組件的卷制方法為，將膜片對折中間包夾粗網，然后置于細網上，一起卷繞到 打好孔的中心管上。需要注意的是，膜片縱向的兩側邊緣與細網要密封粘結，以形成細網流 道與外界的隔絕環境，從而可以確保真空條件下的密封性，同時也防止進料液從側面進入 細網流道，對過膜蒸汽造成污染。卷至最后，上層膜片的橫向邊緣要與卷軸上的細網粘結， 上下兩層膜片的橫向邊緣也要相互粘結，以此徹底實現細網側蒸汽的螺旋流道與粗網側料 液流道的完全隔絕。附圖3為將膜組件裝配進膜殼后的裝置剖面形狀圖，圖中，1是料液進口，2是料 液出口，3是蒸汽出口，4是中心導流管，中心管上打有微孔，以使中心管內部與細網流道相 通，共同形成真空環境。粗線箭頭表示料液的流動方向，穿過中心管微孔的細線箭頭表示過 膜蒸汽的流動方向。在組件內部，粗網圍繞中心導流管形成環狀的多層流道，細網圍繞中心 導流管形成螺旋型的流道。工作方式及原理如下一定溫度的原料液由組件下端的料液進 口 1進入膜殼，然后進入由粗格網形成的流道，粗網與膜表面接觸界面處的揮發性組分蒸 發，在膜兩側蒸汽壓差的作用下，蒸汽透過疏水膜微孔進入細網側，在負壓的作用下，蒸汽 由細網的螺旋型流道穿過微孔進入中心管4，再由蒸汽出口 3被抽出組件外，而原料液經過 粗網流道進入裝置上端，由料液出口 2排出。本發明中的螺旋式膜組件應用于真空環境，膜片在負壓作用下會與細網緊密接 觸，故對膜材料的強度要求更高，或在膜片與細網之間再加一層襯，減輕細網對膜面的損 傷，延長膜片乃至整個膜組件的使用壽命；另外真空操作對于組件的密封要求更高。四、實施方式在淡水缺乏但地熱苦咸水豐富的地區，可以采用螺旋式膜組件真空膜蒸餾的方法 來制備飲用水。基本條件和假設(1)深層地下水溫度為85°C，電導率為6000 μ s/cm,淺層地下水溫度為25°C，電導率為 450 μ s/cm。(2)螺旋式膜組件的參數組件外徑100mm，組件有效長度400mm，中心管內徑 20mm，有效膜面積1. 2m2，最高耐受溫度70°C。(3)在前處理充分且連續運行的情況下，膜組件的清洗周期為3個月。(4)進料液要進行一定程度的預處理。運行模式根據組件的耐受溫度，設定組件工作溫度為65°C，其它操作條件真空度 為-0. 095MPa,進料流量 6m3/h。熱料液和冷料液先進行混合調節，將溫度調至65°C，此時電導率為4000 μ s/cm ； 然后進行沉砂，絮凝沉淀，以及過濾預處理，去除料液中的雜質，延長組件使用壽命及清洗 周期。組件的安裝與運行根據附圖3中組件形狀的特點，料液進口 1與恒溫設備的出口 相連，料液出口 2與恒溫設備的進口相連，形成料液的循環流動，同時，要有連續性的補水 設施連接恒溫設備，蒸汽出口 3與冷卻設備相連，冷卻設備再連接真空設備，通過控制閥調 節真空度既可利用該組件進行真空膜蒸餾的操作。由于在運行過程中，循環料液會不斷減少，且溫度也會有小幅下降，故采用連續性 的補水設施連接恒溫設備，以保證進料液的流量和溫度分別恒定在6m3/h和65°C。隨著裝 置的運行，進料液不斷被濃縮，組件的通量也會顯著下降，當通量下降到初始通量的50%， 用新鮮溶液更換恒溫設備中的濃溶液。利用連續收集設備收集冷卻后的產水，得到的產水 電導率可達到2 μ s/cm以內。
權利要求
1.一種將螺旋式膜組件應用于真空膜蒸餾的方法，其特征在于將疏水平膜及輔助材 料以粗網，膜片和細網的三層結構形式排列，一起卷繞在打有小孔的中心管上制作螺旋式 膜組件，并將其應用于真空膜蒸餾。
2.一種將螺旋式膜組件應用于真空膜蒸餾的方法，其特征在于將螺旋式膜組件置入 膜殼中，進料液由裝置下端料液進口流入，由裝置上端側方的出口流出，蒸汽經由細網的螺 旋流道進入中心導流管，完成螺旋式膜組件的真空膜蒸餾操作。
3.如權利要求1所說的一種應用于真空膜蒸餾的螺旋式膜組件，其特征在于細網表 面與膜片直接接觸的區域采用了規則排列的條狀孔隙結構。
全文摘要
本發明提出一種將螺旋式膜組件應用于真空膜蒸餾的方法，將疏水平膜及一些輔助材料，按蒸汽流動方向，以粗網，膜片和細網的三層結構形式排列，一起卷繞在打有小孔的中心管上制作螺旋式膜組件，其中細網與膜片直接接觸的區域采用了規則排列的條狀孔隙結構；卷制的同時各部分按真空操作過程的要求進行密封粘結；并根據組件的結構特點制作出膜殼，將組件置入膜殼并進行封裝得到可有效應用于真空膜蒸餾的裝置，從而使疏水平膜能以更合理的方式應用于真空膜蒸餾。
文檔編號B01D61/36GK102125806SQ20101003438
公開日2011年7月20日 申請日期2010年1月20日 優先權日2010年1月20日
發明者楊慶峰, 紀仲光, 范彬 申請人:中國科學院生態環境研究中心