微通道膜蒸馏组件和装置及用微通道强化膜蒸馏传递过程的方法

摘要

本发明所述微通道膜蒸馏组件，第一毛细管内孔、疏水微孔中空纤维膜内孔和第二毛细管内孔组成管程微通道，疏水微孔中空纤维膜外壁与外管内壁之间的环形空间形成壳程微通道。本发明所述微通道膜蒸馏装置，包括上述微通道膜蒸馏组件及料液循环槽、加热水浴锅、第一输送泵、电子天平、冷液收集槽、电导率仪、第二输送泵、恒温水浴锅、计算机和温度传感器。本发明所述用微通道强化膜蒸馏传递过程的方法，使用上述微通道膜蒸馏装置进行膜蒸馏操作。本发明为探索和发展用于强化膜蒸馏传递过程、削弱极化现象、提升膜通量提供了不同的技术构思。

说明书

技术领域

本发明属于膜蒸馏技术领域，特别涉及膜蒸馏组件和膜蒸馏装置，以及强化膜蒸馏传递过程的方法。

背景技术

膜蒸馏作为一种新兴的膜分离技术，在食品加工、海水淡化、废水处理等方面得到了广泛的应用。膜蒸馏是以疏水微孔膜作为介质，在膜两侧蒸汽压差的作用下，料液中的挥发性组分以蒸汽的形式透过膜孔，从而实现分离，膜蒸馏组件是膜蒸馏技术的核心。

中空纤维式膜蒸馏组件是常见的一种膜蒸馏组件，现有中空纤维式膜蒸馏组件主要由外壳、位于外壳内的多根中空纤维膜丝、分别安装在外壳两端的第一管程接头和第二管程接头构成，所述外壳侧壁上靠近两端部分别设置有壳程进液管和壳程出液管，所述第一管程接头和第二管程接头上分别设置有管程进液管和管程出液管。研究表明，此种结构的膜蒸馏组件在膜蒸馏过程中存在的极化效应会使传热和传质推动力出现一定程度的下降，导致膜通量降低。极化现象还会使膜表面比溶液主体更容易结晶，增加膜表面盐沉积和结垢的风险。因此，削弱极化现象对膜蒸馏热质传递过程性能的提升十分重要。

现有技术削弱极化现象的技术措施通常是增加流体的湍动程度，如增加流体流速、通入气体、加入挡板或隔片等，虽然在一定程度上可以减小传递过程的阻力，但这些宏观的传递过程强化办法对极化现象的削弱程度十分有限，且导致设备结构较为复杂，实现方式较为繁琐，经济性较差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微通道膜蒸馏组件和微通道膜蒸馏装置，以便有效削弱膜蒸馏过程中的温度极化和浓度极化现象，进一步提升膜通量并降低制备成本和简化结构。

本发明的再一目的是提供用微通道强化膜蒸馏传递过程的方法。

本发明所述微通道膜蒸馏组件，包括底座、疏水微孔中空纤维膜、外管、保温层、第一三通、第二三通、第一毛细管、第二毛细管、第一两通、第二两通、进液管和出液管；

所述第一三通的第二流道中心线与其第三流道中心线重合，第一三通的第一流道中心线与其第二流道和第三流道中心线垂直；所述第二三通的第二流道中心线与其第三流道中心线重合，第二三通的第一流道中心线与其第二流道和第三流道中心线垂直；第一三通和第二三通的各流道接口端部均安装有接头，第一两通和第二两通的一端安装有接头；

所述外管的一端穿过第一三通的第三流道安装的接头内孔插入该第三流道，由通过接头与该第三流道组合的密封圈固定，外管的另一端穿过第二三通的第三流道安装的接头内孔插入该第三流道，由通过接头与该第三流道组合的密封圈固定；所述疏水微孔中空纤维膜的长度大于外管的长度，疏水微孔中空纤维膜插装在外管的内孔中且两端伸出外管；所述第一毛细管的一端穿过第一三通的第二流道安装的接头内孔插入疏水微孔中空纤维膜的内孔一端，第一毛细管的另一端穿过第一两通安装的接头内孔插入第一两通内孔，第一毛细管由通过接头分别与第一三通的第二流道组合及第一两通组合的两个密封圈固定；所述第二毛细管的一端穿过第二三通的第二流道安装的接头内孔插入疏水微孔中空纤维膜的内孔另一端，第二毛细管的另一端穿过第二两通安装的接头内孔插入第二两通内孔，第二毛细管由通过接头分别与第二三通的第二流道组合及第二两通组合的两个密封圈固定；所述进液管的一端穿过接头插入第一三通的第一流道，由通过接头与该第一流道组合的密封圈固定；所述出液管的一端穿过接头插入第二三通的第一流道，由通过接头与该第一流道组合的密封圈固定；所述保温层包覆在外管上，所述第一三通、第二三通分别通过螺钉固定在底座上；

第一毛细管内孔、疏水微孔中空纤维膜内孔和第二毛细管内孔组成管程微通道，第一两通、第二两通未安装接头的一端分别为管程微通道的进液口和出液口；疏水微孔中空纤维膜外壁与外管内壁之间的环形空间形成壳程微通道，进液管、出液管分别为壳程微通道的进液口和出液口。

上述微通道膜蒸馏组件，其疏水微孔中空纤维膜的内径优选不大于1.0mm，疏水微孔中空纤维膜的外壁与外管的内壁之间的间隙优选不大于0.5mm。第一毛细管和第二毛细管的外径与疏水微孔中空纤维膜的内径相匹配。

上述微通道膜蒸馏组件，其疏水微孔中空纤维膜长度与外管长度的差值至少为50mm。

上述微通道膜蒸馏组件，其疏水微孔中空纤维膜的材料可选择聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)或聚四氟乙烯(PTFE)，外管的材料可选择有机玻璃、石英玻璃、尼龙或聚乙烯，第一毛细管和第二毛细管的材料可选择不锈钢、尼龙或聚乙烯。

本发明所述微通道膜蒸馏装置，包括料液循环槽、加热料液用的加热水浴锅、第一输送泵、电子天平、冷液收集槽、电导率仪、第二输送泵、恒温水浴锅、计算机、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器和上述微通道膜蒸馏组件；所述料液循环槽的出液口通过管件与第一输送泵的进液口连接，所述第一输送泵的出液口通过管件与微通道膜蒸馏组件的壳程微通道进液口连接，所述微通道膜蒸馏组件的壳程微通道出液口通过管件与料液循环槽的进液口连接形成料液回路；所述冷液收集槽的出液口通过管件与第二输送泵的进液口连接，所述第二输送泵的出液口通过管件与恒温水浴锅的进液口连接，所述恒温水浴锅的出液口通过管件与微通道膜蒸馏组件的管程微通道进液口连接，所述微通道膜蒸馏组件的管程微通道出液口通过管件与冷液收集槽的进液口连接形成冷液回路；所述第一温度传感器、第二温度传感器分别安装在微通道膜蒸馏组件的壳程微通道进液口和出液口处，所述第三温度传感器、第四温度传感器分别安装在微通道膜蒸馏组件的管程微通道进液口和出液口处；所述冷液收集槽位于电子天平上，所述电导率仪用于检测冷液收集槽中液体电导率的变化，所述计算机用于接收各温度传感器、电子天平和电导率仪输出的信号并予以处理和保存。

本发明所述用微通道强化膜蒸馏传递过程的方法，使用上述微通道膜蒸馏装置进行膜蒸馏操作。步骤如下：

①开启微通道膜蒸馏装置中的电子天平、电导率仪、各温度传感器和计算机；

②开启微通道膜蒸馏装置中的加热水浴锅，将其加热温度设置为热侧流体所要求的温度，开启微通道膜蒸馏装置中的恒温水浴锅，将其恒温温度设置为冷侧流体所要求的温度；

③将微通道膜蒸馏装置料液循环槽中的热侧流体用所述加热水浴锅加热至所要求的温度后同时开启第一输送泵和第二输送泵，在第一输送泵的作用下，料液循环槽中热侧流体以流量Q

④热侧流体和冷侧流体按步骤③的方式循环流动达到稳定状态后，通过计算机连续记录电子天平示数及电导率仪检测数据，并通过所获取的数据计算微通道膜蒸馏装置的膜通量和/或截盐率。

膜通量的计算关系式如下：

式中，J为膜通量；Q为时间t内的渗透量，单位为kg；A为有效膜面积，单位为m

截盐率的计算关系式如下：

式中，R为截盐率；c

上述步骤结束后，将热侧液体更换为去离子水，开启第一输送泵和第二输送泵对微通道膜蒸馏装置中的微通道膜蒸馏组件及该装置的内部管路进行冲洗，再通入热空气吹扫微通道膜蒸馏组件，使管程微通道和壳程微通道内表面保持洁净、干燥。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明首次提供了微通道膜蒸馏组件，增加了膜蒸馏组件的类型，为探索和发展用于强化膜蒸馏传递过程、削弱极化现象、提升膜通量提供了不同的技术构思。

(2)由于本发明所述微通道膜蒸馏组件主要由外管、疏水微孔中空纤维膜、毛细管、三通、两通、密封圈等构成，而上述构件均可直接通过市场购买，且价格较低，因而制备工序大为简化，制作成本降低。

(3)由于本发明所述微通道膜蒸馏组件的组合方式简单且易于拆卸，因而便于根据需要(实验目的)更换不同尺寸的外管、疏水微孔中空纤维膜、毛细管，改变管程微通道和壳程微通道的尺寸。

(4)实验表明，使用本发明所述微通道膜蒸馏装置，在流速、膜孔隙率更低的情况下，较含传统中空纤维式膜蒸馏组件的膜蒸馏装置具有更高的膜通量(见实施例、对比例)，因而说明本发明所述微通道膜蒸馏装置的传质速率得到了提高，极化现象得到了削弱，传递过程得到了强化。

(5)本发明所述用微通道强化膜蒸馏传递过程的方法是通过使用微通道膜蒸馏装置实现的，操作简单，便于推广使用。

附图说明

图1为本发明所述微通道膜蒸馏组件的结构示意图；

图2为本发明所述微通道膜蒸馏组件的内部流路示意图；

图3为本发明所述微通道膜蒸馏装置的结构示意图；

图4为本发明所述微通道膜蒸馏组件中第一三通和第二三通的示意图。

图中，1-1—第一两通，1-1-1—管程流体出液口(进液口)，1-2—第二两通，1-2-1—管程流体进液口(出液口)，2-1—第一毛细管，2-2—第二毛细管，3—壳程流体进液管(出液管)，4-1—第一三通，4-1-1—第一三通的第一流道，4-1-2—第一三通的第二流道，4-1-3—第一三通的第三流道，4-1-4—第一螺钉，4-1-5—第二螺钉，4-2—第二三通，4-2-1—第二三通的第一流道，4-2-2—第二三通的第二流道，4-2-3—第二三通的第三流道，4-2-4—第三螺钉，4-2-5—第四螺钉，5—外管，6—疏水微孔中空纤维膜，7—保温层，8—壳程流体出液管(进液管)，9—接头，10—密封圈，11—底座，12—料液循环槽，13—加热水浴锅，14—第一输送泵，15—微通道膜蒸馏组件，16—电子天平，17—冷液收集槽，18—电导率仪，19—第二输送泵，20—恒温水浴锅，21—计算机，22—第一温度传感器，23—第二温度传感器，24—第三温度传感器，25—第四温度传感器。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明所述微通道膜蒸馏组件、微通道膜蒸馏装置和用微通道强化膜蒸馏传递过程的方法作进一步说明。

实施例1

本实施例中，微通道膜蒸馏组件如图1、图2所示，由底座11、疏水微孔中空纤维膜6、外管5、保温层7、第一三通4-1、第二三通4-2、第一毛细管2-1、第二毛细管2-2、第一两通1-1、第二两通1-2、进液管3、出液管8、接头9和密封圈10组合而成。

所述疏水微孔中空纤维膜6的材质为聚偏氟乙烯，长度为200mm，内径为0.8mm，外径为1.2mm，孔隙率为0.60，膜平均孔径为0.1μm；所述外管5的材质为有机玻璃，长度为150mm，内径为1.8mm，外径为3mm；所述第一毛细管2-1和第二毛细管2-2的材质为不锈钢，长度为100mm，内径为0.6mm，外径为0.8mm；所述进液管3和出液管8的材质为聚四氟乙烯，内径为1.8mm，外径为3.0mm，长度为15.0mm。

所述第一三通4-1和第二三通4-2如图4所示，第一三通4-1的第二流道4-1-2中心线与其第三流道4-1-3中心线重合，第一三通4-1的第一流道4-1-1中心线与其第二流道4-1-2和第三流道4-1-3中心线垂直；第二三通4-2的第二流道4-2-2中心线与其第三流道4-2-3中心线重合，第二三通4-2的第一流道4-2-1中心线与其第二流道4-2-2和第三流道4-2-3中心线垂直。第一三通4-1和第二三通4-2各流道均设施有内螺纹和与密封圈10组合的台阶。

所述保温层7依次由卫生棉、玻璃棉、锡纸组成。所述密封圈10为环形橡胶密封圈。所述第一两通1-1、第二两通1-2的内孔为阶梯孔，其一端的大孔为与接头匹配的螺孔。所述接头9设置有中心孔和与第一三通4-1、第二三通4-2、第一两通1-1、第二两通1-2组合的外螺纹。

上述构件的组合方式：

第一三通4-1和第二三通4-2的各流道接口端部均安装有接头9，第一两通1-1的右端安装有接头9，第二两通1-2的左端安装有接头9，各接头与第一三通4-1和第二三通4-2的各流道螺纹连接，与第一两通1-1和第二两通1-2螺纹连接；

外管5的一端穿过第一三通4-1的第三流道4-1-3安装的接头内孔插入该第三流道4-1-3，由通过接头9定位在该第三流道台阶上的密封圈10固定，外管5的另一端穿过第二三通4-2的第三流道4-2-3安装的接头内孔插入该第三流道，由通过接头定位在该第三流道4-2-3台阶上的密封圈10固定；所述疏水微孔中空纤维膜6插装在外管5的内孔中且两端伸出外管；所述第一毛细管2-1的右端穿过第一三通4-1的第二流道4-1-2安装的接头内孔插入疏水微孔中空纤维膜6的内孔左端，第一毛细管2-1的左端穿过第一两通1-1安装的接头内孔插入第一两通1-1内孔，第一毛细管2-1由通过接头分别定位在第一三通4-1的第二流道4-1-2台阶上及第一两通1-1台阶上两个密封圈10固定；所述第二毛细管2-2的左端穿过第二三通4-2的第二流道4-2-2安装的接头内孔插入疏水微孔中空纤维膜6的内孔右端，第二毛细管2-2的右端穿过第二两通安装的接头内孔插入第二两通1-2内孔，第二毛细管2-2由通过接头分别定位在第二三通4-2的第二流道4-2-2台阶上及第二两通1-2台阶上的两个密封圈10固定；所述进液管3的一端穿过接头插入第一三通4-1的第一流道4-1-1，由通过接头定位在该第一流道4-1-1台阶上的密封圈10固定；所述出液管8的一端穿过接头插入第二三通4-2的第一流道4-2-1，由通过接头定位在该第一流道4-2-1台阶上的密封圈10固定；所述保温层7包覆在外管5上，所述第一三通4-1通过第一螺钉4-1-4、第二螺钉4-1-5固定在底座11上，第二三通4-2通过第三螺钉4-2-4、第四螺钉4-1-5固定在底座11上；

如图2所示，各密封圈10不仅具有支承固定作用，还具有密封作用，通过密封圈的密封作用，各构件按上述方式组合，使第一毛细管2-1内孔、疏水微孔中空纤维膜6内孔和第二毛细管2-2内孔组成管程微通道，第一两通1-1、第二两通1-2未安装接头的一端分别为管程微通道的进液口和出液口；疏水微孔中空纤维膜6外壁与外管5内壁之间的环形空间形成壳程微通道，进液管3、出液管8分别为壳程微通道的进液口和出液口。

本实施例中的所有构件均通过市场购买。

实施例2

本实施例中，微通道膜蒸馏装置如图3所示，由料液循环槽12、加热料液用的加热水浴锅13、第一输送泵14、电子天平16、冷液收集槽17、电导率仪18、第二输送泵19、恒温水浴锅20、计算机21、第一温度传感器22、第二温度传感器23、第三温度传感器24、第四温度传感器25和实施例1所述结构的微通道膜蒸馏组件15构成。

所述料液循环槽12的出液口通过管件与第一输送泵14的进液口连接，所述第一输送泵14的出液口通过管件与微通道膜蒸馏组件15的壳程微通道进液口连接，所述微通道膜蒸馏组件的壳程微通道出液口通过管件与料液循环槽12的进液口连接形成料液回路；所述冷液收集槽17的出液口通过管件与第二输送泵19的进液口连接，所述第二输送泵19的出液口通过管件与恒温水浴锅20的进液口连接，所述恒温水浴锅20的出液口通过管件与微通道膜蒸馏组件15的管程微通道进液口连接，所述微通道膜蒸馏组件15的管程微通道出液口通过管件与冷液收集槽17的进液口连接形成冷液回路；所述第一温度传感器22、第二温度传感器23分别安装在微通道膜蒸馏组件15的壳程微通道进液口和出液口处，所述第三温度传感器24、第四温度传感器25分别安装在微通道膜蒸馏组件15的管程微通道进液口和出液口处；所述冷液收集槽17位于电子天平16上，所述电导率仪18用于检测冷液收集槽中液体电导率的变化，所述计算机21用于接收各温度传感器、电子天平16和电导率仪18输出的信号并予以处理和保存。

本实施例中，第一输送泵14和第二输送泵19为蠕动泵，型号BT100L，转速范围0-100rad/min，由保定雷弗流体科技有限公司生产；加热水浴锅，型号HH-2A，规格220V，50HZ，500W，由北京科伟永兴仪器有限公司生产；恒温水浴锅，型号DZKW-4，功率500W，由北京中兴伟业仪器有限公司生产；电子天平，型号BSA224S，精度范围±0.0001g，最大量程220g，由赛多利斯(北京)有限公司生产；电导率仪，型号DDS-307，由上海精密科学仪器有限公司生产；温度传感器，型号19HS04056；计算机为普通PC机。

实施例3

本实施例使用实施例2所述微通道膜蒸馏装置进行膜蒸馏操作。热侧流体(待处理料液)和冷侧流体均为去离子水，流动方式为并流。操作步骤如下：

①开启微通道膜蒸馏装置中的电子天平16、电导率仪18、各温度传感器和计算机21；

②开启微通道膜蒸馏装置中的加热水浴锅13，将其加热温度设置为热侧流体所要求的温度70℃，开启微通道膜蒸馏装置中的恒温水浴锅20，将其恒温温度设置为冷侧流体所要求的温度20℃；

③将微通道膜蒸馏装置料液循环槽12中的热侧流体用所述加热水浴锅(13)加热至70℃后同时开启第一输送泵14和第二输送泵19，在第一输送泵14的作用下，料液循环槽12中热侧流体以流量4.5mL/min进入微通道膜蒸馏装置中的微通道膜蒸馏组件15的壳程微通道进行传热传质后返回所述料液循环槽12，在第二输送泵19的作用下，冷液收集槽17中冷侧流体以流量4.5mL/min经恒温水浴锅20达到20℃后进入微通道膜蒸馏装置中的微通道膜蒸馏组件15的管程微通道进行传热传质后返回所述冷液收集槽17；

④热侧流体和冷侧流体按步骤③的方式循环流动达到稳定状态后，通过计算机21连续记录电子天平示数及电导率仪检测数据，并通过所获取的数据计算微通道膜蒸馏装置的膜通量。在时间间隔t＝8min条件下测得渗透量Q分别为2.5467g、2.5493g、2.5478g，有效膜面积A为中空纤维膜内外壁的对数平均面积，有效长度取150mm，经计算A＝4.44×10

对比例1

本对比例摘自北京化工大学刘冬于2014年5月29日提交的学位论文《膜蒸馏耦合结晶技术处理碱渣废水的研究》第二章2.2.2.1温度对膜蒸馏性能的影响中的部分内容。

本对比例使用的膜蒸馏装置，其膜蒸馏组件为背景技术所述中空纤维式膜蒸馏组件，具体结构见北京化工大学刘冬于2014年5月29日提交的学位论文《膜蒸馏耦合结晶技术处理碱渣废水的研究》第二章中的2.1.3.1膜组件的制备。聚偏氟乙烯中空纤维多孔疏水膜的参数如下：长度250mm，外径1.1mm，内径0.8mm，孔隙率0.85，膜平均孔径0.2μm。膜面积通过封装入不锈钢外壳中的膜丝根数来控制，膜丝根数设置为60根(0.024m

本对比例热侧料液和冷侧循环水均为纯水(去离子水)，在热侧料液进料流量0.45L/min，冷侧循环水流量0.45L/min条件下，冷侧循环水温度维持在20℃左右，热侧料液进口温度维持在70℃。本对比例中膜通量为9.20kg·m

从实施例3和对比例1可以看出，实施例3中膜通量是对比例1中膜通量的4.68倍。对比中空纤维膜内流体的流速，实施例3仅为对比例1的3/5。因此，本发明所述微通道膜蒸馏组件在流速更低及膜孔隙率更低的情况下得到了较传统中空纤维式膜蒸馏组件更高的膜通量，证明使用本发明所述微通道膜蒸馏装置进行膜蒸馏操作，传质速率得到了提高，极化现象得到了削弱，传递过程得到了强化。

实施例4

本实施例使用实施例2所述微通道膜蒸馏装置进行膜蒸馏操作。热侧流体(待处理料液)和冷侧流体均为去离子水，流动方式为并流。操作步骤如下：

①开启微通道膜蒸馏装置中的电子天平16、电导率仪18、各温度传感器和计算机21；

②开启微通道膜蒸馏装置中的加热水浴锅13，将其加热温度设置为热侧流体所要求的温度60℃，开启微通道膜蒸馏装置中的恒温水浴锅20，将其恒温温度设置为冷侧流体所要求的温度20℃；

③将微通道膜蒸馏装置料液循环槽12中的热侧流体用所述加热水浴锅(13)加热至60℃后同时开启第一输送泵14和第二输送泵19，在第一输送泵14的作用下，料液循环槽12中热侧流体以流量6mL/min进入微通道膜蒸馏装置中的微通道膜蒸馏组件15的壳程微通道进行传热传质后返回所述料液循环槽12，在第二输送泵19的作用下，冷液收集槽17中冷侧流体以流量6mL/min经恒温水浴锅20达到20℃后进入微通道膜蒸馏装置中的微通道膜蒸馏组件15的管程微通道进行传热传质后返回所述冷液收集槽17；

④热侧流体和冷侧流体按步骤③的方式循环流动达到稳定状态后，通过计算机21连续记录电子天平示数及电导率仪检测数据，并通过所获取的数据计算微通道膜蒸馏装置的膜通量。在时间间隔t＝8min条件下测得渗透量Q分别为1.2511g、1.1988g、1.2360g，有效膜面积A为中空纤维膜内外壁的对数平均面积，有效长度取150mm，经计算A＝4.44×10

对比例2

本对比例摘自北京化工大学刘冬于2014年5月29日提交的学位论文《膜蒸馏耦合结晶技术处理碱渣废水的研究》第二章2.2.2.2流量对膜蒸馏性能的影响中的部分内容。本对比例使用的膜蒸馏装置，其膜蒸馏组件的结构和参数与对比例1相同。

本对比例热侧料液和冷侧循环水均为纯水(去离子水)，在热侧料液进料流量0.35L/min，冷侧循环水流量0.35L/min条件下，冷侧循环水温度维持在20℃左右，热侧料液进口温度为60℃。本对比例中膜通量为4.50kg·m

从实施例4和对比例2可以看出，实施例4中膜通量是对比例2中膜通量的4.61倍。对比中空纤维膜内流体的流速，实施例4与对比例2近似相等。因此，本发明所述微通道膜蒸馏组件在流速近似但膜孔隙率更低的情况下得到了较传统中空纤维式膜蒸馏组件更高的膜通量，证明使用本发明所述微通道膜蒸馏装置进行膜蒸馏操作，传质速率得到了提高，极化现象得到了削弱，传递过程得到了强化。