[发明专利]一种微波强化膜蒸馏过程的装置及方法

说明书

一 技术领域

本发明属于膜蒸馏技术领域，特别涉及到一种微波辅助膜蒸馏脱盐技术的方法与装置。

二 背景技术

膜蒸馏(MD)技术近三十年以来的快速发展带动了疏水微孔膜制备技术的不断突破。其中，中空纤维膜以其较高的装填密度，组件易于安装操作，占地面积小等优势逐渐成为膜蒸馏用膜的首选。虽然膜蒸馏技术发展很快，研究也越来越广泛，但要将膜蒸馏应用于实际生产，依然面临三个亟待解决的问题：1)当前常用的相转化法制备的中空纤维疏水膜为追求膜通量，而使得膜壁厚较薄，造成膜丝机械强度较低，实际使用寿命较短；2)，膜蒸馏运行过程中，温度极化、浓度极化、沟流效应导致膜通量下降；3)膜污染及膜润湿现象难以避免，且当前尚无高效的清洗及干燥方法，使得膜蒸馏稳定运行性能较差。要解决上述问题，可以从两方面入手，一是通过改进现有疏水膜制备技术，制备出强度更高疏水性更好的膜蒸馏用中空纤维膜材料，有文献报道，通过采用溶液相转移涂覆法进行PVDF膜的表面超疏水改性，可以改变膜表面的物理形态结构，使得PVDF疏水膜的接触角最高可以达到160°；二是通过开发新型的膜蒸馏工艺系统，以期缓解膜污染及温差极化等影响膜通量的现象，来强化膜蒸馏过程。在膜材料制备尚无重大突破的前提下，开发新型的膜蒸馏工艺系统就显得尤为重要，这主要包括膜组件的设计及反应器的设计。国外研究人员通过在流道内加入格网等构件，或使膜丝构型复杂化以缓解膜蒸馏过程中的温度极化和浓度极化现象，强化了传质过程。也有文献报道，采用超声波技术强化真空膜蒸馏过程取得了良好效果，但超声波机械振荡作用对膜材料损伤较为严重，且操作过程中噪声大，超声热能量损失大，其应用前景并不乐观。

微波技术是一项十分成熟的技术，已广泛应用于社会生活的各个方面，如医疗，干燥杀菌，固废处理，食品加热等。微波的工作原理可以归结为两个方面的效应，热效应和非热效应，热效应是指物质在微波场中均匀快速加热，微波加热的原理是，极性分子处于微波电场中时，会诱导产生电偶极子，而电偶极子会随着微波产生的交变电场发生每秒数亿次的高速变向，在变向过程中，相邻分子间磨擦生热，表观上使得物质本身快速加热，即热效应主要体现在加热的快速性和均匀性；非热效应是指极性分子在微波场吸收微波能量，使得分子的运动能力加强。我们的研究结果表明，微波技术与膜蒸馏技术集成，可以缓解MD的温度极化现象，并强化MD的传质速率，进而可提高MD膜通量，提高溶液中挥发性溶质的快速分离；亦可利用微波技术实现膜的辅助快速清洗与快速干燥。因此，通过微波技术与MD技术的集成有望解决上述制约MD工业化应用的三个主要关键问题。

总之，微波强化膜蒸馏过程的方法与相关装置目前尚未见报道，该发明具有明显创新性与应用前景。

三 发明内容

本发明提出将微波技术与膜蒸馏技术相耦合，设计制作出一种可实现高产水通量、实现污染膜的在线清洗与干燥，并可在实际生产中有大规模应用前景的膜蒸馏工艺装置。采用的主要设备及材料包括：疏水微孔膜，微波反应腔，微波磁控管及相应配件等。

本发明的出发点在于在一定程度上解决膜蒸馏过程中存在的一些问题，这里主要是规模化应用后膜通量较低和膜污染的问题。其中，膜通量的根本制约因素是料液侧膜表面的温度，一方面是膜组件放大后组件进出口温差较大，导致单位有效膜面积的膜通量较低，膜面积利用率下降，另一方面是温度极化的问题，所谓温度极化是指膜蒸馏过程中，由于蒸馏不断带走热量而导致膜面处料液温度低于料液主体的温度，膜蒸馏的相关研究已经证明，温度极化是影响膜蒸馏通量不可忽视的现象。

膜污染也是制约膜蒸馏过程的一个重要因素，膜污染源于膜蒸馏长时间运行过程中，待分离料液中的溶质在膜表面的沉积，膜污染严重后会影响膜蒸馏的通量及产物的纯度，目前污染膜的清洗及干燥还主要采用常规方法，即采用化学酸碱清洗剂清洗污染膜，清洗后的湿膜或自然干燥或用空气压缩机吹干，效率较低。

解决上述问题，当前主要依靠在料液侧增加“扰动因素”，如增大料液流速，设置格网等。但对于规模化尤其是进出口流程较长的膜组件，机械扰动作用毕竟是有限的，且增大机械扰动会增加动力的消耗，使工艺构造复杂程度加剧。

通过微波和膜蒸馏的耦合集成可以更好地解决上述问题，微波的高效均相加热及“机械微搅动”作用可以在较长的膜组件流程上实现温度的均一性，并可在一定程度上缓解温度极化和膜污染现象，并有助于污染膜的清洗及干燥。