[发明专利]集成料液加热功能的平板式膜组件及在膜蒸馏中的应用

说明书

本发明公开了集成料液加热功能的平板式膜组件及在膜蒸馏中的应用；该平板式膜组件主要包括加热部件、加热板、微孔疏水膜、密封垫、膜支撑板和料液侧流道；加热板宽度方向两端下部设有密封垫，密封垫位于微孔疏水膜外端，加热板宽度方向两端中设有进料通道和出料通道，两个密封垫之间的加热板和微孔疏水膜形成料液侧流道，料液侧流道两端分别与进料通道和出料通道连通，料液侧流道的高度为0.8‑1.8mm。本发明通过有效控制料液侧流道的高度在0.8‑1.8mm范围内显著提高膜分离效能同时降低采用MD方法实现海水淡化、污水处理和食品浓缩等蒸发浓缩过程的能耗和成本。

技术领域

本发明涉及膜分离技术领域，具体涉及一种集成料液加热功能的平板式膜组件及在膜蒸馏中的应用。通过本发明可获得一种紧凑、高效的平板膜蒸馏膜单元，降低采用膜蒸馏方法海水淡化、污水处理和食品浓缩等蒸发浓缩过程的能耗和成本。

背景技术

膜蒸馏(membrane distillation,MD)是以微孔疏水膜两侧蒸汽压差驱动蒸汽渗透的节能膜分离技术，广泛应用于海水淡化、污水处理和食品浓缩等领域。区别于传统热法蒸发浓缩方法(如多效蒸发、多级闪蒸等)和其他膜分离技术(如反渗透、纳滤、电渗析等)，MD能在较温和的操作条件下(绝对压力为101kPa、温度低于80℃)在获得纯净的渗透液(纯水)同时将料液浓缩至饱和状态，在矿物盐回收、高盐度工业废水处理、果汁和奶制品浓缩等领域展现出巨大的应用前景，受到产业界的广泛关注，目前与MD技术相关的公开专利已超1300件。

根据渗透侧的捕集方式，MD一般可分为直接接触式(direct contact MD,DCMD)、气隙式(air gap MD,AGMD)、气体吹扫式(sweeping gas MD,SGMD)和真空式(vacuum MD,VMD)。各种形式MD的料液侧都需要加热料液，而加热所需的热源一般可利用过程工业中的余热资源(如低温蒸汽、热水等)，通过外置的热交换设备加热料液后进入膜单元的热侧。传统MD膜单元包含被膜物理分隔的料液侧和渗透侧两个组件，较高温度的料液和较低温度的渗透液分别在相应料液侧和渗透侧膜组件的流道中流动。由于较高温的料液比较低温的渗透液具有较高的蒸汽压，料液在膜面热侧蒸发的蒸汽压差的驱动下跨膜渗透到膜面冷侧，由此实现了料液的蒸发浓缩。

在传统MD膜单元中料液沿膜面流动，由于料液的蒸发传热以及跨膜导热损失，膜表面热侧温度将沿料液流动方向降低，由此造成了膜两侧平均温差小于膜单元冷热两侧物流的进口温差；此外，流体在膜单元流道中的流动、传热和传质都受膜表面的边界层影响而产生了极化现象，即料液侧流道中的平均温度高于膜表面温度。这种无可避免的极化现象将进一步降低了MD膜单元的分离效能。

为提高MD膜单元的分离效能，当前主要采用逆流操作、提高膜单元两侧流体流率和强化流道中流体扰动等方法提高膜面平均温差和缓解极化作用。然而这些方法虽缓解了极化现象和减少了膜单元料液侧的温度降低问题，但却大幅增加了流体输送的动力消耗，难以显著提升MD系统的综合能效。近期随着太阳能利用的广泛应用，发现直接将太阳能加热部件与MD膜单元集成可促进太阳能的转化利用。

当前在MD膜组件中集成加热部件主要用于膜面加热或料液加热。中国发明专利申请CN 110078150A公开了一种光伏发电海水淡化DCMD复合装置，采用具有红外吸收功能的疏水膜，即直接在膜表面加热料液实现膜蒸馏分离，虽然直接在膜料液侧表面加热能有效抑制温差极化影响，但同时也因增加了膜两侧表面的温差而加剧了膜的导热散热损失；此外，应用该技术时，要先通过光伏电池组件将太阳光的短波光转换为电能，而长波红外光透过电池板冷却后辐射加热料液，由此造成红外光在透过聚光多结太阳能电池板时损耗了较大的光能，而且为维持光伏电池板高效发电还需对玻璃基板进行冷却，由此显著降低了红外辐射表面的温度，从而降低了辐射传热效能，故此MD效能提高较少。