一种减缓浓差极化的改进型正渗透膜组件及其应用的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种减缓浓差极化的改进型正渗透膜组件及其应用，属于环境工程中废水处理【技术领域】。该正渗透膜组件包括两块平板、垫片、正渗透膜、金属网，两块平板中间夹有垫片和正渗透膜，正渗透膜两侧分别形成原料液腔室和汲取液腔室，在原料液腔室和汲取液腔室各设一个金属网。向原料液腔室和汲取液腔室灌注原料液和汲取液，原料液的渗透压低于汲取液的渗透压；在膜两侧溶液渗透压差的作用下，实现纯水分离。金属网对流体的扰动作用、传质促进作用减缓运行中浓差极化，提升水通量运行效果。该正渗透膜组件装置构造简单，运行灵活，操作方便，适于模块化和一体化反应器设计，在直接提取饮用水领域中具有广泛的应用前景。
【专利说明】一种减缓浓差极化的改进型正渗透膜组件及其应用
【技术领域】
[0001]本发明属于环境工程【技术领域】，涉及一种减缓浓差极化的改进型正渗透膜组件及其应用，在运行过程中通过在膜组件的适当位置引入起扰动作用的金属网来达到减缓浓差极化的目的。
【背景技术】
[0002]随着人口的增加，水资源短缺现象日益严峻，甚至成为了制约社会可持续发展不可忽视的因素之一。基于膜分离技术无相变、低能耗、常温操作等优势，将其应用于污水再利用已经日渐成为一种解决水资源短缺的理想方法之一。而从属于膜分离技术的正渗透工艺，仅依靠膜两侧的溶液渗透压差作为纯水通过的驱动力，能耗低；而且膜污染轻微，降低操作复杂度，近年有逐渐取代传统压力驱动型膜工艺的趋势。目前正渗透技术已经在食品浓缩、医药、能源、污水提纯及海水淡化领域有所尝试。
[0003]尽管有上述优势，但在实际运行过程中，由于浓差极化(尤其是内浓差极化)现象的存在，造成正渗透技术的实际水通量要远低于其理论水通量。McCutcheon等人也指出相比于外浓差极化现象，内浓差极化现象对正渗透过程的实际水通量起主导作用。可以说，内浓差极化的减缓对于正渗透技术尽早投入大规模应用起着不可忽视的作用。
[0004]针对于外浓差极化现象，目前人们多用增加流体错流速率等方式对其进行削弱；但这种削弱作用势必要以额外的能源消耗(由提高错流速率引起)为代价；针对于内浓差极化现象，N.Ma等人提出了一种对正渗透膜支撑层进行改性的方法来减缓内浓差极化，但是这种改性方法过程复杂，距离真正的工业化应用还有很长的一段距离。因此，寻找一种简捷、低成本的减缓正渗透技术中存在的浓差极化现象就显得很有意义。
【发明内容】
[0005]本发明的目的即为对传统的正渗透平板膜组件进行改进，在不增加能耗的条件下，使其完成纯水分离的同时能够显著减缓运行过程中出现的浓差极化，最终提高其单位膜面积上的产水量。
[0006]一种减缓浓差极化的改进型正渗透膜组件，该正渗透膜组件包括两块平板、垫片、正渗透膜、金属网，两块平板中间夹有垫片和正渗透膜，正渗透膜两侧分别形成原料液腔室和汲取液腔室，在原料液腔室和汲取液腔室各设有一个金属网。其中，在原料液腔室中间位置和汲取液腔室贴紧膜的位置上通过腔室内的支架固定金属网。
[0007]利用蠕动泵向原料液腔室和汲取液腔室灌注原料液和汲取液，原料液的渗透压低于汲取液的渗透压；在膜两侧溶液渗透压差的作用下，原料液中的水通过正渗透膜渗透到汲取液腔室中，实现水的分离。位于原料液或汲取液腔室内的金属网通过对流体的扰动作用、传质促进作用来减缓运行中出现的浓差极化现象，最终达到提升水通量运行效果的目的。
[0008]本发明的效果和益处是通过对传统的正渗透膜组件的简易改造，即在原料液腔室远离膜的位置添加金属网，或者在汲取液腔室贴近膜的位置添加金属网，就可以在一定程度上借助金属网造成的流体扰动作用以及增强传质作用来减缓运行过程中出现的浓差极化(外浓差极化与内浓差极化)。尤其是在原料液腔室以及汲取液腔室均安置金属网后，经实际运行试验发现，这种改进的正渗透装置相较于传统的平板正渗透膜组件，其水通量可达到至少14%的提升幅度。实验证实该方法确实有利于促进正渗透技术的节能降耗、实现可持续发展。这种改进的正渗透装置构造简单，运行灵活，操作方便，适宜于模块化和一体化反应器设计，在海水淡化和污水中直接提取饮用水领域中具有广泛的应用前景。此外，也可将其应用于食品业中果汁的浓缩等。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是一种减缓浓差极化的改进型正渗透膜组件的示意图。
[0010]图2是金属网的平面图。
[0011]图3是原料液腔室/汲取液腔室金属网固定装置放大图。
[0012]图中:I汲取液进水口 ；2汲取液出水口 ；3金属网；4正渗透膜；
[0013]5汲取液腔室；6原料液腔室；7原料液进水口 ；8原料液出水口 ；
[0014]9金属网固定装置；10垫片。
【具体实施方式】
[0015]以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的【具体实施方式】。
[0016]实施例
[0017]一种减缓浓差极化的改进型正渗透膜组件，膜组件的构造:透明的有机玻璃平板，中间通过垫片10 (垫片厚度为4mm)以及正渗透膜4的阻隔形成原料液腔室以及汲取液腔室。正渗透膜的尺寸为2.1cmX20cm。形成的原料液腔室以及汲取液腔室的尺寸均为长X宽X高=2.lcmX20cmX4mmo正渗透膜活性层朝向原料液，原料液为污水，汲取液为高浓度氯化钠溶液。按照说明书附图所示将金属网(孔眼规格为3.5mmX3.5mm)安置在膜组件的对应位置上，并通过腔室内的金属网固定装置固定。其中，位于原料液腔室中的金属网与正渗透膜保持2mm的间距，位于汲取液腔室中的金属网与正渗透膜则呈贴紧状态。启动蠕动泵，原料液经由原料液进水口 7进入，原料液出水口 8流出；汲取液经由汲取液进水口 I流入，汲取液出水口 2流出。此时，正渗透膜4两侧就会形成溶液的渗透压差，在此渗透压差的驱动力下，原料液腔室6中的水分子就会透过正渗透膜4进入到汲取液腔室5中。
[0018]结果发现，在活性层朝向原料液的膜取向下，位于原料液腔室的金属网安置在远离膜的位置(可以提升膜面流体紊流程度，减缓浓缩外浓差极化)、位于汲取液腔室的金属网安置在贴紧膜的位置(可以促使汲取液溶质在膜支撑层积累，提高膜两侧的渗透压差，减缓稀释内浓差极化)达到最好的运行效果，外浓差极化以及内浓差极化现象都得到改善。与未安置金属网的实验相比，水通量分别有5.4%和9%的提升；另外，当在原料液腔室以及汲取液腔室均安置金属网时，与未安置金属网的实验相比，其水通量提升了 14%。对金属网尺寸的最优化设计发现:金属网的孔眼尺寸为3.5mmX3.5mm时具有最佳的水通量提升效果。
【权利要求】
1.一种减缓浓差极化的改进型正渗透膜组件，其特征在于，该正渗透膜组件包括两块平板、垫片、正渗透膜、金属网，两块平板中间夹有垫片和正渗透膜，正渗透膜两侧分别形成原料液腔室和汲取液腔室，在原料液腔室和汲取液腔室各设有一个金属网。
2.根据权利要求1所述的改进型正渗透膜组件，其特征在于，所述的金属网分别位于原料液腔室中间位置和汲取液腔室贴紧膜的位置。
3.根据权利要求1或2所述的改进型正渗透膜组件，其特征在于，所述的金属网，其网孔尺寸为3.5mm X 3.5mm。
4.根据权利要求1或2所述的改进型正渗透膜组件，其特征在于，所述的垫片为橡胶垫片。
5.根据权利要求3所述的改进型正渗透膜组件，其特征在于，所述的垫片为橡胶垫片。
6.权利要求1或2或5所述的改进型正渗透膜组件的应用，其特征在于，向原料液腔室和汲取液腔室灌注原料液和汲取液，原料液的渗透压低于汲取液的渗透压；在膜两侧溶液渗透压差的作用下，原料液中的水分子通过正渗透膜渗透到汲取液腔室中，实现纯水分离。
7.权利要求3所述的改进型正渗透膜组件的应用，其特征在于，向原料液腔室和汲取液腔室灌注原料液和汲取液，原料液的渗透压低于汲取液的渗透压；在膜两侧溶液渗透压差的作用下，原料液中的水分子通过正渗透膜渗透到汲取液腔室中，实现纯水分离。
8.权利要求4所述的改进型正渗透膜组件的应用，其特征在于，向原料液腔室和汲取液腔室灌注原料液和汲取液，原料液的渗透压低于汲取液的渗透压；在膜两侧溶液渗透压差的作用下，原料液中的水分子通过正渗透膜渗透到汲取液腔室中，实现纯水分离。
【文档编号】C02F1/44GK103801195SQ201410075646
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年3月4日 优先权日:2014年3月4日
【发明者】张捍民, 程世营 申请人:大连理工大学