适用于纯水制备的直接接触式膜蒸馏装置和纯水制备方法

1.本发明属于膜蒸馏领域，技术涉及一种适用于纯水制备的直接接触式膜蒸馏装置和纯水制备方法。


背景技术：

2.膜蒸馏是近年来出现的一种新的膜分离工艺。它是使用疏水的微孔膜对含非挥发溶质的水溶液进行分离的一种膜技术。由于水的表面张力作用，常压下液态水不能透过膜的微孔,而水蒸气则可以。当膜两侧存在一定的温差时，由于蒸汽压的不同，水蒸气分子透过微孔则在另一侧冷凝下来，使溶液逐步浓缩。这一工艺可充分利用工厂热或太阳能等廉价能源，加上过程易自动化、设备简单，正成为一种有实用意义的分离工艺。该技术自1963年面世以来，根据挥发性组分在膜渗透侧的不同冷凝方式，可以区分为直接接触式膜蒸馏、气隙式膜蒸馏、扫气式膜蒸馏、及真空膜蒸馏四种结构，其中以直接接触式膜蒸馏研究最为广泛。
3.直接接触式膜蒸馏实现较为简单，主要包括进料侧、膜组件、产水侧三大部分。
4.在进料侧，主要包括待分离溶液(非挥发性溶质的水溶液，如海水、苦咸水、污水等)、加热设备、泵等。该部分主要是将待分离溶液加热到预设温度后，通过泵将其运输到膜组件中。
5.膜组件是膜蒸馏系统的中枢单元，是膜分离过程进行的场所，是膜蒸馏过程的载体。膜组件结构的优劣将直接影响膜蒸馏的分离效率和经济性能。工业上常用的膜组件有板框式膜组件、圆管式膜组件、中空纤维式膜组件、螺旋缠绕式膜组件等。其中，膜组件中最重要的是其中放置了多孔疏水膜。工业中常用多孔疏水膜有聚四氟乙烯(ptfe)、聚丙烯(pp)、聚乙烯(pe)、聚偏氟乙烯(pvdf)等，其中ptfe应用较多。
6.在产水侧，主要包括了产水管、泵、冷凝设备等。该部分主要是将通过疏水多孔膜的蒸汽进行冷凝并将液化的蒸馏水进行收集。
7.现有技术普遍存在的缺点主要包括：
8.(1)能耗高、膜蒸馏通量较低，导致造水成本高。相关文献表明，提高进料侧温度是有效提高膜通量的办法。但提高进料侧温度则意味着增加了处理成本。而在产水侧需要通过制冷设备实现对水蒸气的冷凝，目前直接接触式膜蒸馏设备对产水侧的水体整体进行降温，随着产水侧水量的增加，能耗越来越高，并降低制冷效果，甚至无法实现产水侧温度控制要求。
9.(2)缺少对膜蒸馏的过程控制，目前现有技术相关设备需要人为监测控制，当出现进料侧液位降低时，为防止加热设备干烧，需要及时添加原料；当产水侧出现电导率过高时会对当前产水侧水体造成污染，需要立即停止设备并进行检修；当膜通量较低时继续产水会增加造水成本并增加对产水侧水体造成污染的风险，此时应及时停机并更换新膜片。


技术实现要素：

10.为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种适用于纯水制备的直接接触式膜蒸馏装置和纯水制备方法。
11.本发明的技术方案如下：
12.本发明首先提供了一种适用于纯水制备的直接接触式膜蒸馏装置，其包括原水侧组件、膜组件、产水侧组件和控制器；
13.所述原水侧组件包括原水池、原水侧水泵、原水加热池、原水循环泵；所述原水池通过管路和原水侧水泵连接原水加热池，原水仅能从原水池向原水加热池单向泵送；所述原水加热池内设置有加热组件；和搅拌装置；
14.所述原水加热池通过管路和原水循环泵连接膜组件的原水进水口，所述膜组件的原水出水口通过管路连接原水加热池，原水加热池、原水循环泵和膜组件通过管路构成原水侧循环；
15.所述产水侧组件包括产水水泵、第一级产水池、第二级产水池和电子秤；所述第一级产水池通过循环管路与膜组件的产水侧进水口、产水侧出水口相连构成产水侧循环，所述循环管路上设置有产水水泵；
16.所述第一级产水池的出水口位于第一级产水池的设定高度，所述第一级产水池通过出水口连接第二级产水池的进水口，第一级产水池内的水位高于出水口高度时，水从第一级产水池单向流入第二级产水池，所述第二级产水池设置在电子秤上；所述第一级产水池内设置有恒温制冷组件；
17.控制器分别与原水侧水泵、原水循环泵、加热组件、搅拌装置、产水水泵、恒温制冷组件相连进行控制，控制器与电子秤相连获取称重信号；控制器还配置有蜂鸣器。
18.进一步的，所述的膜组件包括原水侧膜池、产水测膜池、以及设置在原水侧膜池和产水测膜池之间的疏水多孔膜和支撑格网；其中疏水多孔膜设置在支撑格网上，原水侧膜池上设置有原水进水口和原水出水口；产水测膜池上设置有产水测进水口和产水测出水口。
19.进一步的，所述的膜组件还包括膜组件上盖板和膜组件下盖板，膜组件上盖板和膜组件下盖板分别通过螺栓固定在膜组件的上、下表面，对膜组件进行封装。
20.进一步的，所述的疏水多孔膜的材质为ptfe、pp、pe或pvdf。
21.进一步的，所述的原水加热池内还设置有液位计，液位计与控制器相连，液位计用于获取原水加热池内的液位高度并传输给控制器；当原水侧水泵工作的情况下，原水加热池的液位仍无法达到工作安全水位时，控制器控制加热组件停止加热，关闭原水循环泵和产水水泵且蜂鸣器报警。
22.进一步的，所述第一级产水池的入口处设有电导率传感器，当电导率传感器检测的电导率高于预设值或检测的电导率的突然提升时，关闭原水循环泵和产水水泵且蜂鸣器警报。
23.本发明还提供了一种基于上述装置的纯水制备方法，在原水加热池内还设置有液位计，在第一级产水池的入口处设有电导率传感器；所述方法包括如下步骤：
24.1)在原水池和原水加热池中填入原水，水量应保证大于等于原水加热池安全水位水量；
25.2)在第一级产水池中加入纯净水，达到产水循环所需的必要水量；
26.3)开启控制器，设定原水加热池温度在60～80℃和第一级产水池温度在20～40℃；
27.4)原水加热池启动加热组件，开启搅拌装置，控制器通过计算流体力学分析，给出原水加热池加热过程的最优加热组件与搅拌装置工作参数，降低加热能耗，并对整体水温进行监测；恒温制冷组件对第一级产水池中纯净水进行降温；当原水加热池中原水温度与产水侧第一级产水池中温度达到预设范围时，控制器开启原水循环泵，产水水泵，开始纯水制备工作；
28.5)第一级产水池内的水参与产水循环，当第一级产水池内的水量高于第一级产水池出口高度时，水进入第二级产水池，第二级产水池内的水不参与产水循环；
29.6)工作过程中，液位计实时监测原水加热池水位，当水位低于第一设定阈值时，原水侧水泵启动工作自动向原水加热池中填入原水；当水位低于安全水位时，液位计反馈信号给控制器，制器控制加热组件停止加热，关闭原水循环泵和产水水泵且蜂鸣器报警；其中，所述第一设定阈值高于安全水位；电导率传感器实时监测进入第一级产水池的产水的电导率，当电导率高于预设值或检测到电导率突然提升时，关闭原水循环泵和产水水泵且蜂鸣器警报；同时，控制器通过电子称的重量变化实时检测产水侧膜通量，当其小于系统预设或用户设定值时，关闭原水循环泵和产水水泵，停止工作。
30.与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
31.(1)因为本发明对原料侧、产水侧均进行了两级处理，加入了液位检测和自动续水等功能，优化了加热与制冷过程，避免了现有设备中可能出现的由于液位过低而产生干烧甚至设备损坏，以及产水侧制冷能耗高、制冷效果无法达到控制要求的情况。
32.(2)因为本发明在整个过程实现自动监控，当出现进料加热侧水位低于安全水位且无法添续、膜污染导致的通量集聚下降、膜击穿等情况发生时，系统将及时关闭。因此客服了现有技术中因检测不及时、监控不及时而造成的产水侧水体受污染、膜通量降低导致的产水成本增加等情况。
附图说明
33.图1为本发明直接接触式膜蒸馏装置的结构示意图；
34.图2为本发明膜组件的结构示意图。
35.图中，1.控制器；2.原水池；3.原水侧水泵；4.原水加热池；5.加热组件；6.螺旋桨；7.原水循环泵；8.膜组件；9.产水水泵；10.恒温制冷组件；11.第一级产水池；12.第二级产水池；13.电子秤；14.膜组件上盖板；15.原水进水口；16.原水出水口；17.疏水多孔膜；18.支撑格网；19.产水测膜池；20.原水侧膜池；21.膜组件下盖板；22.产水侧进水口；23.产水侧出水口；24.固定螺栓；25.原水侧螺栓孔；26.产水侧螺栓孔。
具体实施方式
36.下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
37.如图1所示，本实施例示意的适用于纯水制备的直接接触式膜蒸馏装置包括原水侧组件、膜组件8、产水侧组件和控制器1；
38.所述原水侧组件包括原水池2、原水侧水泵3、原水加热池4、原水循环泵7；所述原水池2通过管路和原水侧水泵3连接原水加热池，原水仅能从原水池2向原水加热池单向泵送；所述原水加热池内设置有加热组件5；和搅拌装置；所述原水加热池4通过管路和原水循环泵7连接膜组件8的原水进水口，所述膜组件8的原水出水口通过管路连接原水加热池，原水加热池4、原水循环泵7和膜组件8通过管路构成原水侧循环；
39.所述产水侧组件包括产水水泵9、第一级产水池11、第二级产水池12和电子秤13；所述第一级产水池11通过循环管路与膜组件8的产水侧进水口、产水侧出水口相连构成产水侧循环，所述循环管路上设置有产水水泵9；所述第一级产水池11的出水口位于第一级产水池11的设定高度，所述第一级产水池11通过出水口连接第二级产水池12的进水口，第一级产水池11内的水位高于出水口高度时，水从第一级产水池11单向流入第二级产水池12，所述第二级产水池12设置在电子秤13上；所述第一级产水池11内设置有恒温制冷组件10；
40.控制器1分别与原水侧水泵3、原水循环泵7、加热组件5、搅拌装置、产水水泵9、恒温制冷组件10相连进行控制，控制器1与电子秤13相连获取称重信号；控制器1还配置有蜂鸣器。
41.进一步的，所述的原水加热池4内还设置有液位计，液位计与控制器1相连，液位计用于获取原水加热池4内的液位高度并传输给控制器1；当原水侧水泵3工作的情况下，原水加热池4的液位仍无法达到工作安全水位时，控制器控制加热组件5停止加热，且蜂鸣器报警。
42.进一步的，所述第一级产水池11的入口处设有电导率传感器，当电导率传感器检测的电导率高于预设值或检测的电导率的突然快速提升时，蜂鸣器警报。
43.如图2所示，所述的膜组件8包括原水侧膜池20、产水测膜池19、以及设置在原水侧膜池和产水测膜池之间的疏水多孔膜17和支撑格网18；其中疏水多孔膜17设置在支撑格网18上，原水侧膜池20上设置有原水进水口15和原水出水口16；产水测膜池19上设置有产水测进水口22和产水测出水口23。所述的膜组件8还包括膜组件上盖板14和膜组件下盖板21，膜组件上盖板14和膜组件下盖板21分别通过固定螺栓24、原水侧螺栓孔25、产水侧螺栓孔26固定在膜组件的上、下表面，对膜组件进行封装。其中，疏水多孔膜17的材质为ptfe、pp、pe或pvdf。膜组件总高度在1～3mm之间。螺栓型号、数量、位置等可根据实际情况进行调整。
44.在本发明中，控制器通过计算流体力学分析(cfd)，给出加热过程的最优加热棒与螺旋桨工作参数，降低系统加热能耗，实现恒温控制(
±
0.5～1℃)。
45.上述控制器、上位机、管路等部件的型号可以根据实际需求进行选择。其中，加热侧的液位传感器可以用秤替代。即在原水加热侧水箱下方安置秤。当整体重量小于某一设定值时等同于液位传感器检测数值。
46.使用图1所示装置进行纯水制备，可按如下方法进行：
47.1)在原水池和原水加热池中填入原水，水量应保证大于等于原水加热池安全水位水量；
48.2)在第一级产水池中加入纯净水，达到产水循环所需的必要水量；(电导率≤10μs/cm最优)；
49.3)开启控制器，设定原水加热池温度在60～80℃和第一级产水池温度在20～40℃，可进一步预设原水侧蠕动泵工作流量、产水侧蠕动泵工作流量、产水侧预计水位(默认为产水池续满)；
50.4)原水加热池启动加热组件，开启搅拌装置，控制器通过计算流体力学分析(cfd)，给出原水加热池加热过程的最优加热组件与搅拌装置工作参数，降低加热能耗，并对整体水温进行监测；恒温制冷组件对第一级产水池中纯净水进行降温；当原水加热池中原水温度与产水侧第一级产水池中温度达到预设范围时，控制器开启原水循环泵，产水水泵，开始纯水制备工作；
51.5)第一级产水池内的水参与产水循环，当第一级产水池内的水量高于第一级产水池出口高度时，水进入第二级产水池，第二级产水池内的水不参与产水循环；
52.6)工作过程中，液位计实时监测原水加热池水位，当水位低于第一设定阈值时，原水侧水泵启动工作自动向原水加热池中填入原水；当水位低于安全水位时，液位计反馈信号给控制器，制器控制加热组件5停止加热，关闭原水循环泵和产水水泵且蜂鸣器报警；其中，所述第一设定阈值高于安全水位；
53.电导率传感器实时监测进入第一级产水池的产水的电导率，当电导率高于预设值或检测到电导率突然提升时，关闭原水循环泵和产水水泵且蜂鸣器警报；
54.同时，控制器通过电子称的重量变化实时检测产水侧膜通量，当其小于系统预设或用户设定值时，关闭原水循环泵和产水水泵，停止工作。
55.其中，膜通量计算公式为：
56.j＝m/(s
·
t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
57.其中，j代表膜通量，单位kg/m2·
h；m代表总产水重量，单位kg；s代表膜组件中膜的有效面积，单位m2；t代表蒸馏时间，单位h。
58.本发明将原料侧分为两大部分，包括原水池与原水加热池，两组设备通过泵联通。系统工作时仅仅对原水加热池中的水进行加热。且在加热池中安装有搅拌装置如螺旋桨，控制器通过计算流体力学分析优化，能够快速均匀水温，降低能耗。将产水侧分成恒温制冷组件与产水池两部分。产水池分为两级。恒温制冷组件仅对第一级中少量参与膜蒸馏循环的蒸馏水进行冷却，多余产水流入第二级产水池中自然冷却，因此大大降低了水冷能耗，从而适用于工业中纯水的制备。
59.本发明系统正常工作过程中，原料侧因加热、蒸馏产水等原因，水位将持续降低。当降低到安全水位下时，易造成加热设备干烧，甚至损坏等情况。为解决这一问题，将原料侧分为两大部分，包括原水池与原水加热池，两组设备通过泵联通。在原水加热池中加入液位传感器，当水位低于安全水位时，启动原水侧水泵3，从原水池向原水加热池中续水至达到第一设定阈值(第一设定阈值可选择为满水位)；当启动原水侧水泵3后无法将原水加热池水位提高至安全水位之上时，系统自动关闭加热功能。当加热原水池温度低于预先设置最低工作温度时，整个系统自动停止工作。
60.系统工作过程中，若膜组件中的疏水多孔膜被污水污染，膜通量将持续降低。当污染较严重时，甚至会发生膜击穿现象。即膜两侧联通，此时产水侧电导率会发生飙升，并对产水侧水体造成污染。因此，为解决上述问题。本发明在产水侧安置了电导传感器、天平等设备，实时监控系统工作过程的膜通量与电导率变化。当膜通量降低到设定值或产水侧电
导率发生突然性增高(电导率的变化率大于设定阈值时)现象时，系统发出警报，并停止工作。
61.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。