用于除鹽的真空氣隙膜蒸餾體系的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于除鹽目的的真空氣隙膜蒸餾系統(tǒng)。更特別地，本發(fā)明涉及一種具有多個單元的膜蒸餾體系，其中由于所述體系內(nèi)的溫度差和壓差，體系的通量得以增加。所述真空氣隙膜蒸餾體系的構(gòu)造允許有效再循環(huán)體系內(nèi)的潛熱，從而降低體系的能量消耗。
【專利說明】用于除鹽的真空氣隙膜蒸餾體系

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于除鹽的真空氣隙膜蒸餾體系。更特別地，本發(fā)明涉及一種要 求最小能量消耗的用于高度有效的除鹽過程的具有多個單元（cell)的膜蒸餾體系。

【背景技術(shù)】
[0002] 膜蒸餾（MD)為熱驅(qū)動過程，其中僅蒸氣分子傳輸通過膜層。用于被蒸餾物的液 體進(jìn)料位于膜的一側(cè)，用于由蒸氣分子冷凝的餾出物或收集液體的收集區(qū)域位于膜的另一 偵k被蒸餾物通常被加熱，餾出物通常在比被蒸餾物更冷的溫度下。蒸發(fā)在膜的經(jīng)加熱的被 蒸餾物側(cè)上發(fā)生，冷凝在膜的更冷的餾出物側(cè)上發(fā)生。由于被蒸餾物側(cè)具有比餾出物側(cè)高 得多的溫度，因此被蒸餾物側(cè)具有比餾出物側(cè)更高的蒸氣壓。當(dāng)膜分離被蒸餾物與餾出物 時，在膜的兩側(cè)之間存在蒸氣壓梯度。該蒸氣壓梯度為使來自被蒸餾物側(cè)的蒸發(fā)液體傳輸 通過膜至餾出物區(qū)域的主要驅(qū)動力，在所述餾出物區(qū)域處，蒸氣隨后冷凝成所需液體。協(xié)助 蒸氣分子傳輸通過膜層的另一驅(qū)動力為熱擴散。由于被蒸餾物側(cè)與餾出物側(cè)之間的溫差， 蒸發(fā)的水分子從具有更高溫度的一側(cè)擴散至具有更低溫度的一側(cè)。
[0003] 相比于反滲透體系和純蒸餾體系，MD體系更有利，因為MD體系在低得多的壓力和 更低的溫度下操作。自從約20世紀(jì)60年代后期，MD體系出現(xiàn)，但部分由于可通過典型的 除鹽過程而獲得的低的通量率，MD體系并未作為水除鹽過程而被廣泛商業(yè)采用。近來，由 于對現(xiàn)有MD體系的各種改進(jìn)所進(jìn)行的大量研究，MD體系被認(rèn)為是用于處理海水的潛在可 行的解決方法。另外，如今最新的MD體系可接入可再生熱源（如太陽能或由電廠產(chǎn)生的過 剩熱）以加熱被蒸餾物，從而產(chǎn)生更能量有效且更成本有效的MD體系，使得這些體系對于 商業(yè)活動更可行。目前存在四種一般類型的膜蒸餾體系，這些包括氣隙膜蒸餾（AGMD)、直接 接觸膜蒸餾（DCMD)、吹掃氣膜蒸餾（SGMD)和真空膜蒸餾（VMD)。
[0004] 在AGMD體系中，冷水進(jìn)料與膜的餾出物側(cè)之間存在氣隙，而膜的被蒸餾物側(cè)與熱 水進(jìn)料直接接觸。經(jīng)過濾的水蒸氣在穿過氣隙定位的冷卻金屬板上冷凝之前擴散通過氣 隙。冷凝物隨后通過重力而排出氣隙腔體。AGMD體系的一個缺點在于，在氣隙腔體內(nèi)存在 停滯空氣。該停滯空氣降低體系的通量率，因為歸因于停滯空氣的阻力降低體系的質(zhì)量傳 遞速率。
[0005] 在DCMD體系中，膜在一側(cè)與冷水進(jìn)料直接接觸，并在另一側(cè)與熱水進(jìn)料直接接 觸。由膜過濾的蒸發(fā)的水蒸氣冷凝，并在膜的冷水側(cè)處與更冷的水組合。DCMD體系最適用 于除鹽應(yīng)用和降低水溶液的濃度。DCMD體系的一個缺點在于，盡管膜的差的傳導(dǎo)性，熱量從 被蒸餾物側(cè)直接傳導(dǎo)通過膜至餾出物側(cè)。因此，提供至被蒸餾物的熱量中的僅一部分被用 于蒸發(fā)過程。由于餾出物與膜直接接觸，因此餾出物損失了提供至被蒸餾物的熱量的其余 部分，從而產(chǎn)生具有極低熱效率的體系。
[0006] SGMD體系通常在膜的餾出物側(cè)使用氣流作為水蒸氣的載體。吹過膜表面的氣流從 膜的表面和/或孔穴去除水蒸氣粒子至冷凝室中。水蒸氣在外部冷凝室內(nèi)冷凝，并收集以 用于進(jìn)一步使用。除了降低熱傳導(dǎo)損失之外，氣流也降低質(zhì)量傳遞阻力。SGMD體系最適用 于需要從水溶液中去除揮發(fā)物的應(yīng)用。SGMD體系的缺點在于，需要大的吹掃氣流以實現(xiàn)顯 著的滲透產(chǎn)率，且需要外部冷凝器以用于冷凝過程。
[0007] VMD體系通常在膜的餾出物側(cè)使用真空，以提取水蒸氣。經(jīng)提取的水蒸氣在單獨 的冷凝裝置中冷凝。不同于利用擴散通量來影響水蒸氣的傳遞的DCMD和AGMD體系，膜的 被蒸餾物側(cè)與膜的餾出物側(cè)之間的更大的壓差產(chǎn)生通過膜的孔穴的對流質(zhì)量流，這有助于 VMD體系的總質(zhì)量傳遞。VMD體系的優(yōu)點在于，由于餾出物側(cè)的低的壓力而使得體系的熱傳 導(dǎo)損失為可忽略的，且VMD體系的質(zhì)量通量通常比其他MD體系更大。與SGMD體系類似， VMD體系最適用于需要從水溶液中去除揮發(fā)物的應(yīng)用。VMD體系的一個缺點在于，必須提供 外部冷凝器以用于經(jīng)收集的水蒸氣分子的冷凝。
[0008] 增加DCMD體系的通量傳遞的一些提出的方法包括將真空施加至膜的滲透物 偵牝以使?jié)B透物流在真空或減壓下流動。這種方法公開于代表內(nèi)華達(dá)大學(xué)雷諾分校 (UniversityofNevada,Reno)的以內(nèi)華達(dá)高等教育體系董事會（BoardofRegentsof theNevadaSystemofHigherEducation)的名義公開于2011年10月4日的美國專利 No. 8, 029, 671B2。該公開公開了一種真空增強直接接觸膜蒸餾體系。在所公開的體系中， 真空施加至滲透物側(cè)，以產(chǎn)生通過蒸饋膜的更高的通量傳遞速率。以TzahiY.Cath等人名 義公開于2010年4月15日的美國公布No. 2010/0089830也公開了一種通過將真空施加至 滲透物流而增加DCMD體系的通量的方法。跨過膜的蒸汽壓差則使得被蒸餾物中的水蒸發(fā)， 經(jīng)過膜并在滲透物流中冷凝。在這些公布中公開的真空增強的DCMD體系的一個缺點在于， 水蒸氣的冷凝在與膜直接接觸的滲透物溶液內(nèi)發(fā)生。因此，滲透物溶液必須在整個過程中 保持為未被污染的狀態(tài)。通常，為了獲得這種狀態(tài)，需要外部過濾裝置。另外，由于冷凝物 與滲透物溶液混合，將難以檢測膜內(nèi)的滲漏或檢測潤濕孔隙。
[0009] 在典型的VMD體系中，滲余物/被蒸餾物流的蒸氣壓和VMD體系的蒸氣空間的 絕對壓力基本上保持在相同壓力下，以避免蒸餾膜的高機械載荷。當(dāng)超過蒸餾膜的液體 進(jìn)入壓力時，發(fā)生孔隙潤濕，使得蒸餾膜不起作用。避免VMD體系中的蒸餾膜的高機械載 荷的一個方法公開于以WolfgangHeinzl的名義公開于2011年10月4日的美國專利 No. 8, 029, 675中。該公布公開了一種方法和裝置，其中將負(fù)壓施加于滲余物流，從而降低滲 余物流的絕對壓力。具體地，滲余物流的壓力降低至VMD體系中的蒸氣隙的負(fù)壓水平。
[0010] 現(xiàn)有提出的VMD體系通過將滲余物/被蒸餾物流的壓力降低至VMD體系的負(fù)壓水 平而避免蒸餾膜的過載。在這種體系中，由于滲余物流與蒸氣隙之間的壓差保持為最小，因 此通過蒸餾膜的所得通量率更低。在這種體系中，蒸發(fā)的水分子通過擴散從具有更高溫度 的一側(cè)傳遞通過蒸餾膜至更低溫度的一側(cè)。因此，這種體系通常需要最少數(shù)量的用于這些 體系的膜模塊以商業(yè)可行。
[0011] 由于現(xiàn)有的膜蒸餾體系通常不足夠有效以商業(yè)可行，因此這些體系是不利的。因 此，本領(lǐng)域技術(shù)人員不斷尋找設(shè)計膜蒸餾體系的方式，所述膜蒸餾體系具有足夠高的通量 率、足夠低的能量消耗和優(yōu)良的過濾精度以使膜蒸餾體系在商業(yè)規(guī)模上是可行的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 根據(jù)本發(fā)明，本領(lǐng)域的如上問題和其他問題得以解決，且獲得了本領(lǐng)域的進(jìn)步。根 據(jù)本發(fā)明的真空氣隙膜蒸餾（VAGMD)體系的第一優(yōu)點在于，VAGMD體系具有獨立于冷凝物 收集出口的提取出口，以從冷凝室中去除不可冷凝的氣體。根據(jù)本發(fā)明的VAGMD體系的第 二優(yōu)點在于，VAGMD體系利用跨VAGMD體系的溫度梯度和跨蒸餾膜的蒸氣壓梯度來獲得高 通量率和回收率。根據(jù)本發(fā)明的VAGMD體系的第三優(yōu)點在于，將真空壓力施加至冷凝室， 從而使冷凝室具有部分真空。冷凝室內(nèi)的部分真空增加了跨蒸餾膜的蒸氣壓梯度，這轉(zhuǎn)而 允許體系有效獲得高通量和回收率。根據(jù)本發(fā)明的VAGMD體系的第四優(yōu)點在于，可承受至 少350千帕的液體進(jìn)入壓力的具有液體-蒸氣界面的三層復(fù)合材料納米纖維膜可與所述體 系一起使用，從而產(chǎn)生急劇的跨膜的蒸氣壓梯度。這轉(zhuǎn)而允許體系有效獲得高通量和回收 率。根據(jù)本發(fā)明的VAGMD體系的第五優(yōu)點在于，VAGMD體系的構(gòu)造允許進(jìn)料溶液回收并再 利用來自流動溶液的潛熱。該構(gòu)造允許回收來自流動溶液的熱量的至少85%，因此有效降 低VAGMD體系的總能量消耗。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的另外的實施方案，可使用具有商接觸角（CA>90 ° )、具有水的商液 體進(jìn)入壓力（LEPw)且高度多孔的商用膜。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，脫鹽體系包括具有被蒸餾物側(cè)和餾出物側(cè)的蒸餾 膜；和具有餾出物側(cè)和進(jìn)料側(cè)的冷凝片。冷凝片的餾出物側(cè)面向蒸餾膜的餾出物側(cè)，從而形 成冷凝室。所述冷凝室具有用于收集冷凝物的收集出口和用于提取冷凝室內(nèi)的不可冷凝的 氣體的提取出口。將真空產(chǎn)生裝置連接至收集出口和提取出口，以將真空提供至所述冷凝 室，并促進(jìn)收集和提取過程。在操作中，流動溶液與蒸餾膜的被蒸餾物側(cè)流體連通，進(jìn)料溶 液與冷凝片的進(jìn)料側(cè)流體連通。所述流動溶液的溫度也高于所述進(jìn)料溶液的溫度。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，將負(fù)壓提供至收集出口和提取出口，以使所述冷凝 室具有部分真空。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，將第一負(fù)壓提供至所述收集出口，將第二負(fù)壓提供 至所述提取出口。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的另外的實施方案，將收集裝置連接至所述收集出口，將提取裝置連 接至所述提取出口。所述收集裝置和提取裝置可包括泵和熱壓機或注射器。收集裝置用于 收集來自所述冷凝室的冷凝物，而提取裝置用于從所述冷凝室提取不可冷凝的氣體。此外， 當(dāng)水蒸氣在所述冷凝片的餾出物側(cè)冷凝時，流動溶液的潛熱傳遞至進(jìn)料溶液。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的另外的實施方案，提供熱交換器。所述熱交換器與所述進(jìn)料溶液和 流動溶液流體連通。所述熱交換器在分配作為流動溶液的經(jīng)加熱的進(jìn)料溶液之前，接收進(jìn) 料溶液并增加進(jìn)料溶液的溫度。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的另外的實施方案，進(jìn)料溶液可包含鹽水，流動溶液可包含經(jīng)加熱的 鹽水。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，所述收集出口和所述提取出口位于所述冷凝室的相 對端。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的另外的實施方案，所述冷凝片與所述蒸餾膜之間的距離為2mm至 4mm之間。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的另外的實施方案，所述蒸餾膜可包含可承受至少350千帕的液體進(jìn) 入壓力的具有液體-蒸氣界面的三層復(fù)合材料納米纖維膜。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，所述蒸餾體系可包括多個VAGMD單元，所述多個 VAGMD單元可級聯(lián)在一起而形成模塊。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置的如上優(yōu)點和特征在如下詳細(xì)描述中進(jìn)行描述，并示于 附圖中：
[0025] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的單單元膜蒸餾體系；
[0026] 圖2示出了通過根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的膜蒸餾體系的單個單元的壓力和 溫度分布；
[0027] 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的三層復(fù)合材料納米纖維膜的橫截面圖；
[0028] 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的雙單元膜蒸餾體系；
[0029] 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的熱壓機；
[0030] 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的熱壓機的操作；
[0031] 圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的具有熱交換器的雙單元膜蒸餾體系；
[0032] 圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的膜蒸餾體系；
[0033] 圖9示出了當(dāng)被蒸餾物的溫度增加時，DCMD、VMD、AGMD和根據(jù)本發(fā)明的一個實施 方案的膜蒸餾體系的通量密度；
[0034] 圖10示出了當(dāng)被蒸餾物的溫度增加時，DCMD、VMD、AGMD和根據(jù)本發(fā)明的一個實施 方案的膜蒸餾體系的脫鹽能力；
[0035] 圖11示出了當(dāng)進(jìn)料速度增加時，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的膜蒸餾體系的通 量密度和脫鹽能力；
[0036] 圖12示出了當(dāng)冷凝室中的真空壓力增加時，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的膜蒸 餾體系的通量密度和脫鹽能力；
[0037] 圖13示出了當(dāng)進(jìn)料溶液的溫度增加時，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的膜蒸餾體 系的通量密度和脫鹽能力；
[0038] 圖14示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的膜模塊組件；
[0039] 圖15不出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的膜模塊組件的第一端板；
[0040] 圖16示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的膜模塊組件的冷板；
[0041]圖17示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的膜模塊組件的真空板；
[0042] 圖18示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的膜模塊組件的熱板；以及
[0043] 圖19示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的膜模塊組件的第二端板；

【具體實施方式】
[0044] 本發(fā)明涉及一種用于除鹽的真空氣隙膜蒸餾系統(tǒng)。更特別地，本發(fā)明涉及一種要 求最小能量消耗的用于高度有效的除鹽過程的具有多個單元的膜蒸餾系統(tǒng)。
[0045] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的單單元真空氣隙膜蒸餾（VAGMD)體系包括用于進(jìn) 料溶液的腔、用于流動溶液的腔、用于收集蒸發(fā)水蒸氣的腔、蒸餾膜和冷凝片。圖1示出了 根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的這種單單元VAGMD體系。VAGMD體系100包括蒸餾膜105、冷 凝片110、用于進(jìn)料溶液的腔115、用于流動溶液的腔120,和在任一側(cè)上通過蒸餾膜105和 冷凝片110界定的冷凝室140。
[0046] 蒸餾膜105的被蒸餾物側(cè)與流動溶液120流體連通，蒸餾膜105的餾出物側(cè)面向 冷凝片110的餾出物側(cè)。蒸餾膜105的被蒸餾物側(cè)由箭頭106顯示，蒸餾膜105的餾出物 側(cè)由箭頭107顯示。蒸餾膜105可包括具有足夠高的液體進(jìn)入壓力壁壘的任何可透蒸氣不 透液體的膜。所述膜必須具有足夠高的液體進(jìn)入壓力壁壘，以確保在增加跨膜壓差時不潤 濕膜的孔隙。這種膜的一個例子為如圖3所公開的三層復(fù)合材料納米纖維膜。復(fù)合材料納 米纖維膜將在如下更詳細(xì)地討論。冷凝片110可為任何類型的不可滲透的導(dǎo)熱非多孔片， 如聚酯片、聚丙烯片或聚四氟乙烯（PTFE)片。冷凝片110的功能在于提供用于包含于冷凝 室140內(nèi)的水蒸氣的冷凝的表面。冷凝片110的進(jìn)料側(cè)與進(jìn)料溶液115流體連通，冷凝片 110的餾出物側(cè)面向蒸餾膜120的餾出物偵彳。另外，必須仔細(xì)選擇蒸餾膜105的餾出物側(cè)與 冷凝片110的餾出物側(cè)之間的距離Ad，因為距離Ad影響VAGMD體系100的性能。距離 Ad貢獻(xiàn)VAGMD體系100的質(zhì)量傳遞阻力。在操作中，當(dāng)距離Ad增加時，體系的滲透物通 量增加，直至滲透物通量達(dá)到峰值。一旦體系的滲透物通量達(dá)到所述峰值，則體系的滲透物 通量隨著距離Ad增加而降低。體系的滲透物通量的降低歸因于隨著距離Ad增加而增加 的質(zhì)量傳遞阻力。Ad與體系的滲透物通量之間的關(guān)系示于下表2中。
[0047] 在操作中，進(jìn)料溶液115保持在比流動溶液120更低的溫度下。提供至收集出口 135和提取出口 130的真空壓力將產(chǎn)生在冷凝室140內(nèi)形成的部分真空。由于冷凝室140 與流動溶液120之間的溫差和壓差，蒸發(fā)的水蒸氣分子將從流動溶液120漂移和擴散通過 蒸餾膜105至冷凝室140。冷凝室140內(nèi)的水蒸氣將在冷凝片110的餾出物側(cè)上冷凝，從而 形成冷凝物125。冷凝物125在收集出口 135處收集。包含于冷凝室140內(nèi)的任何不可冷 凝的氣體通過提取出口 130提取出來。
[0048] 圖2示出了跨單單元VAGMD體系100的溫度分布。在該圖中也示出了跨膜105的 蒸氣壓分布。如上所述，在操作中，進(jìn)料溶液115保持在比流動溶液120更低的溫度下。如 圖2所示，由于進(jìn)料溶液115與流動溶液120之間的溫差，溫度梯度分布存在于這兩個溶液 之間。來自流動溶液120的蒸發(fā)水分子擴散通過蒸餾膜105至具有比流動溶液120更低溫 度的冷凝室140。通過蒸餾膜105的溫度梯度越急劇，則水分子越快蒸發(fā)和漂移通過直至冷 凝室140。冷凝片110的餾出物側(cè)在比蒸餾膜105的餾出物側(cè)更低的溫度下。該溫差使得 蒸發(fā)的水分子朝向冷凝片110擴散。水分子隨后在冷凝片110的表面處冷凝，從而形成冷 凝物125(如圖1所示）。由于冷凝片110的優(yōu)良熱導(dǎo)率，冷凝片110的表面保持在與進(jìn)料 溶液115大約相同的溫度下。
[0049] 另外，將真空壓力施加至冷凝室140,從而在冷凝室140內(nèi)產(chǎn)生部分真空環(huán)境。這 產(chǎn)生壓力梯度，如圖2所示。隨著跨蒸餾膜105的壓差增加，跨蒸餾膜105的通量也增加。 因此，在VAGMD體系100中，存在影響體系的通量和蒸餾速率的兩個驅(qū)動力。所述驅(qū)動力為 通過VAGMD體系100的溫度梯度和通過蒸餾膜105的蒸氣壓梯度。在典型的膜蒸餾體系中， 通常使通過蒸餾膜的壓差達(dá)到最小，以避免蒸餾膜的高機械載荷和熱載荷，所述高機械載 荷和熱載荷將導(dǎo)致孔隙潤濕。對于本發(fā)明，相比于由典型的膜蒸餾體系采用的實踐，使通過 蒸餾膜105的壓差保持盡可能大，以確保通過蒸餾膜105的通量在最大可允許速率下。此 夕卜，連續(xù)去除在冷凝室140中的冷凝水，因此降低了蒸餾膜105的孔隙潤濕趨勢。可通過使 用如圖3所示的三層復(fù)合材料納米纖維膜來避免蒸餾膜105的孔隙潤濕。因此，本發(fā)明能 夠完全利用所述兩種驅(qū)動力，以獲得有效的蒸餾體系回收率和通過蒸餾膜的通量率。
[0050] 圖3示出了可用于本發(fā)明的一個實施方案中的三層復(fù)合材料納米纖維膜300。這 種三層復(fù)合材料膜的完全描述提供于以NgeeAnnPolytechnic的名義在2011年11月17 日提交的PCT申請NO.PCT/SG2011/000407中。如圖3所示，靜電紡絲納米纖維層305的外 表面與進(jìn)料溶液120相鄰，而背襯層310的外表面為面向冷凝片110的餾出物側(cè)的餾出物 偵k微孔層315充當(dāng)過濾器，從而自從進(jìn)料溶液120蒸發(fā)的蒸氣去除污染物。然后，經(jīng)過濾 的蒸氣擴散通過冷凝室140,并在溫度更低的冷凝片110的表面處冷凝。在流動溶液側(cè)添 加靜電紡絲納米纖維層305的情況下，復(fù)合材料膜300的疏水性大大增加。由于靜電紡絲 納米纖維層305所貢獻(xiàn)的增加的疏水性，復(fù)合材料膜300可在膜蒸餾應(yīng)用中有效實際地使 用，因為微孔層315中的孔隙現(xiàn)在被更疏水的納米纖維層305有效保護(hù)。在復(fù)合材料膜300 中，液體-蒸氣界面在流動溶液120鄰接納米纖維層305的邊界處在膜孔隙的入口處形成， 蒸氣-液體界面在微孔層315鄰接背襯層310的邊界處在膜孔隙的入口處形成。蒸發(fā)在流 動溶液120鄰接納米纖維層305的液體-蒸氣界面處發(fā)生，水分子擴散通過冷凝室140至 冷凝片110。
[0051] 可使用靜電紡絲技術(shù)在微孔層315的第一表面上形成靜電紡絲納米纖維層305。 當(dāng)使用疏水性材料（如PVDF)制造微孔層315時，微孔層315的接觸角為70°至130°之 間。由于微孔層315的接觸角，液體液滴仍然在微孔層315的表面上部分鋪展。液體液滴在 膜表面上的鋪展對于膜蒸餾應(yīng)用是有害的，因為微孔層315中的孔隙將容易地使水浸透， 從而使得膜無用。通過將靜電紡絲納米纖維層305沉積至微孔層315的第一表面上，膜的 疏水性大大增加，因為納米纖維層305的接觸角為140°至160°之間。由于在微孔層315 上形成的納米纖維層305的極高疏水性，微孔層315的孔隙將不會容易地使水浸透。納米 纖維層305具有0. 05 y m至5. 0 y m之間的孔隙尺寸。由于納米纖維層305的孔隙率和孔 隙尺寸，空氣被捕獲于孔隙之間，從而在納米纖維層305內(nèi)形成空氣氣泡。這些空氣氣泡充 當(dāng)防止流動溶液120與進(jìn)料溶液115之間的熱傳遞的熱絕緣體，從而有效降低體系的熱損 失。
[0052] 在VAGMD體系100中使用復(fù)合材料膜300的另一優(yōu)點在于，這些膜能夠承受比典 型的蒸餾膜更高的液體進(jìn)入壓力（LEP)。復(fù)合材料膜300的所述性質(zhì)允許跨復(fù)合材料膜300 地存在急劇的壓力梯度，這轉(zhuǎn)而產(chǎn)生通過膜的通量率的增加。如下表1顯示了各個層的各 種組合的LEP之間的比較。
[0053]表1
[0054]

【權(quán)利要求】
1. 一種除鹽體系，其包括： 第一蒸餾膜，所述第一蒸餾膜具有被蒸餾物側(cè)和餾出物側(cè)，其中具有第一溫度的流動 溶液與所述第一蒸餾膜的被蒸餾物側(cè)流體連通； 第一冷凝片，所述第一冷凝片在離所述第一蒸餾膜的餾出物側(cè)的指定距離處，并具有 進(jìn)料側(cè)和餾出物側(cè)，其中所述第一冷凝片的餾出物側(cè)面向所述第一蒸餾膜的餾出物側(cè)，具 有第二溫度的進(jìn)料溶液與所述第一冷凝片的進(jìn)料側(cè)流體連通，其中所述流動溶液的第一溫 度大于所述進(jìn)料溶液的第二溫度； 第一冷凝室，所述第一冷凝室在所述第一蒸餾膜的餾出物側(cè)與所述第一冷凝片的餾出 物側(cè)之間形成，并具有第一收集出口和位于所述第一收集出口的遠(yuǎn)側(cè)的第一提取出口，和 真空產(chǎn)生裝置，所述真空產(chǎn)生裝置與所述第一收集出口和所述第一提取出口連通。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的除鹽體系，其中所述第一收集出口和所述第一提取出口提供 有負(fù)壓，從而使所述第一冷凝室具有部分真空。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的除鹽體系，其中所述第一收集出口提供有第一負(fù)壓。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的除鹽體系，其中所述第一提取出口提供有第二負(fù)壓。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的除鹽體系，其還包括： 收集裝置，所述收集裝置與所述第一收集出口連通，其中當(dāng)將負(fù)壓提供至所述第一收 集出口時，在所述第一冷凝片的餾出物側(cè)形成的冷凝流體由所述收集裝置收集；且 其中當(dāng)所述冷凝流體在所述第一冷凝片的餾出物側(cè)形成時，來自所述流動溶液的潛熱 被傳遞至所述進(jìn)料溶液。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的除鹽體系，其中所述收集裝置包括： 栗；和 熱壓機。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的除鹽體系，其還包括： 提取裝置，所述提取裝置與所述第一提取出口連通，其中當(dāng)將負(fù)壓提供至所述第一提 取出口時，在所述第一冷凝室內(nèi)的不可冷凝的氣體由所述提取裝置提取。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的除鹽體系，其中所述提取裝置包括： 栗；和 熱壓機。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的除鹽體系，其還包括： 泵，所述泵與所述進(jìn)料溶液、所述流動溶液和所述真空產(chǎn)生裝置流體連通。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的除鹽體系，其還包括： 熱交換器，所述熱交換器與所述流動溶液和所述進(jìn)料溶液流體連通。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的除鹽體系，其中所述熱交換器還包括： 進(jìn)料路徑，所述進(jìn)料路徑用于接收所述進(jìn)料溶液并將所述進(jìn)料溶液加熱至預(yù)定溫度， 以形成流動溶液；和 流動路徑，所述流動路徑用于排出所述流動溶液。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的除鹽體系，其中所述真空產(chǎn)生裝置包括： 栗；和 熱壓機。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的除鹽體系，其中所述進(jìn)料溶液包含鹽水。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的除鹽體系，其中所述流動溶液包含經(jīng)加熱的鹽水。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的除鹽體系，其中所述第一提取出口和所述第一收集出口位 于所述冷凝室的相對端。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的除鹽體系，其中所述第一冷凝片與所述第一蒸餾膜的餾出 物側(cè)之間的指定距離為2mm至4mm之間。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的除鹽體系，其中所述第一蒸餾膜包括： 可承受至少350千帕的液體進(jìn)入壓力的具有液體-蒸氣界面的膜。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的除鹽體系，其中所述第一蒸餾膜的膜為三層復(fù)合材料膜。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的除鹽體系，其中所述三層復(fù)合材料納米纖維膜的被蒸餾物 側(cè)包括疏水性靜電紡絲納米纖維層，且所述三層復(fù)合材料納米纖維膜的餾出物側(cè)包括親水 性背襯層。
20. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的除鹽體系，其中所述第一冷凝室保持在低于所述流動溶液 的蒸氣壓的壓力下。
21. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的除鹽體系，其還包括： 第二蒸餾膜，所述第二蒸餾膜還包括被蒸餾物側(cè)和餾出物側(cè)，其中所述第二蒸餾膜的 被蒸餾物側(cè)與所述流動溶液流體連通； 第二冷凝片，所述第二冷凝片在離所述第二蒸餾膜的餾出物側(cè)的指定距離處，并具有 進(jìn)料側(cè)和餾出物側(cè)，其中所述第二冷凝片的餾出物側(cè)面向所述第二蒸餾膜的餾出物側(cè)，且 其中所述第二冷凝片的進(jìn)料側(cè)與所述進(jìn)料溶液流體連通； 第二冷凝室，所述第二冷凝室在所述第二蒸餾膜的餾出物側(cè)與所述第二冷凝片的餾出 物側(cè)之間形成，并具有第二收集出口和位于所述第二收集出口的遠(yuǎn)側(cè)的第二提取出口，和 真空產(chǎn)生裝置，所述真空產(chǎn)生裝置與所述第二收集出口和所述第二提取出口連通。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的除鹽體系，其中所述第一和第二收集出口和所述第一和第 二提取出口提供有負(fù)壓，從而使所述第一和第二冷凝室具有部分真空。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的除鹽體系，其中所述第一收集出口提供有第一負(fù)壓。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的除鹽體系，其中所述第一提取出口提供有第二負(fù)壓。
25. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的除鹽體系，其還包括： 收集裝置，所述收集裝置與所述第一和第二收集出口連通，其中當(dāng)將負(fù)壓提供至所述 第一和第二收集出口時，在所述第一和第二冷凝片的餾出物側(cè)形成的冷凝流體由所述收集 裝置收集；且 其中當(dāng)所述冷凝流體在所述第一和第二冷凝片的餾出物側(cè)形成時，來自所述流動溶液 的潛熱被傳遞至所述進(jìn)料溶液。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的除鹽體系，其中所述收集裝置包括： 栗；和 熱壓機。
27. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的除鹽體系，其還包括： 提取裝置，所述提取裝置與所述第一和第二提取出口連通，其中當(dāng)將負(fù)壓提供至所述 第一和第二提取出口時，在所述第一和第二冷凝室內(nèi)的不可冷凝的氣體由所述提取裝置提 取。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的除鹽體系，其中所述提取裝置包括： 栗；和 熱壓機。
29. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的除鹽體系，其還包括： 泵，所述泵與所述進(jìn)料溶液、所述流動溶液和所述真空產(chǎn)生裝置流體連通。
30. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的除鹽體系，其還包括： 熱交換器，所述熱交換器與所述流動溶液和所述進(jìn)料溶液流體連通。
31. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的除鹽體系，其中所述熱交換器還包括： 進(jìn)料路徑，所述進(jìn)料路徑用于接收所述進(jìn)料溶液并將所述進(jìn)料溶液加熱至預(yù)定溫度， 以形成流動溶液；和 流動路徑，所述流動路徑用于排出所述流動溶液。
32. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的除鹽體系，其中所述進(jìn)料溶液包含鹽水。
33. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的除鹽體系，其中所述流動溶液包含經(jīng)加熱的鹽水。
34. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的除鹽體系，其中所述第一提取出口和所述第一收集出口位 于所述冷凝室的相對端。
35. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的除鹽體系，其中所述真空產(chǎn)生裝置包括： 栗；和 熱壓機。
36. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的除鹽體系，其中所述熱壓機還包括注射器。
37. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的除鹽體系，其中， 所述第一冷凝片與所述第一蒸餾膜的餾出物側(cè)之間的指定距離；和 所述第二冷凝片與所述第二蒸餾膜的餾出物側(cè)之間的指定距離為2_至4_之間。
38. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的除鹽體系，其中所述第一和第二蒸餾膜包括： 可承受至少350千帕的液體進(jìn)入壓力的具有液體-蒸氣界面的膜。
39. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的除鹽體系，其中所述第一和第二蒸餾膜的膜包括三層復(fù)合 材料膜。
40. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的除鹽體系，其中所述三層復(fù)合材料納米纖維膜的被蒸餾物 側(cè)包括疏水性靜電紡絲納米纖維層，且所述三層復(fù)合材料納米纖維膜的餾出物側(cè)包括親水 性背襯層。
41. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的除鹽體系，其中所述第一和第二冷凝室保持在低于所述流 動溶液的蒸氣壓的壓力下。
42. -種使用蒸餾體系提純液體的方法，所述蒸餾體系具有第一蒸餾膜和第一冷凝片， 所述第一蒸餾膜具有餾出物側(cè)和被蒸餾物側(cè)，所述第一冷凝片具有餾出物側(cè)和進(jìn)料側(cè)，并 位于離所述第一蒸餾膜的指定距離處，其中所述第一蒸餾膜的餾出物側(cè)面向所述冷凝片的 餾出物側(cè)，從而形成第一冷凝室，所述第一冷凝室具有第一收集出口和第一提取出口，所述 方法包括如下步驟： 通過真空產(chǎn)生裝置，通過所述第一收集出口和所述第一提取出口將負(fù)壓施加至所述第 一冷凝室； 使流動溶液沿著所述第一蒸餾膜的被蒸餾物側(cè)流動，并使進(jìn)料溶液沿著所述第一冷凝 片的進(jìn)料側(cè)流動，其中所述流動溶液在比所述進(jìn)料溶液更高的溫度下； 當(dāng)來自所述流動溶液的水蒸氣在所述第一冷凝片的餾出物側(cè)上冷凝時，將來自流動溶 液的潛熱傳遞至所述進(jìn)料溶液； 通過所述第一收集出口收集在所述第一冷凝片的餾出物側(cè)上形成的冷凝物；以及 通過所述第一提取出口提取在所述第一冷凝室內(nèi)形成的不可冷凝的氣體。
43. 根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中施加負(fù)壓的步驟包括： 通過使用泵來泵送液體而產(chǎn)生負(fù)壓；以及 將經(jīng)泵送的液體引導(dǎo)通過熱壓機。
44. 根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中收集冷凝物的步驟包括： 使用泵和熱壓機產(chǎn)生負(fù)壓； 將所述負(fù)壓施加至所述第一收集出口；以及 收集流動通過所述第一收集出口的冷凝物。
45. 根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中提取不可冷凝的氣體的步驟包括： 使用泵和熱壓機產(chǎn)生負(fù)壓； 將所述負(fù)壓施加至所述第一提取出口； 從所述第一蒸餾膜內(nèi)的孔隙提取不可冷凝的氣體分子；以及 排出通過所述第一提取出口提取的不可冷凝的氣體。
46. 根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其還包括如下步驟： 將來自所述第一冷凝片的進(jìn)料側(cè)的進(jìn)料溶液引導(dǎo)至熱交換器； 使用所述熱交換器將所述進(jìn)料溶液加熱至預(yù)定溫度，以形成流動溶液；以及 將所述流動溶液引導(dǎo)至所述蒸餾膜的被蒸餾物側(cè)。
47. 根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其還包括如下步驟： 將來自所述蒸餾膜的被蒸餾物側(cè)的流動溶液引導(dǎo)至進(jìn)料罐； 混合所述流動溶液與包含于所述進(jìn)料罐內(nèi)的進(jìn)料溶液；以及 從所述進(jìn)料罐將所述進(jìn)料溶液泵送至熱壓機。
48. 根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其還包括如下步驟： 使來自所述熱壓機的進(jìn)料溶液沿著所述第一冷凝片的進(jìn)料側(cè)流動。
【文檔編號】B01D61/36GK104411384SQ201280073003
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2012年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月2日
【發(fā)明者】J·A·普林斯, G·辛格, T·S·桑穆加孫達(dá)拉姆 申請人:義安理工學(xué)院