申请日2004.04.24
公开(公告)日2008.12.24
IPC分类号C02F1/44; B01D61/36; C02F1/46
摘要
水处理方法，特别是利用膜蒸馏由盐水生产淡水的方法。与之前已公知的方法相比，通过组合下列技术特征明显降低了投资成本和运行成本。所述技术特征为：待处理的水被保存在供应室中，供应室壁至少部分地由可透过水蒸气的疏水膜形成;具有比疏水膜厚度更大厚度的并且具有更低单位面积热导率的亲水膜与所述疏水膜平行设置;以及利用抽吸作用在待处理的水和淡水之间产生蒸气压差，使得膜蒸馏由抽吸作用产生的蒸气压差驱动，水冷凝在亲水膜的孔隙中。
权利要求书
1、利用膜蒸馏进行水处理的方法，其中
待处理的水被保持在供应室中，所述供应室壁至少部分地由可透过 水蒸气的疏水膜形成，
具有比疏水膜厚度更大厚度的并且具有更低的单位面积导热性的 亲水膜与所述疏水膜平行设置，以及
利用抽吸作用在待处理的水和淡水之间产生蒸气压差，使得膜蒸馏 由抽吸作用产生的蒸气压差驱动，水冷凝在亲水膜的孔隙中。
2、根据权利要求1所述的水处理方法，其特征在于，所述蒸馏基 本上是等温的，冷凝淡水的温度高于待处理的蒸发水的温度，且该温度 差小于30℃。
3、根据权利要求2所述的水处理方法，其特征在于，所述温度差 小于10℃。
4、根据权利要求3所述的水处理方法，其特征在于，所述温度差 小于1℃。
5、根据权利要求1所述的水处理方法，其中蒸气压差至少部分地 由以下事实产生即：通过微型泵方法，包括将作用力作用在亲水膜孔隙 中的水分子上，使淡水从亲水膜中抽出。
6、根据权利要求5所述的水处理方法，其中所述微型泵方法是电 渗泵方法。
7、根据权利要求1所述的水处理方法，其中蒸气压差至少部分地 由以下事实产生即：待处理的水在压力作用下被泵入供应室。
8、根据权利要求1所述的水处理方法，其中盐水经过处理用于生 产淡水。
9、根据权利要求1所述的方法，其中疏水膜的蒸气渗透性在60巴 的压力差下至少为100L/(h·m2)。
10、根据权利要求1所述的方法，其中疏水膜的厚度至多100μm。
11、根据权利要求10所述的方法，其中疏水膜的厚度至多10μm。
12、根据权利要求11所述的方法，其中疏水膜的厚度至多1μm。
13、根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中亲水膜的厚度为 至少0.01mm。
14、根据权利要求13所述的方法，其中亲水膜的厚度为至少0.1mm。
15、根据权利要求14所述的方法，其中亲水膜的厚度为至少1mm。
16、根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中亲水膜的厚度是 疏水膜厚度的至少10倍。
17、根据权利要求16所述的方法，其中亲水膜的厚度是疏水膜厚 度的至少100倍。
18、根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中疏水膜上每单位 面积的导热性是亲水膜上每单位面积导热性的至少3倍。
19、根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中疏水膜是多孔的， 其孔隙大小至多为100μm。
20、根据权利要求19所述的方法，其中疏水膜是多孔的，其孔隙 大小至多为5μm。
21、根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中亲水膜包括多个 层，并且各层具有不同的性质。
22、用于利用膜蒸馏进行水处理的装置，包括：
供应室，所述供应室壁至少部分地由可透过水蒸气的疏水膜形成，
与疏水膜平行设置的亲水膜，所述亲水膜的厚度比疏水膜的厚度大 并具有更低的每单位面积的导热性，以使水冷凝在邻近疏水膜界面的疏 水膜的孔隙中，和
泵装置，利用所述泵装置在待处理的水和淡水之间产生蒸气压差， 使得膜蒸馏由抽吸作用产生的蒸气压差驱动，水冷凝在亲水膜的孔隙 中。
23、根据权利要求22所述的装置，其中为了提供电渗泵作用，平 行于亲水膜布置两个扁平电极，使得至少一层亲水膜位于两个电极之 间，所述电极可选择性地为亲水膜的组成部分，且位于两电极之间的层 具有表面电荷。
24、根据权利要求22所述的装置，其中所述供应室具有耐压性， 并设置泵，利用该泵，水在压力作用下被泵入供应室。
25、根据权利要求22-24中任一项所述的装置，其中疏水膜的蒸 气渗透性在60巴的压力差下至少为100L/(h·m2)。
26、根据权利要求22-24中任一项所述的装置，其中疏水膜的厚 度至多100μm。
27、根据权利要求26所述的装置，其中疏水膜的厚度至多10μm。
28、根据权利要求27所述的装置，其中疏水膜的厚度至多1μm。
29、根据权利要求22-24中任一项所述的装置，其中亲水膜的厚 度为至少0.01mm。
30、根据权利要求29所述的装置，其中亲水膜的厚度为至少0.1mm。
31、根据权利要求30所述的装置，其中亲水膜的厚度为至少1mm。
32、根据权利要求22-24中任一项所述的装置，其中亲水膜的厚 度是疏水膜厚度的至少10倍。
33、根据权利要求32所述的装置，其中亲水膜的厚度是疏水膜厚 度的至少100倍。
34、根据权利要求22-24中任一项所述的装置，其中疏水膜上每 单位面积的导热性是亲水膜上每单位面积导热性的至少3倍。
35、根据权利要求22-24中任一项所述的装置，其中疏水膜是多 孔的，其孔隙大小至多为100μm。
36、根据权利要求35所述的装置，其中疏水膜是多孔的，其孔隙 大小至多为5μm。
37、根据权利要求22-24中任一项所述的装置，其中亲水膜包括 多个层，并且各层具有不同的性质。
说明书
用于水处理特别是用于水脱盐的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种水处理方法以及相应的装置。最重要的应用是用于 由盐水(特别是海水或淡盐水)生产淡水(净水)。以下作为例子的参 考文献针对该应用领域。然而，本发明还适用于其它目的在于从污染的 水中通过蒸馏得到净化水的应用。本发明特别是包括被细菌或病毒污染 的水(例如废水或河水)的净化。
背景技术
海水和其它水的脱盐处理方法对于向人类供应饮用水具有很重要 的意义。在地球全部的地表水中，只有大约2.5%的淡水。其中，大约 80%是土壤中的水分或者极地常积不消的冰，因此全部地表水中只有大 约0.5%可以作为饮用水。而且，饮用水供应分布非常不均匀。因此， 地球上的大部分人口受到缺水之苦。
为了克服这一问题，已经提出很多种用于海水脱盐的方法。需要满 足的一些要求很难达到，因为海水的含盐量大约是30g/L，而根据世界 卫生组织(WHO)的规定，引用水的含盐量不能超过0.5g/L。在传统的 蒸馏方法中，盐水通过加热蒸发，然后再在冷却的表面上冷凝。为了降 低高能量消耗，已作出了多种尝试来使用太阳能作为能量源。这样的系 统(“太阳能蒸发器”)的一种特别的类型在Bouchekima等人在 Desalination 137(2001)31-38页发表的文章“The performance of the capillary film solar still installed in South Algeria”中 有所描述。
通过这种在冷凝表面的上部使用毛细管结构的太阳能蒸发器，改善 了蒸发水的冷凝。
另外，对于各种膜方法已经进行了长期的讨论。其中包括反渗透方 法，在该方法中盐水在压力作用下通过有薄膜，所述薄膜中的孔具有保 持盐的尺寸。另一种方法是电渗析方法，其中两个电极浸到一种电解质 溶液中。在直流电压的电场中，在盐水中发生离子迁移。通过在电解槽 的电极间交替连接阳离子和阴离子交换膜，有可能引导离子流动以致于 增加在外室中电解质的浓度，同时减少在中心室中的浓度，即达到脱盐 的效果。
膜方法还包括膜蒸馏方法，其中出于简化的目的待处理的水在下文 中称之为盐水，被保持在一个供应室中，所述供应室壁至少部分地由疏 水的多孔膜构成。考虑到其疏水性质(即相对于水的表面张力)，该膜 的孔隙尺寸必须使得盐水不会充满膜的孔隙，因此疏水膜中的孔隙中包 含空气。换句话说，也叫做气泡压力的最大流体静压低于该方法操作期 间供应室中的压力，在该最大流体静压下水不再会流经疏水膜。
在膜蒸馏过程中，盐水蒸发通过疏水膜。气态水在蒸馏物侧(淡水 侧)冷凝。冷凝处理(与传统的冷凝处理相似)是基于被加热的海水与 被冷却的冷凝淡水之间的温度差。在下列文献中对各种膜蒸馏方法有所 描述，例如
-美国专利3340186(P.K.Weyl)
-美国专利4545862(Gore等)
-美国专利4265713，4476024，4419187和4473473(Cheng等)。
发明内容
在这些技术背景下，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于水 处理尤其是水脱盐的方法以及相应的装置，其特征在于可以降低操作和 投资成本。
该技术问题是通过一种水处理方法解决的，其中盐水被保持在供应 室中，所述供应室壁至少部分地由疏水的水蒸气可透过膜形成，其孔隙 大小使得盐水不会充满孔隙，其中亲水膜与疏水膜平行布置，亲水膜与 疏水膜相比具有更大的厚度，以及更低的每单位面积的导热性(thermal conduction)，其中通过抽吸效应，在盐水和淡水之间产生蒸气压差， 使得膜蒸馏由抽吸作用产生的蒸气压差驱动，水冷凝在亲水膜的孔隙 中。
本发明还涉及用于水处理的装置，尤其是用于通过膜蒸馏从盐水中 抽取淡水的装置，该装置包括一个供应室，所述供应室壁至少部分地由 疏水的水蒸气渗透膜形成，所述渗透膜的孔隙尺寸使得盐水不会充满这 些孔隙，亲水膜与该疏水膜平行，与疏水膜相比，亲水膜的厚度更大并 且具有更低的每单位面积的导热性，使得水冷凝在与疏水膜的界面附近 的亲水膜的孔隙中，并且还包含一个泵机构，借助所述泵机构在盐水和 淡水之间产生蒸气压差，使得膜蒸馏由抽吸作用产生的蒸气压差驱动， 水冷凝在亲水膜的孔隙中。
术语“亲水”和“疏水”按照传统的认识进行理解：当水分子之间 的相对吸引力小于水分子和固体表面之间的吸引力时，该表面为“亲水” 的。相反则为“疏水”表面。液体和亲水(可湿)表面之间的接触角小 于90°(不存在其它作用力时)，但是对于疏水表面来说，该接触角则 大于90°。
疏水膜应当尽可能薄。其厚度优选小于100μm，但是至多10μm甚 至至多1μm是特别优选的。水蒸气渗透性通常是由于疏水膜是具有至 少几个纳米的孔隙的多孔膜而产生的。然而，在极薄的疏水膜的情况下， 水蒸气渗透性也可以基于不能认为是多孔的膜的渗透性。孔隙尺寸的上 限由上述关于气泡压力的条件决定。考虑到这个限制，孔隙尺寸应当尽 可能的大。以下合成(聚合物)材料尤其适合用作疏水膜：聚四氟乙烯、 聚氯乙烯。
亲水膜不需要是均匀的。特别地，亲水膜可以包含多个层。不同的 多孔的，特别是合成的，成层材料是适用的。如果未处理的成层材料是 疏水的，那么所需的亲水性可以通过对内表面(即材料内部与孔邻接的 表面)进行适当处理得到。这样的方法是已公知的，例如，疏水的聚碳 酸酯通过聚乙烯吡咯烷酮的薄表面涂层处理后变得亲水化。
用于亲水膜的特别适合的塑性材料包括：纤维素、醋酸纤维素、硝 酸纤维素、聚砜和聚醚砜。
由于亲水膜比疏水膜厚(厚度比例优选至少为10，特别优选至少为 100)，以及亲水膜的每单位面积的导热性比疏水膜低得多，因此在操 作期间疏水膜两侧的温度仅存在些微的差异，淡水侧的温度略高于盐水 侧的温度。因此，淡水侧的与温度相关的蒸气压余量是很小的。由于在 盐水侧或淡水侧的抽吸作用，这个蒸气压余量被过度补偿，导致在亲水 膜方向通过疏水膜的传质，由此水冷凝在亲水膜的孔隙中。与已公知的 膜蒸馏方法相比，在已公知膜蒸馏方法中，传质是基于冷却而使淡水的 温度低于盐水的温度并且因此还具有更低的蒸气压而产生的，而在本发 明的方法中压力差是通过抽吸作用产生的。
由于这里所述的结构特征和处理条件，在蒸馏开始时，亲水膜中充 满淡水，然后进一步在面对疏水膜的亲水膜的极限外表面的邻近处进行 冷凝。鉴于这里所述的热状态，优选近乎等温地进行蒸馏，冷凝淡水的 温度和蒸发盐水的温度之间的差值小于30℃，优选小于10℃，特别优 选小于1℃(“准等温膜蒸馏”)。
这里所述的热状态的另一个结果是在淡水侧由冷凝产生的冷凝热 几乎全部(最少60%)直接流过疏水膜进入蒸发的海水中，因为该热流 遇到的热阻比由提供绝热的亲水膜所形成的热阻小得多。因此，蒸发海 水所需的大部分蒸发热来自于通过疏水膜的冷凝热的直接循环。这大大 降低了处理过程中的能量损耗。
关于这些因素，本发明从根本上区别于上面所引用的Cheng的美国 专利，例如美国专利4419242，其中在文中不同部分建议使用薄亲水层， 其可以设在疏水膜的海水侧和/或淡水侧上，并且可以是多孔的或无孔 的。Cheng描述了在传统的膜蒸馏中，通过疏水膜的盐的浓度如何随时 间而增加，并由此膜的润湿性发生改变。由于该效应，盐水充满疏水膜 的孔隙，并由此破坏所需的防汽层(水浸)。据说通过使用上述亲水膜 可避免发生这种情况。Cheng主要描述了一种传统的膜蒸馏，其由蒸发 的盐水和冷凝的淡水之间的足够大的温度差驱动。
在本发明中，所需的蒸气压差可以采用不同的抽吸方法而得到。原 则上可以通过使用传统泵将盐水置于足够高的压力下。然而，这需要供 应室和膜具有足够的耐压性。
除此之外或代替的是，微型泵方法是在本发明范围内优选使用的。 在这种情况下，抽吸作用是基于作用在亲水膜孔隙内部的水分子上的力 (“孔内泵机制”)。下面将详细介绍的电渗泵方法尤其适用于这一目 的。
