申请日2017.12.15
公开(公告)日2018.05.01
IPC分类号C02F9/12
申请(专利权)人河海大学;
摘要
一种用于净化污水与有用组分回收的磁分离‑膜蒸馏装置及其应用，属于污水资源化利用技术领域。所述装置包括高梯度磁分离器、储液罐、磁力泵a、恒温加热水浴锅、转子流量计a、膜组件、转子流量计b、低温恒温水槽、磁力泵b、产水收集装置和膜蒸馏出水罐，向污水中投放絮凝剂和磁种，然后采用高梯度磁分离技术对污水进行预处理，然后送入膜组件中进行膜蒸馏处理。本发明提供的磁分离‑膜蒸馏装置及其应用，既能解决污水排放造成的环境污染问题，又可以实现有用组分的回收利用，具有能耗低、效率高、设备简单、处理能力大等优点。
权利要求书
1.一种用于净化污水 与有用组分回收的磁分离-膜蒸馏装置，其特征在于，所述装置包括高梯度磁分离器(1)、储液罐(3)、磁力泵a(4)、恒温加热水浴锅(5)、转子流量计a(6)、膜组件(7)、转子流量计b(8)、低温恒温水槽(9)、磁力泵b(10)、产水收集装置(11)和膜蒸馏出水罐(12)，
高梯度磁分离器(1)顶部设有出水口、反洗用加压水入口和反洗用空气入口，所述高梯度磁分离器(1)底部设有废水进口和反洗液出口;
所述储液罐(3)顶部一侧设有进水口，另一侧设有热液进口，底部设有出水口，所述储液罐(3)一侧进水口与高梯度磁分离器(1)顶部出水口管道相接;
所述膜组件(7)顶端设有热液出口，一侧顶部设有冷水出口，底端设有热液进口，另一侧底部设有冷水进口，所述膜组件(7)底端热液进口依次通过转子流量计a(6)、恒温加热水浴锅(5)、磁力泵a(4)和储液罐(3)底部出水口管道相接，所述膜组件(7)顶端热液出口与储液罐(3)顶部热液进口管道相接;
所述产水收集装置(11)顶部设有冷水进口、底部设有冷水出口、一侧设有膜蒸馏出水口，所述产水收集装置(11)顶部冷水进口与膜组件(7)顶部冷水出口管道相接，所述产水收集装置(11)底部冷水出口依次通过磁力泵b(10)、低温恒温水槽(9)和转子流量计b(8)与膜组件(7)底部冷水进口管道相接，所述膜蒸馏出水罐(12)与所述产水收集装置(11)一侧膜蒸馏出水口管道相接。
2.根据权利要求1所述的一种用于净化污水与有用组分回收的磁分离-膜蒸馏装置，其特征在于，所述高梯度磁分离器(1)包括电磁线圈(2)和内部中空容器，所述电磁线圈(2)设于内部中空容器外侧，所述内部中空容器顶部设有出水口、反洗用加压水入口和反洗用空气入口，底部设有废水进口和反洗液出口，所述内部中空容器内部填充填料。
3.根据权利要求2所述的一种用于净化污水与有用组分回收的磁分离-膜蒸馏装置，其特征在于，所述内部中空容器内部填充的填料为纤维状或棒状铁磁性非晶质合金。
4.根据权利要求1所述的一种用于净化污水与有用组分回收的磁分离-膜蒸馏装置，其特征在于，所述膜组件(7)内部设有疏水膜，所述疏水膜为聚丙烯膜。
5.根据权利要求1所述的一种用于净化污水与有用组分回收的磁分离-膜蒸馏装置，其特征在于，所述高梯度磁分离器(1)中磁场强度为0.5~1.5T。
6.基于权利要求1所述的装置在净化污水和回收有用组分中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一.向污水中投放絮凝剂和磁种，絮凝剂为PAC，投放量控制在100~130 mg/L，磁种为四氧化三铁，投放量控制在150~200 mg/L，然后将污水从废水进口送入高梯度磁分离器(1)中进行预处理;
步骤二.将经过步骤一磁分离预处理后的污水送入储液罐(3)，打开磁力泵a(4)和恒温加热水浴锅(5)，将加热后经过磁分离预处理的污水送入膜组件(7)底端热液进口，从膜组件(7)溢流出的污水从顶端热液出口回流至储液罐(3);
步骤三.打开磁力泵b(10)和低温恒温水槽(9)，将产水收集装置(11)中的水冷却后送入膜组件(7)底部冷水进口，出水从膜组件(7)顶部冷水出口出来后送回产水收集装置(11)，产水收集装置(11)装满水后的溢出水送至膜蒸馏出水罐(12);
步骤四.待污水回收完毕后，将整套装置关闭，然后向高梯度磁分离器(1)顶部反洗用加压水入口注入加压水，反洗用空气入口中充入空气，冲洗后的混合物从高梯度磁分离器(1)底部反洗液出口流出。
8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述步骤二中恒温加热水浴锅(5)中温度为55~80 ℃，所述步骤三中低温恒温水槽(9)中温度为15~30 ℃。
9.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述步骤二中恒温加热水浴锅(5)中温度为75 ℃，所述步骤三中低温恒温水槽(9)中温度为25 ℃。
10.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述步骤四中加压水的水压为0.05~0.1MPa，流速为35~45 m/h，反洗用空气入口中充入空气的流速为1.5~2 m/min。
说明书
一种用于净化污水与有用组分回收的磁分离-膜蒸馏装置及其应用
技术领域
本发明属于污水资源化利用技术领域，涉及一种用于净化污水与有用组分回收的磁分离-膜蒸馏装置及其应用。
背景技术
膜蒸馏技术是近20年迅速发展起来的重要的化工单元，其应用已从早期的脱盐发展到化工、食品、医药、电子等工业的废水处理、产品分离和高纯水制备等领域。膜蒸馏是一种新型的分离技术，是一种是以疏水性微孔膜两侧蒸汽压差为传质推动力的膜分离过程，例如当不同温度的水溶液被疏水微孔膜分隔开时，由于膜的疏水性，两侧的水溶液均不能透过膜孔进入另一侧，但由于暖侧水溶液与膜界面的水蒸汽压高于冷侧，水蒸汽就会透过膜孔从暖侧进入冷侧而冷凝，这与常规蒸馏中的蒸发、传质、冷凝过程十分相似，所以称其为膜蒸馏过程。膜蒸馏过程几乎是在常压下进行，设备简单、操作方便，在技术力量较薄弱的地区也有实现的可能性;在非挥发性溶质水溶液的膜蒸馏过程中，因为只有水蒸汽能透过膜孔，所以蒸馏液十分纯净，对离子、大分子、胶体、细胞及其他非挥发性物质能达到100%的截留，可望成为大规模、低成本制备超纯水的有效手段;该过程能够处理反渗透等不能处理的高浓度废水溶液，如果溶质是容易结晶的物质，可以把溶液浓缩到过饱和状态而出现膜蒸馏结晶现象，是目前唯一能从溶液中直接分离出结晶产物的膜过程;该过程中无需把溶液加热到沸点，只要膜两侧维持适当的温差，该过程就可以进行，有可能利用太阳能、地热、温泉、工厂的余热和温热的工业废水等廉价能源,降低能耗。
但随着膜蒸馏过程的进行，原料液中的难溶盐如CaCO3、CaSO4及其他大分子等将不可避免的在膜表面沉积，导致膜的产水通量衰减严重，甚至会使膜表面润湿，不仅会使出水水质下降，而且会在短时间内损坏膜组件，为了维持膜蒸馏过程长时间稳定运行，延长膜组件的使用寿命，适当的预处理是很有必要的。
发明内容
解决的技术问题：针对现有技术中膜蒸馏过程中膜污染问题，本发明提供一种用于净化污水与有用组分回收的磁分离-膜蒸馏装置及其应用，可以有效净化废水，减少废水对后续膜蒸馏处理技术的污染问题，提高膜蒸馏的处理效率，延长膜的使用寿命。
技术方案：一种用于净化污水与有用组分回收的磁分离-膜蒸馏装置，所述装置包括高梯度磁分离器、储液罐、磁力泵a、恒温加热水浴锅、转子流量计a、膜组件、转子流量计b、低温恒温水槽、磁力泵b、产水收集装置和膜蒸馏出水罐，高梯度磁分离器顶部设有出水口、反洗用加压水入口和反洗用空气入口，所述高梯度磁分离器底部设有废水进口和反洗液出口;所述储液罐顶部一侧设有进水口，另一侧设有热液进口，底部设有出水口，所述储液罐一侧进水口与高梯度磁分离器顶部出水口管道相接;所述膜组件顶端设有热液出口，一侧顶部设有冷水出口，底端设有热液进口，另一侧底部设有冷水进口，所述膜组件底端热液进口依次通过转子流量计a、恒温加热水浴锅、磁力泵a和储液罐底部出水口管道相接，所述膜组件顶端热液出口与储液罐顶部热液进口管道相接;所述产水收集装置顶部设有冷水进口、底部设有冷水出口、一侧设有膜蒸馏出水口，所述产水收集装置顶部冷水进口与膜组件顶部冷水出口管道相接，所述产水收集装置底部冷水出口依次通过磁力泵b、低温恒温水槽和转子流量计b与膜组件底部冷水进口管道相接，所述膜蒸馏出水罐与所述产水收集装置一侧膜蒸馏出水口管道相接。
作为优选，所述高梯度磁分离器包括电磁线圈和内部中空容器，所述电磁线圈设于内部中空容器外侧，所述内部中空容器顶部设有出水口、反洗用加压水入口和反洗用空气入口，底部设有废水进口和反洗液出口，所述内部中空容器内部填充填料。
作为优选，所述内部中空容器内部填充的填料为纤维状或棒状铁磁性非晶质合金。
作为优选，所述膜组件内部设有疏水膜，所述疏水膜为聚丙烯膜。
作为优选，所述高梯度磁分离器中磁场强度为0.5～1.5T。
本发明的另一个技术方案为所述的装置在净化污水和回收有用组分中的应用。
所述应用包括以下步骤：
步骤一.向污水中投放絮凝剂和磁种，絮凝剂为PAC，投放量控制在100～130mg/L，磁种为四氧化三铁，投放量控制在150～200mg/L，然后将污水从废水进口送入高梯度磁分离器中进行预处理;
步骤二.将经过步骤一磁分离预处理后的污水送入储液罐，打开磁力泵a和恒温加热水浴锅，将加热后经过磁分离预处理的污水送入膜组件底端热液进口，从膜组件溢流出的污水从顶端热液出口回流至储液罐;
步骤三.打开磁力泵b和低温恒温水槽，将产水收集装置中的水冷却后送入膜组件底部冷水进口，出水从膜组件顶部冷水出口出来后送回产水收集装置，产水收集装置装满水后的溢出水送至膜蒸馏出水罐;
步骤四.待污水回收完毕后，将整套装置关闭，然后向高梯度磁分离器顶部反洗用加压水入口注入加压水，反洗用空气入口中充入空气，冲洗后的混合物从高梯度磁分离器底部反洗液出口流出。
作为优选，所述步骤二中恒温加热水浴锅中温度为55～80℃，所述步骤三中低温恒温水槽中温度为15～30℃。
作为优选，所述步骤二中恒温加热水浴锅中温度为75℃，所述步骤三中低温恒温水槽中温度为25℃。
作为优选，所述步骤四中加压水的水压为0.05～0.1MPa，流速为35～45m/h，反洗用空气入口中充入空气的流速为1.5～2m/min。
有益效果：
1.通过向污水中投加絮凝剂与磁种，从而形成包裹磁种的具有磁性的悬浮絮凝体，污水通过梯度磁场时，污染物就被分离出来;经过磁分离预处理的污水进入膜蒸馏单元热侧，通过膜冷侧循环水冷却作用，使热侧水蒸气跨膜进入冷水侧，热侧水分流失体积减小，得到更高浓度的浓缩液甚至固体。
2.采用高梯度磁分离技术进行污水的预处理，一个内部填充填料的容器外加一个磁场就构成了高梯度磁分离器，填料采用纤维状或棒状铁磁性非晶质合金，形成较强的磁场和磁场梯度。磁场强度为0.5～1.5T，填料磁性越强，磁分离效果越好;对同一填料来说，填料越细，填充程度较好，磁分离效果越好，本发明中填料当量直径在50～100μm，优选为50μm，;但是填充度越高，流体阻力会增大，在4%～6%左右，优选控制在5%。
3.所述膜蒸馏处理装置，采取直接接触式膜蒸馏。
4.磁分离技术可以高效分离废水中杂质颗粒，能量消耗较少，经过预处理的污水进入膜蒸馏处理单元中，不会造成膜污染，大大延长了膜组件的使用寿命，提高出水水质;磁种可重复使用，多次使用后造成表面结垢，可以通过机械或化学方法再生。
综上所述，本发明提供的磁分离-膜蒸馏装置，既能解决污水排放造成的环境污染问题，又可以实现有用组分的回收利用，具有能耗低、效率高、设备简单、处理能力大等优点。
