本實用新型涉及一種膜蒸餾脫鹽裝置，屬于分離過程技術(shù)領域。

背景技術(shù)：

水資源匱乏是一項世界性的難題，許多國家正面臨著用水短缺、水體污染的現(xiàn)狀，這已成為制約經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展的重要因素之一，同時也嚴重威脅著人類的生存。我國年均缺水量高達500多億立方米，已接近水資源危機的邊緣?？嘞趟幚?、反滲透濃水的零排放、海水淡化等技術(shù)都是緩解水資源危機的有效手段，而其中大都涉及高含鹽廢水的深度脫鹽，如若不能妥善的處理，這類含有大量鹽分的廢水會對土壤及地下水產(chǎn)生嚴重的污染，同時也不能很好的形成水資源的循環(huán)利用?？梢哉f，實現(xiàn)含鹽廢水體系中水與鹽的分離，對于我國可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的維護都具有十分重要的意義。

膜蒸餾(membrane distillation，MD)是膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)蒸餾技術(shù)的有機結(jié)合，以疏水性多孔膜為分離介質(zhì)，由兩側(cè)跨膜溫度梯度而產(chǎn)生的蒸汽壓差作為傳質(zhì)推動力，熱側(cè)原料液中的水分子在低于沸點的溫度下蒸發(fā)汽化，以氣體形式穿過疏水膜，而水相中的無機鹽和大分子等物質(zhì)則被截留，從而到達分離、提純的目的。膜蒸餾在苦咸水處理、食品濃縮、循環(huán)冷卻水的脫鹽等過程中都獲得了很好的應用，尤其是海水淡化。雖然目前世界各地的海水淡化工廠運行的主要方法仍是反滲透法，但與之相比，膜蒸餾所采用的操作壓力遠遠低于反滲透，同時膜蒸餾可以采用工廠廢熱、太陽能等廉價能源，這將很好的解決目前海水淡化過程的高能耗問題，從而降低高能耗、高壓力帶來的高昂的運行成本。然而，膜蒸餾的產(chǎn)業(yè)化應用實例很少，目前還沒有達到大規(guī)模的工業(yè)化應用，究其原因主要有以下幾個方面：1、膜蒸餾的滲透通量很??；2、膜孔易被潤濕或部分潤濕；3、用于高含鹽廢水中易引起濃差極化現(xiàn)象導致滲透通量降低；4、膜蒸餾過程用膜要求高，限制了膜材料的選擇。

膜材料是膜分離過程的核心元件，主要分為有機膜和無機膜。其中，無機陶瓷膜具有良好的熱穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性。與有機膜相比，有機械強度高、耐高溫、抗微生物等突出的優(yōu)點，逐漸引起業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。近幾年內(nèi)，在化工、石油、輕工、食品、醫(yī)藥、水處理、環(huán)保等領域獲得了廣泛有效的應用，成為膜領域中最具潛質(zhì)、最有發(fā)展前景的材料之一。

中國專利（CN1068973A）公開了改性微孔膜用于膜蒸餾及相關(guān)膜過程，采用選定孔結(jié)構(gòu)的微孔膜進行疏水改性，并應用于膜蒸餾及其相關(guān)過程中，擴展了膜蒸餾原材料的來源。介紹了使用改性后的硝酸纖維素微孔膜用于膜蒸餾，得到蒸餾通量為40.5 kg/(m²·h)，截留率為96.0 %。中國專利（CN101205086A）公開了海水淡化濃鹽水真空膜蒸餾工藝，海水淡化的濃鹽水的熱溶液通過膜組件一側(cè)，而另一側(cè)抽真空，將海水淡化與制鹽業(yè)結(jié)合起來。實用新型實施案例中采用聚丙烯長絲無仿布聚四氟乙烯復膜進行實驗，得到滲透通量為20 kg/(m²·h)，脫鹽率在99 %以上。有機膜在60℃以上使用，容易老化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于獲得膜蒸餾脫鹽過程的高處理量以及脫鹽率，解決苛刻體系中膜材料不耐高溫等情況，避免膜材料在過程中的親水化滲漏和膜蒸餾過程中的膜污染問題。采用具有多通道構(gòu)型的疏水性陶瓷膜進行膜蒸餾的脫鹽工藝。相比較而言，陶瓷膜不僅具有機械強度高、化學穩(wěn)定性好的特點，同時在膜蒸餾中所得滲透通量以及脫鹽率也高于一般有機膜在膜蒸餾中的所得。該材料為膜蒸餾過程中的苛刻體系提供了一定的強度以及較高的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，拓展了膜材料在膜蒸餾領域的應用發(fā)展。

一種膜蒸餾脫鹽方法，包括如下步驟：將含鹽溶液送入裝有多通道陶瓷膜的膜組件中流動，在多通道陶瓷膜的滲透側(cè)加負壓，使水以蒸汽形式透過膜孔，進入至滲透側(cè)，得到脫鹽水；所述的多通道陶瓷膜的膜層是疏水性。

在一個實施例中，所述的多通道陶瓷膜的膜通道的數(shù)量是3個以上；膜通道的直徑范圍是0.5～30mm。

在一個實施例中，所述的多通道陶瓷膜的平均孔徑范圍是5～5000nm。

在一個實施例中，多通道陶瓷膜的膜層位于通道的內(nèi)壁上。

在一個實施例中，所述的多通道陶瓷膜的膜層材料是經(jīng)過疏水改性的陶瓷材料。

在一個實施例中，所述的含鹽溶液是指溶解有無機鹽的水溶液。

在一個實施例中，所述的無機鹽選自鈉鹽、鈣鹽、鉀鹽、鎂鹽、鐵鹽、鋅鹽、鋰鹽、銅鹽、鋁鹽中的一種或者幾種的混合。

在一個實施例中，所述的含鹽溶液的濃度范圍是1～300 g/L。

在一個實施例中，所述的含鹽溶液的溫度是5～95℃。

在一個實施例中，對于透過膜孔的水蒸氣需要降溫使冷凝。

在一個實施例中，對于膜蒸餾操作結(jié)束后，對多通道陶瓷膜進行清洗，清洗步驟是：采用去離子水沖洗多通道陶瓷膜，再烘干后即可。

一種膜蒸餾脫鹽裝置，包括有：裝有多通道陶瓷膜的膜組件、料液泵，料液泵與多通道陶瓷膜的原料液入口連接，多通道陶瓷膜的滲透側(cè)連接和真空泵和冷凝管；所述的多通道陶瓷膜的膜層是疏水性。

在一個實施例中，裝置中還包括有加熱槽，加熱槽與料液泵連接。

在一個實施例中，多通道陶瓷膜的原料液出口再連接至加熱槽。

在一個實施例中，在料液泵與多通道陶瓷膜的原料液入口連接的管路上還設置有流量計。

有益效果

1、本實用新型使用的陶瓷膜通過有機物表面接枝法進行疏水改性，經(jīng)接觸角等一系列表征手段證明其疏水性能良好，在膜蒸餾的長期穩(wěn)定性實驗中保持較高的滲透通量以及脫鹽率，可達99.5 %以上。

2、本實用新型采用的陶瓷膜機械強度高、耐化學穩(wěn)定性以及熱穩(wěn)定性，能夠被應用于膜蒸餾的苛刻體系中，同時延長了膜材料在膜蒸餾實驗中的使用壽命。

3、本實用新型采用多通道陶瓷膜，膜面積大，產(chǎn)水量高。

附圖說明

圖1是本實用新型所采用的膜蒸餾裝置圖。

圖2是本實用新型采用的61通道改性陶瓷膜的外形圖。

其中，1、加熱槽；2、膜組件；3、冷凝管；4、真空泵；5、流量計；6、電子天平；7、料液泵。

具體實施方式

本實用新型提供的膜蒸餾方法，主要是利用膜層疏水改性過的多通道陶瓷膜對鹽水進行膜蒸餾操作，這里的多通道陶瓷膜包含有至少3個通道，也可以是37、61、91、127等通道數(shù)量，膜通道的直徑范圍是0.5～30mm。為了提高裝置的裝填面積，陶瓷膜的膜層最好是位于通道的內(nèi)壁上，例如61通道的陶瓷膜的結(jié)構(gòu)如圖2中所示。多通道陶瓷膜的平均孔徑范圍是5～5000nm，更優(yōu)選是20～800nm。

這里陶瓷膜所用的陶瓷材料沒有特別的限定，能夠從現(xiàn)有公知的陶瓷材料中適當選擇。例如，可以使用氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、氧化硅、氧化鈦、氧化鈰、氧化釔，鈦酸鋇等氧化物類材料；堇青石、多鋁紅柱石、鎂橄欖石、塊滑石、硅鋁氧氮陶瓷、鋯石、鐵酸鹽等復合氧化物類材料。其中，優(yōu)選選自氧化鋁、二氧化鋯、氧化鈦、氧化鎂、氧化硅作為主體構(gòu)成陶瓷材料中的1種或2種以上，其中，這里所說的“作為主體”表示陶瓷粉末總體的50 wt %以上（優(yōu)選75wt%以上、更優(yōu)選80～100 wt %）為上述陶瓷材料。

在一個實施例中，所述的多通道陶瓷膜的膜層材料是經(jīng)過疏水改性的陶瓷材料。可以參照專利CN101280241A中所公開的表面接枝改性法制作。本實用新型中所述的疏水性，一般可以理解為水滴在表面的接觸角在60°以上，更優(yōu)選的范圍是大于90°、大于120°、大于160°等。陶瓷膜的表面改性采用有機硅烷偶聯(lián)劑對陶瓷膜進行化學改性，陶瓷膜表面化學改性采用浸漬法，將陶瓷膜在溶有硅烷偶聯(lián)劑的有機溶劑中浸泡2～20小時后；處理完成后，用乙醇反復清洗多次，最后在烘箱中120℃下干燥1～6小時，待用。上述的有機溶劑為甲苯或者四氯化碳；有機硅烷偶聯(lián)劑為三甲基氯硅烷、二甲基二氯硅烷、甲基三氯硅烷、十八烷基三氯硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)、γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)、二氯甲基辛基硅烷、三苯基氯硅烷、正丁基二甲基氯硅烷、甲基十二烷基二氯硅烷、乙烯基三氯硅烷、辛基三氯硅烷或者是1H，1H，2H，2H-全氟辛基三氯硅烷，或者是以上偶聯(lián)劑的同系物、同分異構(gòu)體；偶聯(lián)劑的用量為偶聯(lián)劑摩爾量和陶瓷膜管重量之比10～200mmol/g。

本實用新型所提供的方法能夠處理的脫鹽體系是指溶解有無機鹽的水溶液。

這里所述的無機鹽的水溶液沒有特別限定，只要是在水中具有一定溶解度的無機鹽所得到的水溶液都可以采用這種方法進行脫鹽，在一些實施例中，所述的無機鹽選自鈉鹽、鈣鹽、鉀鹽、鎂鹽、鐵鹽、鋅鹽、鋰鹽、銅鹽、鋁鹽中的一種或者幾種的混合。

這里所述的含鹽溶液的濃度范圍沒有特別限定，可以是1～300 g/L，也可以是35～200 g/L。

在脫鹽操作時，所述的含鹽溶液的溫度是5～95℃；也可以是40～90℃；也可以是55～75℃。

在陶瓷膜的滲透側(cè)得到了水蒸氣之后，可以對于透過膜孔的水蒸氣需要降溫使冷凝。

在脫鹽完成后，優(yōu)選采用去離子水將膜蒸餾實驗之后的陶瓷膜反復沖洗，再置于烘箱中，在干燥后，得到可以重復利用的陶瓷膜。在試驗中發(fā)現(xiàn)，采用陶瓷膜進行膜蒸餾操作后，僅僅通過去離子水清洗即可恢復膜通量，而采用聚合物膜時，會存在著需要采用酸、堿溶液進行再生處理的問題。

采用本實用新型的方法，膜蒸餾的脫鹽過程可以獲得較高的滲透通量，并且脫鹽率也能夠保持在99.5 %以上。

另外，本實用新型還提供了上述方法所使用的裝置，如圖1所示，包括有：裝有多通道陶瓷膜的膜組件2、料液泵7，料液泵7與多通道陶瓷膜的原料液入口連接，多通道陶瓷膜的滲透側(cè)連接和真空泵4和冷凝管3；裝置中還包括有加熱槽1，加熱槽1與料液泵7連接；多通道陶瓷膜的原料液出口再連接至加熱槽1；在料液泵7與多通道陶瓷膜的原料液入口連接的管路上還設置有流量計5。

實施例1：

（1）19通道陶瓷膜材料選用表面接枝改性法進行疏水改性。在35℃以及常壓條件下充分攪拌均勻。改性液反應5 h后，將陶瓷膜置于已制備好的改性溶液中，進行抽真空。待反應完成，表面無氣泡產(chǎn)生，用去離子水與乙醇將取出的陶瓷膜反復清洗三遍，置于烘箱中，在120℃條件下干燥4 h，即可得到疏水性能良好的陶瓷膜。

（2）配制濃度為35 g/L的鹽水溶液，倒入膜蒸餾的原料槽進行加熱；

（3）到達設定的75℃后，開啟料液泵，待系統(tǒng)溫度穩(wěn)定后，開啟真空泵，設定真空度為0.095 MPa；

（4）膜蒸餾系統(tǒng)開始工作，料液流速為160 L/h，原料液經(jīng)流量計計量后流入至膜組件中，被濃縮的鹽溶液回流至料液槽，而在膜兩側(cè)蒸汽壓差作用下，原料液中的溶劑水則在膜表面汽化，以蒸汽形式透過膜孔，經(jīng)冷凝管冷卻后進入收集瓶；

（4）對收集瓶中的液體進行記錄和檢測。通過電子天平以及秒表記錄一定時間內(nèi)滲透側(cè)收集的液體質(zhì)量，每隔30 min稱取一次，得到滲透通量為29.07 kg/(m²·h)。采用電感耦合等離子發(fā)射儀檢測原料側(cè)與滲透側(cè)Na⁺濃度，以此計算膜蒸餾過程的脫鹽率為99.87 %；

（5）實驗結(jié)束后，采用去離子水對陶瓷膜進行清洗，反復沖洗三遍，置于烘箱中，在120℃條件下干燥4 h，得到可以重復利用的陶瓷膜，再依照上述的方法進行3次膜蒸餾操作，滲透通量可以維持在96%以上，脫鹽率可以維持在99.70%以上。

實施例2：

（1）37通道陶瓷膜材料選用表面接枝改性法進行疏水改性。在50℃以及常壓條件下充分攪拌均勻。改性液反應12 h后，將陶瓷膜置于已制備好的改性溶液中，進行抽真空。待反應完成，表面無氣泡產(chǎn)生，用去離子水與乙醇將取出的陶瓷膜反復清洗三遍，置于烘箱中，在120 ℃條件下干燥4 h，即可得到疏水性能良好的陶瓷膜。

（2）配制濃度為200 g/L的鹽水溶液，倒入膜蒸餾的原料槽進行加熱；

（3）到達設定的55℃后，開啟料液泵，待系統(tǒng)溫度穩(wěn)定后，開啟真空泵，設定真空度為0.085 MPa；

（4）膜蒸餾系統(tǒng)開始工作，料液流速為160 L/h，原料液經(jīng)流量計計量后流入至膜組件中，被濃縮的鹽溶液回流至料液槽，而在膜兩側(cè)蒸汽壓差作用下，原料液中的溶劑水則在膜表面汽化，以蒸汽形式透過膜孔，經(jīng)冷凝管冷卻后進入收集瓶；

（5）對收集瓶中的液體進行記錄和檢測。通過電子天平以及秒表記錄一定時間內(nèi)滲透側(cè)收集的液體質(zhì)量，每隔30 min稱取一次，得到滲透通量為18.92 kg/(m²·h)。采用電感耦合等離子發(fā)射儀檢測原料側(cè)與滲透側(cè)Na⁺濃度，以此計算膜蒸餾過程的脫鹽率為99.65 %；

（6）實驗結(jié)束后，采用去離子水對陶瓷膜進行清洗，反復沖洗三遍，置于烘箱中，在120℃條件下干燥4 h，得到可以重復利用的陶瓷膜，再依照上述的方法進行3次膜蒸餾操作，滲透通量可以維持在96%以上，脫鹽率可以維持在99.50%以上。

實施例3：

（1）61通道陶瓷膜材料選用表面接枝改性法進行疏水改性。在70℃以及常壓條件下充分攪拌均勻。改性液反應2 h后，將陶瓷膜置于已制備好的改性溶液中，進行抽真空。待反應完成，表面無氣泡產(chǎn)生，用去離子水與乙醇將取出的陶瓷膜反復清洗三遍，置于烘箱中，在120℃條件下干燥4 h，即可得到疏水性能良好的陶瓷膜。

（2）配制濃度為120 g/L的鹽水溶液，倒入膜蒸餾的原料槽進行加熱；

（3）到達設定的70℃后，開啟料液泵，待系統(tǒng)溫度穩(wěn)定后，開啟真空泵，設定真空度為0.095 MPa；

（4）膜蒸餾系統(tǒng)開始工作，料液流速為40 L/h，原料液經(jīng)流量計計量后流入至膜組件中，被濃縮的鹽溶液回流至料液槽，而在膜兩側(cè)蒸汽壓差作用下，原料液中的溶劑水則在膜表面汽化，以蒸汽形式透過膜孔，經(jīng)冷凝管冷卻后進入收集瓶；

（5）對收集瓶中的液體進行記錄和檢測。通過電子天平以及秒表記錄一定時間內(nèi)滲透側(cè)收集的液體質(zhì)量，每隔30 min稱取一次，得到滲透通量為34.26 kg/(m²·h)。采用電感耦合等離子發(fā)射儀檢測原料側(cè)與滲透側(cè)Na⁺濃度，以此計算膜蒸餾過程的脫鹽率為99.97 %；

（6）實驗結(jié)束后，采用去離子水對陶瓷膜進行清洗，反復沖洗三遍，置于烘箱中，在120 ℃條件下干燥4 h，得到可以重復利用的陶瓷膜，再依照上述的方法進行3次膜蒸餾操作，滲透通量可以維持在96%以上，脫鹽率可以維持在99.80%以上。

實施例4：

（1）61通道陶瓷膜材料選用表面接枝改性法進行疏水改性。在60℃以及常壓條件下充分攪拌均勻。改性液反應8 h后，將陶瓷膜置于已制備好的改性溶液中，進行抽真空。待反應完成，表面無氣泡產(chǎn)生，用去離子水與乙醇將取出的陶瓷膜反復清洗三遍，置于烘箱中，在120℃條件下干燥4 h，即可得到疏水性能良好的陶瓷膜。

（2）配制濃度為95 g/L的鹽水溶液，倒入膜蒸餾的原料槽進行加熱；

（3）到達設定的75℃后，開啟料液泵，待系統(tǒng)溫度穩(wěn)定后，開啟真空泵，設定真空度為0.095 MPa；

（4）膜蒸餾系統(tǒng)開始工作，料液流速為120 L/h，原料液經(jīng)流量計計量后流入至膜組件中，被濃縮的鹽溶液回流至料液槽，而在膜兩側(cè)蒸汽壓差作用下，原料液中的溶劑水則在膜表面汽化，以蒸汽形式透過膜孔，經(jīng)冷凝管冷卻后進入收集瓶；

（5）對收集瓶中的液體進行記錄和檢測。通過電子天平以及秒表記錄一定時間內(nèi)滲透側(cè)收集的液體質(zhì)量，每隔30 min稱取一次，得到滲透通量為35.13 kg/(m²·h)。采用電感耦合等離子發(fā)射儀檢測原料側(cè)與滲透側(cè)Na⁺濃度，以此計算膜蒸餾過程的脫鹽率為99.61 %；

（6）實驗結(jié)束后，采用去離子水對陶瓷膜進行清洗，反復沖洗三遍，置于烘箱中，在120℃條件下干燥4 h，得到可以重復利用的陶瓷膜，再依照上述的方法進行3次膜蒸餾操作，滲透通量可以維持在96%以上，脫鹽率可以維持在99.50%以上。

對照例

與實施例4的區(qū)別在于：這里采用的是疏水性聚酰亞胺微孔膜進行膜蒸餾操作；

（1）配制濃度為95 g/L的鹽水溶液，倒入膜蒸餾的原料槽進行加熱；

（2）到達設定的55℃后，開啟料液泵，待系統(tǒng)溫度穩(wěn)定后，開啟真空泵，設定真空度為0.095 MPa；

（3）膜蒸餾系統(tǒng)開始工作，料液流速為120 L/h，原料液經(jīng)流量計計量后流入裝有疏水性聚酰亞胺中空纖維膜的膜組件中，被濃縮的鹽溶液回流至料液槽，而在膜兩側(cè)蒸汽壓差作用下，原料液中的溶劑水則在膜表面汽化，以蒸汽形式透過膜孔，經(jīng)冷凝管冷卻后進入收集瓶；

（4）對收集瓶中的液體進行記錄和檢測。通過電子天平以及秒表記錄一定時間內(nèi)滲透側(cè)收集的液體質(zhì)量，每隔30 min稱取一次，得到滲透通量為24.54 kg/(m²·h)。采用電感耦合等離子發(fā)射儀檢測原料側(cè)與滲透側(cè)Na⁺濃度，以此計算膜蒸餾過程的脫鹽率為99.46 %；

（5）實驗結(jié)束后，采用去離子水對陶瓷膜進行清洗，反復沖洗三遍，置于烘箱中，在120℃條件下干燥4 h，得到可以重復利用的陶瓷膜，再依照上述的方法進行3次膜蒸餾操作，滲透通量可以維持在約91%，脫鹽率約99.12%。