一種滲透汽化的裝置和方法

2023-10-17 15:08:19 1

專利名稱：一種滲透汽化的裝置和方法
技術領域：
本發明屬於滲透汽化分離領域，具體涉及利用不對稱靜電場耦合滲透汽化的裝置和方法，提高滲透通量和分離效果。
背景技術：
滲透汽化是一種新型的膜分離技術。該技術突出的優點是能夠以低能耗實現蒸餾、萃取、吸收等傳統方法難以完成的分離任務。該技術對有機溶劑和混合溶劑中微量水的脫除及水中脫微量有機物具有明顯的技術上和經濟上的優勢；還可以同生物及化學反應耦合，將反應生成物不斷脫除，提高反應轉化率。因此，滲透汽化技術在石油化工、醫藥、食品、 環保等工業領域中具有廣闊的應用前景及市場。滲透汽化的推動力是膜兩側即原料液和膜另一側組分的化學位梯度，直觀表現為該組分在膜兩側的蒸汽壓差。滲透物通過膜的過程分為三步首先，在膜的料液側滲透物在膜表面被吸附並溶入膜中；然後，滲透物在膜內擴散至膜的另一側；最後，在膜另一側滲透物解吸，離開膜。各組分透過膜的快慢與其質量、幾何形狀、極性等及膜的性質都有關係。 有些組分和膜有較強的親和能力，較易溶解於膜中(如水分子在親水性的膜中)，而有些組分較難溶解於膜中；溶解在膜中的組分，有些可以較快的速度在膜中擴散(如直徑較小的分子)，而有些則以較慢的速度擴散。由於溶解度及擴散速率上的差別，有些組分能較快地透過膜(稱為「優先透過組分」)。這樣「優先透過組分」在透過側的百分含量將比原料側該組分所佔的百分含量高，於是在透過側形成了「優先透過組分」的富集，從而實現分離。溶解與解吸過程很快，而膜內的擴散過程較慢，是各組分透過膜的速率控制步驟。 由於膜內擴散的傳質推動力僅是化學位梯度，滲透速率過慢，滲透通量小，制約了滲透汽化過程在實際生產中的推廣應用。中國專利 CN1379697A、CN1994536A、CN101104537A、CN101596406A、CN101721914A、 CN101716465A等公開了利用靜電場作用於膜分離過程。CN1379697A公開了利用靜電場改變懸浮顆粒的表面電荷，減少生物膜的形成，提高膜分離性能；CN101104537A公開了在電場作用下形成強氧化源氧化分解水中的有機物；CN101721914A公開了在膜過濾中通過電場作用，使帶電荷的有機物或顆粒發生電泳遷移、電凝聚等作用，減少帶電荷有機物或顆粒造成的濃差極化與膜汙染；CN101716465A、CN101596406A公開了在直流電場作用下，使帶電的分子或微粒產生背離或者透過膜面的電泳運動，抑制在膜面的濃差極化和膜汙染； CN1994536A公開了利用電場作用於多組分多糖膜分離過程，減少濃差極化和膜汙染，提高分離性能。檢索國內外的研究，還沒有通過附加靜電力作為傳質推動力提高滲透汽化的滲透通量和選擇性的報導。

發明內容
針對現有技術中的不足，本發明的目的在於提供一種不對稱靜電場耦合滲透汽化的裝置，本發明還提供了一種不對稱靜電場耦合滲透汽化的方法，增加了傳質推動力，增大滲透通量，提高分離效果。根據本發明的一個方面，提供了一種不對稱靜電場耦合滲透汽化的裝置。在一個實施例中，裝置包括原料室、透過室、膜和電極，所述電極產生不對稱靜電場。根據本發明提供的裝置，在一個實施例中，不對稱靜電場在平板電極和針狀電極之間產生，對所述電極施加的直流電壓為IO1 IO4伏。根據本發明提供的裝置，所述平板電極位於原料室一側(可以在原料室的內部或外部)，可以為石墨、不鏽鋼、鈦、鉬或鍍釕的不鏽鋼、鈦等。針狀電極位於透過室一側(可以在透過室的內部或外部)，可具有與平板電極同樣的材質。進入原料室的原料液中的極性液體分子，在所述不對稱靜電場的電位梯度和化學位梯度雙重作用下，能以比僅靠化學位梯度作為推動力時更快的速度透過膜，形成透過物蒸汽並從透過室流出，滲餘液從原料室流出O根據本發明提供的裝置，根據分離體系的不同，平板電極和針狀電極的位置可以互換，即平板電極位於滲透室一側(可以在透過室的內部或外部)，針狀電極位於原料室一側(可以在原料室的內部或外部)。根據本發明提供的裝置，滲透汽化過程是在不對稱的靜電場的作用下完成的。液體分子分為極性分子和非極性分子。非極性分子的結構對稱，在無外電場作用下，正負電荷的重心重合，偶極距為零，如烷烴等。極性分子的結構不對稱，在無外電場作用下，正負電荷的重心不重合，它們之間有一定的距離，具有固有偶極距，如水、乙醇等。極性分子在沒有外加電場時，由於分子的無規則熱運動，排列是紊亂的。在外電場作用下，非極性分子和極性分子的正負電荷重心會被沿電場方向拉開，使分子發生變形並產生一個附加的偶極，這個過程即分子的極化，這個偶極即誘導偶極，其強度大小和電場強度及分子的變形極化率成正比。在實際可以得到的電場中，非極性分子的誘導偶極距比極性分子的偶極距小，受電場力作用很弱。極性分子在外電場作用下發生轉動，趨向於沿著外電場方向進行有序排列，外電場越強，排列越整齊。在均勻電場下，當取向完畢，即電場能量變至最小時，達到平衡，作用力為零，偶極子不會產生平移運動。當附加一個不對稱靜電場時，空間各處電場不均勻， 偶極子在電場力的作用下向電場強的方向遷移，這種由電位梯度導致的動力學現象稱為電遷移傳質。電遷移速率與電場強度、分子極性及分子質量等有關，非極性分子可以認為基本沒有電遷移，仍然以無規則熱運動為主。當把滲透汽化的體系置於不對稱靜電場中時，原料液為場強較弱的一側，膜透過側即透過物蒸汽側為場強較強的一側。一方面，與傳統的滲透汽化相同，各組分由高濃度的原料液側向低濃度的膜透過側擴散傳質，推動力為化學位梯度；另一方面，電場力的作用引起向電場變為最大的方向的電遷移傳質，推動力為電位梯度。把這個過程稱為「不對稱靜電場耦合滲透汽化」。當大量極性分子的液體中含少量非極性分子的液體時，會選擇疏水膜，使非極性分子優先透過，這時可以反向施加不對稱靜電場，即平板電極位於滲透室一側，針狀電極位於原料室一側。此時不對稱靜電場給極性分子施加反向作用力，使其難以透過膜，雖不能提高非極性分子透過膜的推動力，但是可以降低極性分子透過膜的機率，從而提高透過液中非極性液的比例。根據本發明提供的裝置，所述膜為緻密膜，包括均質膜和複合膜。根據分離不同體系的需要，可以採用任何適宜的已知的滲透汽化膜。
根據本發明提供的裝置，在一個實施例中，在透過室內形成真空，將擴散進入透過室的透過物蒸汽抽走，以維持透過室內較低的蒸汽壓。在本發明的其他實施例中，可以用惰性氣體吹掃透過室，將透過膜的滲出物蒸汽帶走，以維持透過室內低的組分蒸汽壓。另外，還可將透過膜的滲出物蒸汽用適當的溶劑吸收出去，以維持透過室內低的組分蒸汽壓。根據本發明提供的裝置，不對稱靜電場耦合滲透汽化裝置還可包括加熱或其他保溫裝置，使滲透汽化分離過程的溫度保持在一定的範圍，優選的滲透汽化操作溫度的範圍為5 95°C。若膜可以承受，溫度也可更高。根據本發明的另一方面，提供了一種不對稱靜電場耦合滲透汽化的方法，包括原料液被引入原料室；引入所述原料室的原料液中的極性液體分子，在化學位梯度和不對稱靜電場的電位梯度雙重作用下，以比僅有化學位梯度作為推動力時更快的速度透過膜，並在膜表面汽化形成透過物蒸汽，從透過室流出；滲餘液從原料室流出。根據本發明提供的方法，在一個實施例中，不對稱電場是由平板電極和針狀電極產生的，優選向所述電極施加的直流電壓為IO1 IO4伏。根據本發明提供的方法，所述滲透汽化的操作溫度範圍為5 95°C。若膜可以承受，溫度也可更高。根據本發明提供的方法，在一個實施例中，所述膜為親水性的複合分離膜。根據本發明提供的裝置或方法，相比傳統滲透汽化過程僅有化學位梯度一個推動力而言，本發明的過程有兩個推動力，即化學位梯度和電位梯度。傳質速率是擴散速率和電遷移速率的疊加。非極性分子由於受靜電場的作用很弱，靜電場的有無對其傳質基本無影響；而極性分子在附加靜電場後的傳質速率要比無電場時快，並且傳質速率的提高與在靜電場中的偶極距有關，因此可以提高滲透汽化過程的速度。本發明適用於包含極性和非極性分子的液體體系的分離(如苯/水體系)，也可用於各組分的極性相差較大的液體體系的分離，如乙醇/水體系。本發明的優點在於突破了傳統的滲透汽化僅有一個傳質推動力(即化學位梯度)的模式，提出通過耦合一個不對稱靜電場附加另一個傳質推動力(即電位梯度)的方法和裝置從而提高不同極性分子的分離，通過兩個推動力的疊加，使滲透速率以及分離效果在溶解-擴散分離的基礎上進一步強化。由於現代材料工業和電工技術的發展使靜電電源的製造成本大大減低，實現耦合場的設備造價低。因此，通過本發明能夠降低現有技術中的能耗和成本，具有廣泛的適用性和良好的實用性。


附圖提供用來便於對本公開內容的理解，其構成說明書的一部分但並不構成對本公開內容任何方面的限制。在附圖中圖1以剖面圖的形式顯示了一個實例的滲透汽化分離裝置。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明作進一步的詳細說明，但不作為對本發明的限制。實施例如圖1所示，一個示例性的不對稱靜電場耦合滲透汽化裝置10，包括原料室7、透過室8、平板膜9。在一個實施例中，原料室7包含原料液的進口 1和出口 2。原料液是含 500ppm水6-2的苯6_1，原料液體積100ml，，蠕動泵循環，流速為2. lcm/s。原料側為常壓。 滲透汽化操作溫度為60°C。透過室8內壓力為lkPa。在原料室7及透過室8分別植入平板電極4及針狀電極5，平板電極4為陰極，針狀電極5為陽極，施加給兩側電極的電壓為 2000 伏。原料液由進口 1進入原料室7，與聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯/聚丙烯腈複合緻密膜9的膜面相接觸(膜面積16cm2)，該分離膜為親水膜，原料液中的微量水6-2在化學位梯度和不對稱靜電場產生的電位梯度雙重作用下透過膜9，並在透過室側的膜面上汽化形成水蒸氣11，從透過室8的出口 3被抽出。而滲餘液則從原料室7的出口 2流出。液體的流動方向如圖1中箭頭所示。水的滲透方向如圖1中橫向的箭頭所示。滲透汽化處理時間5 小時，原料液含水量降至70ppm，水的平均滲透通量為5. 41g/m2. h。對比例原料液為含微量水的苯，操作溫度、含水率同實施例，原料室、透過室、膜同實施例，與實施例不同之處是沒有給電極施加直流電壓，滲透汽化處理時間5小時，原料液含水量降至250ppm，所得到的水的平均滲透通量為3. 28g/m2. h。結果以上數據可以得知，通過附加不對稱靜電場，苯中微量水的滲透速率增大近 65%，可以使苯中的微量水得到更快速的去除。最後應說明的是以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明， 儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對於本技術領域的普通技術人員來說， 其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種滲透汽化的裝置，包括原料室、透過室、膜和電極，其特徵在於，所述電極能產生不對稱靜電場。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述電極為平板電極和針狀電極，所述平板電極位於所述原料室，所述針狀電極位於所述透過室。
3.如權利要求2所述的裝置，其特徵在於，原料液中的極性分子，在所述不對稱靜電場的電位梯度和化學位梯度雙重作用下，能夠以比僅有化學位梯度作為推動力時更快的速度透過膜並在膜面上汽化，形成透過物蒸汽。
4.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述平板電極位於透過室，所述針狀電極位於所述原料室。
5.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，向所述電極施加的直流電壓為IO1 IO4伏。
6.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述滲透汽化的操作溫度為5 95°C。
7.—種滲透汽化的方法，包括將原料液引入原料室；在所述原料室和透過室之間存在不對稱靜電場，所述原料液中的極性分子在化學位梯度和不對稱靜電場的電位梯度的雙重作用下以比僅有化學位梯度作為推動力時更快的速度透過膜，並在膜面上汽化形成透過物蒸汽，從透過室流出；滲餘物從所述原料室流出。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述不對稱靜電場由平板電極和針狀電極產生。
9.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，向所述電極施加的直流電壓為IO1 IO4伏。
10.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述滲透汽化的操作溫度為5 95°C。
全文摘要
本發明涉及一種不對稱靜電場耦合滲透汽化的裝置，包括原料室、透過室、膜和電極，電極能夠產生不對稱靜電場。所述電極包括平板電極和針狀電極。向所述電極施加的直流電壓為101～104伏。原料液中的極性分子，在化學位梯度和電極產生的不對稱靜電場形成的電位梯度的雙重作用下，以比僅有化學位梯度作為推動力時更快的速度透過膜後在膜表面上汽化形成透過物蒸汽。本發明還涉及一種不對稱靜電場耦合滲透汽化的方法。
文檔編號B01D61/36GK102284246SQ20111003555
公開日2011年12月21日 申請日期2011年2月10日 優先權日2011年2月10日
發明者杜潤紅 申請人:天津工業大學