膜蒸馏用多孔质膜和膜蒸馏用组件的运转方法技术

一种膜蒸馏装置，其具备：膜蒸馏用组件，该膜蒸馏用组件包含2个以上的疏水性多孔性中空纤维膜；和冷凝器，该冷凝器用于使从上述组件取出的蒸气冷凝，多孔性中空纤维的平均孔径为0.01μm以上1μm以下，膜蒸馏用组件的多孔性中空纤维的填充率为10％以上80％以下，并且膜蒸馏的压力条件为1kPa以上且为被处理水的温度下的水的饱和蒸气压以下。

Porous membranes for membrane distillation and methods of operation of modules for membrane distillation

A membrane distillation device is provided with: a module for membrane distillation, the module for membrane distillation comprises more than two hydrophobic porous hollow fiber membranes; and a condenser, the condenser is used for condensing the vapor taken out of the module, the average pore diameter of the porous hollow fiber is more than 0.01 \u03bc m but less than 1 \u03bc m, and the filling rate of the porous hollow fiber of the module for membrane distillation is more than 10% and more than 80% And the pressure condition of membrane distillation is above 1kPa and below the saturated vapor pressure of water under the temperature of treated water.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】膜蒸馏用多孔质膜和膜蒸馏用组件的运转方法
本专利技术涉及膜蒸馏用组件和包含该膜蒸馏用组件的膜蒸馏装置。更详细而言，本专利技术涉及一种膜蒸馏用组件和使用了该膜蒸馏用组件的膜蒸馏装置，该膜蒸馏用组件在圆筒形容器内容纳有具有贯通孔的2个以上的疏水性多孔质中空纤维膜的束，向该中空纤维膜的内侧通入被处理水，使从其外侧出来的水蒸气冷却、凝聚，以透过水的形式进行回收。
技术介绍
膜蒸馏(MembraneDistillation(MD))法为下述方法：使用仅使被处理水中的水蒸气透过的疏水性多孔质膜，由经加热的高温的被处理水(以下也称为原水)使因饱和水蒸气压差而通过疏水性多孔质膜的水蒸气冷却、冷凝，以透过水的形式回收冷凝水。即，膜蒸馏法是将被处理水中的溶质(盐类)和水进行分离的技术，其以藉由疏水性多孔质膜而产生的蒸气压差为驱动力，也可以说其是藉由多孔质膜对水进行蒸馏、纯化的技术。在膜蒸馏法中，分离驱动力是蒸气压差，因此，与对原水施加压力并利用反渗透膜进行过滤而得到纯净水的反渗透法相比，不需要高压，可以降低动力能源，且溶质不会透过膜，仅水蒸气透过膜，因此能够得到纯度极高的透过水，此外，由于能够利用低温排热(60～70℃)，因此具有热的利用效率高的特征。除此之外，在反渗透法中，随着原水的溶质浓度增加，制水所需的压力飞跃性地增大，因此可进行原水浓缩的溶质浓度有限。在膜蒸馏法中，与反渗透法相比，可由高溶质浓度的原水进行制水，因此能够将原水中所含的溶质高度浓缩。如上述所说明，使用膜蒸馏法时，能够得到高纯度的水，并且能够将原水中所含的溶质高度浓缩，因此，膜蒸馏法不仅能够用于高纯度水的制造，还能够用于待被处理排水的减容、无法应用废弃物处理法的有价物质的回收等。如上所述的膜蒸馏法的优点的另一方面，为了利用膜蒸馏法得到高纯度的水，关键的是原水成分不会通过膜而漏出到透过水侧。原水成分的漏出大时，不仅所得到的透过水的纯度降低，还会导致膜或装置的劣化、引起装置整体的寿命的缩短。待被处理排水或含有有价物质的水中有时含有油分、表面活性剂等有机成分。因此，期望能够利用膜蒸馏法对含有机成分的水进行纯化和浓缩。但是，当被处理水的表面张力因有机成分而降低时，水将膜蒸馏法中使用的多孔质膜的细孔内部湿润，通过细孔内，从膜的与被处理水接触的面向另一面漏液，成为所谓润湿的现象的原因。油分等非水溶性成分的附着也会成为润湿的原因。发生润湿时，原水混杂到纯净水中，纯净水被污染，而且难以进行原水的浓缩。即，由于润湿而不再发挥出膜蒸馏的功能。为了不发生润湿，首先，膜不能使原水通过。另外，对于含有油分、表面活性剂等有机成分的被处理水，使用油吸附材料、活性炭等实施将有机成分除去的预处理是有效的，但预处理的成本高，而且会导致废弃物的增加或有价物质的回收量降低。因此，期望一种不使原水成分透过、并且即使对含有有机成分的被处理水也不易发生润湿的膜蒸馏用多孔质膜。另外，在利用膜蒸馏进行的制水和原水的浓缩中，每单位时间的可处理水量也很重要。单位膜面积或每1个组件的可处理水量越多，制水或浓缩的成本越降低。因此，还期望可处理水量多的膜蒸馏用的多孔质膜、组件和装置。另一方面，作为膜蒸馏法中使用的疏水性多孔质膜，不限于中空纤维膜，也可以使用平膜，但为了实现膜蒸馏装置整体的紧凑化、增加作为该膜蒸馏装置的主要部件的包含膜的膜蒸馏用组件的每单位体积的处理量，通常使用疏水性多孔质中空纤维膜的束。在使用疏水性多孔质中空纤维膜的情况下，有使高温的被处理水在中空纤维膜的内侧通过并在外侧回收水蒸气的方式、或者相反地使高温的被处理水在中空纤维的外侧通过并在内侧回收水蒸气的方式，任一种方式中，从削减成本的观点出发，均要求增加膜蒸馏用组件的每单位体积的处理量、降低运转成本。膜蒸馏用组件从使用了多孔质膜的方面来看寿命是有限的，将其制成一次性制品或者在可能的情况下进行再生。在膜蒸馏法中，如上所述，随着多孔质膜的内部的孔表面被液体湿润，发生被处理液体从膜的与被处理液体接触的面向另一面通过的现象(以下称为“润湿(Wetting)”或“漏水”)，由于该现象而存在原水混入到透过水中、或者膜的水处理能力或水处理能力保持率降低的问题，作为容易引起润湿的被处理水，可以举出表面张力低的原水、包含表面活性剂的原水、包含使膜亲水化的成分的原水、包含大量油分或有机物质的原水等。针对上述问题，下述专利文献1、2中已知下述内容：膜蒸馏法中使用的疏水性多孔质膜的孔径或表面开口率有助于膜的水处理能力或透水性能保持率、膜蒸馏装置的紧凑性等。专利文献1中公开了一种多孔性中空纤维膜，其中，从透水性能保持率和膜面耐擦伤性的观点出发，具有20％以上且小于50％的外表面开口率，并且该多孔性中空纤维膜由聚烯烃、烯烃-卤代烯烃共聚物、卤代聚烯烃等构成。专利文献2中，作为具有水处理能力和紧凑性的膜蒸馏装置中使用的膜，公开了一种疏水性多孔质膜，其中，与被处理水接触的膜表面的表面开口率为20％以上70％以下，并且，从抑制润湿的观点出发，对10μm以下的平均孔径进行了研究。另外，下述专利文献3中也公开了为了抑制膜蒸馏中的润湿而对多孔膜的表面进行改性。专利文献3中记载了下述内容：为了抑制由聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)等构成的多孔质膜的表面被油分覆盖而变得容易湿润，利用氟化单体或其聚合物对多孔质膜的表面进行处理而使其成为拒液性。另外，下述专利文献4中，从过滤性和分级特性的观点出发，公开了一种最大孔径与平均孔径之比为1.2～2.5且由聚偏二氟乙烯构成的多孔质膜，但并没有关于膜蒸馏装置或膜蒸馏法中的膜的使用的记述。这样，关于膜蒸馏装置、膜蒸馏法，虽然对其中使用的膜自身的特性等进行了开发，但是为了实现膜蒸馏装置整体的紧凑化、增加作为该膜蒸馏装置的主要部件的包含膜的膜蒸馏用组件的每单位体积的处理量，对包含疏水性多孔质中空纤维膜的膜蒸馏用组件的结构等进行的研究上不充分。另一方面，已知膜蒸馏法中使用的疏水性多孔质膜的孔径有助于膜的水处理能力或耐润湿性(专利文献2和5)。专利文献5中，从降低膜的堵塞频率的观点出发，提出了平均孔径为0.01μm以上10μm以下的多孔质膜、以及对含油水进行膜蒸馏的技术。专利文献2中，作为具有水处理能力和紧凑性的膜蒸馏装置中使用的膜，提出了一种疏水性多孔质膜，其中与被处理水接触的膜表面的表面开孔率为20％以上70％以下，并且从抑制润湿的观点出发，对10μm以下的平均孔径进行了研究。但是，本专利技术人发现，专利文献5中记载的疏水性多孔质膜只不过降低了膜的堵塞频率而实现了水处理能力的提高，在耐润湿性方面还有改良的余地。并且，专利文献2中记载的疏水性多孔质膜未对其表面改性或拒液化进行研究，在水处理能力的提高方面还有改良的余地，从而发现了新的课题。本专利技术人详细调查了润湿的过程，结果确认了，疏水性不充分且从蒸馏操作刚开始后溶质(例如NaCl)就容易透过到多孔质膜的透过面侧的多孔质膜容易发生润湿。此外，在润湿之外，本专利技术人还发现了下述问题：膜蒸馏中，由与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种膜蒸馏装置，其具备：/n膜蒸馏用组件，该膜蒸馏用组件包含2个以上的疏水性多孔性中空纤维；和/n冷凝器，该冷凝器用于使从所述膜蒸馏用组件取出的蒸气冷凝，/n所述膜蒸馏装置中，/n所述疏水性多孔性中空纤维的平均孔径为0.01μm以上1μm以下，/n所述膜蒸馏用组件的疏水性多孔性中空纤维的填充率为10％以上80％以下，并且/n膜蒸馏条件为1kPa以上且为被处理水的温度下的水的饱和蒸气压以下。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170324 JP 2017-060155;20170331 JP 2017-071676;201.一种膜蒸馏装置，其具备：
膜蒸馏用组件，该膜蒸馏用组件包含2个以上的疏水性多孔性中空纤维；和
冷凝器，该冷凝器用于使从所述膜蒸馏用组件取出的蒸气冷凝，
所述膜蒸馏装置中，
所述疏水性多孔性中空纤维的平均孔径为0.01μm以上1μm以下，
所述膜蒸馏用组件的疏水性多孔性中空纤维的填充率为10％以上80％以下，并且
膜蒸馏条件为1kPa以上且为被处理水的温度下的水的饱和蒸气压以下。


2.如权利要求1所述的膜蒸馏装置，其中，在所述疏水性多孔性中空纤维的表面存在拒水剂。


3.如权利要求1或2所述的膜蒸馏装置，其中，
所述2个以上的疏水性多孔性中空纤维形成2个以上的疏水性多孔性中空纤维膜的束，所述疏水性多孔性中空纤维膜的束具有60mm以上2000mm以下的有效长度且配置在所述膜蒸馏用组件的圆筒形容器中，并且
所述多孔性中空纤维膜的束的换算直径Db与所述圆筒形容器的内径Dh之比Db/Dh为0.85以下。


4.如权利要求3所述的膜蒸馏装置，其中，
所述2个以上的疏水性多孔性中空纤维膜的束按照下述方式固定在所述圆筒形容器内部：在该2个以上的中空纤维膜的端部，该各中空纤维膜彼此的间隙以及该中空纤维膜的束与该圆筒形容器的间隙被固定用树脂所填充，该各中空纤维膜的内侧与外侧仅通过该各中空纤维膜的贯通孔连通，
该各中空纤维膜的上端面和下端面开口，
在与该各中空纤维膜的内侧连通的该圆筒形容器的上端和下端安装有具有通水口的头部，
在该圆筒形容器的侧面，具有至少一个侧面开口部，该侧面开口部用于将存在于该各中空纤维膜的外侧和该圆筒形容器内部的蒸气取出，
在与所述圆筒形容器的上端的距离相对于该圆筒形容器的下端至上端的全长为10％以上90％以下的位置存在至少一个所述侧面开口部，并且该侧面开口部的截面积的总和为所述各中空纤维膜的内表面积的总和的0.2％以上2％以下。


5.如权利要求4所述的膜蒸馏装置，其中，所述侧面开口部的截面为圆形，该圆的直径为所述圆筒形容器的内径Dh的20％以上95％以下。


6.如权利要求3或4所述的膜蒸馏装置，其中，安装在所述圆筒形容器的上端和下端的头部的通水口的截面为圆形，该圆的直径Df与所述2个以上的中空纤维膜的束的换算直径Db之比Df/Db为0.15以上0.6以下。


7.如权利要求6所述的膜蒸馏装置，其中，安装在所述圆筒形容器的上端和下端的头部的截面积从所述圆筒形容器侧朝向所述通水口而减小。


8.如权利要求3或4所述的膜蒸馏装置，其中，所述中空纤维膜的上端面或下端面的开口部截面积的总和Sm与安装在所述圆筒形容器的上端或下端的头部的通水口的截面积Sh之比Sm/Sh为0.1以上5以下。


9.如权利要求3或4所述的膜蒸馏装置，其中，所述圆筒形容器的材质为选自由聚乙烯、聚丙烯、聚砜、聚醚砜、聚偏二氟乙烯、ABS树脂和氯乙烯树脂组成的组中的至少一种。


10.如权利要求4所述的膜蒸馏装置，其中，所述固定用树脂为选自由环氧树脂、乙烯基酯树脂、氨基甲酸酯树脂、不饱和聚酯树脂、烯烃系聚合物、有机硅树脂和含氟树脂组成的组中的至少一种。


11.如权利要求10所述的膜蒸馏装置，其中，所述固定用树脂为有机硅树脂。


12.如权利要求1或2所述的膜蒸馏装置，其中，瞬时破坏试验中的耐压性为0.2MPa以上。


13.如权利要求1或2所述的膜蒸馏装置，其中，所述冷凝器的内部压力为5kPa以上且为所述被处理水的温度下的水的饱和蒸气压以下。


14.如权利要求1或2所述的膜蒸馏装置，其中，固定在所述膜蒸馏用组件内的2个以上的疏水性多孔性中空纤维膜中的任一个与所述冷凝器内部的蒸气发生凝聚的部位的最短距离为50mm以上。


15.如权利要求1或2所述的膜蒸馏装置，其中，所述被处理水的温度为50℃以上。


16.如权利要求1或2所述的膜蒸馏装置，其中，所述2个以上的疏水性多孔性中空纤维形成2个以上的疏水性多孔性中空纤维膜的束，并且所述疏水性多孔性中空纤维膜的束为网包覆状态。


17.如权利要求1或2所述的膜蒸馏装置，其中，
所述膜蒸馏用组件具备由所述2个以上的疏水性多孔性中空纤维形成的2个以上的疏水性多孔性中空纤维膜和容纳所述2个以上的疏水性多孔性中空纤维膜的容器，所述中空纤维膜的有效长度L为60mm以上2000mm以下，
所述容器具有蒸气取出部，该蒸气取出部具有蒸气取出流道，
所述疏水性多孔性中空纤维膜是将2条以上的具有一端(E1)和另一端(E2)的中空纤维膜在一端(E1)彼此捆束、并在另一端(E2)彼此捆束而成的膜束，
所述蒸气取出流道的总截面积Sp与所述另一端(E2)处的所述2个以上的中空纤维膜的开口部的总截面积Sm之比Sp/Sm为0.25以上5以下，并且
所述中空纤维膜的有效长度L与中空纤维膜内径Dm之比L/Dm为150以上1500以下。


18.如权利要求17所述的膜蒸馏装置，其中，所述多孔性中空纤维的膜束配置在圆筒形容器中，所述膜束的最外面与所述容器的内面的最短距离Dmin为10mm以下。


19.如权利要求17或18所述的膜蒸馏装置，其中，
所述圆筒形容器具有圆筒形的主体部、具有被处理水导入流道的被处理水导入部、具有所述蒸气取出流道的蒸气取出部、和具有被处理水取出流道的被处理水取出部，
通过在所述一端和所述另一端各自的中空纤维膜彼此的间隙以及中空纤维膜与容器的间隙中填充固定用树脂，在构成所述膜束的同时所述膜束固定在所述圆筒形容器中，
在所述一端，中空纤维膜的内面侧被所述固定用树脂所密封，并且所述中空纤维膜的外面侧与所述被处理水导入流道流体连通，
在所述另一端，中空纤维膜的内面侧与蒸气取出流道流体连通，并且所述中空纤维膜的外面侧与所述被处理水取出流道流体连通，
在通过所述被处理水导入流道的流道入口的径截面中，所述被处理水导入流道的总截面积Sf与所述圆筒形容器的截面积Sh之比Sf/Sh为0.04以上0.3以下。


20.如权利要求19所述的膜蒸馏装置，其中，
所述被处理水导入部具有2条以上的所述被处理水导入流道，存在1条以上的最小截面积为800mm2以下的被处理水导入流道，并且
所述2条以上的被处理水导入流道全部包含在所述膜束内部。


21.如权利要求20所述的膜蒸馏装置，其中，所述被处理水导入部具有2条以上50条以下的、以直径15mm以下的圆形截面作为流道入口截面的被处理水导入流道。


22.如权利要求21所述的膜蒸馏装置，其中，
所述被处理水取出部为与所述主体部的侧面连接的喷嘴，
包含所述喷嘴与所述主体部的连接部的部位的主体部内径D2为主体部的最小内径D1的1.05倍以上1.5倍以下。


23.如权利要求19或20所述的膜蒸馏装置，其中，在所述另一端，在所述中空纤维膜与固定用树脂之间且在膜束内具有间隔物。


24.如权利要求23所述的膜蒸馏装置，其中，在所述容器的内部具有整流板和/或填充物。


25.如权利要求19或20所述的膜蒸馏装置，其中，所述被处理水取出部与所述主体部的连接部位的所述被处理水取出流道的总截面积Sc与所述被处理水导入流道的总截面积Sf之比Sc/Sf为0.1以上1.5以下，所述被处理水导入流道的方向d1与所述被处理水取出流道的方向d2所成的角度为90度以下。


26.如权利要求25所述的膜蒸馏装置，其中，所述被处理水导入流道具有锥形，从而所述被处理水导入流道的截面积沿着被处理水流通方向逐渐减小。


27.如权利要求17或18所述的膜蒸馏装置，其中，所述容器包含选自由聚乙烯、聚丙烯、聚砜、聚醚砜、聚偏二氟乙烯、ABS树脂和氯乙烯树脂组成的组中至少一种。


28.如权利要求19所述的膜蒸馏装置，其中，所述固定用树脂包含选自由环氧树脂、乙烯基酯树脂、氨基甲酸酯树脂、不饱和聚酯树脂、烯烃系聚合物、有机硅树脂和含氟树脂组成的组中至少一种。


29.如权利要求28所述的膜蒸馏装置，其中，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：桥本知孝，新井裕之，长田一人，久保田昇，竹泽浩气，大豊武彦，
申请(专利权)人：旭化成株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP