[发明专利]改进用于膜蒸馏的膜的性能的方法

说明书

领域

总的来说，本公开涉及膜接触器，更具体地，本公开涉及膜蒸馏。

背景

膜蒸馏为纯化进料液体的方法，其使用膜作为屏障，并且其中进料液体的组分作为蒸气跨膜输送。在本说明书中，为了方便，主要就疏水膜和含水溶液(例如海水)的纯化来讨论膜蒸馏，但是膜蒸馏可备选地使用亲水膜用于纯化疏水性液体。

在膜蒸馏中，进料水接触疏水膜的进料侧，而可称为渗透物或蒸馏物的净化水接触疏水膜的渗透物侧。水的表面张力防止进料水进入疏水膜的孔。取而代之，进料水中的水分子蒸发，以形成水蒸气，其通过疏水膜中的孔作为气体输送，并且在疏水膜的渗透物侧上冷凝，提供渗透物。

跨疏水膜传输水蒸气通过在疏水膜的进料侧和渗透物侧之间的蒸气压差来驱动。蒸气压差归因于在进料水和渗透物之间保持的温差。

跨疏水膜传输的选择性由蒸气-液体平衡确定，其通过被污染的水源的组分的分压来确定。由于NaCl和其它盐的蒸气压可忽略不计，水/NaCl溶液或海水的膜蒸馏导致要跨膜传输的水的高选择性。在此前提下，膜蒸馏可例如用于海水的脱盐。然而，目前这样的脱盐不能工业化实施至显著的程度。

用于膜蒸馏的疏水微孔膜可由疏水性聚合物制备，例如像聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)或聚(偏二氟乙烯) (PVDF)或能防止本体液体跨疏水膜传输的任何其它疏水性聚合物。疏水膜或者可由亲水性聚合物制备，所述亲水性聚合物通过例如辐射接枝聚合或等离子体聚合转化为疏水膜。

通常期望通过例如以下来改进膜蒸馏过程的性能：提高渗透物通量(即，渗透物液体跨过膜的通量)；提高污染物截留率；或，提高操作稳定性。渗透物通量取决于例如以下因素：进料侧和渗透物侧之间的温差、膜的材料、孔结构、孔隙率和膜厚度。

发明概述

跨过膜中的孔的膜蒸馏要求孔不被进料水或渗透物润湿。孔的润湿性通过液体的表面张力和膜材料的表面能确定，所述表面张力和表面组合以在液体和膜材料之间产生接触角。降低膜材料和液体之间的亲和力相应于提高接触角和降低润湿性。变得润湿的孔会降低膜的通量和选择性，因为通过这些受影响的孔的传输不再基于跨孔的蒸气压差。

即使接触角超过90度，如果在足够的压力下将水施用于膜或者如果涉及其它作用(例如污染物的吸附)，则疏水性材料中的孔仍可被润湿。大孔需要较少的施加压力以被润湿。蒸馏设备的正常操作在进料水和渗透物中产生压力，例如由于进料液体和渗透物跨过膜相对侧的逆流流动，由于通过打开阀(value)而产生的瞬时压力，或由于当开启或停止泵时的压力变化。

期望使用具有高孔隙率(也就是，所有孔的总面积除以膜的总面积)的膜。然而，难以制造具有一定孔尺寸分布的高孔隙率膜，所述孔尺寸分布不包括一些足够大以在某些条件下润湿的单独的孔。因此，在蒸馏设备的操作期间产生的压力由于随着时间的润湿而导致孔变成封闭或半封闭，并且导致膜随着时间降低的性能。

此外，已发现用于膜蒸馏的膜可具有在膜初始投入使用之前为封闭或半封闭的孔。由于在膜的制造、膜的储存或二者期间，液体或固体变得被截留在孔中，所以孔可能封闭或半封闭。膜制造过程可包括膜的不对称拉伸。这样的不对称拉伸可诱导聚合物膜结晶，并且导致封闭或半封闭的孔。在膜的储存期间降低温度可诱导聚合物膜重结晶和孔收缩，从而导致封闭或半封闭的孔。

本文描述了一种打开用于膜蒸馏的膜的孔的方法。所述方法可在膜投入使用之前或在使用一段时间之后使用。所述方法包括以下步骤：向膜的一侧施用气体，其压力高于在膜的另一侧上的气体或液体。例如，还未投入使用的膜可在固定装置中暴露于气体压差。对于另一实例，膜蒸馏装置可在膜的至少一侧上排水，并且可将压缩空气施用于排水侧。

附图简述

参考附图，现在描述本公开的实例，仅作为举例。

图1A示意性说明处理膜以打开封闭孔的一个实例；

图1B说明用于执行在图1B中说明的方法的系统；

图2示意性说明处理膜以打开封闭孔的另一个实例；

图3示意性说明处理膜以打开封闭孔的另一实例；

图4A和4B为显示在不同条件下处理的膜的膜蒸馏结果的图；

图5A和5B为显示未经处理的膜的膜蒸馏结果的图；和

图6A和6B为显示在15.6 psig下处理的膜随着时间的膜蒸馏结果的图。

详述