[发明专利]一种利用微搅拌提升膜通量的方法

说明书

本发明公开了一种利用微搅拌来消除浓差极化以提升膜通量的方法，属于功能材料以及膜工程应用领域。所述的微搅拌指的是微尺寸的磁力搅拌子在磁场作用下于膜表面进行旋转，促进液体与所截留的溶质之间的混合。本发明还提出了不同磁力搅拌子的制备方法以及对膜通量的影响。总结来讲利用微搅拌提升膜通量的方法，避免了以往采用膜表面改性，膜装置改装的问题，适用范围广，成本低廉且涉及的磁搅拌子可回收，重复使用，节能环保。因而在膜领域具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种利用微搅拌提升膜通量的方法，属于功能材料以及膜工程应用领域。

背景技术

膜通量是指：膜分离过程的一个重要工艺运行参数，是指单位时间内通过单位膜面积上的流体量，由外加推动力和膜的阻力共同决定。

影响膜通量的原因有很多，包括进水温度，进水流速，进水浓度，工作压力，膜本身的性质等。但对于特定的膜在特定工作环境下，随着膜孔附近分离的进行，允许通过的物质透过膜孔，被分离的物质比如离子，不同分子量的溶质等被截留在膜附近，随着被分离物质的积累，在膜与本体溶液界面或临近膜界面区域浓度越来越高，会形成一层厚度不等的滞留层，该层与新鲜进入的液体之间存在较大的浓度差，在浓度梯度作用下，被分离物又会由膜面向本体溶液扩散，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导致溶剂透过通量下降，这个现象为“浓差极化现象”，此时的浓差极化是造成膜通量下降的重要原因。尤其是对于孔洞较小的纳滤膜，超滤膜等。例如使用纳滤膜海水淡化研究时，往往在膜面附近会形成厚度大概在二三十微米的浓差极化层，一旦浓差极化层形成，通量迅速下降。

已有的解决办法：目前有方法通过对膜材料的改性优化膜过滤过程中的浓差极化。例如CN201810245865.2公开了一种可消除内浓差极化的自支撑均相正渗透膜及其制备方法和应用，但是改变膜材料的性能以达到消除浓差极化的方法在工艺上制备过程复杂，研发成本较大，且在应用中无法从根本上解决浓差极化所带来的水通量降低现象。另外也有在外部增加湍流效果以减缓浓差极化现象的方式，例如CN201921066192.0公开了一种减缓外浓差极化与膜污染的正渗透膜组件,原料液侧廊道和汲取液侧廊道内均安装有叶轮，但是这种方法无法适应于大型的工业设备，不具有工业化应用的前景。而且在狭窄的膜间隙之间无法搅拌，在实际应用中会受到阻碍。

我们提出的方法：

膜通量一部分是由于浓差极化层产生而降低的，本质原因是溶质在膜面附近的浓度差，那么如何在不改变装置的情况下，促进溶质扩散是很有意义的课题。我们首次提出通过引入小尺寸磁力搅拌子的方法来促进传质过程，增加溶质扩散，破坏浓差极化层来解决这个膜通量降低的问题。其技术背景是我们早期成功制备的小尺寸磁力搅拌子，在专利CN107138093，ZL202010698065.3以及文章Angew.Chem.Int.Ed.2013,52,8570–8573，Nanoscale,2020,12,18640-18645中，利用磁场诱导自组装的方法合成了直径从21nm到1.4微米的磁力搅拌子，其中磁颗粒呈单排规则排列，磁各向异性明显增加，有文献(Chem.Commun.,2007,5001–5003)研究中表示，磁各向异性增加后，磁响应度也会明显增加，这预示着磁搅拌子在外界旋转磁场的驱使下会有较好的旋转剪切力。也有文献(Adv.Mater.Technol.2018,1700312)研究表明，其在微小体系内得湍流效果十分明显。另外通过溶液纺丝技术进一步实现了更大尺寸磁力搅拌子的制备，长度从几微米到毫米级别，而且纺丝作为一种传统加工技术，可以实现简单、快速、高效且连续化生产磁力搅拌子。尺寸直径、长度可控，磁性以及搅拌性能优异。

在外磁场的作用下，可以对磁力搅拌子进行操控，例如，可以在膜表面进行圆周旋转，正反转或者间歇式的旋转等，来带动周围液体的转动，从而增加溶质扩散，打破膜表面的浓差极化层，以提高膜面的渗透通量。通过利用较少能量，实现搅拌子在特定位置增加湍流的效果，达到节能目的。并且在搅拌时，搅拌子可以实现连续工作，并且在搅拌完成之后，可以利用磁力快速回收，清洗，实现重复使用，所以该技术具有广阔的膜工业应用价值。

发明内容