專利名稱：一種分離液體中易揮發(fā)物質的方法和裝置及其應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種分離液體中易揮發(fā)物質的方法及其裝置。該方法命名為“膜吹出法”(英文Membrane Blow-Out)，簡稱“ΜΒ0”，其裝置命名為"ΜΒ0器”(英文Membrane Blow-Out S印arator)，該方法及其裝置均屬于膜技術領域。
背景技術：
一直以來，分離、回收液體中含有的易揮發(fā)物質的方法在工業(yè)上有著重要的應用和研究價值。比如從海水、鹵水中分離提取溴、氯，或者凈化含有硫化氫等有用或有害的易揮發(fā)物質的工業(yè)、生活廢水處理方法。傳統(tǒng)的用于分離、回收液體中含有的易揮發(fā)物質的氣液接觸器如填料塔或除氣器體積大、投資高、操作條件受限制，其傳質面積通常在 5-20m2 · m_3，液體流量小時有干接觸面，實際有效面積小，分離效率低，而且需要在相對穩(wěn)定狀態(tài)下操作，難以控制氣液流速，且容易發(fā)生液泛和霧沫夾帶影響傳質效率。比如，工業(yè)上制溴通常采用空氣吹出法，即含有溴的海水或鹵水在填料塔中與空氣逆流操作，其中溴從液體解吸到空氣當中，從而被吹出，其氣液比一般在60 1-200 1之間，能耗大且受液泛以及液沫夾帶等情況的影響。分離回收液體中的硫化氫等其它易揮發(fā)物質也采用同樣的過程。總體而言，采用填料塔或除氣器作為空氣吹出易揮發(fā)物質的氣液接觸器的過程效率低、 能耗大、成本高。膜吸收法如氣態(tài)膜法亦是分離液體中易揮發(fā)物質的方法，近二十年來研究較多并已有公開報道。該法以疏水性微孔膜分隔不同的水溶液，由于膜的疏水性，兩側水溶液不能浸沒膜孔，膜孔內充滿氣體，在膜兩側溶液之間形成一層由微孔膜支撐、厚度較小的氣相不連續(xù)區(qū)間，構成了兩側水溶液揮發(fā)性組分的擴散通道，從而達到分離回收的目的。膜另一側也可以抽真空或者采用汽提帶走或吹出擴散過來的易揮發(fā)物質。該法與空氣吹出法相比有諸多優(yōu)點膜的比表面積可以很大，含有易揮發(fā)物質的液體和吸收液兩相可以分別在膜的內外側相對穩(wěn)定的流動，因而可以獲得理論上很小的傳質單元高度，得到最大的平均濃度推動力；兩相在膜兩側的流動相對獨立，不僅可以保證膜界面的充分接觸，而且兩流體不存在常規(guī)狀況下上升氣流和下降液膜間由于摩擦所構成的流動阻力，也不存在鼓泡現(xiàn)象，因而中間膜介質的存在，確保了液相流速不像常規(guī)填料那樣易受氣相流速的影響，系統(tǒng)不會發(fā)生液泛等影響分離效率的現(xiàn)象，突破了填料塔的流體力學條件的限制，且有更大的操作彈性。此外，氣態(tài)膜法實現(xiàn)了常溫、常壓條件下，集分離和富集于一體，具有能耗低、無二次污染和可實現(xiàn)易揮發(fā)物質資源化的優(yōu)點，由于可以利用中空纖維膜組件，其膜的裝填密度大，提高了設備的體積效率。然而氣態(tài)膜法也有一些不足之處，比如其主要是依靠易揮發(fā)組分分子以自然擴散的方式通過膜內微孔來實現(xiàn)由液體側向吸收劑側的遷移從而達到物質分離的目的，其分離效率低，且在分離過程中隨膜被污染、腐蝕其疏水性逐步下降，并伴生滲透、滲漏、蒸餾等現(xiàn)象，給分離、富集帶來不良影響，甚至使過程不能進行。此外，過程中被污染的膜經清洗后還需要干燥恢復膜的疏水性，其過程復雜、耗時長、成本高。

發(fā)明內容
為解決空氣吹出法采用填料塔或除氣器作為氣液接觸器的過程效率低、能耗大、 成本高，以及氣態(tài)膜法分離效率低，且在分離過程中隨著膜被污染、腐蝕其疏水性逐步下降，并伴生滲透、滲漏、蒸餾等不利現(xiàn)象，而且清洗膜的過程復雜、成本高等不足，本發(fā)明提供一種新的分離液體中易揮發(fā)物質的方法及其裝置，主要應用于從海水、鹵水中分離提取溴、氯或者凈化含有硫化氫等有用或有害的易揮發(fā)物質的工業(yè)、生活廢水的處理。分離液體中易揮發(fā)物質的方法，將含有易揮發(fā)氣體溶質的液體從膜束的管程(即膜內部)當中通入，并使氣體在0. 1-0. 的外加壓力作用下通入到膜束的殼程(即膜外部與殼體之間)當中，與液體形成順流操作，氣體通過膜束表面的微孔被分散后進入到管程當中，并與含有易揮發(fā)氣體溶質的液體充分混合從而使得易揮發(fā)物質進入到氣體當中， 最后在壓力梯度的作用下都從管程另一端流出，流出后氣液兩相在重力作用下自然分開， 其中揮發(fā)性溶質從液相轉移到了氣相當中，達到富集、分離液體中易揮發(fā)物質的目的，該工藝中使用的膜為疏水性膜。工作原理當空氣在外加壓力作用下通入到膜束的殼程(即膜外部)當中，并與液體形成順流操作，其外加壓力為0. 1-0. 5MPa，并形成膜管程向殼程方向的正壓，即可使空氣從殼程進入到管程當中；在此壓力梯度下，空氣通過膜束表面上的大量微孔進入膜束內部并與其中含有的易揮發(fā)物質的液體相接觸，空氣經過膜微孔分散后可與液體進行充分的微分接觸，帶走其中的易揮發(fā)物質，從而達到富集、分離、吸收的目的。本方法最大的特點在于氣體在壓力差的作用下主動擴散與液相接觸，并利用疏水性微孔膜來分散氣體，從而達到氣液相微分接觸的目的。與氣態(tài)膜法相比，由于該法中氣體在壓力的作用下直接與液體相接觸，而不是由鹵素如溴自由擴散通過膜表面微孔，因此， 使用該法氣液接觸充分、傳質效率高、氣液比低、分離效率高，且不受疏水性下降、滲透以及滲漏的影響；同時氣體在壓力作用下不斷的由膜束外表面沖入內表面并沿內壁方向軸向擴散，從而可以達到同時清洗膜組件內壁的功能，保持了膜性能的穩(wěn)定、延長了膜的使用壽命。所述氣體是指空氣或可與液體中待分離的物質發(fā)生反應的氣體如氧氣。該氣體在 0. 1-0. 壓力的作用下經過膜微孔從殼程進入管程與液體中的易揮發(fā)物質混合后，可將易揮發(fā)物質帶出。本工藝主要處理含有易揮發(fā)物質的液體，比如含有或經處理后含有溴、氯氣、硫化氫等易揮發(fā)物質的海水、鹵水、工業(yè)及環(huán)保過程中的料液、水處理料液等。適用于上述分離液體中易揮發(fā)物質的方法的裝置，其特征在于，主要由膜組件、氣液分離器組成，以下部為內部密封有疏水性微孔膜束的膜組件，上部為由捕沫器和分離室組成的氣液分離器的形式同封裝于殼體內；在膜組件的底部和相應殼體的側下方分別設進液孔和進氣孔(含有易揮發(fā)物質的液體通過進液孔直接進入膜組件的膜束內部，即管程； 空氣通過進氣孔進入膜束的外部，即殼程；)氣液分離器中的分離室位于捕沫器的下方并與下部的膜組件相連，分離室的結構形式為一空腔，空腔側面的殼體上設有排液孔，用于控制氣液分離后液體的排放，可使從下部膜組件管程中出來的液體直接流出，從而實現(xiàn)氣液分離，在捕沫器上設有排氣孔用于排放氣體；外接恒流泵通過管道(軟管)與膜組件的進液孔相連；用于輸送原料液，即含有溴、氯以及同族元素碘的海水、鹵水或含有硫化氫、苯的有用或有害的易揮發(fā)物質的工業(yè)和生活廢水；風機通過管路與膜組件的進氣孔相連接，提供正壓的氣體。所述的捕沫器頂部的排氣孔與后續(xù)的氣體回收裝置連接，將排出的混合氣體直接回收；經排液孔后通過管路與原料槽連接，使經過一次處理的液體再回到原料槽中繼續(xù)循環(huán)處理。在所述的空壓機和恒流泵的出口位置分別安裝氣、液轉子流量計，用于測量所用
氣、液量。所述的排液孔靠近膜組件和氣液分離器的結合部，不超過分離室高度的四分之一，這樣可以使得從下部涌上的液體盡快被排出，可有效防止積液的產生。所述的捕沫器為一裝有填料層的封閉殼體，填料層所用填料為塑料末碎屑、玻璃或不銹鋼的碎屑(碎屑最大直徑最好不超過該封閉殼體的八分之一)，用于進一步分離混合氣液，同時還可有效防止液泛、液沫夾帶等現(xiàn)象的發(fā)生。所述的捕沫器位于整個設備的最上端。所述的排氣孔設在捕沫器頂部。所述的膜組件可以為具有疏水性和大量微孔的中空纖維膜、管式膜、卷式膜、平面膜組件中的一種，其材質可以為疏水性聚偏氟乙烯膜(PVDF)或聚丙烯膜(PP)等，其中疏水性微孔膜束，是指透氣(汽)不透液或不透水且膜本身具有大量孔徑在0. 01 μ m以上的微孔的疏水性膜束，該類膜束可通過商業(yè)途徑從市場獲得，其具體規(guī)格型號由生產廠商自行確定；所述的膜組件的管程是指膜束的內側空間；殼程是指膜束的外側與外殼之間的空間或膜束之間的空隙。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是由于壓力差的存在強化了氣液接觸模式， 使得氣液接觸更加充分，達到了傳質效率高、氣液比低、分離效率高，且不受疏水性下降、滲透以及滲漏的影響的效果；同時由于還有清洗膜組件內壁的功能，保持了膜性能的穩(wěn)定、延長了膜的使用壽命；此外，還由于裝置中設計有盛有填料的捕沫器以及排液孔從而使得氣液兩相可以得到進一步充分分離，同時還可有效防止液泛、液沫夾帶等現(xiàn)象的發(fā)生。


圖1本發(fā)明分離液體中易揮發(fā)物質的方法原理示意圖(以中空纖維膜為例)。圖2本發(fā)明設備結構示意圖，其中1、氣液分離器2、膜組件3、膜束4、分離室5、捕沫器6、進液孔7、進氣孔8、排液孔9、排氣孔10、風機11、氣體流量計12、液體流量計13、恒流泵14、氣體吸收裝置。
具體實施例方式下面參照附圖對本發(fā)明做進一步說明分離液體中易揮發(fā)物質的方法，將含有易揮發(fā)氣體溶質的液體從膜束的管程(即膜內部)當中通入，而空氣在0. 1-0. 5MPa的外加壓力作用下通入到膜束的殼程(即膜外部)當中，并與液體形成順流操作，液體與空氣在管程中充分混合使得易揮發(fā)物質進入到空氣當中然后在壓力梯度的作用下都從管程另一端流出并在中立作用下實現(xiàn)氣液兩相的自然分離從而達到分離液體中易揮發(fā)物質的目的，該工藝中使用的膜為疏水性膜。參見附圖1，本工藝方法的原理是壓縮氣體在壓力梯度的作用下以主動擴散的方式并經膜束表面微孔分散后與液相微分接觸混合，從而使得原料液相中的易揮發(fā)物質被氣體帶出，達到富集分離的目的。其與傳統(tǒng)膜吸收法最大的不同之處在于傳統(tǒng)的膜吸收法中是易揮發(fā)組分物質通過自然擴散的方式通過疏水膜的微孔，且氣液兩相不相接觸。參見附圖2，本發(fā)明氣液分離設備結構上分為上下兩個部分，其中下部的膜組件2 中集成了中空纖維膜束3，而上部的氣液分離器1由分離室4和捕沫器5組成。在膜組件2 的底部和相應殼體的側下方分別設進液孔6以及進氣孔7，空氣分別通過進液孔6和進氣孔 7直接進入膜組件2的中空纖維膜束3內部，即管程，和膜束的外部，即殼程；氣液分離器1 中的分離室4位于捕沫器5的下方并與下部的膜組件2相連，其結構形式為一空腔，其長度約為10cm，分離室4側面的殼體上設有排液孔8，用于控制氣液分離后液體的排放，可使從下部膜組件2管程中出來的液體直接流出，從而實現(xiàn)氣液分離，捕沫器5中充滿填料用于進一步分離氣液并防止液泛以及液沫夾帶等現(xiàn)象的發(fā)生，在其頂部設有排氣孔9用于排放氣體；原料液，即含有溴、碘的海水、鹵水或含有硫化氫、苯等有用或有害的易揮發(fā)物質的工業(yè)和生活廢水由外接恒流泵13通過管道(軟管)經過液體流量計12后與膜組件2的進液孔 6相連；風機10通過管路經氣體流量計11與膜組件2的進氣孔7相連接，而從捕沫器5頂部排氣孔9出來的混合氣體直接進入氣體吸收裝置14，從排液孔8出來的液體可由恒流泵 13重新輸送回到膜組件2中繼續(xù)循環(huán)處理。其工作的具體過程是氣體在壓力差的作用下從下部腔體的進氣孔7經殼程進入管程當中，并與從進液孔6進入管程的液相充分接觸，從而吹出易揮發(fā)物質，然后混合氣體以及液體同時進入氣液分離器，混合氣體從排氣孔9進入后續(xù)的吸收裝置當中，而液體在重力的作用下通過排液孔8自然流出，由于分離室的存在，使得氣體中夾帶的液沫可以靠重力作用自然落下，而發(fā)生液泛的氣液混合相又可以在捕沫器中得到進一步分離，從而提高了傳質效率，防止大量液體從排氣孔9中涌出進入吸收裝置。其中，排液孔8位置的合理設置較為關鍵，其高度不應太高，否則失去分離器存在的意義，同時其位置在一定程度上影響的分離效率，其開口大小可以控制液體的最大流量，提高了傳質效率，強化了傳質過程。本發(fā)明可以在不超出本發(fā)明精神和基本特征的條件下以其它膜組件形式來實施， 因此，應該參閱作為說明本發(fā)明范圍的所附權利要求書，而不僅限于上述說明。以下實例均為本發(fā)明方法的實際應用，如無特殊說明均采用本專利中提到的設備以及工藝。在方案實施過程中，除前文提到的膜組件、氣泵、恒流泵以及氣、液流量計之外，還需要加設氣體回收裝置用于吸收出氣孔中出來的混合氣體中的易揮發(fā)物質。氣體回收裝置中采用吸收劑與易揮發(fā)物質反應的方式達到富集、分離的目的，其吸收劑是指可與氣體中含有的易揮發(fā)物質發(fā)生反應或吸附易揮發(fā)物質的物質，例如分離含溴鹵水的時候可以采用IM的氫氧化鈉或二氧化硫水溶液作為吸收劑。實施例1 采用本發(fā)明所述的設備并用空氣作為吹出氣體來凈化處理含有 50-200ppm易揮發(fā)溶質氣體溴的鹵水溶液，并且采用中空纖維膜作為膜組件2中的膜束3。 其主要原理是當空氣在0. 1-0. 外加壓力作用下通入到膜束的殼程(即膜外部)當中與液體形成順流操作，并形成膜管程向殼程方向的正壓，即可使空氣從殼程進入到管程當中；在此壓力梯度下，空氣通過膜束表面上的大量微孔進入膜束內部并與其中含有的易揮發(fā)物質溴的商水溶液相接觸，空氣經過膜微孔分散后可與液體進行充分的微分接觸，從而使得鹵水溶液中含有的溴擴散到空氣當中并被帶走，從而達到富集、分離、吸收的目的。參見附圖2，本氣液分離設備結構分為上下兩個部分，其中下部的膜組件2中集成了中空纖維膜束3，而上部的氣液分離器1由分離室4和捕沫器5組成。在膜組件2的底部和相應殼體的側下方分別設進液孔6以及進氣孔7，空氣分別通過進液孔6和進氣孔7直接進入膜組件2中的膜束3內部，即管程，和膜束的外部，即殼程。在本例中，我們選用了三種中空纖維膜束形式作為膜束3分別進行實驗來比較效果，其中每根膜束外徑0. 5mm，膜束壁厚0. 07mm。其中膜束1為PP膜，其長度為20cm，膜束2為PVDF膜，其長度亦為20cm，膜束 3也為PVDF膜，其長度為30cm。氣液分離器1中的分離室4位于捕沫器5的下方并與下部的膜組件2相連，其結構形式為一空腔，其長度約為10cm，分離室4側面的殼體上設有排液孔8，用于控制鹵水溶液和空氣分離后鹵水溶液的排放，可使從下部膜組件2管程中出來的鹵水溶液直接流出，從而實現(xiàn)氣液分離，捕沫器5中充滿塑料末碎屑、玻璃或不銹鋼材質的碎屑等形式的填料，用于進一步分離空氣中含有的液沫并防止液泛以及液沫夾帶等現(xiàn)象的發(fā)生，在其頂部設有排氣孔9用于排放空氣；原料液，即含有溴的鹵水溶液由外接恒流泵13 通過管道(軟管)經過液體流量計12后與膜組件2的進液孔6相連；風機10通過管路經氣體流量計11與膜組件2的進氣孔7相連接，而從捕沫器5頂部排氣孔9出來的含有溴的空氣直接進入氣體吸收裝置14，從排液孔8出來的經過處理過的含溴鹵水溶液可由恒流泵 13重新輸送回到膜組件2中繼續(xù)循環(huán)處理。本實驗的具體流程如下空氣由風機10在0. 1-0. 5Mpa的加壓作用下從進氣孔7 經膜束的殼程進入管程當中(當氣液比為10 1,20 1和30 1時，風機的壓力分別為 0. U0. 2和0. 3Mpa)，含有易揮發(fā)組分溴的鹵水溶液(鹵水為濃縮后的海水或地下鹽田水) 經過恒流泵13從進液孔6進入膜束管程中，氣體流量計11和液體流量計12分別接在風機 10和恒流泵13的出口，用于計量使用的氣液流量。氣體流量計量程可選0-1. 2m3/h，液體流量計量程可選0-50L/h，在從殼程到管程的壓力方向下，空氣通過膜束3表面的微孔進入到管程當中，使得空氣和鹵水溶液兩相得到充分接觸，從而使得易揮發(fā)物質溴從鹵水溶液中擴散到空氣當中。含有易揮發(fā)氣體溴的混合氣體以及從膜組件2中流出的液體同時進入分離室4，混合氣體經過捕沫器5消除霧沫夾帶的液體，然后通過排氣孔9進入后續(xù)的氣體吸收裝置14當中，而液體在重力的作用下通過排料孔8自然流出，由于分離室4的存在，使得氣體中夾帶的液沫可以靠重力作用自然落下，而發(fā)生液泛的氣液混合相又可以在捕沫器5 中得到進一步分離，從而提高了傳質效率，防止大量液體從排氣孔9中涌出進入吸收裝置。具體實驗數(shù)據(jù)如下表1工藝條件與吹出率關系
權利要求
1.分離液體中易揮發(fā)物質的方法，將含有易揮發(fā)氣體溶質的液體從膜束的管程當中通入，并使氣體在0. 1-0. 5MPa的外加壓力作用下通入到膜束的殼程當中，與液體形成順流操作，氣體通過膜束表面的微孔被分散后進入到管程當中，并與含有易揮發(fā)氣體溶質的液體充分混合從而使得易揮發(fā)物質進入到氣體當中，最后在壓力梯度的作用下都從管程另一端流出，流出后氣液兩相在重力作用下自然分開，其中揮發(fā)性溶質從液相轉移到了氣相當中， 達到富集、分離液體中易揮發(fā)物質的目的，該工藝中使用的膜為疏水性膜。
2.根據(jù)權利要求1所述的分離液體中易揮發(fā)物質的方法，其特征在于，所述的氣體是指空氣以及可與液體中待分離的物質發(fā)生反應的氣體或混合氣體，如空氣、氧氣等。
3.根據(jù)權利要求1所述的分離液體中易揮發(fā)物質的方法，其特征在于，所述的含有易揮發(fā)物質的液體，是指含有或經處理后含有溴、氯氣、氨氣、硫化氫的海水、商水、工業(yè)及環(huán)保過程中的料液、水處理料液。
4.適用于權利要求1所述的分離液體中易揮發(fā)物質的方法的裝置，其特征在于，主要由膜組件、氣液分離器組成，以下部為內部密封有疏水性微孔膜束的膜組件，上部為由捕沫器和分離室組成的氣液分離器的形式同封裝于殼體內；在膜組件的底部和相應殼體的側下方分別設進液孔和進氣孔氣液分離器中的分離室位于捕沫器的下方并與下部的膜組件相連，分離室的結構形式為一空腔，空腔側面的殼體上設有排液孔，用于控制氣液分離后液體的排放，可使從下部膜組件管程中出來的液體直接流出，從而實現(xiàn)氣液分離，在捕沫器上設有排氣孔用于排放氣體；外接恒流泵通過管道與膜組件的進液孔相連；用于輸送原料液， 風機通過管路與膜組件的進氣孔相連接，提供正壓的氣體。
5.根據(jù)權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述的捕沫器頂部排氣孔與氣體回收裝置連接；所述的排液孔通過管路與原料槽連接。
6.根據(jù)權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述的排液孔盡量靠近膜組件和氣液分離器的結合部，不超過分離室高度的四分之一。
7.根據(jù)權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述的捕沫器為一裝有填料層的封閉殼體，填料層所用填料為塑料末碎屑、玻璃或不銹鋼的碎屑。
8.根據(jù)權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述的捕沫器位于整個設備的最上端；所述的排氣孔設在捕沫器頂部。
9.關于將權利要求1所述的方法和權利要求4所述的裝置在含有溴、氯的海水、鹵水或含有硫化氫等有用或有害的易揮發(fā)物質的工業(yè)和生活廢水的企業(yè)分離的應用，其特征在于，所述的膜組件為具有疏水性和大量微孔的中空纖維膜、管式膜、卷式膜、平面膜組件中的一種，其材質為疏水性聚偏氟乙烯膜或聚丙烯膜，其中疏水性微孔膜束，是指透氣不透液或不透水且膜本身具有大量孔徑在0. 01 μ m以上的微孔的疏水性膜束。
全文摘要
分離液體中易揮發(fā)物質的方法，將含有易揮發(fā)氣體溶質的液體從膜束的管程當中通入，并使氣體在0.1-0.5MPa的外加壓力作用下通入到膜束的殼程當中，與液體形成順流操作，氣體通過膜束表面的微孔被分散后進入到管程當中，并與含有易揮發(fā)氣體溶質的液體充分混合從而使得易揮發(fā)物質進入到氣體當中，最后在壓力梯度的作用下都從管程另一端流出，流出后氣液兩相在重力作用下自然分開，其中揮發(fā)性溶質從液相轉移到了氣相當中，達到富集、分離液體中易揮發(fā)物質的目的，該工藝中使用的膜為疏水性膜。
文檔編號C02F101/12GK102335524SQ20101023532
公開日2012年2月1日 申請日期2010年7月23日 優(yōu)先權日2010年7月23日
發(fā)明者劉偉, 姚穎, 張耀江, 張雨山, 王國強, 王慧峰, 王穎, 高書寶 申請人:國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所