一种浓盐水的界面蒸发装置及蒸发方法与流程

1.本发明涉及水处理领域，具体涉及一种浓盐水的界面蒸发装置及蒸发方法。


背景技术：

2.海水淡化或工业生产过程中会产生大量的浓盐水，浓盐水的处理已经是制约 着各行各业工业废水零排放的关键技术。对浓盐水进行综合处理，实现盐和水资 源的高效综合利用，对于降低浓盐水排放的环境污染具有重大社会意义和经济意 义。
3.目前，末端浓盐水的处理技术主要包括：多效蒸发(med)、机械蒸汽再压 缩(mvr)、机械雾化蒸发和蒸发塘等。由于浓盐水的强腐蚀性，med或者mvr 蒸发器选材要求很高，投资昂贵，其单位投资和运行能耗非常高。机械雾化蒸发 技术使蒸发塘内的浓盐水雾化，来增大浓盐水的表面积，从而可以提高蒸发塘的 蒸发速度，即提高浓盐水的蒸发速度。但是，雾化的浓盐水的雾滴与空气接触， 并在一定风速的条件下极易漂浮和吹至蒸发塘的外部，甚至浓盐水形成的结晶盐 漂浮到蒸发塘外部更远的地方。有的浓盐水的结晶盐含有重金属等对环境有害的 物质，容易造成周边环境的二次污染。蒸发塘是一种处理浓盐水的自然蒸发设施， 其原理是将达标的高浓盐水排放到一个经过防渗处理的水池里，通过自然蒸发结 晶来实现浓盐水减量。蒸发塘具有抗冲击负荷好、运行成本低、使用寿命长等优 点，因而被广泛应用在不少国内的煤化工项目中。但实际生产实践中，由于自然 蒸发缓慢，蒸发塘存在着浓盐水容易满塘，溢塘的的问题，同时如果浓盐水完全 蒸发，须占用上百公顷土地。目前，蒸发塘事实上已经无法获批作为新建设施处 理高浓废水，蒸发塘面临很大的管理与生存困境。
4.专利cn203389343u中采用了机械雾化蒸发技术，该技术的原理是将浓盐水 雾化成细小的液滴，将蒸发面从二维水平面，变为三维空间的立体蒸发。利用该 技术可以实现相同体积的浓盐水蒸发面积增加数倍，大幅度增加蒸发塘中浓盐水 与空气的接触面积，起到提高蒸发速度的作用。但是，目前机械雾化蒸发技术在 国内内蒙古、新疆等多个煤化工企业或园区的蒸发塘进行了技术示范，但实际效 果不佳，没有实现该技术的应用推广。蒸发塘的浓盐水被破碎式机械雾化蒸发器 破碎后抛向空中，水滴飘落过程中水分蒸发，大部分液滴会回落到蒸发器周围， 但受到风力因素影响较大，雾化浓盐水的小雾滴一般在100-200微米左右，在一 定风速的条件下极易漂浮和吹至蒸发塘外部，甚至形成的结晶盐漂浮到蒸发塘外 部更远的地方，有的浓盐水的结晶盐含有重金属等对环境有害物质，容易造成周 边环境二次污染。
5.专利cn101885515a公开了一种多级太阳能海水淡化装置，采用太阳能集热 器在太阳光的照射下，一部分红外线与紫外线被吸热板芯吸收后转换为热能，给 海水储水槽加热，海水的温度缓慢升高，并不断蒸发，在冷疑部件外壁会形成水 珠被淡水收集部件集中后输出集成舱外而获得利用。但是，该海水淡化装置采用 太阳能集热器直接对海水储水槽加热，由于热学损耗较大致使其转化效率较低 (30％-50％)，在很大程度上限制了光蒸汽转化效率。
30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％以及它们之间的任 意值。
23.根据本发明，当所述多孔亲水层的孔隙率大于所述第一多孔疏水层和/或第二 多孔疏水层的孔隙率时有利于提高蒸发效率。
24.在本发明的一些优选的实施方案中，所述多孔亲水层的厚度为 0.1mm～10mm，优选为0.1mm～5mm，更优选为0.1mm～3mm。
25.根据本发明，所述多孔亲水层的厚度可以列举为0.1mm、0.5mm、1.0mm、 1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、3.5mm、4.0mm、4.5mm、5.0mm、5.5mm、6.0mm、 6.5mm、7.0mm、7.5mm、8.0mm、8.5mm、9.0mm、9.5mm、10.0mm以及它们之 间的任意值。
26.在本发明的一些优选的实施方案中，所述第一多孔疏水层和/或第二多孔疏水 层的厚度为0.1mm～10mm，优选为0.1mm～5mm，更优选为0.1mm～3mm。
27.根据本发明，所述第一多孔疏水层和/或第二多孔疏水层的厚度可以列举为 0.1mm、0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、3.5mm、4.0mm、4.5mm、 5.0mm、5.5mm、6.0mm、6.5mm、7.0mm、7.5mm、8.0mm、8.5mm、9.0mm、9.5mm、 10.0mm以及它们之间的任意值。
28.根据本发明，所述多孔亲水层和/或所述第一多孔疏水层和/或第二多孔疏水 层的厚度越小，蒸发量越高，但是，随着厚度的减小，强度也随之降低。因此， 为了平衡蒸发量和强度，厚度最优选地范围是0.3mm～1.0mm，更优选 0.4mm～0.6mm，进一步优选0.45mm～0.55mm。
29.根据本发明，所述多孔亲水层和所述第一多孔疏水层和/或第二多孔疏水层的 长度和宽度可以根据实际需要例如根据蒸发装置的大小进行常规选择。
30.在本发明的一些优选的实施方案中，所述多孔亲水层与水的接触角为 30
°
～60
°
，优选为40
°
～50
°
。
31.根据本发明，所述多孔亲水层与水的接触角可以列举为30
°
、31
°
、32
°
、33
°
、 34
°
、35
°
、36
°
、37
°
、38
°
、39
°
、40
°
、41
°
、42
°
、43
°
、44
°
、45
°
、46
°
、47
°
、48
°
、 49
°
、50
°
、51
°
、52
°
、53
°
、54
°
、55
°
、56
°
、57
°
、58
°
、59
°
、60
°
以及它们之间的 任意值。
32.在本发明的一些优选的实施方案中，所述第一多孔疏水层和/或第二多孔疏水 层与水的接触角为90
°
～150
°
，优选为100
°
～130
°
。
33.根据本发明，所述第一多孔疏水层和/或第二多孔疏水层与水的接触角可以列 举为90
°
、91
°
、92
°
、93
°
、94
°
、95
°
、96
°
、97
°
、98
°
、99
°
、100
°
、101
°
、102
°
、 103
°
、104
°
、105
°
、106
°
、107
°
、108
°
、109
°
、110
°
、111
°
、112
°
、113
°
、114
°
、 115
°
、116
°
、117
°
、118
°
、119
°
、120
°
、121
°
、122
°
、123
°
、124
°
、125
°
、126
°
、 127
°
、128
°
、129
°
、130
°
、131
°
、132
°
、133
°
、134
°
、135
°
、136
°
、137
°
、138
°
、 139
°
、140
°
、141
°
、142
°
、143
°
、144
°
、145
°
、146
°
、147
°
、148
°
、149
°
、150
°
以 及它们之间的任意值。
34.根据本发明，当所述多孔亲水层的孔隙率和/或接触角在上述特定的范围内 时，其具有良好的水输送能力。
35.根据本发明，当所述第一多孔疏水层和/或第二多孔疏水层的孔隙率和/或接 触角在上述特定的范围内时，具有较低的表面张力，能够有效阻止含盐水进入疏 水层，而蒸发过程中产生的蒸汽可通过疏水层扩散到外部环境。
36.根据本发明，所述多孔亲水层可以是经亲水改性的聚合物膜，所述聚合物可 以是聚醚砜、聚砜、醋酸纤维素、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈或其混合物； 形成所述亲水改
性的聚合物膜的添加剂可以选自聚乙烯醇、聚吡咯烷酮、聚乙二 醇、甘油、丙二醇中的至少一种。
37.根据本发明，所述第一多孔疏水层和/或第二多孔疏水层可以是经疏水改性或 未改性的聚合物膜，所述的聚合物可以是聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟 乙烯、聚苯砜或其混合物；所述的疏水改性可以是在聚合物表面进行物理涂覆或 者化学接枝。
38.根据本发明，所述多孔亲水层和所述第一多孔疏水层和/或第二多孔疏水层可 以是任何本领域常规的、满足本发明所需功能的产品，或能够根据本领域已知的 方法制得的满足本发明所需功能的产品。所述多孔亲水层和所述第一多孔疏水层 和/或第二多孔疏水层的制备方法不是本发明的重点，本发明在此不对该部分内容 进行赘述。
39.为实现上述目的之二，本发明采取的技术方案如下：
40.一种蒸发装置，包括：间隔设置的上述的蒸发单元。
41.根据本发明，蒸发单元与常规风向平行，促进蒸发和保证装置运行的安全性。
42.在本发明的一些优选的实施方案中，相邻的所述蒸发单元之间的间距为1.0cm～20.0cm，优选为5.0cm～15.0cm，更优选为5.0cm～10.0cm。
43.根据本发明，相邻的所述蒸发单元之间的间距可以列举为1.0cm、2.0cm、 3.0cm、4.0cm、5.0cm、6.0cm、7.0cm、8.0cm、9.0cm、10.0cm、11.0cm、12.0cm、 13.0cm、14.0cm、15.0cm、16.0cm、17.0cm、18.0cm、19.0cm、20.0cm以及它们 之间的任意值。
44.根据本发明，相邻的所述蒸发单元之间的间距可以是相邻的蒸发单元中的相 对的多孔亲水层之间的间距。
45.在本发明的一些优选的实施方案中，所述蒸发装置还包括设置在所述蒸发单 元外部的支撑框架。
46.根据本发明，所述支撑框架的结构不受限制，只要能够支撑所述蒸发单元具 有防腐性能，并能使自然光和自然气流接触所述蒸发单元即可。
47.在本发明的一些优选的实施方案中，在所述支撑框架内部，所述蒸发单元在 垂直于地面的方向上平行设置。
48.为实现上述目的之三，本发明采取的技术方案如下：
49.一种蒸发系统，包括：供水装置、循环装置、布水装置以及上述的蒸发装置， 其中，所述供水装置与所述循环装置相连接，所述循环装置与所述布水装置相连 接，所述布水装置与所述蒸发装置相连接，所述蒸发装置与所述循环装置相连接。
50.在本发明的一些优选的实施方案中，所述布水装置位于所述蒸发装置的顶 部。
51.在本发明的一些优选的实施方案中，所述供水装置包括原液桶和原液泵，所 述原液桶的出液口连接所述原液泵的进液口。
52.在本发明的一些优选的实施方案中，所述循环装置包括循环池和循环泵，所 述原液泵的出液口连接所述循环池的进液口，所述循环池的出液口连接所述循环 泵的进液口。
53.在本发明的一些优选的实施方案中，所述布水装置包括布水管和分布于所述 布水管上的多个布水孔，所述循环泵的出液口连接所述布水管的进液口。
54.在本发明的一些优选的实施方案中，所述布水孔设置在所述多孔亲水层的上 方。
55.为实现上述目的之四，本发明采取的技术方案如下：
56.一种浓盐水的界面蒸发的方法，包括：使浓盐水在上述的蒸发单元或上述的 蒸发
装置中的蒸发单元或上述的蒸发系统中的蒸发单元的内部进行循环流动，从 而使得所述浓盐水中的水在所述第一多孔疏水层和/或第二多孔疏水层的表面被 蒸发。
57.一种浓盐水的界面蒸发的方法，其采用上述的蒸发系统进行，所述的浓盐水 的界面蒸发的方法包括：
58.a)使来自于所述供水装置中的浓盐水进入到所述循环装置中；
59.b)使所述循环装置中的浓盐水进入到所述布水装置中；
60.c)使所述布水装置中的浓盐水进入到所述蒸发装置中，使得所述布水装置中 的浓盐水在所述的蒸发系统中的蒸发单元的内部进行循环流动，进而使得所述浓 盐水中的水在所述第一多孔疏水层和/或第二多孔疏水层的表面被蒸发；
61.d)使从所述蒸发装置中流出的浓盐水进入所述循环装置；以及
62.任选地，e)从所述循环装置中移除析出的固体。
63.根据本发明，在从所述循环装置中移除析出的固体后，重复进行步骤a)。
64.在本发明的一些优选的实施方案中，所述的浓盐水的界面蒸发的方法包括：
65.1)将所述浓盐水置于所述原液桶中，使所述浓盐水在所述原水泵的作用下 进入到所述循环池中；
66.2)使所述循环池中的浓盐水在循环泵的作用下进入到所述布水管中；
67.3)使所述布水管中的浓盐水从所述布水孔流入所述蒸发单元；
68.4)使从所述蒸发单元流出的浓盐水进入所述循环池，以及
69.任选地，5)从所述循环池中移除析出的固体。
70.根据本发明，在从所述循环池中移除析出的固体后，重复进行步骤1)。
71.在本发明的一些优选的实施方案中，所述蒸发装置内的操作条件包括：温度 为0℃～45℃。
72.根据本发明，所述蒸发装置内的操作温度可以列举为0℃、5℃、10℃、15℃、 20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃以及它们之间的任意值。
73.在本发明的一些优选的实施方案中，所述蒸发单元内的循环流量为0.5l/m2/h ～10l/m2/h，优选为0.5l/m2/h～5l/m2/h，更优选为0.5l/m2/h～3l/m2/h，进一步 优选为0.1l/m2/h～2l/m2/h。
74.根据本发明，所述蒸发单元内的循环流量可以列举为、0.5l/m2/h、0.6l/m2/h、 0.7l/m2/h、0.8l/m2/h、0.9l/m2/h、1.0l/m2/h、1.1l/m2/h、1.2l/m2/h、1.3l/m2/h、 1.4l/m2/h、1.5l/m2/h、2.0l/m2/h、2.5l/m2/h、3.0l/m2/h、3.5l/m2/h、4.0l/m2/h、 4.5l/m2/h、5.0l/m2/h、5.5l/m2/h、6.0l/m2/h、6.5l/m2/h、7.0l/m2/h、7.5l/m2/h、 8.0l/m2/h、8.5l/m2/h、9.0l/m2/h、9.5l/m2/h、10.0l/m2/h以及它们之间的任意 值。
75.根据本发明，所述蒸发单元内的循环流量是指每小时每单位面积(1m2)流 经的液体的总体积。
76.在本发明的一些优选的实施方案中，所述浓盐水中含有氯化钠、硫酸钠、硫 酸铵和水。
77.在本发明的一些优选的实施方案中，所述浓盐水中，所述氯化钠的含量为 60000mg/l～230000mg/l。
78.本发明的有益效果至少在于以下几个方面：
79.(1)根据本发明，通过在单位占地面积设置大量平行布置的竖直蒸发单元， 从其顶部供水以形成大面积的蒸发表面，在自然气流的作用下，实现自然蒸发的 强化过程，蒸发速率达到相同占地面积蒸发塘的40-50倍。
80.(2)本发明的蒸发单元有效地提高了光蒸汽转化效率。本发明中的蒸发单 元外层为疏水微孔材料，且具有较低的表面张力，能够有效阻止含盐水进入疏水 层，而蒸发过程中产生的蒸汽可通过疏水层扩散到外部环境，中间层为亲水微孔 材料，利用毛细作用将水送到外层的气液界面。外层充分吸收太阳光，其能量持 续传递给外层与中间层水与空气界面的水分子，相比对整个水体加热，大幅提高 了蒸发单元的蒸发效率。
81.(3)本发明的蒸发单元克服了浓盐水处理过程中蒸发单元因盐析出造成的 污染问题。本发明中的蒸发单元将光吸收和水输送的功能区分开，外层疏水负责 光吸收，中间层亲水负责水输送，因此，随着水分的蒸发析出的盐分被有效地阻 隔在亲水的中间层中，并且会由于连续的水输送而迅速溶解，保证了蒸发装置及 蒸发单元的连续稳定运行，提高了蒸发装置的运行效率。
附图说明
82.图1是实施例1的蒸发方法的工艺流程图及蒸发系统的结构示意图。
83.图2是实施例1的蒸发反应的结构示意图。
具体实施方式
84.以下通过实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不限于下述 说明。
85.在下述实施方式中，若无特殊说明，所采用的多孔亲水层为亲水改性的聚偏 氟乙烯膜。
86.在下述实施方式中，若无特殊说明，所采用的第一多孔疏水层和第二多孔疏 水层为聚四氟乙烯膜。在下述实施方式中，若无特殊说明，实验的气候条件包括： 湿度35％，空气温度25℃，水温度23℃，风速4m/s，太阳辐照强度1kw/m2。
87.在下述实施方式中，若无特殊说明，浓盐水的水质信息如表1所示：
88.表1
[0089][0090]
在下述实施方式中，蒸发量的计算公式如式(1)所示：
[0091]
蒸发量＝(蒸发前盐水重量-蒸发后盐水重量)/时间
ꢀꢀ
式(1)。
[0092]
在下述实施方式中，蒸发速率的计算公式如式(2)所示：
[0093]
蒸发速率＝蒸发量/蒸发面积
ꢀꢀ
式(2)。
[0094]
实施例1
[0095]
本实施例的蒸发系统如图1所示，包括原液桶1和原水泵2组成的供水装置， 循环水槽3和循环泵4组成的循环装置，若干条布水分管路5(即布水孔)和两 条布水主管路6(即布水管)组成的布水装置以及框架结构7和5个蒸发单元8 组成的蒸发装置，相邻的蒸发单元之间的间距为15cm，蒸发单元内的循环流量 为1l/m2/h。
[0096]
蒸发单元8的结构如图2所示，包括位于中间的多孔亲水层以及通过环氧树 脂胶黏剂分别连接在多孔亲水层相对两侧的第一多孔疏水层和第二多孔疏水层。 其中，多孔亲水层和第一多孔疏水层和第二多孔疏水层的长度为40cm，宽度为 20cm，多孔亲水层的厚度为0.5mm，第一多孔疏水层和第二多孔疏水层的厚度为 0.5mm。多孔亲水层的孔隙率为75％，第一多孔疏水层和第二多孔疏水层的孔隙 率为50％。多孔亲水层与水的接触角为45
°
，第一多孔疏水层和第二多孔疏水层 与水的接触角为120
°
。
[0097]
利用上述的蒸发系统进行浓盐水的界面蒸发，包括：
[0098]
1)将浓盐水置于原液桶中，使浓盐水在原水泵的作用下进入到循环池中；
[0099]
2)使循环池中的浓盐水在循环泵的作用下进入到布水管中；
[0100]
3)使布水管中的浓盐水从布水孔流入蒸发单元；
[0101]
4)使从蒸发单元流出的浓盐水进入循环池，以及
[0102]
5)从循环池中移除析出的固体。
[0103]
经测试，蒸发量为0.600kg/h；蒸发速率为0.750kg/m2·
h；运行时间8h，蒸发 单元表面没有出现结晶盐的聚集，蒸发单元的蒸发速率没有出现衰减的情况，蒸 发装置可以连续稳定运行。
[0104]
实施例2
[0105]
蒸发单元的个数与实施例1相同，为5个，与实施例1的不同之处仅在于相 邻的蒸发单元之间的间距为7.5cm。
[0106]
经测试，蒸发量为0.480kg/h；蒸发速率为0.600kg/m2·
h；运行时间8h，蒸发 单元表面没有出现结晶盐的聚集，蒸发单元的蒸发速率没有出现衰减的情况，蒸 发装置可以连续稳定运行。
[0107]
实施例3
[0108]
蒸发单元的个数与实施例1相同，为5个，与实施例1的不同之处仅在于相 邻的蒸发单元之间的间距为30cm。
[0109]
经测试，蒸发量为0.607kg/h；蒸发速率为0.759kg/m2·
h；运行时间8h，蒸发 单元表面没有出现结晶盐的聚集，蒸发单元的蒸发速率没有出现衰减的情况，蒸 发装置可以连续稳定运行。
[0110]
实施例4
[0111]
与实施例1的不同之处仅在于多孔亲水层和第一多孔疏水层和第二多孔疏水 层的厚度大于实施例1，为1mm。
[0112]
经测试，蒸发量为0.488kg/h；蒸发速率为0.610kg/m2·
h；运行时间8h，蒸发 单元
表面没有出现结晶盐的聚集，蒸发单元的蒸发速率没有出现衰减的情况，蒸 发装置可以连续稳定运行。
[0113]
实施例5
[0114]
与实施例1的不同之处仅在于多孔亲水层和第一多孔疏水层和第二多孔疏水 层的厚度小于实施例1，为0.3mm。
[0115]
经测试，蒸发量为0.720kg/h；蒸发速率为0.900kg/m2·
h；运行时间8h，蒸发 单元表面没有出现结晶盐的聚集，蒸发单元的蒸发速率没有出现衰减的情况，蒸 发装置可以连续稳定运行。
[0116]
实施例6
[0117]
与实施例1的不同之处仅在于多孔亲水层和第一多孔疏水层和第二多孔疏水 层的孔隙率大于实施例1，分别为85％和60％。
[0118]
经测试，蒸发量为0.648kg/h；蒸发速率为0.810kg/m2·
h；运行时间8h，蒸发 单元表面没有出现结晶盐的聚集，蒸发单元的蒸发速率没有出现衰减的情况，蒸 发装置可以连续稳定运行。
[0119]
实施例7
[0120]
与实施例1的不同之处仅在于多孔亲水层和第一多孔疏水层和第二多孔疏水 层的孔隙率大于实施例1，分别为80％和55％。
[0121]
经测试，蒸发量为0.628kg/h；蒸发速率为0.785kg/m2·
h；运行时间8h，蒸发 单元表面没有出现结晶盐的聚集，蒸发单元的蒸发速率没有出现衰减的情况，蒸 发装置可以连续稳定运行。
[0122]
实施例8
[0123]
与实施例1的不同之处仅在于多孔亲水层和第一多孔疏水层和第二多孔疏水 层的孔隙率小于实施例1，分别为60％和40％。
[0124]
经测试，蒸发量为0.552kg/h；蒸发速率为0.690kg/m2·
h；运行时间8h，蒸发 单元表面没有出现结晶盐的聚集，蒸发单元的蒸发速率没有出现衰减的情况，蒸 发装置可以连续稳定运行。
[0125]
实施例9
[0126]
与实施例1的不同之处仅在于蒸发单元内的循环流量大于实施例1，为1.3 l/m2/h。
[0127]
经测试，蒸发量为0.592kg/h；蒸发速率为0.740kg/m2·
h；运行时间8h，蒸发 单元表面没有出现结晶盐的聚集，蒸发单元的蒸发速率没有出现衰减的情况，蒸 发装置可以连续稳定运行。
[0128]
实施例10
[0129]
与实施例1的不同之处仅在于蒸发单元内的循环流量小于实施例1，为 0.6l/m2/h。
[0130]
经测试，蒸发量为0.293kg/h；蒸发速率为0.366kg/m2·
h；运行时间8h，蒸发 单元表面没有出现结晶盐的聚集，蒸发单元的蒸发速率没有出现衰减的情况，蒸 发装置可以连续稳定运行。
[0131]
对比例1
[0132]
与实施例1的不同之处仅在于蒸发单元为涤纶120-7布料。
[0133]
经测试，蒸发量为0.16kg/h；蒸发速率为0.40kg/m2·
h；运行时间3h后，涤 纶布料表面开始析出结晶盐，且结晶盐析出越来越多，最终导致布水不均匀，蒸 发速率降低。
[0134]
为便于分析，将实施例中的主要实验参数和测试结果列于表2中。
[0135]
表2
[0136][0137]
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的 任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的 词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求 的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行 修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着 本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的 方法和应用。