基于二维薄膜的反渗透海水淡化膜组件、装置及淡化方法

技术领域

本发明属于分离膜水处理领域，具体涉及一种基于二维薄膜的反渗透海水淡化膜组件、装置及淡化方法。

背景技术

当前淡水资源匮乏日益严重，已成为全球性的环境问题，而海水淡化则是一种最具前景的解决方法。从能量转换角度来讲，海水淡化是将其他能源(如热能、机械能、电能等)转化为盐水分离能的过程。分离膜在膜辅助水处理工艺中起着关键作用，决定了技术的经济效益。分离膜技术目前被认为是最主要的膜辅助脱盐技术和方法；由于其有效的脱盐效率和合理的能源消耗，正在不断取得重大进展。反渗透海水淡化技术因其投资成本和产水能耗低的优势，代表未来淡化技术的主流发展方向，而其技术进步依赖于膜分离技术的发展。

芳香族聚酰胺薄层复合膜是当今反渗透海水淡化的黄金标准。它由无纺布支撑层，多孔中间聚合物层和薄(<500nm)且高度交联的聚酰胺层组成，具有出色的渗透性，高脱盐性以及宽pH耐受范围和高压的合理耐受性。但它在有着如此多优点的同时，仍有一些缺陷难以克服：芳香族聚酰胺薄膜复合膜难以克服水通量与脱盐率之间的trade-off效应，不能同时实现高透水性和选择性，且对小中性溶质(例如海水中的硼和废水中的致癌N-亚硝基二甲胺)的排斥不足，受到天然原水中有机、无机和微生物污染物的威胁和阻碍。

幸运的是，自从发现单层石墨烯以来，二维材料引起了广泛的关注。它们被广泛定义为二维键强度比三维键强度大得多的材料。由于这些特殊性质产生的不寻常特性和物理现象，二维材料在许多方面的应用引发了许多研究兴趣。原子厚的二维材料除了电荷转移外，还表现出独特的质量传递特性。超高水通量是通过其原子厚度实现的，而高排斥性是通过控制缺陷的引入来实现的。这两个特性是不同类型材料的理想特性。二维材料有望突破脱盐率与水通量之间的trade-off效应，成为下一代反渗透海水淡化膜的候选材料。

二维材料家族的基本成员包括石墨烯、MXene、Ti

传统的聚酰胺反渗透海水淡化膜通常装载到卷式膜组件中，而二维材料虽拥有较高的机械强度而韧性低于聚合物材料，难以直接装载到卷式膜组件中。因此，膜组件的结构、性能与成本成为制约二维材料膜海水淡化技术推广应用的关键因素，当前海水淡化市场当中并未开发出适用于二维材料膜的反渗透膜组件。因此，基于二维材料膜的物理化学特性，开发出适用于二维材料膜的反渗透海水淡化膜组件对于二维材料膜在海水淡化市场当中的应用以及海水淡化的工业发展是至关重要的。

发明内容

本发明的目的在于针对当前海水淡化市场中缺少适用于二维材料反渗透膜组件形式的问题，提供一种基于二维薄膜的反渗透海水淡化膜组件、装置及淡化方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种基于二维薄膜的反渗透海水淡化膜组件，包括端部膜夹片、中部膜夹片以及膜片支撑体，中部膜夹片两端由近及远依次设置膜片支撑体和端部膜夹片，端部膜夹片、中部膜夹片以及膜片支撑体开设中心孔。

进一步的，膜片支撑体采用砂芯或泡沫金属制成。

进一步的，端部膜夹片和膜片支撑体均对称布置于中部膜夹片两端。

进一步的，膜片支撑体为圆台形，膜片支撑体和端部膜夹片嵌入中部膜夹片。

进一步的，膜片支撑体为圆柱形，膜片支撑体设置于中部膜夹片内侧，端部膜夹片覆盖在膜片支撑体和中部膜夹片的端面，端部膜夹片与中部膜夹片的接触面设置密封垫片。

同时提供一种反渗透海水淡化装置，包括壳体，壳体的一端开设浓水进料口，另一端开设净水出口和浓水出料口，壳体内设置有中心集流管和多个膜组件，多个膜组件沿着壳体轴向堆叠形成膜堆，中心集流管穿过膜组件的中心孔，中心集流管连通净水出口，所述膜组件采用上述基于二维薄膜的反渗透海水淡化膜组件。

进一步的，壳体内设置内部流道框架，内部流道框架为多层结构，内部流道框架的层数与膜组件数量一致，内部流道框架底面与壳体内侧地面设有间隙，中心集流管穿过内部流道框架中心。

进一步的，中心集流管采用拼接结构，中心集流管包括集流管连接件和集流管集水件，集流管连接件和集流管集水件交替连接形成中心集流管，集流管集水件位于膜组件中，集流管集水件侧面开设水孔与膜组件连通；集流管连接件中部设置凹槽与内部流道框架连接，集流管连接件端部套设在集流管连接件内，最底层的集流管集水件端部连接净水出口。

进一步的，壳体采用分体式结构，壳体包括筒体、上端盖和下端盖，上端盖和下端盖与筒体均采用螺栓紧固。

另外，本发明还提供一种海水淡化方法，基于上述反渗透海水淡化装置，浓水从进料口流入装置装满内腔体，浓水在压力驱动下与膜件进行脱盐渗透作用获得淡水，淡水从膜件内部汇集进入中心集流管，最后多个并联膜件的淡水从淡水出料口汇集流出，而浓水从浓水出料口流出。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

利用二维材料的性质及其海水淡化的性能，本发明适用于大面积二维材料膜的反渗透海水淡化膜组件形式，通过设置膜片支撑体起到支撑作用，以保护二维材料膜能抵抗压力损害，且透过二维材料膜的淡水能快速的通过膜片支撑体流入中部膜夹片32，膜组件结构稳固，不容易破坏，易于加工制作，最大程度地利用二维材料膜的海水淡化性能，进一步推动了二维材料膜在反渗透海水淡化工业领域的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是并联式海水淡化膜组件原理图。

图2是膜组件示意图。

图3是一种膜组件实例剖面图。

图4是分段连接式中心集流管结构图。

图5是膜组件装配图。

图6是端部膜夹片。

图7是中部膜夹片。

具体实施方式

为了便于理解本发明，将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，本发明所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本发明中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

为了便于理解本发明，下面结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

参考图2和图5，本发明提供的基于二维薄膜的反渗透海水淡化膜组件，包括端部膜夹片31、中部膜夹片32以及膜片支撑体33，中部膜夹片32两端由近及远依次设置膜片支撑体33和端部膜夹片31，端部膜夹片31、中部膜夹片32以及膜片支撑体33开设中心孔。

结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，本发明一种新型二维材料平板膜反渗透组件，包括浓水进料口1、壳体2、膜组件3、中心集流管4、净水出口5、浓水出料口6、下端盖7、垫片8、内部流道框架9、螺栓10、上端盖11。其中膜组件3包括端部膜夹片31、中部膜夹片32以及膜片支撑体33，中心集流管4包括集流管集水件41和集流管连接件42，集流管集水件41和集流管连接件42交替连接形成中心集流管。

膜组件3的结构决定了海水进入膜腔内的分布程度，同时需要承受大流量海水的冲击，而且作为整个膜组件的核心，膜组件结构稳固，不容易破坏，易于加工制作。考虑与垫圈、支撑板框的配合密封膜腔的问题。对膜组件各个部分设计如下：

由于二维材料膜片承受压力的能力有限，通过设置膜片支撑体33起到支撑作用，以保护二维材料膜能抵抗压力损害，且透过二维材料膜的淡水能快速的通过膜片支撑体33流入中部膜夹片32，并最终流入中心集流管4中。

膜片支撑体33可采用砂芯等坚固同时水通量大的固体材料，作为优选，可选用轻盈坚固疏水的泡沫金属作为膜片支撑体。

可选的，根据膜组件中实际压力的大小，当压力小时膜片支撑体33的形状可以设置为圆柱形，参考图5，膜片支撑体33为圆柱形，膜片支撑体33设置于中部膜夹片32内侧，端部膜夹片31覆盖在膜片支撑体33和中部膜夹片32的端面，端部膜夹片31与中部膜夹片32的接触面设置密封垫片34。此时水通过膜片支撑体后在重力作用下直接滴入中部膜夹片32，增大淡水通过速度，减少膜片支撑体存水。当压力过大而圆柱形不足以抵御压力时，如图2所示，膜片支撑体33为圆台形，膜片支撑体33和端部膜夹片31嵌入中部膜夹片32，设计成圆台形而与中部膜夹片32完美契合，通过与中部膜夹片32接触而将压力传导至中部膜夹片32上，保证其支撑作用。

作为优选，中部膜夹片32上半部为一个挖去圆台的圆柱体，这使淡水的流动有一个坡度，以保证淡水能更容易流入中心集流管。中部膜夹片32中间留出孔洞连接固定中心集流管，以使淡水能够流入中心集流管，保证淡水的快速产出。

在膜组件的运行过程中，控制膜污染、防止浓差极化的主要方法是促进膜面上混合液的湍流状态，使其在膜面上形成比较大的剪切力，从而控制杂质层的形成，防止高浓度盐水凝聚在膜表面造成巨大渗透压。因此水流流态的选择和控制就显得很重要而且十分必要。通过改变操作条件或者改变膜组件的结构形式可以控制水流形成特定的流态从而在膜面上形成利于控制膜污染以及浓差极化的良好水力条件达到控制膜浓差极化的目的。不稳定流体流动是指在流动系统中各个膜面上流体的流速、压强、密度等有关物理量不仅随位置而变化而且随时间而变化。流体的不稳定流动方式是一种强化效果好、能量较低、设备简单的实用技术。对设计高效、抗污染、防止浓差极化的膜组件有很大的推动作用，不稳定流体与稳态湍流相比，无论在层流还是湍流状态下都能起到强化过滤作用提高通量、有效控制膜污染。

作为优选，在膜组件上边壁上设计开槽，起到调整工质的入流方向，使工质被送入两膜组件间隙后不直接冲击膜面。除此之外，使用如图6端部膜夹片，其中部的十字架312在一定程度上也能起到增大湍流，促进切向流动的作用。当有工质运行时会使膜面受很大的压力，当工质较少不足以充满膜组件时，工质流动产生相比于外界较小的负压，而使膜与中部膜夹片32间处于一定的正压状态，这样长时间运行会对膜造成一定的损坏，而采用这种切向流动对膜面是一种切向冲刷，降低了膜面的承压力，有利于长时间的运行。而且通过入流调整结构沿着膜面的切向旋转入流，并在膜面附近产生涡流，这样的切向旋转入流可冲刷膜面，达到破坏浓差极化、使边界层变薄、起到提高膜通量的目的。

基于二维材料薄膜的反渗透海水淡化膜组件的反渗透装置包括膜组件组成的膜堆与壳体2，壳体2的一端开设浓水进料口1，另一端开设净水出口5和浓水出料口6，壳体2内设置有中心集流管4和多个膜组件，多个膜组件沿着壳体2轴向堆叠形成膜堆，中心集流管4穿过膜组件的中心孔，中心集流管4连通净水出口5，所述膜组件采用权利要求1-5任一项所述基于二维薄膜的反渗透海水淡化膜组件。

作为优选的，反渗透装置在形式上可设计为可分体的板框式膜组件，构造比较简单，操作方便，而且可以单独更换膜片，同时由于板框式膜组件的结构容易装卸使得在清洗和维护等方面都变得比较容易。不仅有利于降低设备投资和运行成本，而且还可作为试验机将各种膜样品同时安装在一起进行性能检测。此外，由于原料液流道的截面积可以适当增大，压降较小，线速度高，而且不易被异物堵塞。其结构及工作原理简要说明如下：并联式海水淡化反渗透海水淡化装置包括内腔体、浓水进出料口、中心集流管、淡水出料口、多个膜组件以及相应的连接密封件组成。主要工作原理为：浓水从进料口流入装置装满壳体的内腔体，浓水在压力驱动下与膜件进行脱盐渗透作用获得淡水，淡水从膜组件内部汇集进入中心集流管，最后多个并联膜组件的淡水从淡水出料口汇集流出，而浓水从浓水出料口流出。

作为优选，可以添加内部流道框架9，起到控制流道，增加膜组件紧凑程度，促进湍流，增加流速的作用，内部流道框架9为多层结构，内部流道框架9的层数与膜组件数量一致，内部流道框架9底面与壳体2内侧地面设有间隙，中心集流管4穿过内部流道框架9中心，内部流道框架9内侧嵌入集流管连接件42中部的凹槽。

端部膜夹片结构如图6所示，其中，a为端部膜夹片一面示意图，b端部膜夹片另一面示意图，c为端部膜夹片立体示意图。端部膜夹片通过螺栓连接将二维薄膜固定密封在其与中部膜夹片之间，浓水在其表面流过，通过其中部的空隙与膜片直接接触，在压力的驱动下通过膜片，产生淡水流入中部膜夹片。端部膜夹片的十字架型支撑结构即起到支撑作用，又能起到扰动水流，减少浓差极化的作用。作为优选，十字架的厚度可小于端部膜夹片的厚度，此时可在十字架下加装泡沫金属，防止水流过于剧烈直接接触损坏膜片。

参考图5和图7，膜片可通过螺栓紧固的方式通过端部膜夹片与中部膜夹片夹紧，端部膜夹片与中部膜夹片上设有相对应的第一圆形凹陷通道313和第二圆形凹陷通道322用来放置密封垫片将膜片夹在中间，使用密封垫片34密封二维材料膜片，防止两侧浓水与淡水混合。作为一种优选的连接方式，可通过在端部膜夹片31与中部膜夹片32上开设第一螺纹孔311与第二螺纹孔321，第二螺纹孔321具有大于螺纹孔直径的凹槽用来放置防水的密封垫片，然后通过将两夹片拧紧的方式紧固膜片。

中部膜夹片结构如图7所示，其中a为中部膜夹片一端面示意图，b为中部膜夹片剖视示意图，c为中部膜夹片立体结构示意图，中部膜夹片起到支撑膜片、收集淡水的作用。通过螺栓连接，将膜片紧固在中部膜夹片与端部膜夹片之间。中部膜夹片中间圆柱状孔隙一般会加装泡沫金属、砂芯等支撑材料，起到支撑膜片，防止膜片在水压下损坏的作用。同时，淡水会在泡沫金属中累积，并最终流入中心集流管。中部膜夹片上设置环形开槽322，环形开槽322中设有密封圈，防止外界浓水直接流入中心集流管。

膜组件各个部位的尺寸由二维材料膜片的尺寸以及材料应力强度决定。在确定好满足膜组件所受压力的壁厚以及连接密封所带来的应力集中后，依据二维材料膜片的尺寸确定膜组件各个部位的尺寸。膜组件各部位的尺寸满足对膜可以提供足够的机械支撑，能够良好的承载膜片并使其发挥作用，有良好的机械稳定性、化学稳定性和热稳定性。

壳体2采用分体式结构，壳体2包括筒体、上端盖11和下端盖7，上端盖11和下端盖7与筒体均采用螺栓紧固，其间含有垫圈以起到密封作用。首先作为一种压力容器，能够满足膜组件生产运行过程中压力所需的强度要求，保证运行过程的安全性，因此，我们需要根据壳体表面所受到的应力，确定壳体的厚度、材料。其次，壳体的内径主要依据膜组件的尺寸确定。壳体的内径会影响进料液体的流动状态压力变化从而影响二维材料膜的运行情况，因此需要合理的确定壳体的内径并保证壳体内液体流动无死角。

在设计膜组件时，选择合适的紧凑程度对提高膜通量、延缓膜污染均有着重要意义，紧凑程度过大，液体就没有足够的震荡空间，紊动性就会减弱，污染物质则更容易在膜之间沉积，从而使滤饼层厚度增加，影响分离效率，紧凑程度过小则会导致膜组件的经济性下降，因此要进行合理选择。膜组件可以通过选择合适的膜组件高度、膜组件距离控制膜组件的紧凑程度。膜组件高度越小，膜组件之间距离越近，紧凑程度越高。

在确定了合适的膜组件大小、膜组件距离后，根据这两个尺寸确定中心集流管的尺寸。中心集流管可以设计为一体式的，在管上打孔与膜组件配合实现淡水收集。一体式中心集流管一端有螺纹通过密封圈等密封件与壳体紧密相连，并通过螺母紧固连接，并在拧紧的过程中将膜组件与轴套垫片压实实现密封与隔离，保证淡水产出。作为优选，中心集流管以设计如图4所示，通过集流管集水件与集流管连接件通过螺纹连接，多个组装，并与端部膜夹片中部膜夹片配合，实现汇集淡水并输出膜组件的作用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效工艺界定。