本发明涉及用于水处理的装置和方法。更具体地，本发明涉及真空膜蒸馏组件，所述真空膜蒸馏组件包括膜束(membrane bundle)和膜壳体，以及使用所述组件从水中分离溶解固体的方法。
背景技术：
1、清洁水是人类消费和其他应用(例如工业)所需要的。然而，在世界某些地区，清洁水的供应是有限的，而且受到严重限制。不断增长的人口创造了对可饮用水的需求。对含有杂质的水进行处理或纯化，以产生清洁水。例如，可以从海水中去除盐，以产生可饮用水。
2、膜蒸馏方法是已知的，其中，膜的选择性基于液态水的截留率，同时和对水蒸气的渗透性。在膜的进料侧和渗透侧之间的提供的温度差在膜上产生局部水蒸气压力差，其驱动在膜进料侧表面上产生的水蒸气朝向渗透侧穿过膜壁。在真空膜蒸馏(vmd)中，通过使用真空泵，使穿过膜壁的水蒸气通过渗透侧来转移到冷凝器中，并在冷凝器中进行冷凝。
3、美国专利公开号us2020/0109070记载了安装在圆柱形容器中的用于膜蒸馏的膜组件，所述膜组件包括具有通孔的疏水性多孔中空纤维膜的束。中空纤维膜的表面包含拒水剂(water-repellant)的涂层。待处理水通过中空纤维膜的内部，然后将从外侧离开的水蒸气冷却冷凝，并作为渗透水回收。
4、为了通过膜蒸馏方法获得高纯度水，必要的是穿过膜的生水组分不会泄漏到渗透水侧。如果有机组分降低了待处理水的表面张力，其会导致用于膜蒸馏的多孔膜的孔隙内部润湿和孔隙内部的连通，从而导致从膜的生水侧通过至渗透侧的泄漏，这种现象被称为“润湿”。润湿会妨碍膜蒸馏功能的实现。对于用粘合树脂将中空纤维膜的两端锚定在壳体中的膜组件，膜的润湿通常发生在粘性锚定位置和非粘性锚定位置之间的边界附近，以及靠近生水进口的生水温度更高并且蒸气产生量更高的位置。美国专利公开号us 2022/0080358记载了组件，其中，粘附在中空纤维膜的容易润湿的位置的每个膜区域的疏水性聚合物的量大于其他位置。
5、美国专利公开号us2022/0001331记载了膜蒸馏组件，所述组件包括用于在壳体中用于膜蒸馏的基本为柱状的膜筒。所述筒包括用粘着树脂粘着中空纤维疏水性多孔膜的端部的粘着部分。壳体的支撑部分通过密封构件支撑粘着部分。
6、现有的用于从水中分离溶解固体的系统复杂且制造、操作和维护成本高昂，这可使这些系统的运行不经济。仍然持续需要研究包括疏水性中空纤维膜的膜蒸馏组件的结构，以提高包括膜的膜蒸馏组件的吞吐量(throughput)，同时提供坚固、易于维护和提供改善的运行效率的装置和系统。
技术实现思路
1、经过勤奋和大量的研究，发明人意识到现有的膜组件设计本质上不适用于真空膜蒸馏应用，因为与其他过滤方法不同，vmd随着水从进料侧穿过膜到渗透侧伴随着溶剂相从液体到蒸气的变化。现有设计没有考虑到伴随着从液相的水到水蒸气转变的大量膨胀。传统的组件设计(例如平板式、板框式或螺旋缠绕式)，不能在膜的渗透侧给水蒸气增加的体积留出空间，导致组件阻塞，阻碍流量(flux)。
2、当进料中的水蒸发时，它会膨胀并占据更大的体积。水在真空下的膨胀甚至更大。当进料中的水从液体变为蒸气时，其体积增加了大约1000倍。必须考虑这种巨大的膨胀。发明人意识到，先前的设计没有为来自膜的渗透蒸气提供足够的空间，使其从膜束通过壳体移动到冷凝器，因此系统变得堵塞，因为纤维产生的渗透物(permeate)超过了可容纳的空间。发明人设计了系统，以容纳膨胀的蒸气体积，以允许蒸气在系统中移动并允许膜蒸馏以更高的效率和提高的吞吐量进行。
3、通过大量的研究和建模，发明人已经开发了蒸气空间优化的vmd组件设计，可以实现比先前可用的设计实质更高的流量。
4、本发明提供了中空纤维膜蒸馏组件(hfdm)，所述中空纤维膜蒸馏组件包括中空纤维膜束和用于容纳所述中空纤维膜束的壳体，其中：
5、中空纤维膜束包括多个具有第一端部和第二端部的疏水性中空纤维膜，通过纤维膜与灌封化合物(potting compound)的化学键合，将第一端部和第二端部分别固定在第一膜套和第二膜套中；
6、中空纤维膜束由多个支撑杆支撑；
7、每个第一膜套和第二膜套具有连接的法兰，支撑杆各自的端部与法兰固定，从而分隔第一膜套和第二膜套，使得疏水性中空纤维膜沿纵向设置在第一膜套和第二膜套之间；
8、将疏水性中空纤维膜以选择的密度堆积，所述选择的密度优化蒸气从疏水性中空纤维膜的渗透侧朝向壳体的通过；
9、所述中空纤维膜束未封装在多孔或穿孔套管中；
10、中央核心跨越中空纤维膜束的长度；
11、壳体包括管状体和底盖，所述壳体连接至蒸气集管，所述壳体被配置为通过在真空膜蒸馏期间容纳液态水至气相的膨胀来优化渗透物的吞吐量并促进水蒸气通过蒸气集管出口从中空纤维膜蒸馏组件中排出，所述出口与真空泵连接。
12、中空纤维膜束和壳体一同在给水进口和浓缩物出口之间的膜的进料侧定义给水路径。水蒸气穿过膜到蒸气区，所述蒸气区包括在膜的渗透侧/蒸气侧上的蒸气集管，水蒸气在真空下从蒸气集管抽出。
13、本发明的中空纤维膜蒸馏组件的流量可达到10-60l/m2/小时(h)。与早期设计相比，这是显著更高的渗透物流量，早期设计的最大流量为4l/m2/h。
14、适用于本发明的中空纤维膜具有强疏水性、强机械性能、充足的孔隙率和合适的孔尺寸。中空纤维的材料可以是任何具有上述特性并具有强疏水性和在真空下耐高温的聚合物化合物，例如聚四氟乙烯(ptfe)、ps、pp、pvdf等。
15、在含有灌封化合物的膜套中将中空纤维膜固定在膜束的各个端部。使用的纤维膜(例如ptfe材料)本质上是疏水性的，其不能粘在本质具有亲水性基团的普通环氧材料上。因此，传统上使用疏水性可压缩材料将纤维一同在膜套中固定在膜束的两端。这些疏水性可压缩材料的作用是将纤维固定在位置上，并提供防止液体泄漏到组件的蒸气侧的密封。在这种情况下，通过压缩来包含堆积纤维，即通过物理力来固定纤维。发明人发现，对于真空膜蒸馏的强度而言，在灌封化合物中物理固定的纤维是不够坚固的，尤其是在较低的纤维密度下。在正常运行下，当对膜组件施加液压力和真空时，很容易将疏水性可压缩材料移位，因此膜束会失去其一体性，导致错位部分的严重泄漏。这会导致膜束失效。当纤维本质上为疏水性时，物理结合不适用于膜蒸馏应用。然而，如果膜纤维通过化学键合固定时，会产生持久且坚固的结合，保持灌封材料和纤维的一体性，如此防止物理结合中出现的主要泄漏源。纤维膜的化学键合对真空膜蒸馏做出了重大贡献，并带来了以下有益效果：a)纤维和灌封材料之间具有强一体性b)产生液体泄漏可忽略不计的膜束，c)可以生产具有较低堆积密度的膜束，这又使得产生显著更高的高达50l/m2/h以上的膜流量成为可能。
16、与第一和第二膜套(本文中也可称为顶部和底部膜套)的每一者上的法兰连接的支撑杆向膜束提供结构刚度。采用支撑杆，同时优化堆积密度和容纳组件壳体内的蒸气空间，允许了水蒸气无阻地从膜束向外排出，与将膜束封装在多孔或穿孔套管中的设计相比，可实现提高的流量。
17、为了便于膜束在纤维膜灌封后的组装，每个膜束法兰可以从两半组装而成。
18、选择中空纤维膜的堆积密度，以优化蒸气从中空纤维膜的渗透侧朝向组件壳体的通道。以如下计算的百分比表示纤维密度：膜束中纤维的横截面积(基于纤维外径(od)/膜束的总横截面积×100)。在以前的通过物理力锚定纤维膜的设计中，不可能使用低于60％的堆积密度，因为在较低的堆积密度下，纤维与灌封之间的结合强度不足以保持使用时的一体性，导致了液体泄漏到膜的渗透侧/蒸气侧并导致膜束失效。通过使用化学键合力来固定膜纤维，可以制造纤维密度较低的膜束。为了在纤维之间提供足够的蒸气空间以在较小的阻力下排出产生的蒸气，膜束中的中空纤维膜的堆积密度低于60％，优选50％以下，更优选在40％至30％的范围内，或在30％至20％的范围内。堆积密度在40％至30％之间的膜束所产生的渗透物流量比以前的设计高10倍。
19、中央核心是沿纵向设置的管，用于将给水从底盖的给水进口传输到膜束的相反的一端(顶端)。给水向上流过中央核心，直到其到达顶盖，顶盖将水以向下流动穿过中空纤维膜的方式分配。因此，底盖可以包括给水进口和浓缩水出口二者，以及泄漏排放出口。替代地，可以配置组件使得给水从底部进入中空纤维膜，向上流动穿过纤维，经由中央核心将浓缩物返回到组件底部。
20、端部核心与中央核心相通并将膜束和底盖连接。通过o形环将端部核心密封在进料侧和蒸气侧之间。
21、调整顶盖和底盖中的至少一个，使得顶盖或底盖从容器本体中释放，以允许膜束的取出和更换。优选地，调整顶盖和底盖二者，使得顶盖和底盖从容器本体中释放，以允许膜束的取出和更换。
22、取出纤维的能力赋予组件以下优点：
23、·为项目的整体经济节省了资金，因为在更换管束时，膜壳体、顶盖和底盖得以保留。在本新设计中，只更换了膜束。
24、·如果疏水性膜被润湿，可以在单独的干燥室中干燥纤维束。
25、·如果纤维束受到化学或机械损坏，可以进行更换。
26、·随着引入更高效的纤维技术，可以更换纤维束。
27、·可以更换纤维束，以适应定制的应用配置。
28、膜组件体积：膜组件空余体积为膜壳体的体积减去膜束组件所占的体积，该体积包含基于纤维外径(od)的膜纤维的体积。这是用于产生的蒸气的可用空间。这个空间的大小和分配使得a)在纤维之间产生足够的空间，使产生的蒸气以最小的阻力在纤维之间朝向壳体/蒸气侧穿过，b)膜组件空余体积必须连接到蒸气收集器(本文中也称为蒸气集管)，并且尽管在建立的真空中，纤维束内的蒸气速度应低于音速，但通常应在壳体中(特别是在离开壳体的位置)提供在50-150fps范围内的蒸气速度。对于给定应用/运行的最优渗透物吞吐量的蒸气空间要求根据在不同真空和温度下每磅水产生的蒸气体积的已知值计算。考虑到所有这些，内径为1mm的中空纤维将允许约30l/m2/h的流量。如果膜组件空余体积太小，则会损害闪蒸效果。不完全的闪蒸导致膜以低于能力的利用率运行。如果蒸气量过大，则容器内会形成冷凝水，也会损害闪蒸效果。
29、选择蒸气出口的尺寸，以优化真空泵对蒸气的抽取。计算蒸气出口的横截面，以在预期的渗透物流量范围内提供良好的蒸气速度。如果蒸气出口太小，蒸气速度将会上升太多，这将是对蒸气排出的阻力。优选地，蒸气速度应落在每秒50-150英尺(fps)的范围内。当将膜组件垂直安装时，将蒸气出口放置在组件顶部有利于蒸气从组件中的最优离开，从而有利于通过系统的最优流量。然而，如果系统在由外向内(outside-in)的模式下运行，则可以将蒸气出口放置在膜束的两侧。
30、将组件设计为使它可以用从组件顶部或底部供应到纤维内部空间(内腔侧)的给水来运行。现有技术的真空蒸馏组件的设计仅接受来自底部的进料流。本文所述的组件可以接受来自顶部的进料流，顶部将进料流在纤维内均匀分配。
31、优选地，纤维在整个纤维结构中在不具有涂层材料的情况下是疏水性的。
32、组件底盖的给水进口与中央核心流体连接，其作为上流管开口进入膜束顶盖中的贮液器，用于向多个中空纤维膜供应给水。
33、在替代的运行模式中，纤维束可以悬浮在给水箱中，并且从膜束的两端提取的蒸气由外向内运行，这意味着给水位于壳体侧或纤维外侧，并且蒸气从纤维的内腔侧收集。
34、在另一方面中，本发明提供了从水中分离溶解固体的方法，其包括使生给水穿过本文所述的中空纤维膜蒸馏组件，以及从通过蒸气集管出口提取的水蒸气中回收纯化水。因此，本发明的组件和方法对于水的脱盐是有用的。
35、组件和方法还具有用于浓缩给水中存在的盐的用途。
36、在本文中记载的实施例中，膜束和组件被构造为用于给水从中空纤维膜内部至外部的流动，并且蒸气从中空纤维膜的外侧的通过为渗透侧，也称为由内向外(inside-out)的运行。
1.中空纤维膜蒸馏组件，所述中空纤维膜蒸馏组件包括中空纤维膜束和用于容纳中空纤维膜束的壳体，其中：
2.根据权利要求1所述的中空纤维膜蒸馏组件，其中，所述灌封化合物为环氧化合物。
3.根据权利要求1所述的中空纤维膜蒸馏组件，其中，所述灌封化合物与所述疏水性中空纤维膜、中央核心和膜套化学键合。
4.根据权利要求1所述的中空纤维膜蒸馏组件，其中，纤维堆积密度为60％以下。
5.根据权利要求1所述的中空纤维膜蒸馏组件，其中，纤维堆积密度在30％至40％的范围中。
6.根据权利要求1所述的中空纤维膜蒸馏组件，其中，纤维堆积密度在20％至30％的范围中。
7.根据权利要求1所述的中空纤维膜蒸馏组件，其中，所述中空纤维膜蒸馏组件被构造为使通过所述壳体和蒸气出口的蒸气速度为50至150fps。
8.用于从水中分离溶解固体的方法，所述方法包括在权利要求1所述的中空纤维膜蒸馏组件中的真空膜蒸馏的步骤。
