一种压电超声弱化膜两侧边界层浓度极化及提高膜通量的装置

本发明涉及膜蒸馏海水淡化领域，具体而言，涉及一种压电超声弱化膜两侧边界层浓度极化及提高膜通量的装置。

背景技术：

1、在膜蒸馏海水淡化的过程中，利用多孔中空纤维膜管来进行海水淡化是一种新型的热蒸馏与膜分离耦合技术，海水被加热至一定温度后，在多孔中空纤维膜管道内流通，原料液易挥发组分在膜表面汽化后，在膜两侧蒸汽压差的驱动下，蒸汽通过膜孔进入到另一侧，然后冷凝得到淡水，从而达到将海水转化为淡水的目的。但是，随着该系统运行时间的不断增加，溶液中的溶质会在膜表面或孔道内部逐渐积累，形成浓度梯度，导致溶质在膜表面或孔道内部的浓度高于溶液中的平均浓度，即产生浓度极化现象，从而降低了蒸汽跨膜传质推动力，削弱了膜的分离效能；此外，多孔中空纤维膜的内膜表面和外膜表面还会积聚各种污染物，如盐分、微生物、有机物、固体颗粒杂质等，导致膜孔孔道堵塞，降低膜的通透性，从而影响膜蒸馏海水淡化的效率和性能。

2、传统上，膜通透性严重下降之后通常采用直接替换、化学清洗、物理清洗和生物清洗等方法，但这些方法存在污染环境、清洗效果不彻底、清洗频繁、成本高等弊端。为了维持多孔中空纤维膜的高效运行，降低膜淡化操作成本，找到一种高效、绿色、节能的弱化膜两侧浓度极化和排杂除污以提高膜通量的装置和方法至关重要。

技术实现思路

1、本发明正是基于上述技术问题，提出了一种压电超声弱化膜两侧边界层浓度极化及提高膜通量的装置，其可以克服现有技术中直接替换、化学清洗、物理清洗和生物清洗等方法的不足，达到提高膜通量、延长膜的使用寿命和降低淡化操作成本的目的。

2、一种压电超声弱化膜两侧边界层浓度极化及提高膜通量的装置，包括：多孔中空纤维管道，多个多孔中空纤维管道布设在膜蒸馏装置的膜组件内，所述多孔中空纤维管道由内膜、外膜、密封垫片、压电转换器、p型热电转换器、n型热电转换器、第一金属导电片、第二金属导电片、导线组成，外膜位于内膜外侧，内膜为带有膜孔的导电中空纤维膜，外膜为带有膜孔的绝缘中空纤维膜，密封垫片将多孔中空纤维管道的两端封闭，内膜的内表面带有具有孔洞的多孔导电涂层，第一金属导电片和第二金属导电片分别设置在外膜的外侧；p型热电转换器通过膜孔与内膜和第一金属导电片连接，n型热电转换器通过膜孔与内膜和第二金属导电片连接，压电转换器也设置在外膜上；第一金属导电片通过导线与压电转换器下层的金属振动片连接，第二金属导电片通过导线与压电转换器上层的压电陶瓷片连接。

3、优选的，所述的压电转换器连接在装置的闭合回路中，是将根据塞贝克效应利用膜两侧温差发电装置作为电源，而连接的压电转换器则作为用电器，将上述装置自发产生的电能通过压电转换器转变为超声波。

4、优选的，所述的中空纤维膜内膜本不具备导电功能，但是根据所述的压电超声弱化膜两侧边界层浓度极化及提高膜通量的装置中的要求，要使内膜具备导电功能，所以在内膜上设置了多孔导电涂层。

5、优选的，所述多孔导电涂层由多孔导电液在内膜中反应形成 。

6、如权利要求1~2压电超声弱化膜两侧边界层浓度极化及提高膜通量的装置的多孔导电涂层的制备方法，包括如下步骤：

7、s1、将氧化铟锡粉末按一定比例加入到乙醇溶液中，充分搅拌之后形成氧化铟锡乙醇溶液；

8、s2、致孔剂溶液逐渐加入到所述氧化铟锡乙醇溶液中，充分搅拌后制得多孔导电液；

9、s3、将密封垫片安装在多孔中空纤维膜管道的两端将两端封闭；

10、s4、将制备好的多孔导电液灌装到多孔中空纤维膜管道的内膜内侧，缓慢摇动多孔中空纤维膜管道使内膜与多孔导电液完全且充分接触；

11、s5、对粘附在内膜上的多孔导电液加热固化，使其在内膜的内表面形成多孔导电涂层。

12、优选的，将10~12g所述氧化铟锡粉末加入到100ml的所述乙醇溶液中，加热至45~65℃，然后充分搅拌5~8h之后形成氧化铟锡乙醇溶液。

13、优选的，所述致孔剂溶液选用氯化铵致孔剂溶液，所述氯化铵致孔剂溶液的浓度为0.1~1.0mol/l。

14、优选的，所述致孔剂溶液和所述氧化铟锡乙醇溶液的混合体积比例为1:1，混合后充分搅拌0.5~2h后制得多孔导电液。

15、优选的，所述的对粘附在内膜上的多孔导电液加热固化的方法，其特征在于，加热温度至50~85℃，固化时间为30~60min。

16、有益效果：

17、（1）高效的能源利用：本发明实现能量自供应，因为膜蒸馏海水淡化中膜两侧的温差在50~70℃左右，在这个温度范围内足以实现温差发电以提高系统整体能源利用效率；

18、（2）弱化浓度极化：利用膜两侧的温差发电，进而通过逆压电效应产生超声波，在超声波的作用下形成气泡，当气泡在内部高温、高压等极端条件作用下瞬间坍塌时，会释放出巨大的能量，从而扰动膜两侧近壁面边界层，弱化浓度极化；

19、（3）排杂除污技术：通过本发明装置，利用压电超声产生的超声波振动可以高效地去除膜表面以及多孔膜膜孔通道内的杂质污垢，疏通膜孔通道，实现高质量高效率的海水淡化，并有效延长了膜的使用寿命，且排杂除污过程具有无化学物质投入、无二次污染的优点。

技术特征：

1.一种压电超声弱化膜两侧边界层浓度极化及提高膜通量的装置，其特征在于，包括：多孔中空纤维管道（1），多个多孔中空纤维管道（1）布设在膜蒸馏装置的膜组件内，多孔中空纤维管道（1）由内膜（2）、外膜（3）、密封垫片（4）、压电转换器（5）、p型热电转换器（6）、n型热电转换器（7）、第一金属导电片（8）、第二金属导电片（9）、导线（10）组成，外膜（3）位于内膜（2）外侧，内膜（2）为带有膜孔的导电中空纤维膜，外膜（3）为带有膜孔的绝缘中空纤维膜，密封垫片（4）将多孔中空纤维管道（1）的两端封闭，内膜（2）的内表面带有具有孔洞的多孔导电涂层（11），第一金属导电片（8）和第二金属导电片（9）设置在外膜（3）的外侧；p型热电转换器（6）通过膜孔与内膜（2）和第一金属导电片（8）连接，n型热电转换器（7）通过膜孔与内膜（2）和第二金属导电片（9）连接，压电转换器（5）也设置在外膜（3）上；第一金属导电片（8）通过导线（10）与压电转换器（5）下层的金属振动片（52）连接，第二金属导电片（9）通过导线（10）与压电转换器（5）上层的压电陶瓷片（51）连接。

2.根据权利要求1所述的压电超声弱化膜两侧边界层浓度极化及提高膜通量的装置，其特征在于，所述多孔导电涂层（11）由多孔导电液在内膜（2）中反应形成。

3.如权利要求1~2所述的压电超声弱化膜两侧边界层浓度极化及提高膜通量的装置中多孔导电涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的多孔导电涂层（11）的制备方法，其特征在于，将10~12g所述氧化铟锡粉末加入到100ml的所述乙醇溶液中，加热至45~65℃，然后充分搅拌5~8h之后形成氧化铟锡乙醇溶液。

5.根据权利要求3所述的多孔导电涂层（11）的制备方法，其特征在于，所述致孔剂溶液选用氯化铵致孔剂溶液，所述氯化铵致孔剂溶液的浓度为0.1~1.0mol/l。

6.根据权利要求3所述的多孔导电涂层（11）的制备方法，其特征在于，所述致孔剂溶液和所述氧化铟锡乙醇溶液的混合体积比例为1:1，混合后充分搅拌0.5~2h后制得多孔导电液。

7.根据权利要求3所述的对粘附在内膜（2）上的多孔导电液加热固化的方法，其特征在于， 加热温度至50~85℃，固化时间为30~60min。

技术总结本发明提供了一种压电超声弱化膜两侧边界层浓度极化及提高膜通量的装置，多个多孔中空纤维管道布设在膜蒸馏装置的膜组件内，多孔中空纤维管道由内膜、外膜、密封垫片、压电转换器、P型热电转换器、N型热电转换器、第一金属导电片、第二金属导电片、导线组成，将P型热电转换器、N型热电转换器连接在膜两侧不同温度的介质中，利用此温差产生电能，然后通过连接压电转换器使电能转换成超声波并产生超声空化效应形成气泡，气泡在内部高温、高压等极端条件作用下瞬间坍塌并释放出巨大能量，从而扰动膜两侧近壁面边界层而弱化浓度极化，提升跨膜传质推动力，同时超声振动和气泡破裂释放能量会产生排杂除污的效果，使膜孔通道通畅，从而有效提高膜通量。技术研发人员：李国培,王志博,刘建华,张芳芳,张永海受保护的技术使用者：郑州轻工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15