一种基于膜耦合技术的重水分离系统及方法

本发明涉及重水分离，具体涉及一种基于膜耦合技术的重水分离系统及方法。

背景技术：

1、重水(deuterium oxide)是由氘和氧组成的化合物。分子式d2o，相对分子质量20.0275，比水(h2o)的相对分子质量18.0153高出约11％，因此叫做重水。重水作为一种非常重要的战略物资，它可以被用来做核电反应堆的减速剂和冷却剂，可选用天然铀作燃料，可进行钚再循环用。因此如何有效分离重水成为一个重要议题。

2、重水的制备与分离是一个比较复杂和高成本的过程，分离重水在提高效率和经济性方面是一项重要的技术难题。目前重水分离常用的方法有蒸馏法、催化交换法、电解法等。

3、常用的电解法分离重水-水的具有以下缺点：电解法需要消耗大量电能，因此成本较高；在电解过程中，如果原料水中含有杂质，容易影响分离效果，需要保证原料水的纯度；电解法需要专门设计的电解设备，设备相对复杂，维护成本也较高；电解法消耗大量电能，可能会对环境造成一定影响，同时需要处理废水等环境问题。

4、蒸发法是一种常用的处理重水(d2o)的方法，它利用了重水和轻水(h2o)的沸点差异来实现分离。因为重水和轻水的沸点差异很小，为了提高分离效率，通常会使用连续蒸发和凝结逐步提高重水的纯度。蒸发法处理重水的优点包括操作简单、设备相对容易获取、成本较低。然而，蒸发法处理重水的缺点是需要多次重复蒸发和凝结过程才能达到较高的纯度，效率相对较低。

5、而膜蒸馏技术作为一种将传统蒸发/蒸馏与膜技术相结合的新型膜技术，在水处理方面具有较为明显的优势：①膜蒸馏装置一般在60℃～90℃条件下运行，其能耗较低，装置安全性相对较高；②由于膜的选择透过性，对水质的要求相对较低，在水处理方面展现出良好的截留效果，分离效率高；③膜蒸馏装置简便、占地面积少、可以利用低品位热源(太阳能、地热、废热、余热等)、经济性高。因此，膜蒸馏技术为分离重水提供了一种新的思路。

6、mohammadi ad m r d a.graphene oxide membranes for isotopic watermixture filtration:preparation，physicochemical characterization，andperformance assessment[j].acs applied materials&interfaces，2020，12(31)，使用改性氧化石墨烯膜通过真空过滤处理重水溶液，为重水处理提供了一种新的膜材质，但其只有在高温条件下才能达到最佳分离效率，且分离效果较低(12％)。

7、欧洲专利3188265，使用了气相和液相催化交换耦合的方法处理重水溶液，降低了同位素的积累，减小对环境的污染，但装置复杂，成本较高，占地面积较大。

8、中国专利202121121419.4，使用蒸发器从轻水中分离重水和超重水，设备结构简单、使用方便、维护成本低，但装置受环境影响较大，分离速度慢，分离效果低。

9、美国专利3562116，用疏水微孔膜孔膜替代精馏塔板分离重水，减少了装置的占地面积，但组件的结构复杂，分离效果较低。

10、中国专利申请201910768135.5，发明了一种能量回收利用的膜蒸馏系统采用气隙回收渗透蒸汽的能量，使得传质阻力变大，渗透通量较低。

11、综合当前的研究进展，目前几种主流的重水分离方法均存在显著的局限性。蒸馏法虽历史悠久，但效率偏低，能耗大，成本高昂；催化交换法则因其设备复杂、操作技术门槛高和成本昂贵而难以广泛推广；而电解法虽有其独到之处，但在电解过程中极易受到杂质干扰，对原料水的纯净度要求极高，尤其在处理低浓度重水时，难以达到既有效又经济的处理效果。

12、鉴于以上问题，如何以简单高效的方式提升低浓度重水的分离效率，已成为业界亟待解决的重大课题。

13、为了解决以上问题，提出本发明。

技术实现思路

1、本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种基于膜耦合技术的重水分离系统及方法，利用重水与水物理性质的差异，通过膜分离装置、再分离装置、膜冷凝装置耦合的方式，提高低浓度重水分离效率。

2、本发明采取点技术方案是：

3、本发明第一方面提供一种基于膜耦合技术的重水分离系统，其包括加热装置1、原料罐2、输送装置3、膜分离装置4、再分离装置5、膜冷凝装置6、储料罐7、真空泵8；

4、其中，所述原料罐2位于上游，所述储料罐7位于下游；

5、所述加热装置1用于加热所述原料罐2中料液；

6、所述输送装置3用于将加热后的料液输送至所述膜分离装置4；

7、膜分离装置4、再分离装置5、膜冷凝装置6依次物料连通；

8、所述真空泵8用于向所述系统提供负压。

9、优选地，所述膜分离装置4包括：上侧端板41、下侧端板42和膜分离组件43；

10、所述上侧端板41包括膜分离热侧物料入口411、膜分离热侧物料出口412；

11、所述下侧端板42包括膜分离渗透物料出口421、膜分离泄压口422；

12、所述膜分离组件43包括热料液室431、渗透侧透过室432，两者之间具有分离膜433，所述分离膜433两侧具有导流网434。分离膜433的材质选自本领域常用的聚丙烯材质、聚四氟乙烯材质、聚偏氟乙烯材质等的膜材料。

13、优选地，所述再分离装置5包括：再分离物料入口51，再分离物料出口52，温控旋流板53，第一分液板54，第二分液板55，再分离冷凝水出口56。第一分液板54和第二分液板55均是将蒸汽和冷凝的液体分开，以保证只有蒸汽从分离装置出去，其中第二分液板55位于上部，上分液板有聚集蒸汽的作用。

14、优选地，所述膜冷凝装置6包括：膜冷凝热侧管程61、膜冷凝冷侧壳程62；

15、所述膜冷凝热侧管程61包括膜冷凝热侧物料入口611、膜冷凝热侧冷凝物料出口612、膜冷凝热侧未冷凝物料出口613，其中上一级膜冷凝热侧未冷凝物料出口613与下一级膜冷凝热侧物料入口611连接，直至热物料完全冷凝；

16、所述膜冷凝冷侧壳程62包括膜冷凝冷却物料入口621、膜冷凝冷却物料出口622，其中上一级膜冷凝冷却物料出口622与下一级膜冷凝冷却物料入口621连接，实现了多效膜冷凝。

17、优选地，所述膜冷凝热侧管程61为若干根以一定方式排列的中空管614，所述中空管614的材质为中空纤维膜。

18、优选地，所述膜分离渗透物料出口421与再分离物料入口51连接，再分离冷凝水出口56与膜分离热侧物料入口411连接，再分离物料出口52与膜冷凝热侧物料入口611连接。

19、优选地，所述膜冷凝装置6包括单级或多级，可根据处理要求设置级数。

20、本发明第二方面提供一种基于膜耦合技术的重水分离方法，使用本发明第一方面所述的基于膜耦合技术的重水分离系统用于重水分离，所述分离方法包括以下步骤：

21、s1，所述加热装置1加热所述原料罐2中料液，所述输送装置3将加热后的料液经所述上侧端板41的所述膜分离热侧物料入口411进入所述膜分离装置4，经由热料液室431蒸发产生蒸汽，该蒸汽透过所述分离膜433后进入所述下侧端板42的所述膜分离渗透物料出口421排出；

22、s2，所述膜分离渗透物料出口421排出的蒸汽进入所述再分离装置5的所述温控旋流板53，未冷凝蒸汽从所述再分离物料出口52排出，蒸汽冷凝水经所述分液板54进入所述再分离冷凝水出口56排出，所述再分离冷凝水出口56排出的冷凝水通过所述上侧端板41的所述膜分离热侧物料入口411进入所述膜分离装置4继续进行膜分离；

23、s3，所述再分离物料出口52排出的蒸汽通过所述膜冷凝热侧管程61的膜冷凝热侧物料入口611进入所述膜冷凝装置6进行冷凝，冷凝物料经所述膜冷凝热侧冷凝物料出口612排出，未冷凝物料经所述膜冷凝热侧未冷凝物料出口613进入下一级所述膜冷凝装置6，冷却介质经由所述膜冷凝冷侧壳程62的膜冷凝冷却物料入口621进入，随蒸汽冷却后经所述膜冷凝冷却物料出口622排出；

24、s4，最后一级所述膜冷凝装置6的所述膜冷凝热侧冷凝物料出口612与所述真空泵7连接。

25、优选地，所述系统用于低浓度重水分离，所述低浓度为浓度0.05％-10％。

26、优选地，步骤s1中，料液的加热温度为60～90℃，进料流速为15l/h～30l/h；

27、步骤s3中，冷却水温度为5℃～20℃，冷却水的流速为3ml/s～15ml/s；

28、步骤s4中，调节所述真空泵7的真空度为0.5bar～1.0bar。

29、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

30、1.本发明通过膜分离装置、再分离装置、膜冷凝装置耦合的方式，提高低浓度重水分离效率，经本发明系统运行，真空膜蒸馏处理0.05％～10％的低浓度重水溶液，对重水的可以截留率可达15％～55％，其中对浓度为0.05％的重水溶液，截留率都可以达到20％，优于目前精馏、超滤等方法对重水溶液的处理工艺。

31、2.本发明采用了膜蒸馏分离重水与轻水的方法，处理范围较电解法更为广泛，且不产生氢气等爆炸性气体。较传统精馏占地面积小，设备成本投入更低。

32、3.本发明膜分离装置4包括上侧端板41、下侧端板42和膜分离组件43，膜分离装置组件简单高效，减少了外加辅助设备降低设备成本，使得设备更紧凑占地面积更小，同时可以在满足需求下，增减膜分离装置，灵活性更强。

33、4.本发明再分离装置5利用了重水与水的物理性质的不同：在相同温度下，由于重水的分子质量比普通水大，因此重水蒸汽的平均速度会比普通水蒸汽的速度慢一些。这意味重水蒸汽的冷凝速度会比普通水蒸汽的速度快，经由旋流板时，更容易凝结成液体状态，提高了分离效率。而冷凝的重水溶液可以再次回收进行膜蒸馏。

34、5.本发明膜冷凝装置6使用了管壳式中空纤维膜组件代替金属换热器进行冷凝，较传统的冷凝方式，实现了多效冷凝，降低了能耗，同时由于中空纤维膜过气不过水的性质，可以更快的对蒸汽进行冷凝。更进一步的，相对于pp中空管、紫铜中空管和不锈钢中空管，以pp中空纤维为材质的冷凝装置的冷凝量最大，且是不锈钢的2.04倍，pp中空纤维膜冷凝装置的性能优于传统的冷凝装置。

35、6.本发明通过添加真空泵7，可以实现整个装置在较低的压力环境下运行，在提升分离效率的同时降低了热料液入口温度，降低了能耗。更进一步的，真空度不同也会对重水截留率产生影响，在本发明实施例中所述的装置、温度、流速等条件下，对浓度为0.05％的重水溶液进行不同真空度的实验，当真空度为0.7bar时，截留率为35％，当真空度为0.8bar时，截留率为23％，当真空度为0.95bar时，截留率为20％。

36、7.本发明实现了膜蒸馏与膜冷凝的工艺耦合，进行高效分离的同时充分利用热能，降低了运行成本。且换热装置采用高分子替代传统金属，造价更低。

37、8.本发明发现进料的料液温度和料液流速也会对重水截留率产生影响，在本发明实施例中所述的装置、真空度、流速等条件下，对浓度为0.05％的重水溶液进行不同温度的实验，当温度为60℃时，截留率为20％，当温度为85℃时，截留率为35％，当温度为90℃时，截留率为30％。在本发明实施例中所述的装置、温度、真空度等条件下，对浓度为0.05％的重水溶液进行不同流速的实验，当流速为15l/h时，截留率为26％，当流速为25l/h时，截留率为35％，当流速为30l/h时，截留率为33％。

技术特征：

1.一种基于膜耦合技术的重水分离系统，其特征在于，其包括加热装置(1)、原料罐(2)、输送装置(3)、膜分离装置(4)、再分离装置(5)、膜冷凝装置(6)、储料罐(7)、真空泵(8)；

2.根据权利要求1所述的基于膜耦合技术的重水分离系统，其特征在于，所述膜分离装置(4)包括：上侧端板(41)、下侧端板(42)和膜分离组件(43)；

3.根据权利要求2所述的基于膜耦合技术的重水分离系统，其特征在于，所述再分离装置(5)包括：再分离物料入口(51)，再分离物料出口(52)，温控旋流板(53)，第一分液板(54)，第二分液板(55)，再分离冷凝水出口(56)。

4.根据权利要求3所述的基于膜耦合技术的重水分离系统，其特征在于，所述膜冷凝装置(6)包括：膜冷凝热侧管程(61)、膜冷凝冷侧壳程(62)；

5.根据权利要求4所述的基于膜耦合技术的重水分离系统，其特征在于，所述膜冷凝热侧管程(61)为若干根以一定方式排列的中空管(614)，所述中空管(614)的材质为中空纤维膜。

6.根据权利要求5所述的基于膜耦合技术的重水分离系统，其特征在于，所述膜分离渗透物料出口(421)与再分离物料入口(51)连接，再分离冷凝水出口(56)与膜分离热侧物料入口(411)连接，再分离物料出口(52)与膜冷凝热侧物料入口(611)连接。

7.根据权利要求6所述的基于膜耦合技术的重水分离系统，其特征在于，所述膜冷凝装置(6)包括单级或多级。

8.一种基于膜耦合技术的重水分离方法，其特征在于，使用权利要求7所述的基于膜耦合技术的重水分离系统用于重水分离，所述分离方法包括以下步骤：

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系统用于低浓度重水分离，所述低浓度指浓度为0.05％-10％。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s1中，料液的加热温度为60～90℃，进料流速为15l/h～30l/h；

技术总结
本发明公开一种基于膜耦合技术的重水分离系统及方法，所述系统包括加热装置(1)、原料罐(2)、输送装置(3)、膜分离装置(4)、再分离装置(5)、膜冷凝装置(6)、储料罐(7)、真空泵(8)。本发明通过膜分离装置、再分离装置、膜冷凝装置耦合的方式，提高低浓度重水分离效率，经本发明系统运行，处理0.05％～10％的低浓度重水溶液，对重水的可以截留率可达15％～55％，其中对浓度为0.05％的重水溶液，截留率都可以达到20％，优于目前精馏、超滤等方法对重水溶液的处理工艺。

技术研发人员：唐娜,蒋天赐,马琪璇,项军,田桂英,程鹏高,张建平
受保护的技术使用者：天津科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23