本发明专利技术提供了一种用于膜蒸馏的水凝胶、膜组件及蒸馏方法，其中水凝胶以聚氨酯为支撑材料，聚氨酯上负载聚乙烯醇，或聚乙烯醇与海藻酸钠反应生成物，或聚乙烯醇、海藻酸钠与羧基化碳纳米管反应生成物。本发明专利技术利用水凝胶中水‑聚合物的相互作用来改变氢键网络和水的状态，以此来降低水蒸发焓。在不增加能耗的情况下提高系统的渗透通量，从而降低产水的比能耗，同时优化操作条件，为解决膜蒸馏热量利用率低的问题提供新的策略。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于膜蒸馏，尤其是涉及一种用于膜蒸馏的水凝胶、膜组件及蒸馏方法。
技术介绍
1、导热真空膜蒸馏(ch-vmd)可以有效降低温度极化带来的负面影响，使得渗透通量高于传统膜蒸馏，但是，系统的热效率和渗透通量仍是制约其发展的关键因素。现有技术中，有人提出通过使用水凝胶提高太阳能界面蒸发速率，以聚乙烯醇和壳聚糖为可水化骨架，聚吡咯为吸光剂的高度可水化吸光水凝胶(h-lah)，它可以减少水分蒸发的能量(<50％)。并且证明了提高h-lah的可水化性可以改变水的状态并部分激活水，从而促进水的蒸发，将太阳能蒸汽产生率提高到3.6kg/m2·h。也有人提出通过引入聚电解质材料制备出可以耐高盐水的水凝胶，采用冻融法制备了以聚乙烯醇为骨架，聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(对苯磺酸钠)为吸光剂的阴离子聚电解质基水凝胶(aph)，以此作为蒸发器兼具光热性能(蒸发海水)和静电斥力(避免固盐结晶)。由此可见，水凝胶材料由于其独特的三维网络结构以及内部水状态，已在提高水蒸发的研究中有所应用，但目前大多数的研究只是将目光聚焦于太阳能界面蒸发。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术旨在提出一种用于膜蒸馏的水凝胶、膜组件及蒸馏方法，利用水凝胶中水-聚合物的相互作用来改变氢键网络和水的状态，以此来降低水蒸发焓。在不增加能耗的情况下提高系统的渗透通量，从而降低产水的比能耗，同时优化操作条件，为解决膜蒸馏热量利用率低的问题提供新的策略。
2、为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：</p>3、一种用于膜蒸馏的水凝胶，以聚氨酯为支撑材料，聚氨酯上负载聚乙烯醇，或聚乙烯醇与海藻酸钠反应生成物，或聚乙烯醇、海藻酸钠与羧基化碳纳米管反应生成物。
4、优选的，聚氨酯的厚度为2～4mm。
5、本专利技术同时提供一种制备如上所述的用于膜蒸馏的水凝胶的方法，包括如下步骤，
6、1)将长为8～9cm，宽为2～3cm，厚度为2～4mm的聚氨酯用无水乙醇和去离子水反复洗涤，然后在40～60℃条件下干燥1～2h；
7、2)将10.0～15.0wt％聚乙烯醇溶液10～20g、40～50wt％戊二醛溶液120～150μl机械搅拌均匀，称为a溶液；戊二醛作为交联剂，与聚乙烯醇和海藻酸钠中的羟基反应，形成共价键，增强水凝胶的三维网络结构，从而提高其机械强度和稳定性。
8、3)向a溶液中加入1～1.2mol/l的hcl溶液500～550μl，同样通过机械搅拌混合均匀；
9、4)将干燥好的聚氨酯放入步骤3)的混合物中，涂抹均匀，静置2～4小时；
10、5)将经步骤4)处理后的聚氨酯在水中浸泡24～48小时，得到水凝胶sh-1。
11、优选的，步骤3)中，在a溶液中另外加入0.1～0.2g海藻酸钠制备出水凝胶sh-2；其余操作步骤相同。
12、优选的，步骤3)中，在a溶液中加入0.1～0.2g海藻酸钠和0.1～0.3g羟基化碳纳米管制备出水凝胶sh-3；其余操作步骤相同。
13、本专利技术也提供一种膜组件，包括如上所述的用于膜蒸馏的水凝胶。
14、优选的，其由进料侧和渗透侧两部分组合而成，中间设置两层密封圈以防止液体渗漏；外部热源通过热载体将热量传递给水凝胶与进料液，长8～9cm，宽2～3cm，厚2～4mm的水凝胶放置在深度为3～6mm的进料通道中并紧贴热载体；有效面积为16～20cm2的聚四氟乙烯疏水膜放置于热载体的另一侧。
15、优选的，聚四氟乙烯膜(ptfe)，膜厚度为20～80μm，膜孔径为0.1～0.2μm，孔隙率为80％～85％，接触角为130°～145°，液体渗透压为130～135kpa。
16、本专利技术同时提供一种导热真空膜蒸馏的方法，使用包括如上所述的用于膜蒸馏的水凝胶的膜组件，导热真空膜蒸馏系统由冷水循环系统、加热系统和真空冷凝收集系统组成；外部热源通过铝制热载体将热量传递给进料液；采用蠕动泵循环进料液；真空泵用于在膜的渗透侧产生真空；水蒸汽在渗透侧被冷凝形成渗透液；进料流速为5～10cm/s，热源温度为100～200℃，真空度为0.08～0.1mpa条件下进行
17、相对于现有技术，本专利技术具有以下优势：
18、本专利技术针对ch-vmd系统，首先制备了以聚氨酯为支撑材料的聚氨酯(pu)/聚乙烯醇(pva)水凝胶，之后引入聚电解质海藻酸钠(sa)，制备出带负电荷的pu/pva/sa水凝胶。在此基础上，添加热传导材料羧基化碳纳米管(mwcnt-cooh)，制备出pu/pva/sa/mwcnt-cooh水凝胶。对上述三种水凝胶进行表征分析，并分别比较了其对于ch-vmd系统内部的温度、渗透通量、热效率以及比能耗的影响。然后，从水凝胶内部水态变化角度验证其对系统的优化效果。进一步推动膜蒸馏技术的发展。
19、纯水蒸发焓理论值为2357.6kj/kg，而测量计算得到sh-1的蒸发焓为1195kj/kg，sh-2的蒸发焓为1136kj/kg，sh-3的蒸发焓为1082kj/kg，与纯水相比，所有水凝胶的蒸发焓都有所降低。
20、常规ch-vmd系统的通量为11.16l/m2·h，而加入sh-1水凝胶作为蒸发材料后，系统通量可达17.94l/m2·h，相较于常规ch-vmd系统(sh-0)提升了60.75％。这是因为sh-1中的pva为亲水性高分子聚合物，其亲水性聚合物链在大量水中交联形成独特的三维网状结构，水分子和聚合物链之间的氢键作用弱化了水分子之间的氢键作用，从而降低了蒸发的能量需求，所以通量有一定的提升。sh-2的通量为20.38l/m2·h，相较于sh-1的纯pva凝胶，海藻酸钠的加入增加了水凝胶中亲水性基团的数量，使得水凝胶中产生的中间水比例增加，从而使水的蒸发速率进一步提高了13.60％。sh-3的通量高达22.35l/m2·h，与sh-2相比，sh-3通过引入羧基化碳纳米管的高导热作用，提升传热效率，减少了向循环进料液的热量损失，使蒸发速率提升了9.67％。
21、水凝胶sh-1、sh-2、sh-3对ch-vmd除盐通量的影响，其中sh-1在不同盐浓度下可将系统的渗透通量提高48％以上，而sh-2和sh-3因为存在海藻酸钠聚电解质，使水凝胶能产生带有负电荷的基团，以此来实现排斥海水中的离子，进一步将渗透通量提高至52％以上，且盐截留率皆达99％以上。
22、有水凝胶的ch-vmd体系的te值均高于无水凝胶的ch-vmd体系，其中sh-1的te(热效率)值可高达82.8％；sh-2的te(热效率)值为77.1％；sh-3的te(热效率)值为75.0％。
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【技术保护点】
1.一种用于膜蒸馏的水凝胶，其特征在于：以聚氨酯为支撑材料，聚氨酯上负载聚乙烯醇，或聚乙烯醇与海藻酸钠反应生成物，或聚乙烯醇、海藻酸钠与羧基化碳纳米管反应生成物。
2.如权利要求1所述的用于膜蒸馏的水凝胶，其特征在于：聚氨酯的厚度为2～4mm。
3.一种制备如权利要求1或2所述的用于膜蒸馏的水凝胶的方法，其特征在于：包括如下步骤，
4.根据权利要求3所述的用于膜蒸馏的水凝胶，其特征在于：步骤3)中，在a溶液中另外加入0.1～0.2g海藻酸钠制备出水凝胶SH-2；其余操作步骤相同。
5.根据权利要求3所述的用于膜蒸馏的水凝胶，其特征在于：步骤3)中，在a溶液中加入0.1～0.2g海藻酸钠和0.1～0.3g羟基化碳纳米管制备出水凝胶SH-3；其余操作步骤相同。
6.一种膜组件，其特征在于：包括如权利要求1～5任一项所述的用于膜蒸馏的水凝胶。
7.根据权利要求6所述的膜组件，其特征在于：其由进料侧和渗透侧两部分组合而成，中间设置两层密封圈以防止液体渗漏；外部热源通过热载体将热量传递给水凝胶与进料液；长8～9cm，宽2～3cm，厚2～4mm的水凝胶放置在深度为3～6mm的进料通道中并紧贴热载体；有效面积为16～20cm2的聚四氟乙烯疏水膜放置于热载体的另一侧。
8.根据权利要求7所述的膜组件，其特征在于：聚四氟乙烯膜，膜厚度为20～80μm，膜孔径为0.1～0.2μm，孔隙率为80％～85％，接触角为130°～145°，液体渗透压为130～135kPa。
9.一种导热真空膜蒸馏的方法，其特征在于：使用包括如权利要求1～5任一项所述的用于膜蒸馏的水凝胶的膜组件，导热真空膜蒸馏系统由冷水循环系统、加热系统和真空冷凝收集系统组成；外部热源通过铝制热载体将热量传递给进料液；采用蠕动泵循环进料液；真空泵用于在膜的渗透侧产生真空；水蒸汽在渗透侧被冷凝形成渗透液；进料流速为5～10cm/s，热源温度为100～200℃，真空度为0.08～0.1MPa条件下进行。
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【技术特征摘要】
1.一种用于膜蒸馏的水凝胶，其特征在于：以聚氨酯为支撑材料，聚氨酯上负载聚乙烯醇，或聚乙烯醇与海藻酸钠反应生成物，或聚乙烯醇、海藻酸钠与羧基化碳纳米管反应生成物。
2.如权利要求1所述的用于膜蒸馏的水凝胶，其特征在于：聚氨酯的厚度为2～4mm。
3.一种制备如权利要求1或2所述的用于膜蒸馏的水凝胶的方法，其特征在于：包括如下步骤，
4.根据权利要求3所述的用于膜蒸馏的水凝胶，其特征在于：步骤3)中，在a溶液中另外加入0.1～0.2g海藻酸钠制备出水凝胶sh-2；其余操作步骤相同。
5.根据权利要求3所述的用于膜蒸馏的水凝胶，其特征在于：步骤3)中，在a溶液中加入0.1～0.2g海藻酸钠和0.1～0.3g羟基化碳纳米管制备出水凝胶sh-3；其余操作步骤相同。
6.一种膜组件，其特征在于：包括如权利要求1～5任一项所述的用于膜蒸馏的水凝胶。
7.根据权利要求6所述的膜组件，其特征在于：其由进料侧和渗透侧...
【专利技术属性】
技术研发人员：韩非，张佳蕊，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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