申請日2015.09.22
公開(公告)日2017.03.29
IPC分類號C02F1/04
摘要
本發(fā)明公開一種利用蒸汽汽提回收水中揮發(fā)性物質(zhì)的質(zhì)量傳送系統(tǒng)，其利用蒸汽進行汽提以回收廢水中的揮發(fā)性物質(zhì)來濃縮制備高濃度揮發(fā)性物質(zhì)的溶液，該系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)填充床、熱交換器、液體泵浦與蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)等。此外，上述系統(tǒng)可使用夾層式旋轉(zhuǎn)填充床，利用夾層式旋轉(zhuǎn)填充床的高汽液質(zhì)量傳送效率與保溫效果，將廢水中的揮發(fā)性物質(zhì)傳輸至蒸汽相，可使處理后廢水中揮發(fā)性物質(zhì)濃度顯著降低，并將含有揮發(fā)性物質(zhì)的氣體進行冷凝收集，而可得到高濃度的揮發(fā)性物質(zhì)溶液。
摘要附圖
權(quán)利要求書
1.一種夾層式旋轉(zhuǎn)填充床裝置，包括：
一內(nèi)層殼體(22)，其具有一氣體開口(36)，并設(shè)有一蒸汽通入管(34)及一液體排出管(35);
一外層殼體(21)，其與所述內(nèi)層殼體之間隔界定一外層中空腔體(44)，所述外層中空腔體(44)與所述氣體開口(36)相連通，并設(shè)有一流體出口(43)，所述外層中空腔體(44)包覆所述內(nèi)層殼體(22)與所述氣體開口(36);
一旋轉(zhuǎn)填充床(23)，其設(shè)于所述內(nèi)層殼體(22)內(nèi)，所述旋轉(zhuǎn)填充床(23)包括一腔體，所述腔體內(nèi)以固體填充件(29)填充;
一貫穿所述內(nèi)層殼體的旋轉(zhuǎn)心軸(28)，其與所述旋轉(zhuǎn)填充床(23)耦合，使所述旋轉(zhuǎn)填充床(23)可相對于所述內(nèi)層殼體(22)進行旋轉(zhuǎn);及
一液體通入管(37)，所述液體通入管(37)穿過所述氣體開口(36)，且其具有噴液開口(39)，所述噴液開口設(shè)置于一中間通道(38)中;
其中：
所述蒸汽通入管(34)、所述液體排出管(35)及所述液體通入管(37)穿過所述外層殼體(21)。
2.如權(quán)利要求1的夾層式旋轉(zhuǎn)填充床裝置，其中：
所述外層殼體(21)包含外上蓋(40)、外殼體(41)及外底板(42)，其中：所述流體出口(43)設(shè)置于所述外殼體(41)的下方。
3.如權(quán)利要求1的夾層式旋轉(zhuǎn)填充床裝置，其中：
所述內(nèi)層殼體(22)包含內(nèi)上蓋(30)、內(nèi)殼體(31)及內(nèi)底板(32)，其中：所述液體排出管(35)設(shè)置于所述內(nèi)底板(32)上。
4.如權(quán)利要求1的夾層式旋轉(zhuǎn)填充床裝置，其中：
所述旋轉(zhuǎn)填充床(23)的上方與所述氣體開口(36)之間有旋轉(zhuǎn)密封組件(33)。
5.如權(quán)利要求1的夾層式旋轉(zhuǎn)填充床裝置，其中：
所述固體填充件(29)系選自從下列材質(zhì)構(gòu)成的群組的至少其中之一：不銹鋼、纖維、氧化鋁、樹脂、塑料、沸石、硅膠、活性炭及鐵氟龍。
6.一種以蒸汽汽提含揮發(fā)性物質(zhì)的廢水以濃縮制備含高濃度揮發(fā)性物質(zhì)的回收溶液的方法，其包含：
將蒸汽及含揮發(fā)性物質(zhì)的廢水通入一旋轉(zhuǎn)填充床裝置中，使所述蒸汽及所述廢水在所述旋轉(zhuǎn)填充床裝置中進行汽液質(zhì)量傳送程序;及
將離開所述旋轉(zhuǎn)填充床裝置的氣體冷凝收集成含揮發(fā)性物質(zhì)的回收溶液。
7.如權(quán)利要求6的方法，其中：
所述旋轉(zhuǎn)填充床裝置系為如權(quán)利要求1至5中任一項的夾層式旋轉(zhuǎn)填充床裝置。
8.如權(quán)利要求6的方法，其中：
所述旋轉(zhuǎn)填充床裝置的旋轉(zhuǎn)填充床的旋轉(zhuǎn)速度為150至3000rpm。
9.如權(quán)利要求6的方法，其中：
所述蒸汽的質(zhì)量流率與所述廢水的質(zhì)量流率的比值為0.01至0.5kg/kg。
10.如權(quán)利要求6的方法，其中：
將蒸汽及所述含揮發(fā)性物質(zhì)的回收溶液通入第二個旋轉(zhuǎn)填充床裝置中，使所述蒸汽及所述含揮發(fā)性物質(zhì)的回收溶液在所述第二個旋轉(zhuǎn)填充床裝置中進行汽液質(zhì)量傳送程序;及
將離開所述第二個旋轉(zhuǎn)填充床裝置的氣體冷凝收集成含揮發(fā)性物質(zhì)的回收溶液。
11.如權(quán)利要求10的方法，其中：
將蒸汽及所述含揮發(fā)性物質(zhì)的回收溶液通入第三個旋轉(zhuǎn)填充床裝置中，使所述蒸汽及所述含揮發(fā)性物質(zhì)的回收溶液在所述第三個旋轉(zhuǎn)填充床裝置中進行汽液質(zhì)量傳送程序;及
將離開所述第三個旋轉(zhuǎn)填充床裝置的氣體冷凝收集成含揮發(fā)性物質(zhì)的回收溶液。
12.如權(quán)利要求6、10及11中任一項的方法，其中：
進一步將未被冷凝的氣體與所述回收溶液通入一旋轉(zhuǎn)填充床裝置中，使得所述未被冷凝的氣體被所述回收溶液所吸收。
說明書
以蒸汽汽提廢水濃縮制備揮發(fā)性物質(zhì)溶液的方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種利用蒸汽汽提回收水中揮發(fā)性物質(zhì)的質(zhì)量傳送系統(tǒng)，所述系統(tǒng)可使用一般旋轉(zhuǎn)填充床或夾層式旋轉(zhuǎn)填充床進行一種多階段(級)式蒸汽-溶液的質(zhì)量傳送程序，以回收廢水中揮發(fā)性物質(zhì)而轉(zhuǎn)制成包含所述揮發(fā)性物質(zhì)的高濃度溶液。
背景技術(shù)
工業(yè)廢水或民生污水中常含有大量的揮發(fā)性物質(zhì)，例如氨氮、氯化氫與揮發(fā)性有機化合物(Volatile Organic Compounds,VOCs)等，常見的揮發(fā)性有機化合物包含甲醇、乙醇、異丙醇、甲醛、乙醛、丙酮、甲酸和乙酸等。對于去除這些揮發(fā)性物質(zhì)常見的處理方法，包括吸附法、生物處理、空氣吹脫和氧化法等，但是這些方法通常存在著操作成本高或是去除效果不好等缺點。其中，空氣吹脫為物理法，其系將揮發(fā)性物質(zhì)由水相傳輸?shù)綒庀嘀�，再使用其它溶液進行吸收濃縮，操作成本相對較低，但是可能會產(chǎn)生二次污染物;可以使用蒸汽來代替空氣來進行汽提，冷凝后可得到含有揮發(fā)性物質(zhì)的濃縮溶液，但是若使用傳統(tǒng)的氣提塔或蒸餾塔都需要很高的蒸汽使用量，而且用以處理含揮發(fā)性物質(zhì)濃度較低的廢水，不易獲得高濃度有經(jīng)濟價值的回收溶液。
通常會以亨利常數(shù)(Henry's law,H)來表示揮發(fā)性污染物質(zhì)的揮發(fā)度，亨利常數(shù)越高表示越容易揮發(fā)，通�？梢韵铝蟹匠淌絹肀硎�:
Pi=HiCL,i
其中，Pi為i物質(zhì)的氣相分壓(atm)，CL,i為i物質(zhì)在溶液中的濃度(mol/m3)，Hi(atm·m3/mol)為i物質(zhì)的亨利常數(shù)。
i物質(zhì)的亨利常數(shù)另一種形式為HC,i:
CG,i=HC,iCL,i
其中，CG,i為i物質(zhì)在氣相中的濃度(mol/m3)，HC,i的單位為(mol·m3)/(mol·m3)。
HC,i=Hi/(RT)
其中，R為理想氣體常數(shù)，T為絕對溫度。
假設(shè)廢水流量為QL(m3/s)，要將i物質(zhì)完全從廢水移除至氣相，所需要理論最小氣體總流量QG(m3/s)為QL/HC。假設(shè)i物質(zhì)完全由廢水傳輸至氣相且氣相只有蒸汽與i物質(zhì)，根據(jù)理想氣體方程式，理論上蒸汽所需的最小穆爾流率(ńG,mol/s)可計算得到如下
ńG=總氣體穆爾數(shù)–i物質(zhì)的穆爾數(shù)
=PQL/(RTHC)-QLCL,i=PQL/H-QLCL,i
其中，P為氣相的壓力(atm)。
若原廢水中i物質(zhì)的濃度不高，廢水中水的穆爾流率(ńL,mol/s)約為QLρw/Mw，其中ρw和Mw分別為水的密度(約為1000kg/m3)與分子量(1.8x 10-2kg/mol)。若i物質(zhì)可完全從廢水傳輸至蒸汽相，其濃縮倍數(shù)理論上與ńL/ńG成正比。
ńL/ńG=ρw/Mw/(P/H-CL,i)≈ρwH/(MwP)=1000H/(1.8x 10-2P)=H/(1.8x 10-5P)。
通常操作環(huán)境的P值接近1atm與溫度約為100℃，由上式可知當(dāng)i物質(zhì)在100℃時的H值若大于1.8x10-5atm·m3/mol，理論上即具有蒸汽濃縮的可行性。表一系表示常見的揮發(fā)性物質(zhì)在25℃左右時，其H值與水中溶解度的數(shù)值，然而100℃時的H值通常為25℃時的10到20倍左右，因此可知許多揮發(fā)性物質(zhì)都具有進行蒸汽濃縮的可行性。
表一.揮發(fā)性物質(zhì)的H值與水中溶解度(25℃)
一般工業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)包含養(yǎng)殖畜牧等行業(yè)皆可能會產(chǎn)生氨氮廢水，根據(jù)臺灣的工業(yè)技術(shù)研究院針對高科技產(chǎn)業(yè)所排放的氨氮廢水的水量及濃度分析，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)12吋晶圓廠所排放的氨氮廢水的水量約為1000CMD(m3/day)與濃度約為0.2wt.%，發(fā)光二極管(Light-Emitting Diode,LED)工廠的氨氮廢水的水量約為30CMD與濃度約為2wt.%，印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)產(chǎn)業(yè)的氨銅制程的氨氮廢水的水量約為5CMD與濃度約為7wt.%，太陽能光電產(chǎn)業(yè)的相關(guān)制程的氨氮廢水的水量約為50CMD與濃度約為1wt.%�？偤隙裕_灣高科技產(chǎn)業(yè)的氨氮廢水排放量接近每年一百萬噸與濃度約為1wt.%。
廢水中的氨氮是指以氨(NH3)或銨離子(NH4+)形式存在的化合物，氨氮對水生生物會產(chǎn)生毒害，氨氮也會被微生物分解而消耗水體中的溶氧，而導(dǎo)致水體發(fā)黑或發(fā)臭。氨氮在氧氣充足的情況下，可被微生物氧化成亞硝酸鹽氮，進而分解為硝酸鹽氮。在自然的環(huán)境中，亞硝酸鹽氮可能會與蛋白質(zhì)結(jié)合生成具有致癌和致畸作用的亞硝胺，而危害人體健康。另一方面，氨氮可為藻類及水草的生長提供氮營養(yǎng)源，可導(dǎo)致某些水生植物如海藻及水草的大量繁殖而產(chǎn)生優(yōu)養(yǎng)化現(xiàn)象。此外，氨氮廢水亦會對某些工業(yè)設(shè)備產(chǎn)生危害，如會腐蝕某些金屬如銅及促使微生物在輸水管道和用水設(shè)備中大量繁殖而形成生物垢，導(dǎo)致管道和設(shè)備的堵塞。由此可知氨氮對水環(huán)境會造成嚴(yán)重的危害，要如何有效處理含氨氮廢水以降低其對水環(huán)境的影響已經(jīng)是當(dāng)前的重要課題。
目前已有數(shù)種方法用于去除廢水中的氨氮，包含有(一)氣提法:是在堿性水質(zhì)(高pH值)下利用氣液質(zhì)量傳送效應(yīng)，將空氣通入含氨氮的廢水中，將氨由水相中氣提出來。一般會使用氣提塔來進行，分離出來的氣態(tài)氨可用酸來進行吸收，但可能會衍生出二次污染物的問題;(二)化學(xué)沉淀法:在一定的pH條件下，添加鎂離子(Mg2+)、磷酸根(HPO43-)和NH4+可以生成磷酸銨鎂(MgNH4PO4)的沉淀，而使銨離子從水中分離出來�；瘜W(xué)沉淀法的主要問題是沉淀劑的用量大、鎂鹽費用高，另外所生成的沉淀顆粒細小或是產(chǎn)生絮狀體，在進行固液分離時具有一定困難度;(三)離子交換法:主要是利用離子交換程序?qū)U水中的銨離子進行置換去除，但廢水中若含有具氧化性物質(zhì)，可能會傷害離子交換樹脂而造成處理效率降低，此外后續(xù)還有離子交換樹脂再生及廢棄等問題，使得處理成本增加;(四)逆滲透法:利用逆滲透膜將氨離子濃縮，逆滲透膜可將氨離子阻絕而產(chǎn)出低濃度氨氮產(chǎn)出水，但設(shè)置成本較高且逆滲透膜孔徑小易因廢水中雜質(zhì)或有機物造成堵塞而降低產(chǎn)水率，也可能因廢水中其他化學(xué)物質(zhì)破壞逆滲透膜，而增加操作困難度與提高處理成本;(五)生物處理:于廢水中培養(yǎng)適當(dāng)?shù)奈⑸铮逵晌⑸锏拇x作用將氨氮去除。生物處理除氮方法主要包含二個步驟，先藉由氨氧化菌與亞硝酸氧化菌將氨氮氧化成硝酸氮，的后再由脫氮菌將硝酸氮還原成氮氣而達到去除的效果。雖然生物脫氮是目前常用的方法之一，但是占地面積大而且對高濃度或間斷性的氨氮廢水會有操作上的困難，也有后續(xù)污泥處理的問題與費用;及(六)薄膜蒸餾技術(shù)：薄膜蒸餾技術(shù)為提高廢水溫度后流經(jīng)多孔且疏水性薄膜一側(cè)，薄膜另一側(cè)以低溫酸性溶液進行循環(huán)，以薄膜兩側(cè)流體接觸面的氨氮蒸氣壓差為趨動力，使氨氮蒸氣分子通過薄膜孔洞，由高溫廢水側(cè)傳輸?shù)降蜏厮嵝匀芤簜?cè)而被吸收成含銨鹽液體，但同樣地可能會有衍生出二次污染物的問題。
異丙醇常用于油漆、稀釋劑、涂料、清潔劑、表面殺菌、食品加工廠等相關(guān)行業(yè)，異丙醇為目前半導(dǎo)體制程所排放最大宗的廢有機溶劑。在柔印、平版印刷和凹版印刷程序中，異丙醇亦作為溶劑與設(shè)備清潔劑。此外，光電產(chǎn)業(yè)在清洗段制程中也會產(chǎn)生大量含異丙醇的有機廢水。異丙醇的排放不但會污染環(huán)境，且因為異丙醇是一種光化學(xué)氧化劑，在受到陽光照射下會形成臭氧而刺激人的眼睛和呼吸系統(tǒng)，危害人類身體健康和植物生長。
超重力技術(shù)是強化氣體與液體的質(zhì)量傳送程序的創(chuàng)新技術(shù)，主要特點是在為地球重力場的數(shù)十倍至數(shù)百倍的離心加速度環(huán)境下，液體會在填充物的表面與孔隙處分散成微小的液滴、液膜及液絲進行由內(nèi)徑向外徑的流動，而增加了氣液接觸的比表面積。也因為氣液之間的微觀劇烈混合作用，可提高氣液接觸的比表面積與降低氣液之間的質(zhì)量傳送阻力，因此達到增加氣液質(zhì)量傳輸速度與減少反應(yīng)器體積的目的。相較于傳統(tǒng)的蒸汽與液體的接觸裝置，例如汽提塔或蒸餾塔，超重力反應(yīng)器單位體積的質(zhì)量傳輸速度可提高數(shù)十倍至數(shù)百倍，因而顯著減少反應(yīng)器所需的設(shè)備體積與可用于處理較大流量的廢水，同時可以減少蒸汽使用量。
含有揮發(fā)性物質(zhì)的回收溶液一般必須達到較高濃度數(shù)值，才具有進行后續(xù)純化再利用的經(jīng)濟價值。例如濃縮回收氨水濃度需在20wt.%以上，通常才適合進一步提純轉(zhuǎn)制成工業(yè)用的氨水。目前對于低濃度如數(shù)百或數(shù)千mg/L的氨氮廢水，要轉(zhuǎn)制成高濃度(>20wt.%)的氨水仍需要開發(fā)新穎的處理程序。相同道理，若要進行揮發(fā)性有機物質(zhì)(如異丙醇)的回收利用，所回收的有機物質(zhì)溶液亦需要達到數(shù)十個wt.%以上，才有再進行后續(xù)純化再利用的經(jīng)濟效益。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明使用蒸汽汽提進行廢水中揮發(fā)性物質(zhì)的回收，具有高回收效率、制程簡單及占地面積小等優(yōu)點，且可有效降低廢水中揮發(fā)性物質(zhì)的含量以減輕環(huán)境負荷，同時達到資源循環(huán)再利用與提高回收溶液的經(jīng)濟價值的目的。
本發(fā)明系提供一種以蒸汽汽提廢水以濃縮制備揮發(fā)性物質(zhì)的溶液的方法，其包含將蒸汽及含揮發(fā)性物質(zhì)的廢水通入旋轉(zhuǎn)填充床裝置中，使所述蒸汽及所述廢水在所述旋轉(zhuǎn)填充床裝置中進行汽液質(zhì)量傳送程序;及將離開所述旋轉(zhuǎn)填充床裝置的氣體冷凝收集成含揮發(fā)性物質(zhì)的溶液。
本發(fā)明另提供一種夾層式旋轉(zhuǎn)填充床裝置，所述夾層式旋轉(zhuǎn)填充床裝置可取代上述方法中所使用的旋轉(zhuǎn)填充床裝置，所述裝置包括一內(nèi)層殼體，其具有一氣體開口，并設(shè)有一蒸汽通入管及一液體排出管;一外層殼體，其與所述內(nèi)層殼體之間隔界定出一外層中空腔體，所述外層中空腔體與所述氣體開口相連通，并設(shè)有一流體出口，所述外層中空腔體包覆所述內(nèi)層殼體與所述氣體開口;一旋轉(zhuǎn)填充床，其設(shè)于所述內(nèi)層殼體內(nèi)，所述旋轉(zhuǎn)填充床包括一腔體，所述腔體內(nèi)以固體填充件填充;一貫穿所述內(nèi)層殼體的旋轉(zhuǎn)心軸，其與所述旋轉(zhuǎn)填充床耦合，使所述旋轉(zhuǎn)填充床可相對于所述內(nèi)層殼體進行旋轉(zhuǎn);及一液體通入管，所述液體通入管穿過所述氣體開口，且其具有噴液開口，所述噴液開口設(shè)置于一中間通道中;所通入的蒸汽將依序通過所述旋轉(zhuǎn)填充床、所述氣體開口、所述外層中空腔體、所述流體出口連接到外部管線;其中，所述蒸汽通入管、所述液體排出管及所述液體通入管穿過所述外層殼體。
在本發(fā)明中，揮發(fā)性物質(zhì)回收制程的形式可根據(jù)廢水中揮發(fā)性物質(zhì)的初始濃度與回收溶液的目標(biāo)濃度而決定。
本發(fā)明提供的夾層式旋轉(zhuǎn)填充床裝置及以蒸汽汽提廢水以濃縮制備含高濃度揮發(fā)性物質(zhì)的溶液的方法，將可藉由下列實施方式說明及附圖而進一步了解。
本發(fā)明亦涵蓋其他方面及具體實施例。前述發(fā)明內(nèi)容及以下實施方式并無意將本發(fā)明局限于任何特定具體實施例，而系僅計劃描述本發(fā)明之一些具體實施例。
