申请日2015.09.22
公开(公告)日2017.03.29
IPC分类号C02F1/04
摘要
本发明公开一种利用蒸汽汽提回收水中挥发性物质的质量传送系统，其利用蒸汽进行汽提以回收废水中的挥发性物质来浓缩制备高浓度挥发性物质的溶液，该系统包括旋转填充床、热交换器、液体泵浦与蒸汽供应系统等。此外，上述系统可使用夹层式旋转填充床，利用夹层式旋转填充床的高汽液质量传送效率与保温效果，将废水中的挥发性物质传输至蒸汽相，可使处理后废水中挥发性物质浓度显著降低，并将含有挥发性物质的气体进行冷凝收集，而可得到高浓度的挥发性物质溶液。
摘要附图
权利要求书
1.一种夹层式旋转填充床装置，包括：
一内层壳体(22)，其具有一气体开口(36)，并设有一蒸汽通入管(34)及一液体排出管(35);
一外层壳体(21)，其与所述内层壳体之间隔界定一外层中空腔体(44)，所述外层中空腔体(44)与所述气体开口(36)相连通，并设有一流体出口(43)，所述外层中空腔体(44)包覆所述内层壳体(22)与所述气体开口(36);
一旋转填充床(23)，其设于所述内层壳体(22)内，所述旋转填充床(23)包括一腔体，所述腔体内以固体填充件(29)填充;
一贯穿所述内层壳体的旋转心轴(28)，其与所述旋转填充床(23)耦合，使所述旋转填充床(23)可相对于所述内层壳体(22)进行旋转;及
一液体通入管(37)，所述液体通入管(37)穿过所述气体开口(36)，且其具有喷液开口(39)，所述喷液开口设置于一中间通道(38)中;
其中：
所述蒸汽通入管(34)、所述液体排出管(35)及所述液体通入管(37)穿过所述外层壳体(21)。
2.如权利要求1的夹层式旋转填充床装置，其中：
所述外层壳体(21)包含外上盖(40)、外壳体(41)及外底板(42)，其中：所述流体出口(43)设置于所述外壳体(41)的下方。
3.如权利要求1的夹层式旋转填充床装置，其中：
所述内层壳体(22)包含内上盖(30)、内壳体(31)及内底板(32)，其中：所述液体排出管(35)设置于所述内底板(32)上。
4.如权利要求1的夹层式旋转填充床装置，其中：
所述旋转填充床(23)的上方与所述气体开口(36)之间有旋转密封组件(33)。
5.如权利要求1的夹层式旋转填充床装置，其中：
所述固体填充件(29)系选自从下列材质构成的群组的至少其中之一：不锈钢、纤维、氧化铝、树脂、塑料、沸石、硅胶、活性炭及铁氟龙。
6.一种以蒸汽汽提含挥发性物质的废水以浓缩制备含高浓度挥发性物质的回收溶液的方法，其包含：
将蒸汽及含挥发性物质的废水通入一旋转填充床装置中，使所述蒸汽及所述废水在所述旋转填充床装置中进行汽液质量传送程序;及
将离开所述旋转填充床装置的气体冷凝收集成含挥发性物质的回收溶液。
7.如权利要求6的方法，其中：
所述旋转填充床装置系为如权利要求1至5中任一项的夹层式旋转填充床装置。
8.如权利要求6的方法，其中：
所述旋转填充床装置的旋转填充床的旋转速度为150至3000rpm。
9.如权利要求6的方法，其中：
所述蒸汽的质量流率与所述废水的质量流率的比值为0.01至0.5kg/kg。
10.如权利要求6的方法，其中：
将蒸汽及所述含挥发性物质的回收溶液通入第二个旋转填充床装置中，使所述蒸汽及所述含挥发性物质的回收溶液在所述第二个旋转填充床装置中进行汽液质量传送程序;及
将离开所述第二个旋转填充床装置的气体冷凝收集成含挥发性物质的回收溶液。
11.如权利要求10的方法，其中：
将蒸汽及所述含挥发性物质的回收溶液通入第三个旋转填充床装置中，使所述蒸汽及所述含挥发性物质的回收溶液在所述第三个旋转填充床装置中进行汽液质量传送程序;及
将离开所述第三个旋转填充床装置的气体冷凝收集成含挥发性物质的回收溶液。
12.如权利要求6、10及11中任一项的方法，其中：
进一步将未被冷凝的气体与所述回收溶液通入一旋转填充床装置中，使得所述未被冷凝的气体被所述回收溶液所吸收。
说明书
以蒸汽汽提废水浓缩制备挥发性物质溶液的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种利用蒸汽汽提回收水中挥发性物质的质量传送系统，所述系统可使用一般旋转填充床或夹层式旋转填充床进行一种多阶段(级)式蒸汽-溶液的质量传送程序，以回收废水中挥发性物质而转制成包含所述挥发性物质的高浓度溶液。
背景技术
工业废水或民生污水中常含有大量的挥发性物质，例如氨氮、氯化氢与挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds,VOCs)等，常见的挥发性有机化合物包含甲醇、乙醇、异丙醇、甲醛、乙醛、丙酮、甲酸和乙酸等。对于去除这些挥发性物质常见的处理方法，包括吸附法、生物处理、空气吹脱和氧化法等，但是这些方法通常存在着操作成本高或是去除效果不好等缺点。其中，空气吹脱为物理法，其系将挥发性物质由水相传输到气相中，再使用其它溶液进行吸收浓缩，操作成本相对较低，但是可能会产生二次污染物;可以使用蒸汽来代替空气来进行汽提，冷凝后可得到含有挥发性物质的浓缩溶液，但是若使用传统的气提塔或蒸馏塔都需要很高的蒸汽使用量，而且用以处理含挥发性物质浓度较低的废水，不易获得高浓度有经济价值的回收溶液。
通常会以亨利常数(Henry's law,H)来表示挥发性污染物质的挥发度，亨利常数越高表示越容易挥发，通常可以下列方程式来表示:
Pi=HiCL,i
其中，Pi为i物质的气相分压(atm)，CL,i为i物质在溶液中的浓度(mol/m3)，Hi(atm·m3/mol)为i物质的亨利常数。
i物质的亨利常数另一种形式为HC,i:
CG,i=HC,iCL,i
其中，CG,i为i物质在气相中的浓度(mol/m3)，HC,i的单位为(mol·m3)/(mol·m3)。
HC,i=Hi/(RT)
其中，R为理想气体常数，T为绝对温度。
假设废水流量为QL(m3/s)，要将i物质完全从废水移除至气相，所需要理论最小气体总流量QG(m3/s)为QL/HC。假设i物质完全由废水传输至气相且气相只有蒸汽与i物质，根据理想气体方程式，理论上蒸汽所需的最小穆尔流率(ńG,mol/s)可计算得到如下
ńG=总气体穆尔数–i物质的穆尔数
=PQL/(RTHC)-QLCL,i=PQL/H-QLCL,i
其中，P为气相的压力(atm)。
若原废水中i物质的浓度不高，废水中水的穆尔流率(ńL,mol/s)约为QLρw/Mw，其中ρw和Mw分别为水的密度(约为1000kg/m3)与分子量(1.8x 10-2kg/mol)。若i物质可完全从废水传输至蒸汽相，其浓缩倍数理论上与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)。
通常操作环境的P值接近1atm与温度约为100℃，由上式可知当i物质在100℃时的H值若大于1.8x10-5atm·m3/mol，理论上即具有蒸汽浓缩的可行性。表一系表示常见的挥发性物质在25℃左右时，其H值与水中溶解度的数值，然而100℃时的H值通常为25℃时的10到20倍左右，因此可知许多挥发性物质都具有进行蒸汽浓缩的可行性。
表一.挥发性物质的H值与水中溶解度(25℃)
一般工业生产和农业包含养殖畜牧等行业皆可能会产生氨氮废水，根据台湾的工业技术研究院针对高科技产业所排放的氨氮废水的水量及浓度分析，半导体产业12吋晶圆厂所排放的氨氮废水的水量约为1000CMD(m3/day)与浓度约为0.2wt.%，发光二极管(Light-Emitting Diode,LED)工厂的氨氮废水的水量约为30CMD与浓度约为2wt.%，印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)产业的氨铜制程的氨氮废水的水量约为5CMD与浓度约为7wt.%，太阳能光电产业的相关制程的氨氮废水的水量约为50CMD与浓度约为1wt.%。总合而言，台湾高科技产业的氨氮废水排放量接近每年一百万吨与浓度约为1wt.%。
废水中的氨氮是指以氨(NH3)或铵离子(NH4+)形式存在的化合物，氨氮对水生生物会产生毒害，氨氮也会被微生物分解而消耗水体中的溶氧，而导致水体发黑或发臭。氨氮在氧气充足的情况下，可被微生物氧化成亚硝酸盐氮，进而分解为硝酸盐氮。在自然的环境中，亚硝酸盐氮可能会与蛋白质结合生成具有致癌和致畸作用的亚硝胺，而危害人体健康。另一方面，氨氮可为藻类及水草的生长提供氮营养源，可导致某些水生植物如海藻及水草的大量繁殖而产生优养化现象。此外，氨氮废水亦会对某些工业设备产生危害，如会腐蚀某些金属如铜及促使微生物在输水管道和用水设备中大量繁殖而形成生物垢，导致管道和设备的堵塞。由此可知氨氮对水环境会造成严重的危害，要如何有效处理含氨氮废水以降低其对水环境的影响已经是当前的重要课题。
目前已有数种方法用于去除废水中的氨氮，包含有(一)气提法:是在碱性水质(高pH值)下利用气液质量传送效应，将空气通入含氨氮的废水中，将氨由水相中气提出来。一般会使用气提塔来进行，分离出来的气态氨可用酸来进行吸收，但可能会衍生出二次污染物的问题;(二)化学沉淀法:在一定的pH条件下，添加镁离子(Mg2+)、磷酸根(HPO43-)和NH4+可以生成磷酸铵镁(MgNH4PO4)的沉淀，而使铵离子从水中分离出来。化学沉淀法的主要问题是沉淀剂的用量大、镁盐费用高，另外所生成的沉淀颗粒细小或是产生絮状体，在进行固液分离时具有一定困难度;(三)离子交换法:主要是利用离子交换程序将废水中的铵离子进行置换去除，但废水中若含有具氧化性物质，可能会伤害离子交换树脂而造成处理效率降低，此外后续还有离子交换树脂再生及废弃等问题，使得处理成本增加;(四)逆渗透法:利用逆渗透膜将氨离子浓缩，逆渗透膜可将氨离子阻绝而产出低浓度氨氮产出水，但设置成本较高且逆渗透膜孔径小易因废水中杂质或有机物造成堵塞而降低产水率，也可能因废水中其他化学物质破坏逆渗透膜，而增加操作困难度与提高处理成本;(五)生物处理:于废水中培养适当的微生物，藉由微生物的代谢作用将氨氮去除。生物处理除氮方法主要包含二个步骤，先藉由氨氧化菌与亚硝酸氧化菌将氨氮氧化成硝酸氮，的后再由脱氮菌将硝酸氮还原成氮气而达到去除的效果。虽然生物脱氮是目前常用的方法之一，但是占地面积大而且对高浓度或间断性的氨氮废水会有操作上的困难，也有后续污泥处理的问题与费用;及(六)薄膜蒸馏技术：薄膜蒸馏技术为提高废水温度后流经多孔且疏水性薄膜一侧，薄膜另一侧以低温酸性溶液进行循环，以薄膜两侧流体接触面的氨氮蒸气压差为趋动力，使氨氮蒸气分子通过薄膜孔洞，由高温废水侧传输到低温酸性溶液侧而被吸收成含铵盐液体，但同样地可能会有衍生出二次污染物的问题。
异丙醇常用于油漆、稀释剂、涂料、清洁剂、表面杀菌、食品加工厂等相关行业，异丙醇为目前半导体制程所排放最大宗的废有机溶剂。在柔印、平版印刷和凹版印刷程序中，异丙醇亦作为溶剂与设备清洁剂。此外，光电产业在清洗段制程中也会产生大量含异丙醇的有机废水。异丙醇的排放不但会污染环境，且因为异丙醇是一种光化学氧化剂，在受到阳光照射下会形成臭氧而刺激人的眼睛和呼吸系统，危害人类身体健康和植物生长。
超重力技术是强化气体与液体的质量传送程序的创新技术，主要特点是在为地球重力场的数十倍至数百倍的离心加速度环境下，液体会在填充物的表面与孔隙处分散成微小的液滴、液膜及液丝进行由内径向外径的流动，而增加了气液接触的比表面积。也因为气液之间的微观剧烈混合作用，可提高气液接触的比表面积与降低气液之间的质量传送阻力，因此达到增加气液质量传输速度与减少反应器体积的目的。相较于传统的蒸汽与液体的接触装置，例如汽提塔或蒸馏塔，超重力反应器单位体积的质量传输速度可提高数十倍至数百倍，因而显着减少反应器所需的设备体积与可用于处理较大流量的废水，同时可以减少蒸汽使用量。
含有挥发性物质的回收溶液一般必须达到较高浓度数值，才具有进行后续纯化再利用的经济价值。例如浓缩回收氨水浓度需在20wt.%以上，通常才适合进一步提纯转制成工业用的氨水。目前对于低浓度如数百或数千mg/L的氨氮废水，要转制成高浓度(>20wt.%)的氨水仍需要开发新颖的处理程序。相同道理，若要进行挥发性有机物质(如异丙醇)的回收利用，所回收的有机物质溶液亦需要达到数十个wt.%以上，才有再进行后续纯化再利用的经济效益。
发明内容
本发明使用蒸汽汽提进行废水中挥发性物质的回收，具有高回收效率、制程简单及占地面积小等优点，且可有效降低废水中挥发性物质的含量以减轻环境负荷，同时达到资源循环再利用与提高回收溶液的经济价值的目的。
本发明系提供一种以蒸汽汽提废水以浓缩制备挥发性物质的溶液的方法，其包含将蒸汽及含挥发性物质的废水通入旋转填充床装置中，使所述蒸汽及所述废水在所述旋转填充床装置中进行汽液质量传送程序;及将离开所述旋转填充床装置的气体冷凝收集成含挥发性物质的溶液。
本发明另提供一种夹层式旋转填充床装置，所述夹层式旋转填充床装置可取代上述方法中所使用的旋转填充床装置，所述装置包括一内层壳体，其具有一气体开口，并设有一蒸汽通入管及一液体排出管;一外层壳体，其与所述内层壳体之间隔界定出一外层中空腔体，所述外层中空腔体与所述气体开口相连通，并设有一流体出口，所述外层中空腔体包覆所述内层壳体与所述气体开口;一旋转填充床，其设于所述内层壳体内，所述旋转填充床包括一腔体，所述腔体内以固体填充件填充;一贯穿所述内层壳体的旋转心轴，其与所述旋转填充床耦合，使所述旋转填充床可相对于所述内层壳体进行旋转;及一液体通入管，所述液体通入管穿过所述气体开口，且其具有喷液开口，所述喷液开口设置于一中间通道中;所通入的蒸汽将依序通过所述旋转填充床、所述气体开口、所述外层中空腔体、所述流体出口连接到外部管线;其中，所述蒸汽通入管、所述液体排出管及所述液体通入管穿过所述外层壳体。
在本发明中，挥发性物质回收制程的形式可根据废水中挥发性物质的初始浓度与回收溶液的目标浓度而决定。
本发明提供的夹层式旋转填充床装置及以蒸汽汽提废水以浓缩制备含高浓度挥发性物质的溶液的方法，将可藉由下列实施方式说明及附图而进一步了解。
本发明亦涵盖其他方面及具体实施例。前述发明内容及以下实施方式并无意将本发明局限于任何特定具体实施例，而系仅计划描述本发明之一些具体实施例。