膜蒸餾技術(shù)發(fā)展背景及其簡(jiǎn)介

近年來(lái)，隨著膜分離技術(shù)的快速發(fā)展，反滲透膜技術(shù)(RO)逐漸成電力、冶金等部門(mén)工業(yè)廢水和循環(huán)水深度回用處理的首選技術(shù)。但是反滲透膜技術(shù)的產(chǎn)水率一般只有75％，其濃水的處理與排放問(wèn)題日益突出。

目前解決反滲透排放濃水主要采用的有三種方案：(1)濃水經(jīng)沖洗多介質(zhì)過(guò)濾器后排放；(2)對(duì)排 放水集中回收處理，利用石灰軟化法等去除鈣鎂硬 度，處理后再利用或達(dá)標(biāo)排放；(3)直接結(jié)合生產(chǎn)工 藝狀況綜合利用。但是這些方法都沒(méi)有徹底解決問(wèn) 題，對(duì)濃水的利用率很低，甚至造成對(duì)環(huán)境的二次污 染。因此開(kāi)發(fā)高效的濃鹽水處理過(guò)程，以彌補(bǔ)RO等 處理過(guò)程的不足，以實(shí)現(xiàn)節(jié)水減排，具有重要意義。 減壓膜蒸餾(VMD)是將膜技術(shù)與傳統(tǒng)蒸餾技 術(shù)結(jié)合的一種新型膜分離過(guò)程。具有操作溫度低、設(shè) 備簡(jiǎn)單，對(duì)無(wú)機(jī)鹽、大分子等不揮發(fā)物的截留率可達(dá) 100％，可實(shí)現(xiàn)高濃度溶液的處理等優(yōu)點(diǎn) 。

膜蒸餾（Membrane Distillation，簡(jiǎn)稱(chēng)MD）是近十年得到迅速發(fā)展的一種新型高效的膜分離技術(shù)，是以疏水性微孔膜兩側(cè)蒸汽壓差為傳質(zhì)推動(dòng)力的膜分離過(guò)程。膜蒸餾過(guò)程區(qū)別于其他膜過(guò)程的特征是：膜是微孔膜；膜不能被所處理的液體浸潤(rùn)；膜孔內(nèi)無(wú)毛細(xì)管冷凝現(xiàn)象發(fā)生；只有蒸汽能通過(guò)膜孔傳質(zhì)。膜不能改變操作液體中各組分的汽液平衡；膜至少有一側(cè)要與操作液體直接接觸；對(duì)每一組分而言，膜操作的推動(dòng)力是該組分的氣相分壓梯度。同其他的分離過(guò)程相比，膜蒸餾具有以下優(yōu)點(diǎn)：① 截留率高（若膜不被潤(rùn)濕，可達(dá)100％）；② 操作溫度比傳統(tǒng)的蒸餾操作低得多，可有效利用地?zé)帷?span id="aycdqmyf4" class=keyword>工業(yè)廢水余熱等廉價(jià)能源，降低能耗；③ 操作壓力較其他膜分離低；④ 能夠處理反滲透等不能處理的高濃度廢水。

膜蒸餾技術(shù)的分類(lèi)

根據(jù)在膜冷側(cè)收集水蒸氣的方式不同，膜蒸餾的類(lèi)型可分為：

(1)直接接觸式膜蒸餾（水吸式或外冷式(DCMD ) (見(jiàn)圖2)

該組件內(nèi)，膜兩側(cè)的液體直接與膜面接觸。其一面是經(jīng)過(guò)加熱的原溶液為熱側(cè)，另一面是冷卻水為冷側(cè)，膜孔內(nèi)為汽相（蒸氣和空氣），在熱側(cè)膜面上生成的水蒸氣透過(guò)膜至冷側(cè)凝結(jié)成水，并和冷卻水合而為一。

(2)氣隙式膜蒸餾（內(nèi)冷式）(AGMD) (見(jiàn)圖1)

該組件內(nèi)，膜的冷側(cè)裝有冷卻板，在其間就是氣隙室。當(dāng)熱側(cè)水蒸氣透過(guò)膜在氣隙室擴(kuò)散遇冷壁凝結(jié)成液態(tài)導(dǎo)出，而冷卻水在組件內(nèi)部降溫。凝結(jié)水和冷卻水各有通道，互不混合。和直接接觸膜蒸餾組件相反，蒸發(fā)面和冷卻面之間有一定距離（氣隙室寬度），這樣通量和熱傳導(dǎo)均受到了阻力。其優(yōu)點(diǎn)是熱量損失小，熱效率高；不需另加熱能回收裝置。缺點(diǎn)是組件結(jié)構(gòu)較直接法復(fù)雜；其膜通量比直接法小。

(3)掃氣式膜蒸餾(見(jiàn)圖3)

該組件內(nèi)，膜的冷側(cè)通常以隋性氣體（如氮氣等）作載體，將透過(guò)膜的水蒸氣帶至組件外冷凝。

(4)減壓膜蒸餾

與氣隙式膜蒸餾相類(lèi)似，只是將冷側(cè)施以低壓處理。 

膜蒸餾技術(shù)的特點(diǎn)

1膜蒸餾的優(yōu)點(diǎn)

(1)該過(guò)程幾乎在常壓下進(jìn)行，設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便，在技術(shù)力量較弱的地區(qū)也有可能實(shí)現(xiàn)。

(2)在該過(guò)程中無(wú)需把溶液加熱到沸點(diǎn)，只要膜兩側(cè)維持適當(dāng)?shù)臏夭�，該過(guò)程便可以運(yùn)行，這就有可能利用太陽(yáng)能、地?zé)�、溫泉等廉價(jià)的天然能源以及工廠的余熱等，對(duì)在能源日趨緊張的情況下，利廢節(jié)能是很有意義的。

(3)在非揮發(fā)性溶質(zhì)水溶液的膜蒸餾過(guò)程中，因?yàn)橹挥兴�蒸氣能透過(guò)膜孔，所以蒸餾十分純凈，有望成為大規(guī)模低成本制備超純水的手段。

(4)膜蒸餾耐腐蝕、抗輻射，故能處理酸性、堿性和有放射性的溶液。

(5)膜蒸餾組件很容易設(shè)計(jì)成潛熱回收的形式，可進(jìn)一步降低能耗。膜蒸餾可廣泛應(yīng)用于海水和苦咸水淡化，污水和工業(yè)廢水的處理，非揮發(fā)性酸、堿性溶液、揮發(fā)性溶液的濃縮和提純以及在醫(yī)藥、食品加工等方面的應(yīng)用。

2膜蒸餾的主要缺點(diǎn)

(1)膜成本高蒸餾通量��；(2)由于溫度極化和濃度極化的影響，運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定；(3)研究工作多處于實(shí)驗(yàn)階段，對(duì)傳質(zhì)和傳熱機(jī)理及參數(shù)影響的定量分析還很不夠；(4)研究所用物料一般都是簡(jiǎn)單的水溶液，對(duì)一些工業(yè)廢水的研究甚少，同時(shí)可以查看中國(guó)污水處理工程網(wǎng)更多關(guān)于膜蒸餾技術(shù)的技術(shù)文檔。

膜蒸餾過(guò)程的機(jī)理

膜蒸餾過(guò)程是傳熱與傳質(zhì)的偶合過(guò)程，并且這兩種傳遞過(guò)程都分別由邊界層內(nèi)的傳遞和跨膜傳遞兩部分組成，因此傳熱和傳質(zhì)之間的關(guān)系比較復(fù)雜。

1 質(zhì)量傳遞

在膜蒸餾過(guò)程中，當(dāng)料液流過(guò)膜表面時(shí)，難揮發(fā)的物質(zhì)被截留，而易揮發(fā)的物質(zhì)（通常為水）以蒸氣的形式透過(guò)膜，導(dǎo)致難揮發(fā)物質(zhì)在膜表面處的濃度高于其在料液主體中濃度的濃度極化現(xiàn)象。Martlnez通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在料液流速和溫度相同的情況下，分別以4mol/L的NaCl水溶液以及40％的蔗糖溶液為料液時(shí)，其通量均與以純水為料液存在較大差異。作者認(rèn)為前者主要?dú)w因于隨著NaCl濃度的升高，水的活度降低，后者則主要?dú)w因于溫差與濃差極化。Peng Ping等在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水溶液中NaCl的濃度為20％時(shí)，水通量是純水通量的64％。Alklaibi的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鹽溶液的濃度從2％增加到5％，通量下降16％。

就理論上而言，濃度極化會(huì)削弱濃度邊界層內(nèi)的傳質(zhì)推動(dòng)力，從而使MD過(guò)程的跨膜通量減小，但若揮發(fā)性組分的蒸汽壓隨溶質(zhì)濃度的升高下降不明顯，濃度極化對(duì)跨膜通量的影響可以忽略。濃度極化對(duì)膜蒸餾過(guò)程影響的另一方面是當(dāng)膜表面處溶質(zhì)濃度高至一定程度將會(huì)導(dǎo)致膜被潤(rùn)濕。

膜蒸餾的跨膜傳質(zhì)過(guò)程包括揮發(fā)性組分（通常為水）在熱側(cè)濃度邊界層內(nèi)的傳遞及其在膜孔內(nèi)的傳遞過(guò)程。對(duì)于在膜孔內(nèi)進(jìn)行的跨膜傳質(zhì)過(guò)程，眾多研究者均采用如下簡(jiǎn)化形式來(lái)描述跨膜通量從即認(rèn)為它與水的跨膜蒸氣壓差成正比：

N=C（ptfm～Ptpm） （1）

式中，C為滲透系數(shù)或傳質(zhì)系數(shù)；tfm和tpm分別為進(jìn)料側(cè)及滲出側(cè)膜表面的溫度。文獻(xiàn)中出現(xiàn)MD跨膜傳質(zhì)機(jī)理通常包括：黏性流動(dòng)、Kundsen擴(kuò)散和分子擴(kuò)散或它們之間的組合， 即Molecular&Knudsen擴(kuò)散模型、Knudsen擴(kuò)散-黏性流動(dòng)模型及Knudsen&Molecular擴(kuò)散-黏性流動(dòng)模型。

Phattaranawik等提出了傳遞區(qū)域的概念，將DCMD傳質(zhì)過(guò)程中膜內(nèi)按照孔徑分布劃分成Knudson擴(kuò)散區(qū)和過(guò)渡區(qū)，并認(rèn)為過(guò)渡區(qū)對(duì)傳質(zhì)起到了主要作用。通過(guò)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，膜的孔徑分布和傳質(zhì)過(guò)程膜中空氣反方向分子擴(kuò)散通量對(duì)DCMD通量的影響并不顯著。Lawson等在通過(guò)模型預(yù)測(cè)VMD過(guò)程的通量時(shí)，將傳遞過(guò)程看作Knudson擴(kuò)散和黏性流動(dòng)兩種機(jī)理共同作用的結(jié)果。Ding等提出了三參數(shù)模型預(yù)測(cè)直接接觸式膜蒸餾系數(shù)和MD的通量，稱(chēng)為Knudsen擴(kuò)散-分子擴(kuò)散-Poiseuille流動(dòng)傳遞模型（KMPT），并考察了中空纖維膜組件中纖維絲隨機(jī)分布所造成的溝流效應(yīng)對(duì)膜蒸餾組件通量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)溝流效應(yīng)的存在使膜組件的通量大大降低。

研究者們通過(guò)上述傳質(zhì)機(jī)理建立跨膜傳質(zhì)模型，對(duì)傳質(zhì)模型中跨膜傳質(zhì)系數(shù)的確定可歸結(jié)為兩種方法：一是通過(guò)確定膜的空隙率、曲率因子、平均孔徑及膜厚等結(jié)構(gòu)參數(shù)，由經(jīng)驗(yàn)公式關(guān)聯(lián)；另一種方法是結(jié)合對(duì)膜兩側(cè)壁溫和水蒸氣分壓的計(jì)算，通過(guò)測(cè)定通量，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的非線性回歸得到。傳質(zhì)系數(shù)確定后，再反過(guò)來(lái)計(jì)算膜蒸餾通量，因此，模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果通常能夠較好的吻合。

2 熱量傳遞

由于熱邊界層的存在，料液側(cè)膜表面處的溫度低于料液主體的溫度，滲透液側(cè)膜表面的溫度高于滲透液主體的溫度，造成溫度極化現(xiàn)象。溫度極化是影響MD過(guò)程熱效率的重要因素，通常定義溫度極化系數(shù)Θ用以衡量MD過(guò)程對(duì)外加推動(dòng)力的利用程度。

Θ=（Tfm－Tpm）/（Tf－Tp） （2）

優(yōu)良的MD系統(tǒng)要求邊界層的傳熱情況達(dá)到最佳，即Θ應(yīng)接近于1（通常在0.4～0.6）。Schofield等將MD系統(tǒng)的Θ值提高至0.65；Lawson通過(guò)采用性能優(yōu)良的膜及優(yōu)化組件設(shè)計(jì)，將Θ值提高至0.8左右；Martinez等也通過(guò)使用特殊結(jié)構(gòu)的支承網(wǎng)令Θ值大大提高。

膜蒸餾過(guò)程中的熱量傳遞主要由汽化潛熱和跨膜熱傳導(dǎo)兩部分。丁忠偉等通過(guò)對(duì)膜兩側(cè)進(jìn)行熱量衡算，并假設(shè)傳熱為穩(wěn)態(tài)過(guò)程，得到了流體在膜兩側(cè)表面溫度的表達(dá)式。閻建民等針對(duì)氣隙式膜組件給出了熱邊界層內(nèi)傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。Rodriguez-Maroto等針對(duì)直接接觸式膜蒸餾組件給出了流道內(nèi)的速度和溫度分布曲線，將流道內(nèi)的溫度分布表示為由膜組件入口和出口處測(cè)得的溫度的函數(shù)，通過(guò)對(duì)計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的比較指出，當(dāng)工作流體溫度較高且做層流流動(dòng)的情況下，用分別測(cè)得的組件進(jìn)、出口處的溫度來(lái)表示膜兩側(cè)的主體溫度存在著較大的誤差。Phattaranawik等對(duì)直接接觸式膜蒸餾研究表明，強(qiáng)化傳質(zhì)對(duì)傳熱系數(shù)的影響可以忽略，料液的溫度對(duì)傳熱起較大的作用。 

膜蒸餾過(guò)程組件

膜蒸餾過(guò)程可能采用的組件形式有板（框）式、卷式、管式和中空纖維式。其中，由于平板膜易于清洗、檢查或更換，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的膜組件采用板式膜組件。管式或中空纖維膜組件通常作為組件的固定部分而不易更換，但在工業(yè)應(yīng)用中，由于中空纖維膜不需額外支撐部件，邊界層阻力比板式膜組件小，同時(shí)還具有更大的膜比表面積，生產(chǎn)能力更高，因此中空纖維膜組件比板式膜組件更具吸引力。

Schofield等針對(duì)幾種形式的組件研究了其溫度極化，結(jié)果表明，湍流流動(dòng)下的管式膜內(nèi)或?qū)恿髁鲃?dòng)下的中空纖維膜內(nèi)的溫度極化最弱；板框式組件中溫度極化較強(qiáng)，攪拌槽中溫度極化最強(qiáng)。David Wirth等對(duì)海水脫鹽的VMD中空纖維膜組件的管程進(jìn)料和殼程進(jìn)料進(jìn)行了研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于PVDF中空纖維膜而言，管程進(jìn)料和殼程進(jìn)料對(duì)傳熱系數(shù)、滲透率和水通量基本無(wú)影響。

Li Baoan等用矩形膜蒸餾組件，采用表面涂上不同多孔等離子聚合硅樹(shù)脂含氟聚合物涂層的疏水性多孔PP中空纖維膜，對(duì)真空膜蒸餾過(guò)程進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，同一膜組件，對(duì)于殼程進(jìn)料而言，料液相對(duì)于中空纖維膜錯(cuò)流流動(dòng)的水通量[65.0 kg/（m2•h）]遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平行流動(dòng)的水通量[15.6kg/（m2•h）]。

閻建民對(duì)中空纖維式膜組件中中空纖維膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化指出，為獲得最大的MD通量，膜的厚度、孔徑和長(zhǎng)度存在最佳值。隨著膜組件封裝分率的增加，通量下降，單位時(shí)間餾出量上升。

綜上所述，膜蒸餾的種類(lèi)及組件組裝結(jié)構(gòu)的不同，會(huì)對(duì)膜蒸餾效果，尤其是膜蒸餾通量的大小產(chǎn)生比較大的影響，但對(duì)膜通量大小起決定作用的是膜蒸餾用膜的性質(zhì)。

膜蒸餾的工藝指標(biāo)及影響因素

1　截留率

從理論上講,對(duì)不揮發(fā)性溶質(zhì)而言其截留率應(yīng) 為100%,但實(shí)際上往往達(dá)不到100%.其原因有兩 方面,一方面是膜的缺陷,如孔隙大小分布很寬,有 部分孔隙太大或膜有針孔、裂紋等;其二是運(yùn)行過(guò)程 中膜發(fā)生“濕化”現(xiàn)象,即疏水性局部喪失使溶液通 過(guò)了膜孔.

水通量

影響水通量的因素有:

1)溶液濃度:一般情況下,溶液濃度高,水平衡分壓小,水蒸氣通量小,因此隨著熱側(cè)溶液的不斷濃縮,水通量漸漸下降.

2)膜兩側(cè)之溫差:溫差大,則傳質(zhì)推動(dòng)力也大, 水的通量增加.

3)溶液的流動(dòng)狀態(tài):隨兩側(cè)流動(dòng)狀態(tài)的改善, 膜兩側(cè)之溫差會(huì)增加,蒸汽壓差也會(huì)相應(yīng)增加,水通量亦相應(yīng)提高.

4)膜的疏水性及結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響:包括孔徑、 孔隙率、膜厚和膜孔的彎曲因子。來(lái)源：谷騰水網(wǎng)