膜蒸馏技术
膜蒸馏的研究现状及进展
李小然，尚小琴
(广州大学化学化工学院，广东广州510006)
摘要：膜蒸馏是20世纪八十年代才引起人们重视的新型膜分离技术。是一种以蒸汽压差为推动力的新型分离技术。本文主要对膜蒸馏的机理、用膜、传热机理、影响因素、过程优化、进行了讨论，同时介绍了膜蒸馏在海水淡化、超纯水的制备、水溶液的浓缩与提纯、共沸混合物的分离、废水处理治理等中的应用，并在此基础上提出了膜蒸馏的发展方向。
关键词：膜蒸馏；分离技术；机理；应用；发展
Research status and progress of membrane distillation
LiXiaoRan,Shang XiaoQin
(School of Chemistry and Chemical Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006) Abstract：Membrane distillation is a new type of membrane separation technology in the eighty's of twentieth Century.Is a kind of new separation technology with the steam pressure difference as the driving force.In this paper, the mechanism of membrane distillation、membrane、heat transfer mechanism、influencing factors、process optimizationis discussed,At the same time, it introduces the membrane distillation in seawater desalination, preparation of ultra - pure water, water solution concentration and purification, total of azeotropic mixture separation, waste water treatment, etc. in the application, and based on this, proposed the development direction of the membrane distillation.
Key words：membrane distillation;isolation technique;mechanism;application;development
1膜蒸馏技术的原理
膜蒸馏是膜技术与蒸馏过程相结合的分离过程。膜的一侧与热的待处理溶液直接接触(称为热侧)，另一侧直接或间接地与冷的水溶液接触(称为冷侧)，热侧溶液中易挥发的组分在膜面处汽化通过膜进入冷侧并被冷凝成液相，其他组分则被疏水膜阻挡在热侧，从而实现混合物分离或提纯的目的[1]。膜蒸馏过程必须具备以下特征以区别于其它膜过程[2]：①所用的膜为微孔膜；②膜不能被所处理的液体润湿；③在膜孔内没有毛细管冷凝现象发生；④只有蒸汽能通过膜孔传质；
⑤所用膜不能改变所处理液体中所有组分的气液平衡；⑥膜至少有一面与所处理的液体接触；⑦对于任何组分该膜过程的推动力是该组分在气相中的分压差。
2膜蒸馏的分类
根据扩散到膜冷凝侧蒸汽冷凝方式的不同，膜蒸馏分为多种类型，如直接接触膜蒸馏(DCMD)、气隙膜蒸馏（AGMD）、气扫式膜蒸馏（SGMD）、真空膜蒸馏(VMD)，如图1所示。DCMD结构简单，渗透量较大，颇受研究者重视，较适用于主原料是水的情况，如海水或苦咸水脱盐或水溶液的浓缩，也有人用其浓缩水果汁、血液及废水处理等[3-6]。AGMD具有热效率高及从水溶液中脱除挥发
性物质的优势[7]，其缺点是渗透通量低，结构复杂，且不适用于中空纤维膜，限制了商业推广。Amali等[8]通过对AGMD与DCMD的比较研究，认为AGMD更适用于地热苦咸水的脱盐。SGMD中，冷凝器必须做很大的功才能冷凝下游侧的蒸汽，故能耗太大，其研究且仅限于理论及数学模型[9-11]。真空膜蒸馏的膜两侧气体压力差比其他膜蒸馏的膜两侧气体压力差大，因而比其他形式的膜蒸馏具有更大的蒸馏通量。宜于脱除水溶液中的挥发性溶质。Corinne[12]用真空膜蒸馏进行了海水淡化，并且与反渗透过程进行了比较，指出选择合适的操作条件及进行合理的过程设计，真空膜蒸馏完全可以与反渗透过程相媲美。Fawzi Banat等[13]研究了VMD脱盐操作参数的灵敏性分析，认为温度对VMD水通量的影响最大，真空度次之。TzahiY等[14]将DCMD与VMD相结合，结果显示，当渗透侧的压力由传统DCMD略高于大气压(108 kPa)变至DCMD/VMD下略低于大气压(94kPa)时，同相同温度下的传统DCMD相比，通量提高15%。
3膜蒸馏用膜
用于膜蒸馏的膜材料至少应满足疏水性和多孔性两个要求，以保证水不会渗入到微孔内和具有较高的通量。通常认为孔隙率为60% ~ 80%，平均孔径为0.1
~0.5 μm的膜最适合于膜蒸馏[15]。目前膜蒸馏过程膜材料的研究开发主要集中于3种膜材料，即聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯(PP)。基于上述膜材料，膜蒸馏用膜的制备方法主要有：拉伸法、相转化法、表面改性法、共混改性法以及复合膜法。近年来，为了提高分离膜的综合性能，不同膜材料优势互补的复合膜材料的研究也越来越引起研究者的兴趣。Suk 等[16]把合成的疏水大
分子化合物与聚砜材料共混，采用相转化法制膜时，疏水性大分子会迁移至膜表面，得到表面疏水性MD复合膜。Khayeta等[17]用含表面改性大分子的亲水性聚砜醚聚膜由相转化法一步聚成应用于膜蒸馏的新型疏水/亲水多孔复合膜，对于1 mol/L的NaCl水溶液，所制得的复合膜水通量和PTFE商业膜持平甚至高于常用的商业膜，截留率达99.7%。Peng Ping 等[5]将3% PVA（聚乙烯醇）同20%PEG（聚乙二醇）混合，由乙醛作交联剂进行交联，并在聚合物中引入钠盐（如醋酸钠）提高微相分离，将PVA/PEG亲水性凝胶涂覆在疏水性的PVDF 底层上，制成复
合膜。所得复合膜的DCMD通量及耐用性较PVDF 膜均有提高。该方法对解决膜蒸馏所用疏水性膜易被润湿的问题提供了一定的参考。Li Baoan等[18]用在疏水性多孔PP中空纤维膜的外表面涂上了不同孔径的多孔等离子聚合硅树脂含氟聚合
物涂层的复合性中空纤维膜，进行了基于真空膜蒸馏脱盐过程用膜和设备的研究。由于多孔等离子聚合硅树脂含氟聚合物涂层能够大大降低表面张力，并在底层和盐水之间加了一层隔膜，因而能有效防止膜孔润湿、膜孔结垢和收缩等。研制价格低廉、孔隙率高、通量高、易于工业化生产及应用的MD新型膜材料，已成为MD研究者追求的目标。只有新型理想的膜材料研制成功，膜蒸馏才具有更广阔的应用空间。
4膜润湿与膜污染
膜蒸馏的实际运行中，膜的性能会随时间发生变化，浓差极化、温差极化、吸附、膜表面凝胶层的形成等原因会对料液侧的传递过程形成新的阻力，从而影响膜的通量，造成通量衰减。膜蒸馏过程中最严重的膜污染是膜润湿与膜污染。膜润湿与膜污染会增加传质的阻力，导致膜的通量和膜过程效率的降低，是制约MD技术广泛应用的两个重要因素。除了对膜材料的改良和研发来提高膜的抗润湿、抗污能力外，近年来学者们也对其他相关因素做了广泛的研究。闵鹏等[19]
研究了清洗剂与阻垢剂对膜接触角的影响，发现在长时间操作下，碱性溶液比酸
性溶液更容易影响膜的接触角，导致膜的润湿，而常用阻垢剂和清洗剂则影响较小。加入阻垢剂可在一定程度上防止膜的污染，充分发挥膜的性能。张琳等[20]在MD脱盐的研究中加入阻垢剂，产水率得到了明显的提升Gryta[21]使用聚磷酸盐阻垢剂提升了膜脱盐过程对CaCO3 的抗附着性能。不同体系的MD过程所适用的阻垢剂种类往往不同，要注意选择。当然，阻垢剂并不能完全阻止结垢的发生，膜通量的恢复还依赖于膜的清洗方式。除了传统的水洗，还可以采用气体反向冲洗的方式[22]。这种方法的成功也说明了膜孔的堵塞是膜污染的重要因素。Goh等[23]对比了MD和膜蒸馏生物膜反应器(MDBR)在废水回收中的表现，指出使用MDBR可以有效延迟膜的润湿过程(1.7~3.6 倍时间)，减缓膜的污染，进而更适用于高温以及低挥发性的工业废水处理。然而在MDBR中，膜的污染却很容易发生。随着操作时间的增加，大量的细菌会沉积在膜上，造成膜孔堵塞。值得注意的是，膜污染程度与细菌浓度和操作时间有关，而与细菌的种类联系很小[24]。除了操作工艺上的影响外，某些操作参数对膜污染的影响也逐渐被学者所揭示。温度对于膜过程的重要性不言而喻，但之前的研究多是关于温度对传质传热的影响。事实上，温度也会改变膜的润湿表现。Saffarini 等[25]研究PTFF膜的润湿行为发现，温度的升高同样会导致膜的微观结构演变，直接影响接触角和透过压。这种微观结构的改变不能被热重分析(TGA)所识别，通过借助差示扫描量热仪(DSC)和高分辨率的电镜，内应力的松弛、膜纤维、间隙的变化以及节点的扭曲这些微观现象才得以被揭示。同时，他们提出了一个与温度相关的几何校正因子，对Laplace方程进行了修正。温度对膜污染的影响在Krivorot 等[26]的研究中也得到了证实。不过，这里只讨论温度对膜污染的单纯影响，最终参数的确定还要重点考虑其对传质及通量的影响。进料侧的流体力学性能同样会影响膜污染过程。Ding 等[27]将鼓泡方法应用于MD过程，对进料侧进行鼓泡，形成两相流。这种方式可以有效减少污垢堆积，限制膜污染的形成，提高过程的效率。结合前面几节的论述可见，解决膜润湿与膜污染问题，一方面应着眼于膜本身的性能改良，另一方面也要对过程工艺条件和操作参数进行认真选择。
5 膜蒸馏的传热机理研究
膜蒸馏过程中的热量传递主要是汽化潜热和跨膜热传导两部分。2003 年，泰国国王Mongkut科技大学Phattaranawik等[28]建立传热模型时将传热过程看作
非等焓且膜内温度分布呈非线性的，通过模拟证明了假设蒸汽流等焓和膜内的温度呈线性分布的合理性。实验结果表明，在层流状态下传质对传热和边界层内传热系数的影响可以忽略，通过比较蒸汽流传热和膜导热分别在总热量中所占的比重，得出当料液温度低于50°C时膜导热比重高于蒸汽流传热比重，所以，为了减少膜导热引起的温差损失，需要较高的料温和导热性差的膜材料。2005年，西班牙马拉加大学Rodriguez-Maroto等[29]针对直接接触式膜蒸馏组件给出了流道内的速度和温度分布曲线，将流道内的温度分布表示为由膜组件入口和出口处测得的温度的函数。通过对计算值和实验值的比较指出，当工作流体温度较高且做层流流动的情况下，用分别测得的组件进、出口处的温度来表示膜两侧的主体温度存在着较大的误差。
6膜蒸馏过程影响因素
就膜蒸馏的工艺过程而言，截留率、通量和热利用率是膜蒸馏的主要性能参数。随着膜蒸馏工艺和用途的进一步开发，对其影响因素有了进一步的研究。
6.1 截留率
因为膜的疏水性，膜蒸馏的截留率一般都接近100%，但截留率与进料中溶质的浓度、膜两侧的温差和上游侧进料流速等有关。挥发性溶质水溶液的分离性能参数由分离因子α表示。1993年中国科学院长春应用化学研究所孔瑛等[30]在研究甲酸—水共沸混合物的气隙膜蒸馏时，发现当进料液中甲酸的摩尔分数不超过0.7时，其水/甲酸分离因子α基本与甲酸摩尔分数无关，但当进料液中甲酸的摩尔分数超过0.7时，α随甲酸摩尔分数的增加而显著增加；水/甲酸分离因子α随膜两侧温差的增加有较小的降低，随上游侧进料流速的增大而增大，但增大的幅度随上游侧流速的增大而减小。
6.2 通量
膜蒸馏虽有很高的截留率但通量相对较小，其主要影响因素如下：
(1) 温度温度是影响通量的最主要因素。提高热侧溶液的温度或提高膜两侧的温差，均能使通量显著增加，但不成线性关系。2002年江苏工业学院王车礼等[31]的浓盐水浓缩实验中发现随着进料液温度的提高，膜通量有增大的趋势，这是因为随着料液温度的提高，热侧饱和蒸气压也随着提高，增加了膜两侧的传质推动力。
(2) 水蒸汽压差通量随膜两侧水蒸汽压差的增加而增加，且呈线性关系。1997 年清华大学刘茂林等[32]在进行冷侧真空度对减压膜蒸馏的研究中发现，通量在真空度较低时较小，随着真空度的增加，通量增加，且冷侧的绝压比膜冷侧的饱和蒸汽压低时，渗透通量有剧增的趋势。
(3) 料液浓度浓度对非挥发性溶质水溶液和挥发性溶质水溶液有不同的影响，随浓度的增加，非挥发性溶质水溶液的通量降低而挥发性溶质水溶液的通量则增加，且浓溶液的膜蒸馏行为比稀溶液复杂，对水通量的影响也更大。2007年新疆大学匡琼芝等[33]用减压膜蒸馏淡化罗布泊地下苦咸水发现，浓度对膜渗透通量的影响呈倒S形，浓度较低和当浓度超过某一值时，浓度对膜渗透通量影响都不是很大。
(4) 料液流速增加进料流量和冷却水流量均可使通量增加。2000年西班牙坎塔布利亚大学Urtiaga等[34]利用减压膜蒸馏脱除水溶液中的CHCl3，对流速的影响进行了系统研究。结果表明，当流体处于层流区时，流速对CHCl3的脱除影响非常明显，而当流体处于絮流区时，流速对CHCl3的脱除影响已不太明显。
(5) 膜材料及结构参数膜材料及结构参数包括膜微孔直径、膜壁厚度、膜内径、孔隙率以及膜材料等。2003年浙江大学李建梅等[35]的研究表明，具有较大微孔直径和较高孔隙率的聚乙烯膜在相同操作条件下具有较高的透过通量，而进行真空膜蒸馏过程比直接接触膜蒸馏过程的透过通量要大。2006年天津大学朱春英等[36]建立了真空膜蒸馏过程的微观传热传质模型，并利用该模型对文献中的实验数据进行了模拟，进而对不同条件下膜的长度、厚度、内径以及曲折因子、传质系数进行了模拟计算讨论了不同膜参数对膜透过通量的影响，为真空膜蒸馏过程中膜材料的选取及合理利用提供了一定的理论依据。
6.3 热效率
膜蒸馏是有相变需要消耗热能的过程，其热效率大小是决定膜蒸馏是否具有竞争力的一个重要因素。膜孔径和孔隙率越大，水蒸汽在膜孔中的扩散系数就越大，膜的导热系数就越小。膜厚的改变会影响膜面温度，因而对蒸发效率有间接影响。总的来说，热效率和膜参数有很大关系，所以，可以从改善膜参数的角度来提高热效率。另外，一般情况下随温度的升高热效率提高[37]。
7 提高膜蒸馏通量及选择性的措施
7.1 减小浓差极化和温差极化
从膜蒸馏的传质机理分析，改变料液的流动状态，减小浓差极化和温差极化的措施都有利于提高膜蒸馏通量。2000年美国新泽西州技术学院Zhu等[38]采用超声波技术将气隙式膜蒸馏和直接接触式膜蒸馏的通量提高25%和100%。2001 年泰国国王Mongkut科技大学Phattar anawik等[39]在料液的流道中放置隔离物，使
通量提高31%~41%。2002年印度中央粮食技术研究所Narayan等[40]采用超声波
技术使不同体系的渗透蒸馏通量提高22%~205%。
7.2 料液中加盐提高选择性
对于回收挥发性溶质的膜蒸馏过程，可以在料液中加入盐类降低水的蒸汽压，从而提高挥发组份的透过通量。2001年中南大学唐建军等[41]在用减压膜蒸馏回
收HCl的实验中发现，料液中AlCl3的存在有利于HCl的分离，可提高蒸馏液的HCl浓度及其通量，而且随着AlCl3浓度的增大，趋势更为明显。
7.3 选择合适的操作条件
在中空纤维膜组件的真空膜蒸馏操作中，操作方式对通量有明显影响。2002年法国国立科学应用实验室Wirth 等[42]通过实验证明，外进/内抽式操作更有工
业生产的价值。2005年陆军航空兵学院单伟忠等[43]以自来水为料液，研究了超
声激励对膜通量的影响。研究结果表明：在相同的温差下，加超声比不加超声时的膜通量大。超声空化、声学流和膜面清洗是膜通量提高的主要机理。从受力角度来看，超声波在垂直于膜面的方向上传播，会产生高频交变声压，引起膜面振动，一方面能清洗膜面，防止了膜孔堵塞，另一方面振动还减弱了温度和浓度极化的影响。因此，超声激励会提高膜通量。
7.4 膜组件结构的优化设计
膜组件结构的优化设计是确保膜过程高效运行的重要条件。2001年英国谢菲尔德大学Foster 等[44]设计的膜组件结构考虑到潜热的利用，并可在加压的条件
下操作，据预测，膜组件在65°C、大气压下，通量可达到30 kg/(m2·h)，加压至2 MPa，100°C操作，通量可达到85 kg/(m2·h)。2003 年北京化工大学丁忠伟等[45]对中空纤维膜组件设计提出的数学模型指出，中空纤维膜内径的多分散性和在壳体中装填的不均匀性都会引起流动的不良分布，从而使通量降低，而且后者的影响更严重。组件中膜丝的装填形式直接决定了其几何性能，也会对MD带来影响。
Yang 等[46]研究了几种采用不同膜外形或组装形式的膜组件结构的性能表
现，相对于常规的规整组件来说，对膜的几何形状及其分布形式的改变可优化液体的流动，比如弯曲的膜丝或间隔编织的膜丝，进而带来热效率的提升。膜组件的优化研究是建立在对MD过程机理充分认知的基础上，因此，MD的机理还需进一步完善，要考虑过程放大时各因素的影响。而不同形式能源的利用也反映出工艺设计在过程优化中的重要性。
8膜蒸馏过程优化
提高过程的传热、传质效率是解决MD 过程应用问题的一个重要方向。近年来大多数研究侧重于热能的利用即热效率的提高。它们的进步得益于对过程机理的研究，其中不乏一些值得借鉴的成果。
将MD 过程与可再生能源（太阳能、地热能、风能等）相结合，是优化MD 过程的常见方式。随着太阳能集热器技术的成熟，太阳能与MD 技术的耦合研究也越来越普遍。而且这种集成过程最主要的成本是初始投资，包括设备、选址等，后续操作几乎不需要过多的投入。相比提高膜组件内部的效率，提高组件外部的效率对MD过程的整体表现贡献更大[47]。近年来出现的多效膜蒸馏（MEMD）技术，以其高的渗透通量(J w)、效能比(PR)以及良好的稳定性，在节能方面有着很强的竞争力和应用前景[47，48] 。而将太阳能等自然能源与MEMD 结合则是另一个研究热点。Zhao 等[49]使用太阳能真空多效膜蒸馏装置(V-MEMD)，通过合理选择操作参数、优化过程级数与每一级尺寸，实现了过程设备、操作成本的降低和热回收效率的提高。Sarbatly 等[50]将地热能用于错流VMD 过程，采用地热直接进料的方式，使得整个过程的能量消耗减少了95%，水的生产成本降低了59%。理想的MD过程应当最大程度地通过潜热的形式转移热量，而非借助于热传导。Guillén-Burrieza等[51]在AGMD 脱盐设备中采用多级膜蒸馏装置，通过汽化潜热的传递实现预加热，可以显著地减少热能消耗（高达55%），提高能量利用率。在他们的中试实验中，使用多级膜蒸馏的组件效能比提高为1.96。然而，这个值依然较低，且放大后过程的通量值较小试下降不少，这也反映了工业化所面临的困难。除了太阳能与地热，还可采用微波照射的方式。这样可使加热更为均匀，提高传质效果，对膜的性能不会造成影响，但是可能会加重膜的结垢。
9 膜蒸馏技术应用研究现状
9.1 海水和苦咸水淡化
膜蒸馏过程的开发最初完全是以海水淡化为目的的，它具有其他过程如反渗透和电渗析等所不具备的优点，其产水质量是其它膜过程不能比拟的。多数实验结果表明，其产品水的脱盐率均在99.7%以上。2002年波兰Szczecin大学Karakulski等[52]将不同的膜过程进行了对比，对果表明：超滤能脱除悬浮物和胶体，纳滤可完全除掉水中的有机碳，硬度可降低60%~87%，反渗透可将总固溶物（TDS）截留99.7%，而质量最好的水是由膜蒸馏制备的，产水的电导可达到0.8μS/cm，TDS质量分数可达到0.6×10-6 。但目前尚无性能良好的专门膜蒸馏用膜膜馏在大规模海水脱盐上仍难以与反渗透技术相媲美。
9.2 超纯水的制备
在膜不发生润湿的情况下，原则上只有水蒸汽通过膜孔，因此可能得到电导率很低的产水。同时，由于整套设备可以使用塑料制造，克服了腐蚀问题，更可保证产品的纯度。1994 年上海第二教育学院毛尚良等[53]的研究结果指出，膜蒸馏过程产品水的水质可以达到微电子工业高纯水三级标准和医用注射用水标准，显示了该技术的良好应用前景。
9.3 水溶液的浓缩与提纯
膜蒸馏可以处理浓度极高的水溶液，且当溶质是易结晶的物质时，采用膜蒸馏技术可直接从溶液中分离出结晶产物，这是其它膜分离技术所难以做到的。膜蒸馏还用于处理热敏性物质的水溶液。1998 年北京化工大学孙宏伟等[54]应用减压膜蒸溜方法对透明质酸热敏性水溶液进行浓缩分离，实验结果可使原料液的浓度提高1.8倍以上，透明质酸的截留率为85%。庸烈等[55]采用自制的不对称聚偏氟乙烯膜开展了从牛磺酸废液中回收牛磺酸的实验研究；杜军等[56]使用聚偏氟乙烯微孔膜，以减压膜蒸馏法浓缩含铬离子水溶液体系；另外，膜蒸馏对古龙水溶液、人参露、果汁等的浓缩也具有独特功效，也可用于分离含挥发性有机溶质的水溶液，如氯代烃或芳香族化合物，这些挥发性有机物常以低浓度存在于地表水或工业废水中。
9.4 共沸混合物的分离
由于膜蒸馏是在低于沸点的温度下进行，蒸馏液的组成并不遵循沸点下的气液平衡曲线关系，对某些恒沸混合物的分离具有实用意义。1993年中国科学院长
春应用化学研究所孔瑛等[30]研究甲酸/水共沸混合物的膜蒸馏分离，结果发现甲酸/水用膜蒸馏分离时不出现共沸现象，分离系数为1.93。
9.5 废水处理
近年来膜蒸馏用于废水处理的研究报道较多，可用于处理纺织废水、制药废水、含重金属的工业废水及含低量放射性元素的化学废水等。2000年江苏省微生物研究所沈志松等[57]采用减压膜蒸馏进行处理丙烯腈工业废水的实验室研究和中间试验，均取得了良好的结果。丙烯腈的去除率在98%以上，出水浓度低于
5mg/L，可以达到国家颁布的丙烯腈排放控制要求。2001年波兰核化学与技术学会Zakrzewska 等[58]经研究发现，膜蒸馏在处理低放射性废水方面具有突出优点，能够将放射性废水浓缩至很小的体积，并具有极高的截留率，很容易达到排放标准。2001年波兰Szczecin大学Gryta等[59]采用超滤/膜蒸馏集成处理含油的废水，经超滤得到的渗透液含油小于5 mg/L，再将超滤得到的渗透液经膜蒸馏进一步净化，油可以全部除去，另外可将水中99.5%的有机物和99.9%的溶质除去。
10膜蒸馏发展方向
从近几年来膜蒸馏的研究和发展情况看，关于膜蒸馏的过程研究还有待从以下方面取得突破：
（1）研制性能优良、价格低廉的优质膜。目前之所以膜蒸馏与其他分离技术相比竞争力不强，一个很主要的原因是制膜成本较高。迫切需要研制出具有良好分离性能、价格低廉、孔隙率高、耐高温、通量大、易于工业化生产及应用的膜。同时还要开发传热、传质性能优良的膜组件，以提高膜蒸馏过程的分离性能和热效率。目前可利用的PTFE 膜的成本很高且不易制成中空纤维膜；PVDF 膜疏水性不是很好；PP膜易产生静电且易被污染。因此要在我国实现膜蒸馏的工业化应用，迫切需要研制出分离性能好、价格低廉、耐腐蚀的膜蒸馏用膜，尤其是中空纤维膜。
（2）提高热能利用率. 膜蒸馏过程中不可避免地存在着固热传导造成的热量损失，如何减少这部分热量损失，开发热能回收装置，是值得研究的重要课题。
（3）完善膜蒸馏机理模型。目前，虽然研究者已针对各自的研究体系，提出了一系列描述膜蒸馏机理的模型，但这些模型的提出大多是针对具体的实验装备和过程，不少模型中存在大量的难以确定的参数，故膜蒸馏的机理模型尚需进
一步完善。模型的数学表达尽量简洁，普适性强；考虑料液温度升高时，膜蒸馏组件热损失增加而造成的影响；考虑对小型设备工程放大过程中诸因素对传热、传质的影响。
（4）加强真空膜蒸馏技术的研究。由于另外3种膜蒸馏过程存在着热平衡太快、易因膜的破裂而污染馏出物、下游侧边界层阻力较大等缺点，而真空膜蒸馏却不存在这些缺点，且具有蒸馏通量大的优点。
(5) 膜组件的优化设计。膜蒸馏的工业化应用的实施，必须提高膜通量，提高整个操作过程的热效率，降低能耗，因此对膜组件优化及工艺设计，也是实现膜蒸馏工业化所必须解决的课题。
（6）与其他过程的结合。将膜蒸馏过程与其它分离过程相结合，取长补短，设计出新的具有更好分离性能、操作更简便、能耗更小、更易产业化的膜分离过程。同时更要加强应用研究，拓展膜蒸馏的应用领域。
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膜蒸馏的现状及发展前景综述
膜蒸馏的现状及发展前景综述 刘凡10991306 环境科学 摘要 近年来，随着膜分离技术的快速发展，越来越多的膜运用到了实际生活和生产之中。膜蒸馏是在上个世纪八十年代初新发展起来的一种新型分离技术。是膜分离技术与传统蒸发过程相结合的新型膜分离过程它与常规蒸馏一样都以汽液平衡为基础,依靠蒸发潜热来实现相变。真空膜蒸馏是膜蒸馏四种操作方式中的一种具有膜通量大、分离系数高、设备简单、易于操作和实现等特点[1],能够被广泛应用于易挥发组分的脱除和海水、苦咸水淡化等方面。在国家提倡建设和谐社会的今天研发和利用膜蒸馏技术来实现海水淡化、节能减排和废水的综合利用具有重要的意义。其主要运用在冶金工业，有机废水，和海水淡化方面。本篇综述将就膜蒸馏的现状及前景进行整理和总结。 关键词：膜蒸馏废水处理海水淡化 Summarize of present situation and d evel opment prospects of membrane distillation Fanliu 10991306 Environmental science ABSTRACT In recent years, with the rapid development of membrane separation technology, more and more film applied to real life and production. Membrane distillation is a new type of separation technology that developed in the 1980s. It is the new type that combination of membrane separation technology and traditional evaporation procession. Like conventional distillation, membrane separation process is basis on the vapor liquid equilibrium, and depending on the implementation phase change latent heat of evaporation. Vacuum membrane distillation is one of the four kinds of membrane distillation operation mode with large flux, high separation factor, simple equipment, easy to operate and implement etc. that can be widely used in the removal of volatile components and seawater, brackish water desalination, etc. The state advocates the construction of a harmonious society today, develop and use the membrane distillation technology for desalination has the vital significance to achieve energy conservation, emission reduction and comprehensive utilization of wastewater. It’s mainly used in metallurgy industry, organic wastewater, and seawater desalination. This review will present situation and prospects of membrane distillation for sorting and summary. Key words: Membrane distillation Waste water treatment Seawater desalination 1膜蒸馏技术简介 膜蒸馏是在上个世纪八十年代初发展起来的一种新型分离技术，是膜分离技术与传统蒸发过程相结合的新型膜分离过程。它与常规蒸馏一样都以汽液平衡为基础，依靠蒸发潜热来实现相变。它以膜两侧的温差所引起的传递组分的蒸汽压力差为传质驱动力，以不被待处理的溶液润湿的疏水性微孔膜为传递介质。在传递过程中，膜的唯一作用是作为两相间的屏障，不直接参与分离作用。分离选择性完全由气——液平衡决定。膜蒸馏过程是热量和质量同时传递的过程。膜的一侧与热的待处理的溶液直接接触称为热侧，另一侧直接或间接地与冷的液体接触 称为冷侧。由于膜的疏水性，水溶液不会从膜孔中通过，但膜两侧由于挥发组分蒸气压差的存在，而使挥发蒸气通过膜孔从高蒸气压侧传递到低蒸气压侧，而其它组分则被
常用实验装置图
常用实验装置 1.气体吸收装置 气体吸收装置用于吸收反应过程中生成的有刺激性与 水溶性的气体(如HCl、SO2等)。在烧杯或吸滤瓶中装入一 些气体吸收液(如酸液或碱液)以吸收反应过程中产生的碱 性或酸性气体。防止气体吸收液倒吸的办法就是保持玻璃 漏斗或玻璃管悬在近离吸收液的液面上,使反应体系与大气相通,消除负压。 2、回流(滴加)装置 很多有机化学反应需 要在反应体系的溶剂或液 体反应物的沸点附近进行, 这时就要用回流装置。图 (a)就是普通加热回流装置, 图(b)就是防潮加热回流装 置,图(c)就是带有吸收反 应中生成气体的回流装置, 图(d)为回流时可以同时滴加液体的装置;图(e)为回流时可以同时滴加液体并测量反应温度的装置。 在回流装置中,一般多采用球形冷凝管。因为蒸气与冷凝管接触面积较大,冷凝效果较好,尤其适合于低沸点溶剂的回流操作。如果回流温度较高,也可采用直形冷凝管。当回流温度高于150℃时就要选用空气冷凝管。 回流加热前,应先放入沸石。根据瓶内液体的沸腾温度,可选用电热套、水浴、油浴或石棉网直接加热等方式,在条件允许下, 一般不采用隔石棉网直接用明火加 热的方式。回流的速率应控制 在液体蒸气浸润不超过两个球为 宜。 3.搅拌回流装置 当反应在均相溶液中进行时一 般可以不要搅拌,因为加热时溶液存 在一定程度的对流,从而保持液体各 部分均匀地受热。如果就是非均相间反应或反应物之一就是逐渐滴加时,为了尽可能使其迅速均匀地混合,以避免因局部过浓过热而导致其它副反应发生或有机物的分解;有时反应产物就是固体,如不搅拌将影响反应顺利进行;在这些情况下均需进行搅拌操作。在许多合成实验中若使用搅拌装置,不但可以较好地控制反应温度,同时也能缩短反应时间与提高产率。
膜蒸馏过程探讨_吕晓龙
第30卷第3期膜科学与技术V o l.30N o.3 2010年6月M EM BR AN E SCI EN CE A ND T ECH N OL OG Y Jun.2010 专家论坛 膜蒸馏过程探讨 吕晓龙 (天津市中空纤维膜材料与膜过程重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地, 天津工业大学生物化工研究所,天津300160) 摘要:讨论了膜蒸馏涉及的膜材料特性.提出水膜阻力概念,认为疏水膜材料结构的优化与 膜蒸馏工艺有关.提出鼓泡膜蒸馏方法,在热流体中鼓入空气气泡,由气液两相流效应来强化 热流体的扰动.提出透气膜蒸馏方法,通过气体的吹扫夹带作用,使膜孔内水蒸气的传质由低 效的扩散转为高效的对流机理.提出曝气膜蒸发方法,利用不同温度的空气吸湿原理进行膜曝 气.将膜蒸馏过程与化学除硬度、超滤耦合,可除去结垢性钙镁离子;将膜蒸馏过程与气浮絮凝 过程耦合,可除去有机污染物,实现高倍率浓缩.提出多效膜蒸馏方法,膜组件兼有蒸发与换热 功能,使膜蒸馏过程中的水蒸气冷凝与原水加热过程耦合,可以实现低成本的膜蒸馏过程. 关键词:膜蒸馏;疏水膜;超疏水性;水膜阻力;膜过程;工艺耦合 中图分类号:T Q028.8文献标识码:A文章编号:1007-8924(2010)03-0001-10 在高收率海水淡化、工业循环冷却水和反渗透浓水的零排放、高效节能化工浓缩等领域,都涉及高盐度水的深度浓缩问题,尤其是高盐度难处理工业废水的排放问题日益被关注,其零液体排放是未来深度水处理技术的发展方向.膜蒸馏(membrane distillation,MD)是传统蒸馏工艺与膜分离技术相结合的一种液体分离技术,膜蒸馏过程是热侧液体的水分子蒸发汽化,穿过疏水膜的微孔,水相中非挥发性的离子和分子等溶质则不能透过疏水膜,从而实现溶液分离、浓缩或提纯的目的.膜蒸馏是有相变的膜过程,同时发生热量和质量的传递,传质的推动力为疏水膜两侧透过组分的蒸汽分压压差. 膜蒸馏过程的特征[1]:使用疏水性微孔膜,分离膜至少有一个表面与所处理的液体接触,且不能被所处理的液体润湿,传质推动力是液体中可汽化组分在膜两侧气相中的分压差.相对于其它的分离过程,膜蒸馏的优点主要有:(1)对液体中的离子、大分子、胶体等非挥发性溶质能达到100%的截留; (2)操作温度比传统的蒸(精)馏低;(3)操作压力远低于反渗透过程;(4)与传统的蒸馏设备相比,无蒸发器腐蚀问题,设备体积小,造价低.由于疏水膜材料与膜蒸馏工艺技术的进步,膜蒸馏技术日益显示出其在水处理领域高度浓缩方面的应用潜力,成为了膜领域中最被研究关注的热点方向之一,近年来有多篇综述性文章发表[2-5],在疏水膜材料[6-11]、膜蒸馏工艺[12-21]方面开展了深入研究,并且在水中有用物的回收浓缩[22-27]方面开展了膜蒸馏技术的实际应用研究,本课题组近年来也开展了一些相关研究工作[28-34]. 由于膜蒸馏是一个有相变的膜分离过程,在膜蒸馏的工艺设计上,必须考虑系统的保温与热能回收,否则运行费用较高.目前膜蒸馏技术还未能大规模工业化应用,主要是因为在疏水膜材料的亲水化渗漏、膜组件结构设计与干燥方法、膜蒸馏工艺流程优化与系统集成、蒸汽相变热回收、加热与废热利用方式等一系列膜蒸馏环节上均有待于提高.结合本课题组在膜蒸馏方面已开展的研究工作,本文就膜蒸馏过程的一些问题进行探讨. 收稿日期:2010-01-06 基金项目:863课题工业循环冷却水膜集成净化过程研究(2008AA06Z303);天津市重点基金课题废水浓缩减排与淡化再利用技术研究(09JCZDJC26300) 作者简介:吕晓龙(1964-),男,山西省忻州市人,博士,博士生导师,从事中空纤维分离膜制备与膜分离过程研究, E-mail:luxiao lo ng@https://www.360docs.net/doc/272086632.html,
干膜技术性能应用全方位分析与介绍
干膜技术性能应用全方位分析与介绍 印制电路制造者都希望选用性能良好的干膜，以保证印制板质量，稳定生产，提高效益。近年来随着电子工业的迅速发展，印制板的精度密度不断提高，为满足印制板生产的需要，不断有推出新的干膜产品，性能和质量有了很大的改进和提高。 使用干膜时，首先应进行外观检查。质量好的干膜必须无气泡、颗粒、杂质；抗蚀膜厚度均匀；颜色均匀一致；无胶层流动。如果干膜存在上述要求中的缺陷，就会增加图像转移后的修版量，严重者根本无法使用。膜卷必须卷绕紧密、整齐，层间对准误差应小于1mm，这是为了防止在贴膜时因卷绕误差而弄脏热压辊，也不会因卷绕不紧而出现连续贴膜的故障。聚酯薄膜应尽可能薄，聚酯膜太厚会造成曝光时光线严重散射，而使图像失真，降低干膜分辨率。聚酯薄膜必须透明度高，否则会增加曝光时间。聚乙烯保护膜厚度应均匀，如厚度不均匀将造成光致抗蚀层胶层流动，严重影响干膜的质量。一般在产品包装单或产品说明书上都标出光致抗蚀层的厚度，可根据不同的用途选用不同厚度的干膜。如印制蚀刻工艺可选光致抗蚀层厚度为25m 的干膜，图形电镀工艺则需选光致抗蚀层厚度为38m 的干膜。如用于掩孔，光致抗蚀层厚度应达到50 m。 当在加热加压条件下将干膜贴在覆铜箔板表面上时，贴膜机热压辊的温度105土10℃，传送速度0.9～1.8米/分，线压力0.54公斤/cm，干膜应能贴牢。 感光性包括感光速度、曝光时间宽容度和深度曝光性等。感光速度是指光致抗蚀剂在紫外光照射下，光聚合单体产生聚合反应形成具有一定抗蚀能力的聚合物所需光能量的多少。在光源强度及灯距固定的情况下，感光速度表现为曝光时间的长短，曝光时间短即为感光速度快，从提高生产效率和保证印制板精度方面考虑，应选用感光速度快的干膜。 干膜曝光一段时间后，经显影，光致抗蚀层已全部或大部分聚合，一般来说所形成的图像可以使用，该时间称为最小曝光时间。将曝光时间继续加长，使光致抗蚀剂聚合得更彻底，且经显影后得到的图像尺寸仍与底版图像尺寸相符，该时间称为最大曝光时间。通常干膜的最佳曝光时间选择在最小曝光时间与最大曝光时间之间。最大曝光时间与最小曝光时间之比称为曝光时间宽容度。
膜蒸馏法浓缩反渗透浓水的试验研究
膜蒸馏法浓缩反渗透浓水的试验研究 孙项城1 ，王 军1，侯得印1，王宝强2，栾兆坤 1（1．中国科学院生态环境研究中心，北京100085；2．中国矿业大学化学与环境工程 学院，北京100083）摘 要： 采用直接接触式膜蒸馏法浓缩处理反渗透浓水，系统研究了未经预处理、酸化预处 理和阻垢预处理后的反渗透浓水在膜蒸馏浓缩过程中产水电导率、产水通量和膜污染的变化规律。 试验结果表明，在三种膜蒸馏试验中，膜蒸馏的脱盐率均稳定。未经预处理的反渗透浓水在膜蒸馏过程中产水通量下降迅速，膜表面CaCO 3污染是其主要原因。酸化预处理在一定程度上延缓了膜蒸馏浓缩过程产水通量的衰减，但随着浓缩过程的进行，仍然有沉积物在膜表面形成，导致通量下降。经阻垢预处理后膜蒸馏浓缩过程的膜通量比较稳定。这是因为阻垢预处理在一定程度上预防了难溶盐在膜表面的沉积，减缓了膜污染。对经阻垢预处理后的反渗透浓水保持浓缩倍数为3，在112h 的长周期运行中产水电导率稳定在5μS /cm 以下，且产水通量下降缓慢，至试验结束时产水 通量为13．9kg /（m 2 ·h ），较初始通量只下降了10．9%。 关键词：膜蒸馏；反渗透浓水；膜污染；阻垢；浓缩中图分类号：X703文献标识码：A 文章编号：1000－4602（2011）17－0022－05 基金项目：国家高技术研究发展计划（863）项目（2009AA063901）；国家自然科学基金资助项目（20907066） Study on Concentration of Reverse Osmosis Concentrate by Membrane Distillation SUN Xiang-cheng 1，WANG Jun 1，HOU De-yin 1，WANG Bao-qiang 2，LUAN Zhao-kun 1 （1．Research Center for Eco-Environmental Sciences ，Chinese Academy of Sciences ，Beijing 100085，China ；2．School of Chemical and Environmental Engineering ，China University of Mining and Technology ，Beijing 100083，China ） Abstract ： Direct contact membrane distillation （MD ）was applied in concentration of reverse os-mosis （RO ）concentrate．RO concentrates without pretreatment ，with acidification pretreatment and anti-scalant pretreatment were employed as the feed of MD concentration process to investigate the differences in permeate conductivity ，permeate flux and membrane fouling．The results show that in all the MD processes ，the salt rejection rate is stable．When reverse osmosis concentrate is used directly as feed ，the permeate flux is diminished rapidly ，and CaCO 3scaling is the major reason of permeate flux decline．A-cidification pretreatment prevents permeate flux decline to some extent．However ，with increasing of con-centration factor ，the flux declines seriously ，this is also caused by scaling in MD process．Antiscalant pretreatment can relieve permeate flux decline by reducing deposition of insoluble salts on membrane sur-face．A 112h continuous MD desalination experiment of RO concentrate with antiscalant pretreatment was carried out with concentration factor at constant 3，the permeate conductivity is less than 5μS /cm ， 第27卷第17期2011年9月 中国给水排水 CHINA WATER ＆WASTEWATER Vol．27No．17Sep．2011
水处理技术之7种膜技术简介
水处理技术之7种膜技术 膜分离技术被公认为是目前最有发展前途的高科技之一。膜分离技术是以选择性多孔薄膜为分离介质，使分子水平上不同粒径分子的混合物/溶液借助某种推动力(如:压力差、浓度差、电位差等)通过膜时实现选择性分离的技术，低分子溶质透过膜，大分子溶质被截留，以此来分离溶液中不同分子量的物质，从而达到分离、浓缩、纯化目的。 近些年来，扩散定理、膜的渗析现象、渗透压原理、膜电势等研究为膜技术的发展打下了坚实的理论基础，膜分离技术日趋成熟，而相关科学技术的突飞猛进也使得膜的实际应用已十分广泛从环境、化工、生物到食品各行业都采用了膜分离技术。 迄今为止，水处理的膜技术主要有以下几种: (1)反渗透(RO)膜技术。 反渗透(又称高滤)过程是渗透过程的逆过程，推动力为压力差，即通过在待分离液一侧加上比渗透压高的压力，使原液中的溶剂被压到半透膜的另一侧。反渗透技术的特点是无相变，能耗低、膜选择性高、装置结构紧凑，操作简便，易维修和不污染环境等。 (2)纳滤(NF)膜技术。 纳滤技术是超低压具有纳米级孔径的反渗透技术。纳滤膜技术对单价离子或相对分子质量低于200的有机物截留较差，而对二价或多价离子及相对分子质量介于200-1000的有机物有较高脱除率。纳滤膜具有荷电，对不同的荷电溶质有选择性截留作用，同时它又是多孔膜，在低压下透水性高。 (3)微滤(MF)膜技术。 微滤膜是以静压差为推动力，利用筛网状过滤介质膜的筛分作用进行分离。微滤膜是均匀的多孔薄膜，其技术特点是膜孔径均一、过滤精度高、滤速快、吸附量少且无介质脱落等。主要用于细菌、微粒的去除，广泛应用在食品和制药行业中饮料和制药产品的除菌和净化，半导体工业超纯水支配过程中颗粒的去除，生物技术领域发酵液中生物制品的浓缩与分离。 (4)超滤(UF)膜技术。 超滤是以压差为驱动力，利用超滤膜的高精度截留性能进行固液分离或使不同相对分子质量物质分级的膜分离技术。其技术特点是:能同时进行浓缩和分离大分子或胶体物质。与反渗透相比，其操作压力低，设备投资费用和运行费用低，无相变，能耗低且膜选择性高。在食品、医药、工业废水处理、超纯水制备及生物技术工业领域应用较广泛。 (5)电渗析(ED)膜技术。 电渗析是一个电化学分离过程，是在直流电场作用下以电位差为驱动力，通过荷电膜将溶液中带电离子与不带电组分分离的过程。该分离过程是在离子交换膜中完成的。主要应用于海水淡化，苦咸水脱盐，海水浓缩制盐，乳精、糖、酒、饮料等的脱盐净化，锅炉给水、冷却循环水软化，废水中高价值物质回收与水的回用，废酸、废碱液净化与回收等。 (6)双极膜(BPM)技术。 双极膜是由阴离子交换膜和阳离子交换膜叠压在一起形成的新型分离膜。阴阳膜的复合可以将不同电荷密度、厚度和性能的膜材料在不同的复合条件下制成不同性能和用途的双极膜。主要应用于酸碱生产、烟道气脱硫、食盐电解等。 (7)渗透蒸发(PV)膜技术。 渗透蒸发是一个压力驱动膜分离过程，它是利用液体中两种组分在膜中溶解度与扩散系数的差别，通过渗透与蒸发，达到分离目的的一个过程，其设备投资和运行费用较低。近年来，对渗透蒸发技术的研究虽然进展很快，但它单独使用的经济性并不好。 【广州奥凯环保科技水处理设备公司采编】
膜蒸馏技术
膜蒸馏的研究现状及进展 李小然，尚小琴 (广州大学化学化工学院，广东广州510006) 摘要：膜蒸馏是20世纪八十年代才引起人们重视的新型膜分离技术。是一种以蒸汽压差为推动力的新型分离技术。本文主要对膜蒸馏的机理、用膜、传热机理、影响因素、过程优化、进行了讨论，同时介绍了膜蒸馏在海水淡化、超纯水的制备、水溶液的浓缩与提纯、共沸混合物的分离、废水处理治理等中的应用，并在此基础上提出了膜蒸馏的发展方向。 关键词：膜蒸馏；分离技术；机理；应用；发展 Research status and progress of membrane distillation LiXiaoRan,Shang XiaoQin (School of Chemistry and Chemical Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006) Abstract：Membrane distillation is a new type of membrane separation technology in the eighty's of twentieth Century.Is a kind of new separation technology with the steam pressure difference as the driving force.In this paper, the mechanism of membrane distillation、membrane、heat transfer mechanism、influencing factors、process optimizationis discussed,At the same time, it introduces the membrane distillation in seawater desalination, preparation of ultra - pure water, water solution concentration and purification, total of azeotropic mixture separation, waste water treatment, etc. in the application, and based on this, proposed the development direction of the membrane distillation. Key words：membrane distillation;isolation technique;mechanism;application;development 1膜蒸馏技术的原理 膜蒸馏是膜技术与蒸馏过程相结合的分离过程。膜的一侧与热的待处理溶液直接接触(称为热侧)，另一侧直接或间接地与冷的水溶液接触(称为冷侧)，热侧溶液中易挥发的组分在膜面处汽化通过膜进入冷侧并被冷凝成液相，其他组分则被疏水膜阻挡在热侧，从而实现混合物分离或提纯的目的[1]。膜蒸馏过程必须具备以下特征以区别于其它膜过程[2]：①所用的膜为微孔膜；②膜不能被所处理的液体润湿；③在膜孔内没有毛细管冷凝现象发生；④只有蒸汽能通过膜孔传质； ⑤所用膜不能改变所处理液体中所有组分的气液平衡；⑥膜至少有一面与所处理的液体接触；⑦对于任何组分该膜过程的推动力是该组分在气相中的分压差。 2膜蒸馏的分类 根据扩散到膜冷凝侧蒸汽冷凝方式的不同，膜蒸馏分为多种类型，如直接接触膜蒸馏(DCMD)、气隙膜蒸馏（AGMD）、气扫式膜蒸馏（SGMD）、真空膜蒸馏(VMD)，如图1所示。DCMD结构简单，渗透量较大，颇受研究者重视，较适用于主原料是水的情况，如海水或苦咸水脱盐或水溶液的浓缩，也有人用其浓缩水果汁、血液及废水处理等[3-6]。AGMD具有热效率高及从水溶液中脱除挥发
面向应用的膜蒸馏过程再探讨_吕晓龙
第31卷 第3期膜 科 学 与 技 术V o l.31 N o.3 2011年6月M EM BRAN E SCI EN CE A ND T EC HN O LOG Y Jun.2011 面向应用的膜蒸馏过程再探讨 吕晓龙 (中空纤维膜材料与膜过程国家重点实验室培育基地, 天津工业大学生物化工研究所,天津300160) 摘 要:讨论了膜蒸馏涉及的膜材料特性和应用中面临的问题.膜蒸馏过程实质属于传热控 制过程,研究膜蒸馏过程的重点在于研究膜蒸馏过程中热量的传递与回收.吸收膜蒸馏传质过 程无相变热损失,疏水膜兼具有传质与导热双重作用.采用曝气膜蒸馏工艺对反渗透浓水进行 了连续高倍率浓缩,膜组件没有发生亲水化和膜污染问题,说明曝气膜蒸馏工艺在高盐度、易 结垢的废水深度浓缩方面具有较好的应用潜力.水膜阻力本质是气体穿过多孔膜表面的气/液 两相界面所需克服的界面张力,除了与膜材料本体特性、膜表面结构等因数有关外,还与气体 传输方向有关.与传统中空纤维膜相比,设计的异形中空纤维多孔膜,断裂强力有很大的提高. 将热泵技术与减压膜蒸馏过程耦合,热泵制热系数COP与蒸发器流速、冷凝器流速和膜蒸馏 通量之间存在显著相关性. 关键词:膜蒸馏;疏水膜结构;汽化热回收;疏水膜干燥 中图分类号:TQ028.8 文献标识码:A 文章编号:1007-8924(2011)03-0096-05 由于疏水膜材料与膜蒸馏工艺技术的进步,膜蒸馏技术日益显示出其在水处理领域高度浓缩方面的应用潜力.目前膜蒸馏技术还未能大规模工业化应用,主要是因为在疏水膜材料的亲水化渗漏、膜组件结构设计与干燥方法、膜蒸馏工艺流程优化与系统集成、蒸汽相变热回收、加热与废热利用方式等一系列膜蒸馏环节上均有待于提高.结合本课题组在膜蒸馏方面已开展的研究工作,本文在前文[1]的基础上,就膜蒸馏过程在应用中面临的一些问题进一步进行探讨. 1 关于膜蒸馏过程 1.1 吸收膜蒸馏 按照疏水膜透过侧蒸汽的不同收集方式,常见的有4种膜蒸馏工艺过程:直接接触膜蒸馏(DC-M D)、空气隙膜蒸馏(AGMD)、减压膜蒸馏(VMD)和气扫膜蒸馏(SGM D).该4种过程均存在气化潜热丧失问题,致使能耗高.近年来,又提出了渗透膜蒸馏(Osmotic distillation,简称OM D),主要用于果汁、红酒等物料的浓缩操作[2-5].在一定的温度下,当疏水性分离膜两侧温度相同时,在疏水性分离膜两侧形成了水分子液态—气态—液态的两相平衡,不会发生水分子在疏水性分离膜两侧的传递.但当疏水性分离膜另一侧为对水分子有高度吸收作用的某种吸收剂时,由于化学位差的作用,气态水分子则被吸收进入吸收剂中,完成水分子的传质过程.对于传热过程而言,水分子在膜的料液侧吸热汽化,扩散通过疏水性分离膜的膜孔后,在膜的吸收液侧液化,在膜的另一表面释放出相变热,通过分离膜的热能传导回输作用,保持热能平衡.传质驱动力为水分子在疏水性分离膜两侧不同液体表面的蒸汽分压差,传质速度与膜面温度和吸收液的吸收能力(水合能 收稿日期:2010-12-10 基金项目:“863”课题工业循环冷却水膜集成净化过程研究(2008A A06Z303);天津市重点基金课题废水浓缩减排与淡化再利用技术研究(09JCZD JC26300) 作者简介:吕晓龙(1964-),男,山西省忻州市人,博士,博士生导师,从事中空纤维分离膜制备与膜分离过程研究. 〈luxiaolong@https://www.360docs.net/doc/272086632.html,〉
膜蒸馏
膜蒸馏技术 在海水淡化中的应用
引言 据国家海洋局发布的《2014年全国海水利用报告》指出，2014年全国海水淡化共实现增加值14亿元，比上年增长12.2%；海水淡化国际合作取得新进展，亚太脱盐协会秘书处落户我国。全国已建成海水淡化工程总体规模不断增长，截至2014年底，全国已建成海水淡化工程112个，产水规模达到日产92.69万t，最大海水淡化工程规模为日产20万t。在已建成的海水淡化工程中，淡化海水用作工业用水的工程规模为每天58.73万t，占总工程规模的63.35%[1]。随着海水淡化技术在全国范围内的推广，我国水资源短缺问题将得到很好的解决。作为海水淡化的潜在技术之一，近年来膜蒸馏（Membrane distillation，MD）技术得到了学术研究者和工业界的广泛重视，在膜蒸馏工艺、膜蒸馏材料等方面取得了显著的进展[2]。 传统意义上的膜蒸馏过程，是利用疏水膜两侧可透过组分的蒸汽分压差，使热侧料液的水分子蒸发汽化，透过疏水膜孔以实现传质，液体则在界面张力的作用下不能透过疏水膜，从而实现料液的分离与浓缩目的。膜蒸馏过程存在有热相变的过程，膜蒸馏分离过程中会同时存在传热过程和传质过程，膜通量的主要控制因素则是热传导过程。根据冷侧挥发组分蒸汽冷凝方法或排除方法不同, 可分为: 直接接触膜蒸馏(DCMD) 、空气隙膜蒸馏(AGMD) 、吹扫气膜蒸馏( SGMD) 和真空膜蒸馏(VMD) 。最早用于膜蒸馏的膜材料有纸、胶合板、玻璃纤维、赛璐玢、尼龙和硅藻土等, 其中大部分用硅树脂、特氟龙或防水剂处理以得到所需要的疏水性。随着膜蒸馏分离技术的不断发展及新型膜制造技术的不断涌现, 用于膜蒸馏的膜材料也推陈出新, 上世纪80 年代早期制备的空隙率高达80%、厚度为50μm 的膜材料, 比起Findley 在20 世纪60 年代用的膜, 渗透率提高了100倍。从膜的理化性质和商业化来考虑, 现在膜材料用得较多的有聚四氟乙烯( PTFE) 、聚
膜蒸馏技术最新研究应用进展
2013年第33卷第2期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS ·289·化 工 进 展 膜蒸馏技术最新研究应用进展 申龙，高瑞昶 （天津大学化工学院制药工程系，天津 300072） 摘要：膜蒸馏是一种热驱动的新型分离技术，可使蒸汽分子在膜两侧的压力梯度作用下通过膜孔迁移至膜外侧并冷凝下来。本文简要介绍了膜蒸馏的热质传递原理以及直接接触式、气隙式、气扫式、真空式等几种主要膜蒸馏装置的特点。综述分析了膜蒸馏的相关研究进展，包括：膜蒸馏的操作及膜特性参数的影响机理研究；更多高性能的膜材料的研制；对膜污染在工艺与操作参数方面的改进；通过能源利用与组件优化强化膜蒸馏过程等。概述了膜蒸馏在海水脱盐制备纯水、食品工业中果汁浓缩及酒精发酵、化学可挥发性物质的分离以及有毒有害废水处理方面的最新应用。最后，进一步指出过程参数的综合影响、膜材料的商业化、膜组件设计以及过程热效率是目前阻碍膜蒸馏工业化应用的主要问题。展望了加强能源研究、专注于商业用膜的研发、较多关注于其他膜蒸馏过程以及系统角度的优化分析是膜蒸馏技术未来的发展方向。 关键词：膜蒸馏；膜；传热；优化；脱盐 中图分类号：TQ 028.8 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2014）02–0289–09 DOI ：10.3969/j.issn.1000-6613.2014.02.004 Research and application progress of membrane distillation SHEN Long ，GAO Ruichang （School of Chemical Engineering and Technology ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China ） Abstract ：Membrane distillation is a new thermally-driven separation process ，in which vapor molecules driven by partial pressure gradient across the membrane are able to transfer through the pores and condense outside the membrane. In this paper ，the heat and mass transport mechanisms and four mainly used membrane configurations ，i .e .，direct contact membrane distillation ，air gap membrane distillation ，sweeping gas membrane distillation and vacuum membrane distillation are described. New research progress is reviewed ，including influence of membrane operation and characteristic parameters ，preparation of membrane with high performance ，improvement in process and operation parameters aiming at membrane fouling ，enhancement of membrane distillation process by optimizing energy utilization and modules. In addition ，applications in desalination and water purification ，juice concentrate and alcohol fermentation ，separation of chemical volatile organic compounds as well as toxic waste water treatment are summarized. Finally ，the obstacles faced by membrane distillation ：combined influence of pertinent parameters ，commercialization of membrane materials ，membrane module design and thermal efficiency of the process are presented. To achieve its further application ，it is necessary to strengthen energy studies ，to develop more commercialized membrane materials ，to focus more on other membrane distillation configurations ，and to analyze and optimize the process systematically. Key words ：membrane distillation ；membranes ；heat transfer ；optimization ；desalination 联系人：高瑞昶，副教授，从事精馏及溶媒回收研究。E-mail gaoruichang @https://www.360docs.net/doc/272086632.html, 。 收稿日期：2013-07-25；修改稿日期：2013-08-26。 第一作者：申龙（1988－），男，硕士研究生，从事膜分离相关研究。
膜蒸馏分离技术研究进展
膜蒸馏分离技术研究进展 吴国斌3 戚俊清 吴山东 (郑州轻工业学院材料与化工学院) 摘 要 综述了膜蒸馏技术的基本原理与膜蒸馏形式、研究历史与现状、传质机理与模型以及最新应用情况,并对其存在的问题和应用前景作了分析。 关键词 膜蒸馏 分离 研究进展 理想膜 应用前景 1 引言 膜分离是近20年迅速发展的重要的化工操作单元,其应用已从早期的脱盐发展到化工、食品、医药、电子等工业的废水处理、产品分离和生产高纯水等。膜蒸馏(M D)提出于1967年,20世纪80年代开始发展,至今已在不少领域取得可喜的研究成果,尤其在水溶液的分离中更具有优越性,特别是近些年来适合膜蒸馏用的疏水膜的研制成功,使膜蒸馏过程的开发和应用得到了进一步的发展。 111 膜蒸馏基本原理及形式 膜蒸馏是膜技术与蒸发过程相结合的膜分离过程,其所用的膜为不被待处理的溶液润湿的疏水微孔膜。膜的一侧与热的待处理的溶液直接接触(称为热侧),另一侧直接或间接地与冷的水溶液接触(称为冷侧)。热侧溶液中易挥发的组分在膜面处汽化,通过膜进入冷侧并被冷凝成液相,其他组分则被疏水膜阻挡在热侧,从而实现混合物分离或提纯的目的。膜蒸馏是热量和质量同时传递的过程,传质的推动力为膜两侧透过组分的蒸汽压差。因此,实现膜蒸馏必须有两个条件:(1)膜蒸馏必须是疏水微孔膜;(2)膜两侧要有一定的温度差存在,以提供传质所需的推动力。 根据膜下游侧冷凝方式的不同,膜蒸馏可分为四种形式[1]:直接接触膜蒸馏(DC M D)、气隙式膜蒸馏(A G M D)、吹扫气膜蒸馏(SG M D)和真空膜蒸馏(VM D)。 112 膜蒸馏技术的研究历史及现状 早在20世纪60年代就开始了较系统的膜蒸馏研究。美国的Bodell[2]于1963年申请了膜蒸馏技术专利,专利中他将膜蒸馏描述为“一种将不可饮用含水流体转化为可饮用水的装置和技术”;同时,他还指出可用抽真空的方式将渗透蒸汽从装置中移走来提高效率,但受到当时技术条件的限制,他并没有给出所用膜的结构和孔径的大小,只说该膜仅能被蒸汽透过而不能被水透过,并未给出结果和定量分析。 1964年,美国的W eyl[3]发现采用空气填充的多孔疏水膜可在蒸汽压系统内从含盐水中回收去离子水,这种可提高脱盐效率的发现于1967年被授予美国专利。W eyl建议,将热的溶液与冷的渗透物与膜直接接触以消除气隙,采用厚312mm、孔径9Λm、孔隙率42%的PT FE膜,W eyl当时获得了1kg (m2?h)的通量,但距当时的反渗透5175kg (m2?h)的通量有较大的差距,因此60年代后期人们对膜蒸馏的兴趣逐渐减弱。 1971年F indley[4]第一个将膜蒸馏的研究成果公开发表,尽管F indley的实验装置和步骤相当粗糙,但还是定性地确定了膜空隙中空气的存在、膜的厚度、导热热损失和孔隙率对膜蒸馏的影响,并且预言若能找到低价位、耐高温、长寿命的理想膜,不但可以用来处理海水,而且这种膜蒸馏也一定是一种非常经济的蒸发方法。此外,科学家们在过程及组件设计方法上也一直在做着研究并且努力使其商业化[5],但由于膜材料、水通量等方面的原因还不能保证它占据诸多应用领域,因而一直难以商业化。由于其商业化的最大阻碍 3吴国斌,男,1981年3月生,硕士研究生。郑州市,450002。
膜蒸馏-李伟
膜蒸馏实验 班级：应化产11301 序号：07 姓名：李伟 一 实验目的 ⅰ.认识和理解膜蒸馏的工作原理。 ⅱ.测定直接接触式膜蒸馏（DCMD ，direct contact membrane distillation ）的跨膜通量和膜蒸馏系数，并认识其随温度的变化规律。 ⅲ.测定真空膜蒸馏（VMD ，vacuum membrane distillation ）的跨膜通量和传热系数，并认识其随流量的变化规律。 ⅳ.学会物性数据的查阅、计算方法，了解制冷系统工作原理。 二 实验原理 本装置采用疏水膜，在平面膜组件中进行DCMD 和VMD 实验。在DCMD 实验中，于不同温度下测定跨膜通量，并根据测量结果计算膜蒸馏系数；在VMD 实验中，于不同流量下测定跨膜通量，并根据测量结果计算膜组件的传热系数。本实验引入了计算机在线采集技术和数据处理技术，加快了数据记录与处理速度。 （1）直接接触式膜蒸馏的实验原理 膜蒸馏技术是膜技术与常规蒸馏技术结合的产物，它是利用挥发性组分在膜两侧的蒸差实现该组分的跨膜传质。 直接接触式膜蒸馏原理如图6-1所示。温度不同的两股水流分别与膜两侧直接接触，形成膜表面的热侧与冷侧。热侧表面的水蒸气分压高于其在冷侧表面之值，在此压差的作用下，水蒸气分子发生跨膜传质现象，到达冷侧表面，并在此冷凝。这样，可通过测定一定时间热侧料液质量的变化量得到DCMD 的跨膜传质速率N （跨膜通量）。 膜通量是指膜蒸馏过程中单位时间内通过单位膜面积蒸发掉的水的质量。膜蒸馏实验过程中，由于水透过膜的蒸发作用，热水槽中的贮水量随时间减少（实验装置中是将热水槽位于电子天平上的），即电子天平的示数减少。实验中，当 料液（热流体） 渗透液（冷流体）
膜蒸馏过程中的膜污染研究
文章编号：!""#$%&’(（’""!）")$""’!$") 膜蒸馏过程中的膜污染研究 阎建民! 延滨’马润宇’! （!*中科院化学研究所，北京!"""%"；’*北京化工大学化工学院，北京!"""’&）摘 要：考察了膜蒸馏用于脱盐时膜的污染情况，分析了不同无机盐对疏水膜的具体影响+未 处理的苦咸水含有难溶无机盐，膜蒸馏过程中膜表面会出现沉积物+沉积物会破坏膜的疏水性影响渗透液的质量，同时影响膜蒸馏传递过程，降低渗透通量+在无机盐浓度较低时，通过料液预处理剔除不溶物可以有效防止沉积物的出现+关键词：膜蒸馏；膜污染；脱盐中图分类号：,-"’%*% 文献标识码：. 膜的污染问题普遍存在于各类膜过程，是制约 膜技术工业应用的主要原因之一［!］+ 对于不同的膜过程，膜污染的表现和影响程度不尽相同+ 膜蒸馏实际运行中，膜的性能会随时间发生变化，一种典型的行为就是渗透通量随时间的变 化［’］+ 造成通量衰减的原因有很多，如浓差极化、吸附、膜表面凝胶层的形成等，所有这些原因对料液侧的传递过程形成新的阻力+同时膜蒸馏只能在膜孔道不被润湿的情况下才能进行，可以说，膜孔润湿（/0123$4566786 ）是膜蒸馏过程中最严重的膜污染+材料疏水性取决于膜表面单位面积的自由能+但平均的表面能并不能满意地描述一个真实的表面，若在分子尺度上一部分一部分地检验固体的表 面，局部的表面能可以变化很大［)］+ 即不能排除疏水膜的表面有疏水性差，甚至亲水的局部点，这些点有可能成为膜疏水性遭到破坏的内因+料液组份的沉积会降低膜的疏水性，并逐渐使料液充入膜孔+ 有表面活性的有机物会影响膜的疏水性能，这 已是不争的事实+9308:28［(］对有关情况做了深入的研究，;<3178［=］提出了料液预处理工艺，以剔除表面活性物质+而盐类沉积物对膜疏水性的影响不明显，不易造成膜的润湿，因此膜蒸馏常用于脱盐［>］及制备热敏性晶体产品［#］+ 但由于浓差极化及料液的加热，膜表面的盐浓度会长时间处于过饱和状态，考察 无机类污染物对膜性能的影响是很有必要的+ 苦咸水含有难溶无机盐，膜蒸馏过程中膜表面会出现沉积物+沉积物会破坏膜的疏水性，基于以上考虑，本文考察了膜蒸馏用于脱盐时膜的污染情况，分析了不同无机盐对疏水膜的具体影响+ !实验部分 通过实验研究了不（微）溶无机物对疏水膜的影响+需考察的操作参数有无机物类型、饱和度、有无固体悬浮物+通过测试渗透液的电导率确定膜疏水性被破坏的情况+由于不溶物容易堵塞中空纤维膜的管内流道，实验采用了平面膜组件+为便于监测渗透液质量，采用气隙式膜组件+ 膜蒸馏实验流程如图!所示+ 图!膜蒸馏实验装置流程图 !*制冷机；’*冷却液储槽；)*流量计；(*压力表； =*温度计；>*泵；#*调节阀；%*恒温加热水浴；&*放空阀 收稿日期：’"""$"%$!(；修改稿收到日期：’"""$!"$’" 基金项目：中澳机构合作项目（.>!） ，男，博士+!通讯联系人+第’!卷第)期膜科学与技术 E 5!+’! F 5+) ’""!年>月 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""G H G I J .F HK ;A H F ;H.F L,H ;M F N B N O P Q <8+’""! 万方数据