更新時(shi)間：2012-08-13 09:48 來源：廣州廣工 作者: 閱讀：4399 網友評論0條

摘要：真空膜蒸(zheng)餾(liu)(liu)技術(shu)是一種新型的(de)膜分離技術(shu)，真空膜蒸(zheng)餾(liu)(liu)技術(shu)具有(you)截留(liu)率高、成本低、設備簡單、操作容易、能(neng)耗低等優點。本文綜述真空膜蒸(zheng)餾(liu)(liu)技術(shu)鹽水淡化中的(de)影響因素、機理以及存在(zai)的(de)問題(ti)，并指出真空膜蒸(zheng)餾(liu)(liu)技術(shu)在(zai)鹽水淡化中的(de)應用(yong)前(qian)景。

關鍵詞：真空膜蒸(zheng)餾， 鹽水淡(dan)化，應用

膜(mo)(mo)(mo)蒸(zheng)餾(liu)是膜(mo)(mo)(mo)技術與蒸(zheng)餾(liu)過程(cheng)相結(jie)合(he)(he)的(de)(de)(de)分(fen)離(li)過程(cheng)，膜(mo)(mo)(mo)的(de)(de)(de)一(yi)側(ce)(ce)與熱(re)的(de)(de)(de)待(dai)處理溶(rong)液(ye)(ye)直接(jie)(jie)接(jie)(jie)觸(稱(cheng)為熱(re)側(ce)(ce)) ，另(ling)一(yi)側(ce)(ce)直接(jie)(jie)或(huo)(huo)間接(jie)(jie)地(di)與冷的(de)(de)(de)水溶(rong)液(ye)(ye)接(jie)(jie)觸(稱(cheng)為冷側(ce)(ce)) ，熱(re)側(ce)(ce)溶(rong)液(ye)(ye)中易(yi)揮(hui)發的(de)(de)(de)組分(fen)在(zai)膜(mo)(mo)(mo)面(mian)處汽化通過膜(mo)(mo)(mo)進入冷側(ce)(ce)并被冷凝成(cheng)液(ye)(ye)相，其他組分(fen)則被疏(shu)水膜(mo)(mo)(mo)阻擋在(zai)熱(re)側(ce)(ce)，從(cong)而(er)實現(xian)混合(he)(he)物分(fen)離(li)或(huo)(huo)提純的(de)(de)(de)目(mu)的(de)(de)(de)［1］。膜(mo)(mo)(mo)蒸(zheng)餾(liu)技術的(de)(de)(de)優點包括: 能在(zai)常(chang)溫低(di)(di)壓下(xia)操(cao)作(zuo)、設備(bei)簡單(dan)、操(cao)作(zuo)方便、容(rong)易(yi)放大、并可(ke)利用低(di)(di)品位熱(re)源，如廢熱(re)、低(di)(di)壓預熱(re)等［2］。膜(mo)(mo)(mo)蒸(zheng)餾(liu)理論上對離(li)子(zi)、大分(fen)子(zi)、膠(jiao)體、細(xi)胞和其他非揮(hui)發性物質有100%的(de)(de)(de)截留(liu)率(lv); 對膜(mo)(mo)(mo)的(de)(de)(de)機械性能要(yao)求低(di)(di)，適(shi)于各種物質分(fen)離(li); 而(er)且還可(ke)以在(zai)較(jiao)高的(de)(de)(de)濃(nong)度條件下(xia)運行，并可(ke)獲(huo)得(de)純度很高的(de)(de)(de)透過液(ye)(ye)和濃(nong)縮至過飽和狀態的(de)(de)(de)濃(nong)縮液(ye)(ye)［3］。

1 膜蒸(zheng)餾分類

根據膜(mo)下游側(ce)冷凝(ning)方式(shi)的不同。膜(mo)蒸餾可分(fen)為4 種形(xing)式(shi):直接接觸(chu)式(shi)膜(mo)蒸餾(DCMD) 、氣(qi)隙式(shi)膜(mo)蒸餾(AGMD) 、吹掃氣(qi)膜(mo)蒸餾(SGMD) 和真(zhen)空膜(mo)蒸餾或減壓膜(mo)蒸餾(VMD) ［4］。

1．1 直接接觸式膜蒸餾(liu)

直接(jie)接(jie)觸式(shi)(shi)(shi)(shi)膜(mo)(mo)(mo)(mo)蒸(zheng)餾(liu)(DCMD) 進料液和餾(liu)出液與(yu)膜(mo)(mo)(mo)(mo)保持接(jie)觸并維持在不同溫(wen)度。兩液相間的(de)這種(zhong)溫(wen)度差產生了(le)跨膜(mo)(mo)(mo)(mo)蒸(zheng)汽壓差，從而(er)引起(qi)揮發(fa)性物質的(de)傳遞。可以在任何膜(mo)(mo)(mo)(mo)組件形(xing)式(shi)(shi)(shi)(shi)(平(ping)板式(shi)(shi)(shi)(shi)、螺旋卷式(shi)(shi)(shi)(shi)、管(guan)(guan)式(shi)(shi)(shi)(shi)、毛細管(guan)(guan)式(shi)(shi)(shi)(shi)、中空纖維式(shi)(shi)(shi)(shi)) 中進行操作，這是膜(mo)(mo)(mo)(mo)蒸(zheng)餾(liu)形(xing)式(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)突(tu)出優(you)勢。

1．2 氣隙式膜蒸(zheng)餾

在氣(qi)隙式膜(mo)(mo)蒸(zheng)餾(AGMD) 中，冷(leng)凝(ning)(ning)面(mian)和膜(mo)(mo)表面(mian)之間設(she)有(you)空氣(qi)縫(feng)隙以(yi)便增加傳(chuan)導(dao)傳(chuan)熱(re)阻力，從而降低(di)穿過膜(mo)(mo)的(de)傳(chuan)導(dao)傳(chuan)熱(re)損失。AGMD 一般比DCMD 更通用: 蒸(zheng)汽在靠近冷(leng)凝(ning)(ning)表面(mian)冷(leng)卻(que)而不是(shi)(shi)(shi)直接在透過液中冷(leng)卻(que)。AGMD 一大缺陷是(shi)(shi)(shi)空氣(qi)縫(feng)隙所產生(sheng)的(de)額外(wai)阻力會(hui)降低(di)傳(chuan)質(zhi)速率，因(yin)此其(qi)通量低(di)于(yu)其(qi)他膜(mo)(mo)蒸(zheng)餾形式的(de)膜(mo)(mo)通量。另一個缺陷是(shi)(shi)(shi)由(you)于(yu)冷(leng)卻(que)面(mian)得存(cun)在，膜(mo)(mo)組(zu)件的(de)設(she)計和制(zhi)作變得相當(dang)的(de)復雜，其(qi)應用實際(ji)上是(shi)(shi)(shi)局限(xian)于(yu)板框(kuang)式和卷式膜(mo)(mo)組(zu)件。

1．3 吹掃氣膜蒸餾

吹掃氣(qi)膜蒸餾(liu)(SGMD) 的(de)(de)(de)結構能獲得(de)較低(di)的(de)(de)(de)傳(chuan)質阻(zu)力和相對較小的(de)(de)(de)傳(chuan)熱損失。SGMD 包(bao)括四個連續階段: 熱側進料液易揮(hui)發物質的(de)(de)(de)蒸發; 蒸氣(qi)穿(chuan)過(guo)膜孔的(de)(de)(de)傳(chuan)質; 使用惰性低(di)溫吹掃氣(qi)體收(shou)集透(tou)過(guo)液; 膜組件出口透(tou)過(guo)液的(de)(de)(de)冷(leng)凝(外部冷(leng)凝器) 。這種技術方案的(de)(de)(de)效率通常較低(di)，因為僅有少量的(de)(de)(de)透(tou)過(guo)液能夠從大量的(de)(de)(de)吹掃氣(qi)體中冷(leng)凝出來(lai)。

1．4 真空式膜蒸餾(liu)

真空式膜(mo)(mo)(mo)蒸(zheng)餾(liu)(VMD) 中(zhong)，在膜(mo)(mo)(mo)冷側下游端(duan)采(cai)用(yong)低壓(ya)，在膜(mo)(mo)(mo)組件的外側進行透過液的濃縮。VMD 雖然起(qi)步晚于其他三種(zhong)膜(mo)(mo)(mo)蒸(zheng)餾(liu)技術，但VMD 在料液濃度較高(gao)時(shi)仍能保持(chi)較高(gao)滲(shen)透通量，且截留率(lv)基本達(da)到100%［5］。因此，VMD 過程可望應用(yong)于高(gao)濃度鹽水的處理(li)中(zhong)應用(yong)的更為(wei)廣泛。

2 真空(kong)膜(mo)蒸餾(liu)過(guo)程的(de)機理

VMD 過(guo)程(cheng)同(tong)時伴有質量(liang)傳遞(di)(di)和熱(re)(re)量(liang)傳遞(di)(di)，其(qi)具體(ti)過(guo)程(cheng)分三(san)步完成。(1) 水(shui)(shui)以及熱(re)(re)量(liang)從料(liao)液(ye)(ye)主體(ti)通(tong)過(guo)邊(bian)界層傳遞(di)(di)到(dao)膜(mo)表(biao)面;(2) 水(shui)(shui)在膜(mo)表(biao)面汽(qi)化(hua)并吸熱(re)(re); (3) 水(shui)(shui)蒸氣攜帶(dai)蒸汽(qi)潛熱(re)(re)，通(tong)過(guo)膜(mo)孔(kong)從料(liao)液(ye)(ye)側進入真空(kong)(kong)側，進而被真空(kong)(kong)象抽(chou)出(chu)膜(mo)組件(jian); 與此同(tong)時，有一部分熱(re)(re)量(liang)以熱(re)(re)傳導(dao)的形式從料(liao)液(ye)(ye)側傳遞(di)(di)到(dao)真空(kong)(kong)側。

2．1 質量傳遞

VMD 中透過膜(mo)通量NV為［6］:

NV = Km·△P

式中: Km——跨膜傳質系數

ΔP——跨膜壓差

在(zai)VMD 中，Km一般用Knudsen 擴散模型(xing)來描述。

式中: ε——膜孔隙率

τ——膜(mo)孔彎曲(qu)因子

δ——膜的(de)厚(hou)度，mm

Tm——膜(mo)內的平(ping)均溫度，K跨膜(mo)壓差ΔP 為:

對于鹽溶液可以簡化為［7］:

2．2 熱量傳遞

VMD 傳(chuan)熱(re)(re)與傳(chuan)質是同時(shi)進行且相互影響的兩個(ge)過(guo)(guo)程。蒸汽分子攜帶熱(re)(re)量透過(guo)(guo)膜(mo)是跨膜(mo)傳(chuan)熱(re)(re)的關鍵步驟。在真空膜(mo)蒸餾中，由(you)于(yu)透過(guo)(guo)側為(wei)真空，所以忽略熱(re)(re)傳(chuan)導的影響，則有:

過程總傳(chuan)熱量(liang)Q = 通過熱料液(ye)邊界層熱量(liang)Qf= 跨膜傳(chuan)熱總量(liang)Qm

Qf = hf(Tf-Tfm)

式中: Qf——料液(ye)主體(ti)向膜(mo)表面熱量傳遞速(su)率(lv)，W/m2

hf——料(liao)液(ye)的熱傳(chuan)導系數，W/m2·K

Tf——料液主(zhu)體的溫度，K

Tfm——料液側膜(mo)表面(mian)的溫度，K

3 真空(kong)膜(mo)蒸餾(liu)過程(cheng)的影響(xiang)因素(su)

3．1 溫度極化(hua)和濃度極化(hua)

真空(kong)膜(mo)(mo)蒸(zheng)(zheng)餾過(guo)(guo)(guo)程是一個(ge)(ge)熱(re)(re)(re)量(liang)傳(chuan)(chuan)遞(di)(di)和質(zhi)量(liang)傳(chuan)(chuan)遞(di)(di)的(de)(de)過(guo)(guo)(guo)程，影(ying)響膜(mo)(mo)蒸(zheng)(zheng)餾過(guo)(guo)(guo)程熱(re)(re)(re)量(liang)傳(chuan)(chuan)遞(di)(di)和質(zhi)量(liang)傳(chuan)(chuan)遞(di)(di)的(de)(de)兩個(ge)(ge)重要(yao)因素足溫(wen)(wen)差(cha)極(ji)化(hua)和濃(nong)(nong)差(cha)極(ji)化(hua)［8］。溫(wen)(wen)度(du)極(ji)化(hua)主(zhu)要(yao)是由溫(wen)(wen)度(du)邊界層引起，從而導致(zhi)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)壓下(xia)降，進而影(ying)響膜(mo)(mo)的(de)(de)滲透通量(liang)。溫(wen)(wen)度(du)極(ji)化(hua)系(xi)(xi)數(TPC) 反映了傳(chuan)(chuan)質(zhi)過(guo)(guo)(guo)程對(dui)總溫(wen)(wen)差(cha)推動力(li)的(de)(de)有效利用程度(du)，TPC = 0．4 ～ 0．7［9］。發生濃(nong)(nong)度(du)極(ji)化(hua)現象時，膜(mo)(mo)表面的(de)(de)濃(nong)(nong)度(du)要(yao)高于熱(re)(re)(re)側料液的(de)(de)主(zhu)體濃(nong)(nong)度(du)，也(ye)就(jiu)是說熱(re)(re)(re)側料液主(zhu)體濃(nong)(nong)度(du)越(yue)高，膜(mo)(mo)表面濃(nong)(nong)度(du)也(ye)就(jiu)越(yue)高，水蒸(zheng)(zheng)汽(qi)分壓也(ye)就(jiu)越(yue)低(di)，傳(chuan)(chuan)質(zhi)推動力(li)也(ye)就(jiu)越(yue)低(di)。濃(nong)(nong)度(du)極(ji)化(hua)系(xi)(xi)數(CPC) 越(yue)小，說明濃(nong)(nong)度(du)極(ji)化(hua)對(dui)膜(mo)(mo)蒸(zheng)(zheng)餾過(guo)(guo)(guo)程的(de)(de)影(ying)響程度(du)越(yue)小，CPC≥1，當CPC = 1 時，濃(nong)(nong)度(du)極(ji)化(hua)不對(dui)膜(mo)(mo)蒸(zheng)(zheng)餾產生影(ying)響。

3．2 操(cao)作條件的影響

溫度(du)(du)是影響(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)通(tong)量(liang)(liang)的(de)最主要因(yin)素，滲(shen)(shen)透(tou)(tou)通(tong)量(liang)(liang)會隨著進口溫度(du)(du)的(de)升高(gao)而(er)(er)增(zeng)(zeng)大(da)。但對真空膜(mo)蒸(zheng)餾(liu)過(guo)程并不(bu)是進口溫度(du)(du)越(yue)高(gao)越(yue)好，應從膜(mo)材料(liao)(liao)、能量(liang)(liang)利用、滲(shen)(shen)透(tou)(tou)通(tong)量(liang)(liang)等因(yin)素綜合考慮來控制料(liao)(liao)液(ye)(ye)(ye)溫度(du)(du)，料(liao)(liao)液(ye)(ye)(ye)溫度(du)(du)一般選擇在50～70℃為宜［10］。料(liao)(liao)液(ye)(ye)(ye)濃(nong)(nong)度(du)(du)對非揮(hui)發性(xing)溶(rong)質水溶(rong)液(ye)(ye)(ye)和揮(hui)發性(xing)水溶(rong)液(ye)(ye)(ye)有不(bu)同的(de)影響(xiang)，隨著料(liao)(liao)液(ye)(ye)(ye)濃(nong)(nong)度(du)(du)的(de)增(zeng)(zeng)加(jia)，非揮(hui)發性(xing)溶(rong)質水溶(rong)液(ye)(ye)(ye)的(de)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)通(tong)量(liang)(liang)降低而(er)(er)揮(hui)發性(xing)溶(rong)質的(de)水溶(rong)液(ye)(ye)(ye)的(de)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)通(tong)量(liang)(liang)增(zeng)(zeng)加(jia)，且濃(nong)(nong)鹽水溶(rong)液(ye)(ye)(ye)的(de)真空膜(mo)蒸(zheng)餾(liu)過(guo)程比稀溶(rong)液(ye)(ye)(ye)復雜，對滲(shen)(shen)透(tou)(tou)通(tong)量(liang)(liang)影響(xiang)更大(da)［11］。在層流(liu)狀態下(xia)，流(liu)速(su)的(de)增(zeng)(zeng)大(da)對滲(shen)(shen)透(tou)(tou)通(tong)量(liang)(liang)的(de)影響(xiang)效果隨著流(liu)速(su)的(de)增(zeng)(zeng)加(jia)而(er)(er)減弱(ruo)［12］。在稀的(de)鹽溶(rong)液(ye)(ye)(ye)中，滲(shen)(shen)透(tou)(tou)通(tong)量(liang)(liang)隨著冷側真空度(du)(du)的(de)增(zeng)(zeng)加(jia)而(er)(er)增(zeng)(zeng)大(da)，并呈現較好的(de)限行關(guan)系，而(er)(er)在較高(gao)濃(nong)(nong)度(du)(du)下(xia)，真空度(du)(du)和滲(shen)(shen)透(tou)(tou)通(tong)量(liang)(liang)之間偏(pian)離直(zhi)線關(guan)系。

4 真空膜蒸餾的發展(zhan)趨勢及存在問(wen)題

真空膜(mo)蒸(zheng)(zheng)餾(liu)過(guo)程(cheng)(cheng)由于操作溫度相對其它膜(mo)蒸(zheng)(zheng)餾(liu)過(guo)程(cheng)(cheng)可以(yi)(yi)更低，滲透通量(liang)大(da)，可以(yi)(yi)很(hen)方便地利用太陽(yang)能(neng)、地熱及廢(fei)熱等廉價熱源［13］，因(yin)此將(jiang)VMD 過(guo)程(cheng)(cheng)和這些廉價能(neng)源的(de)(de)結合將(jiang)會為真空膜(mo)蒸(zheng)(zheng)餾(liu)在濃鹽溶液的(de)(de)處(chu)理(li)上帶來更大(da)的(de)(de)優勢。但從目前真空膜(mo)蒸(zheng)(zheng)餾(liu)用于鹽水淡化產業(ye)的(de)(de)應用看，使膜(mo)蒸(zheng)(zheng)餾(liu)及其集成技術大(da)規(gui)模應用于鹽水淡化產業(ye)，仍有很(hen)多問題有待(dai)解(jie)決(jue)［14-16］。

(1) 研制分離性能好價格低廉耐腐蝕的(de)膜材(cai)料

目前可利(li)用(yong)膜材料(liao)成本(ben)很(hen)高，易被污染，因此要在我國實現膜蒸餾的工業化應用(yong)迫切需要研制出(chu)分(fen)離(li)性能好價格(ge)低廉(lian)耐腐蝕的膜材料(liao)。

(2) 完(wan)善膜蒸餾機理(li)模型

目前模(mo)擬VMD 過(guo)程(cheng)濃(nong)縮(suo)濃(nong)鹽溶液的(de)理論(lun)模(mo)型較少，但在其(qi)它操作方式的(de)膜蒸餾過(guo)程(cheng)濃(nong)縮(suo)濃(nong)鹽溶液已有報(bao)道，并得(de)到了較好的(de)論(lun)證(zheng)，因(yin)此通用(yong)的(de)VMD 模(mo)型建立尚需完(wan)善。

(3) 實現膜蒸餾的工業化

膜(mo)蒸(zheng)餾(liu)的熱(re)效率大小是決定膜(mo)蒸(zheng)餾(liu)是否有(you)競爭力的一(yi)個重(zhong)要因素，目前膜(mo)蒸(zheng)餾(liu)的熱(re)效率較低(30%左(zuo)右(you)) ，這是阻礙該技(ji)術大規模工(gong)業(ye)應用的關(guan)鍵問題之一(yi)。參考文獻

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