91膜蒸馏技术

膜蒸馏技术背景膜分离技术是近20a迅速发展起来的重要的化工单元，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领域。膜蒸馏（MD）技术首先由B.R.Bodell在1963年申请并获得专利，在20世纪80年代才开始迅速发展，随着对MD类膜分离过程研究的不断深入，一些与MD相关的膜过程相继出现并引起人们的重视，MD技术在许多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势。原理MD是膜技术与蒸发过程相结合的膜分离过程，以膜两侧蒸汽温度差为传质驱动力，它是热量和质量同时传递的过程，膜孔内的传质过程是分子扩散和努森扩散的综合结果。MD蒸馏原理（直接接触式）如图1所示。原理MD过程是一种热驱动过程，通过疏水性多孔膜将热料液（热侧）与透过侧（冷侧）分隔开，由于进料侧的蒸汽压高于透过侧的蒸汽压，在压差梯度作用下，蒸汽分子由热侧透过膜孔迁移至冷侧，再经冷凝，其他组分则被疏水膜阻挡在热侧，从而实现混合物提纯或分离的目的。膜蒸馏技术的传质与传热由此可见MD分离的传质过程主要由3个阶段组成：①水分在膜的热料液侧蒸发；②水蒸气穿过膜孔的迁移过程；③水蒸气在膜的另一侧冷凝。与之相关的传热过程则主要包括4个方面：①热量由料液主体通过边界层转移至膜表面；②蒸发形式的潜热传递；③热量由热侧膜表面通过膜主体和膜孔传递到透过侧膜表面；④由透过侧膜表面穿过边界层转移到气相主体。特点所用的膜为微孔膜；膜不能被所处理的液体润湿；在膜孔内没有毛细管冷凝现象发生，只有蒸汽能通过膜孔传质；所用膜不能改变所处理液体中所有组分的气液平衡；膜至少有一面与所处理的液体接触；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。膜蒸馏的分类MD可分为4种形式：直接接触膜蒸馏（DCMD）、气隙式膜蒸馏AGMD）、吹扫气膜蒸馏（SGMD）和真空膜蒸馏（VMD，又名减压膜蒸馏），如图2-5所示，不同MD装置的区别主要在于蒸汽穿过疏水膜后冷凝回收方式的不同。（1）直接接触式膜蒸馏（DCMD）这种装置相对简单，两侧的液体直接与多孔膜的表面接触，蒸汽的扩散路径仅仅局限于膜的厚度。它是出现最早也是研究最广泛的膜蒸馏过程，但其热损耗也最大。（2）气隙式膜蒸馏（AGMD）在冷凝面与膜表面之间有一停滞的空气隙存在，蒸汽穿过气隙后在冷凝面上冷凝。与DCMD相比，由于气隙的存在，减小了过程热损耗，但增加了传质的阻力。适合两侧温差较大的蒸馏过程。（3）气扫式膜蒸馏（SGMD）装置与AGMD相似，不同在于使用惰性气体将透过侧的蒸汽吹出组件，在外部进行冷凝。由于惰性气体的加入，可以减少部分热量损耗，同时还可加快传质。但所需冷凝器的体积较大。（4）真空膜蒸馏（VMD）与SGMD类似，用真空泵抽吸代替吹扫，使透过侧处于低压状态（不低于膜被润湿的压力），将透过侧的蒸汽抽出，并在膜组件外冷凝。这种方式可以大大减小热损失，且透过通量较大。当然，操作费用也相应增加。参数MD过程是传质与传热同时进行的过程，衡量这两种过程效果的相应参数分别是膜通量与热效率。而对二者影响较大的主要是过程的操作参数以及膜的特性参数。参数操作参数主要影响参数有进料温度、浓度、进料流量、真空度、气体流速等。进料温度和跨膜温差对膜的通量有重要影响，温度升高则蒸汽压变大，这就直接导致过程推动力的增加。提高进料温度和进料流量可以增加MD的通量，这是由于高流速下的混合更为理想，边界层变薄，膜表面的传质效果更好。但是通量随流速的增加有一个最优值，之后会趋于稳定或是略微下降，这可能与热量损失有关。高的进料浓度会降低蒸汽压力，并引起浓差极化，而且有可能导致膜的堵塞，因而浓度增加则通量减小。参数膜的特性参数主要包括膜的孔隙率、孔径大小及分布、曲折因子以及膜厚度等。膜的孔隙率影响蒸发面的大小，因此孔隙率越大，传质效果越好。膜的厚度增加一方面会增加传质阻力，另一方面却能够减少能量的损失。高的孔隙率、较小的弯曲因子和膜厚度值有助于通量的提高和极化现象的降低。提高膜的固有传质系数，可减弱温差极化现象。当膜的固有传质系数较高时，流动阻力集中在边界层上，此时，增加扰动会带来传质效果的提升，提高操作温度同样促进传质。当然，设置挡板增加扰动也会造成一定的能量损失，需要综合考察来权衡。膜材料MD过程使用的膜主要有聚四氟乙烯（PTFE）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚偏氟乙烯（PVDF）等。然而这些膜基本是作为超滤、微滤、反渗透等膜过程的商业用膜，并不能够完全胜任MD过程所需的疏水性、渗透率、抗污染能力等。对不同的材料进行改性、修饰或复合，开发和研制了许多性能优异的膜材料。如增加添加剂、改变膜的制作工艺、膜结构、纳米技术的应用、添加阻垢剂等。热源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。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。优点蒸馏过程几乎是在常压下进行，设备简单、操作方便，可以采用非金属设备；在非挥发性溶质水溶液的MD过程中，只有水蒸气能透过膜孔，蒸馏十分纯净，有望成为大规模、低成本制备超纯水的手段；可以处理极高浓度的水溶液，是目前唯一能从溶液中直接分离出结晶产物的膜过程；MD组件很容易设计成潜热回收形式，并具有以高效的小型膜组件构成大规模生产体系的灵活性；膜两侧只需维持适当的温差即可进行操作，有望利用太阳能、地热、温泉和工厂的余热等廉价能源。缺点MD是一个有相变的膜过程，汽化潜热降低了热能的利用率；MD与制备纯水的其他膜过程相比通量较小，目前尚未实现在工业生产中应用；MD用膜的材料和制备工艺选择方面有限；MD过程中的膜污染是其实现工业应用的主要障碍。应用制取纯水和浓缩溶液海水淡化从目前MD在海水淡化产业的应用情况看，尚未见MD在海水淡化产业中大规模应用的报导。但相关的中试产水规模取得了一定的进展。利用工业上使用的海水余热或用工业废热加热海水进行MD海水淡化，具有成本低、设备简单、操作容易、能耗低等优点，证明MD技术在诸多海水淡化工程中有一定的竞争力。苦咸水脱盐MD作为苦咸水脱盐技术之一，因其高效、节能、工艺简单等特点，在我国水资源持续发展战略中起着越来越重要的作用。废水处理MD技术用于废水处理，目前主要有从废水中除去挥发的有机化合物、浓缩离子、胶体或其他相对不挥发的水溶液。MD是环境友好的分离技术，在工业废水处理方面具有很好的应用前景。热电工业的冷却塔废水往往含有多种易结垢离子，采用DCMD装置并加入阻垢剂进行处理，浓缩倍数可达8倍，水的回收率也提高至87%。对于处理高浓度的含盐废水、高浓度的氨氮废水，MD技术具有突出的优势。目前含放射性废水的治理方法主要有吸附法、化学沉淀法、蒸发法、离子交换法等，膜分离技术因其运行经济和对环境不造成二次污染而显示出优越性。并且MD技术不涉及高压，对进料浓度无严格要求，可实现高的去除率这些特点，因此在核电工业废水处理中的应用潜力巨大。MD与常规蒸馏的区别膜蒸馏的蒸发区和冷凝区十分靠近，彼此间只隔有一层膜，同时蒸馏液又不会被料液污染，因此，比常规蒸馏效率更高、蒸馏液更纯净。液体直接与膜接触，最大限度地消除了不可凝气体的干扰。无需将液体加热到沸点，不遵循沸点下的气液平衡关系蒸馏过程的效率与料液的蒸发面积直接相关可能的瓶颈及解决方案高的能耗与低的热效率是MD过程亟待解决的问题，借助风能、地热能、太阳能等可再生能源，使用多级热回收装置，都是可借鉴的优化途径。加强这方面的研究，对于拓宽应用范围，降低运行成本意义重大。目前MD过程尚无特定的商业用膜，膜材料的性能提升，膜的抗润湿与抗污染，始终是研究的热点领域，最终的结果是研制出适用于MD过程的低价高效膜材料。大多数MD研究尚处于实验室规模，工业化还不成熟。除DCMD以外，其他MD类型也应受到更多的关注，它们在膜通量及热效率上有更突出的优势。膜组件的优化涉及传质传热、设备投资等方面，应与特定的MD过程及工艺条件相结合，尤其是将多个方面综合起来研究，从系统角度进行优化，力求获得整体性能的提升，加快MD技术的工业化步伐。谢谢欣赏！