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SummarizeofpresentsituationanddevelopmentprospectsofmembranedistillationFanliu10991306EnvironmentalscienceABSTRACTInrecentyears,withtherapiddevelopmentofmembraneseparationtechnology,moreandmorefilmappliedtoreallifeandproduction.Membranedistillationisanewtypeofseparationtechnologythatdevelopedinthe1980s.Itisthenewtypethatcombinationofmembraneseparationtechnologyandtraditionalevaporationprocession.Likeconventionaldistillation,membraneseparationprocessisbasisonthevaporliquidequilibrium,anddependingontheimplementationphasechangelatentheatofevaporation.Vacuummembranedistillationisoneofthefourkindsofmembranedistillationoperationmodewithlargeflux,highseparationfactor,simpleequipment,easytooperateandimplementetc.thatcanbewidelyusedintheremovalofvolatilecomponentsandseawater,brackishwaterdesalination,etc.Thestateadvocatestheconstructionofaharmonioussocietytoday,developandusethemembranedistillationtechnologyfordesalinationhasthevitalsignificancetoachieveenergyconservation,emissionreductionandcomprehensiveutilizationofwastewater.It’smainlyusedinmetallurgyindustry,organicwastewater,andseawaterdesalination.Thisreviewwillpresentsituationandprospectsofmembranedistillationforsortingandsummary.Keywords:MembranedistillationWastewatertreatmentSeawaterdesalination1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，而其它组分则被疏水膜阻挡在热侧。从而使膜有透过通量，实现了混合物的分离或提纯。这与常规蒸馏中的蒸发、传质、冷凝过程十分相似。所以称其为膜蒸馏。过程如图：根据挥发性组分在膜冷侧冷凝方式的不同膜蒸馏可分为四种不同结构和操作方式，即：直接接触式膜蒸馏、气隙式膜蒸馏、吹扫式膜蒸馏和真空膜蒸馏。1986年意大利、荷兰、日本、德国和澳大利亚的膜蒸馏专家在罗马召开了膜蒸馏研讨会，会上与会专家统一规范了膜蒸馏过程涉及的各种术语，定义膜蒸馏过程应具有以下几种含义：使用的膜是疏水性多孔膜；膜不应被所处理的液体所浸润；溶液中的挥发性组分以蒸汽的形式通过膜孔；膜孔中不发生毛细冷凝现象；组分通过膜的推动力是该组分在膜两侧的蒸汽压差；膜本身不改变处理液各组份的汽——液平衡；膜至少有一侧与所处理液体直接接触；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[2,3,4]。膜蒸馏本身的特点决定了该技术与其它分离技术相比有着无法比拟的优点：（1）膜蒸馏过程较其他膜分离过程（反渗透）的操作压力低，几乎是在常压下进行，设备简单、操作方便，在技术力量较薄弱的地区也有实现的可能性。（2）在非挥发性溶质水溶液的膜蒸馏过程中，因为只有水蒸汽能透过膜孔，理论上可以截留离子、大分子、胶体、细胞和其它非挥发性物质。所以蒸馏液十分纯净，可望成为大规模、低成本制备超纯水的有效手段。（3）该过程可以处理极高浓度的水溶液。如果溶质是容易结晶的物质，可以把溶液浓缩到过饱和状态而出现膜蒸馏结晶现象，是目前唯一能从溶液中直接分离出结晶产物的膜过程。（4）膜蒸馏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。（5）在该过程中无需把溶液加热到沸点，只要膜两侧维持适当的温差，该过程就可以进行，操作温度比传统的蒸馏低，有可能利用太阳能、地热、温泉、工厂的余热和温热的工业废水等廉价能源[2]。但是膜蒸馏作为一种新的分离技术也还有许多不完善之处。比如：（1）膜蒸馏与制备纯水的其它膜过程相比，膜的产水通量较低，迄今还没有开发出较成熟的膜蒸馏用膜的生产技术。且疏水微孔膜与亲水膜相比在膜材料和制备工艺的选择方面都十分有限。（2）运行过程中膜的污染不仅导致膜的通量下降，更为严重的是加速了膜的润湿，使盐渗漏进入淡水侧，从而使淡水品质下降。（3）缺乏有效的热量的回收手段，膜蒸馏是一个有相变的膜过程，汽化潜热降低了热能的利用率。所以在组件的设计上必需考虑到潜热的回收以尽可能减少热能的损耗。与其他膜过程相比，膜蒸馏在有廉价能源可利用的情况下才更有实用意义[5]。2现状2.1海水脱盐领域早在400多年以前就有人提出海水淡化的问题。进入20世纪后，海水淡化技术随着水资源危机的加剧得到了加速发展，70年代以来，更多的沿海国家由于水资源匮乏而加快了海水淡化的产业化。目前，无论是中东的产油国还是西方的发达国家都建有相当规模的海水淡化厂。沙特、以色列等中东国家的淡水资源来自于海水淡化。美国、同本、西班牙等发达国家为了保护本国的淡水资源也竞相发展海水淡化产业。同时带动了淡化水产品提供、设备制造、工程安装、技术服务等整体海水淡化市场的巨大需求。在我国，海水淡化年产量也已超过了千万吨。中国是继美、法、日、以色列等国之后研究和开发海水淡化先进技术的国家之一[5]。我国北方渤海湾地区，人均水资源量不到中国人均水平的五分之一，处于绝对缺水状态。沿海缺水地区发展海水淡化，具有非常重要的战略和现实意义。目前从海水或苦咸水获得淡水的主要有多级闪蒸(MSF)，低温多效(MED)和反渗透(RO)。反渗透技术是近年来发展最快的技术，但其产水率一般小于40％，仍有60％左右的浓缩水排放。渤海湾是内海，自我更新速度慢，如果直接将浓盐水排放到近海的话，势必对近海生态系统造成不利的影响。减压膜蒸馏法以其独有的脱盐率高、操作条件适中的特点克服了反渗透技术的缺陷，不需要反渗透装置的高压机械和耐压结构，有望将海水浓缩到接近饱和甚至结晶的状态。根据下游侧挥发组分蒸汽冷凝方法或排除方法不同，膜蒸馏过程可分为直接接触式膜蒸馏(DCMD)、空气隙式膜蒸馏(AGMD)、真空(减压)膜蒸馏(VMD)和气体吹扫式膜蒸馏(SG—MD)4种操作方式[6]。2.2非挥发性溶质水溶液浓缩随着膜蒸馏技术研究的不断深入,冶金工作者开始考虑利用膜蒸馏技术来浓缩浓度在1mol/L左右而不适于用其它膜技术处理的冶金工业生产中所产生的含酸、碱、盐的废水。膜蒸馏对冶金工作者的吸引力不在于它能制备纯水的性能,而在于它能利用低温热源及其具有的高度浓缩性能。即膜蒸馏与其他膜过程相比，可以在极高的浓度条件下运行，把非挥发性溶质的水溶液浓缩到极高的程度，甚至达到饱和状态。冶金工业是一个耗能大户,普遍存在大量废热的回收利用问题,湿法冶金工艺中又经常有溶液浓缩的需要,因此膜蒸馏的工业化对冶金工业的技术进步无疑是一个巨大的推动。2.2.1膜蒸馏应用于钛白废酸的浓缩实验所用装置由加料系统、膜蒸馏器、接收系统和真空系统四部分组成。其中,加料系统主要包括恒温控制器、加热器和料液循环槽；膜蒸馏器是整个实验的核心部分。实验采用平板式,主要由料液室、圆形微孔分离膜、膜支撑板、密封圈等组成；收集系统主要由冷凝器和真空接收瓶等组成；真空系统主要由真空泵、压力计和压力调节阀等组成。首先用稀的纯硫酸进行试验。结果表明，采用真空膜蒸馏工艺可将2.1mol/L(18.3%)的硫酸浓缩到10.32mol/L(65.5%)。开始控制热侧温度为70℃,冷侧为2.67kPa的低真空,当浓缩到硫酸为6.23mol/L(55.1%)时,水的通量已很小,为此将热侧温度提高至80℃,以增大传质推动力,此时可使硫酸进一步浓缩至65.5%。但是用废酸直接浓缩时发现随硫酸浓度增加,由于盐析效应,FeSO4结晶析出,这一结晶使膜发生“湿化”现象,丧失疏水性。深入研究发现,废酸中的钛对膜蒸馏并无影响,因此研究了先用扩散渗析法分离硫酸,但由于盐的泄漏,尽管渗析产酸可以用真空膜蒸馏浓缩至65%,但仍有亚铁结晶析出的问题,为此又研究了三异辛胺萃取硫酸的办法,反萃得到酸浓度为1.12mol/L,酸回收率达91.4%。将反萃回收的酸在热侧80℃,冷侧5.64kPa条件下浓缩可得到10.30mol/L(65.1%)的浓硫酸。2.2.2膜蒸馏从RECl3溶液中用分离回收盐酸用P2O4萃取分组混合稀土得到的中稀土反萃液及重稀土反萃液中均含有较高浓度的盐酸,目前不得不耗费大量的MgO进行中和。因为盐酸有共沸点,按常规理解似乎不可能回收浓的盐酸,但考虑到RECl3的盐析效应,首先从理论上计算了含SmCl3的盐酸体系中水及HCl的分压,发现相对于纯盐酸溶液而言,同条件下,由于SmCl3存在,导致溶液体系H2O分压减小,而HCl分压增大,而且随SmCl3浓度增大,H2O分压的减小及HCl分压增大趋势更为明显。随蒸馏过程进行,蒸馏产品液体积不断增大,料液体积不断减小,稀土得到不断浓缩.开始时水蒸气分压较大,所以蒸馏液中盐酸浓度较低,而料液中盐酸浓度还有不断增加趋势.随过程进行,盐析效应增强,故蒸馏液中盐酸浓度增加而料液中盐酸浓度下降.2.2.3膜蒸馏浓缩氧化铝厂炭分母液氧化铝生产过程中用CO2分解析出Al(OH)3后的母液主要成分为Na2CO3,还含有部分NaOH及少量Al2O3、SiO2,现行生产工艺是蒸发浓缩后返回配制生料浆,耗能很高,为此探索了用膜蒸馏法浓