膜蒸馏技术在水处理中的应用Ⅰ

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膜蒸馏技术发展背景及其简介


近年来，随着膜分离技术的快速发展，反渗透膜技术(RO)逐渐成电力、冶金等部门和循环水深度回用处理的首选技术。但是反渗透膜技术的产水率一般只有75％，其浓水的处理与排放问题日益突出。


目前解决反渗透排放浓水主要采用的有三种方案：(1)浓水经冲洗多介质后排放；(2)对排 放水集中回收处理，利用石灰软化法等去除钙镁硬 度，处理后再利用或达标排放；(3)直接结合生产工 艺状况综合利用。但是这些方法都没有彻底解决问 题，对浓水的利用率很低，甚至造成对环境的二次污 染。因此开发高效的浓盐水处理过程，以弥补RO等 处理过程的不足，以实现节水减排，具有重要意义。 减压膜蒸馏(VMD)是将膜技术与传统蒸馏技 术结合的一种新型膜分离过程。具有操作温度低、设 备简单，对无机盐、大分子等不挥发物的截留率可达 100％，可实现高浓度溶液的处理等优点 。


膜蒸馏（Membrane Distillation，简称MD）是近十年得到迅速发展的一种新型高效的膜分离技术，是以疏水性微孔膜两侧蒸汽压差为传质推动力的膜分离过程。膜蒸馏过程区别于其他膜过程的特征是：膜是微孔膜；膜不能被所处理的液体浸润；膜孔内无毛细冷凝现象发生；只有蒸汽能通过膜孔传质。膜不能改变操作液体中各组分的汽液平衡；膜至少有一侧要与操作液体直接接触；对每一组分而言，膜操作的推动力是该组分的气相分压梯度。同其他的分离过程相比，膜蒸馏具有以下优点：① 截留率高（若膜不被润湿，可达100％）；② 操作温度比传统的蒸馏操作低得多，可有效利用地热、废水余热等廉价能源，降低能耗；③ 操作压力较其他膜分离低；④ 能够处理反渗透等不能处理的高浓度。


膜蒸馏技术的分类


根据在膜冷侧收集水蒸气的方式不同，膜蒸馏的类型可分为：


(1)直接接触式膜蒸馏（水吸式或外冷式(DCMD ) (见图2)


该组件内，膜两侧的液体直接与膜面接触。其一面是经过加热的原溶液为热侧，另一面是冷却水为冷侧，膜孔内为汽相（蒸气和空气），在热侧膜面上生成的水蒸气透过膜至冷侧凝结成水，并和冷却水合而为一。


(2)气隙式膜蒸馏（内冷式）(AGMD) (见图1)


该组件内，膜的冷侧装有冷却板，在其间就是气隙室。当热侧水蒸气透过膜在气隙室扩散遇冷壁凝结成液态导出，而冷却水在组件内部降温。凝结水和冷却水各有通道，互不混合。和直接接触膜蒸馏组件相反，蒸发面和冷却面之间有一定距离（气隙室宽度），这样通量和热传导均受到了阻力。其优点是热量损失小，热效率高；不需另加热能回收装置。缺点是组件结构较直接法复杂；其膜通量比直接法小。


(3)扫气式膜蒸馏(见图3)


该组件内，膜的冷侧通常以隋性气体（如气等）作载体，将透过膜的水蒸气带至组件外冷凝。


(4)减压膜蒸馏


与气隙式膜蒸馏相类似，只是将冷侧施以低压处理。





膜蒸馏技术的特点


1膜蒸馏的优点


(1)该过程几乎在常压下进行，设备简单、操作简便，在技术力量较弱的地区也有可能实现。


(2)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，该过程便可以运行，这就有可能利用太阳能、地热、温泉等廉价的天然能源以及工厂的余热等，对在能源日趋紧张的情况下，利废节能是很有意义的。


(3)在非挥发性溶质水溶液的膜蒸馏过程中，因为只有水蒸气能透过膜孔，所以蒸馏十分纯净，有望成为大规模低成本制备超纯水的手段。


(4)膜蒸馏耐腐蚀、抗辐射，故能处理酸性、碱性和有放射性的溶液。


(5)膜蒸馏组件很容易设计成潜热回收的形式，可进一步降低能耗。膜蒸馏可广泛应用于海水和苦咸水淡化，污水和的处理，非挥发性酸、碱性溶液、挥发性溶液的浓缩和提纯以及在医药、食品加工等方面的应用。


2膜蒸馏的主要缺点


(1)膜成本高蒸馏通量小；(2)由于温度极化和浓度极化的影响，运行状态不稳定；(3)研究工作多处于实验阶段，对传质和传热机理及参数影响的定量分析还很不够；(4)研究所用物料一般都是简单的水溶液，对一些的研究甚少，同时可以查看中国污水处理工程网更多关于膜蒸馏技术的技术文档。


膜蒸馏过程的机理


膜蒸馏过程是传热与传质的偶合过程，并且这两种传递过程都分别由边界层内的传递和跨膜传递两部分组成，因此传热和传质之间的关系比较复杂。


1 质量传递

在膜蒸馏过程中，当料液流过膜表面时，难挥发的物质被截留，而易挥发的物质（通常为水）以蒸气的形式透过膜，导致难挥发物质在膜表面处的浓度高于其在料液主体中浓度的浓度极化现象。Martlnez通过计算发现，在料液流速和温度相同的情况下，分别以4mol/L的NaCl水溶液以及40％的蔗糖溶液为料液时，其通量均与以纯水为料液存在较大差异。作者认为前者主要归因于随着NaCl浓度的升高，水的活度降低，后者则主要归因于温差与浓差极化。Peng Ping等在研究中发现，当水溶液中NaCl的浓度为20％时，水通量是纯水通量的64％。Alklaibi的实验结果表明，盐溶液的浓度从2％增加到5％，通量下降16％。


就理论上而言，浓度极化会削弱浓度边界层内的传质推动力，从而使MD过程的跨膜通量减小，但若挥发性组分的蒸汽压随溶质浓度的升高下降不明显，浓度极化对跨膜通量的影响可以忽略。浓度极化对膜蒸馏过程影响的另一方面是当膜表面处溶质浓度高至一定程度将会导致膜被润湿。


膜蒸馏的跨膜传质过程包括挥发性组分（通常为水）在热侧浓度边界层内的传递及其在膜孔内的传递过程。对于在膜孔内进行的跨膜传质过程，众多研究者均采用如下简化形式来描述跨膜通量从即认为它与水的跨膜蒸气压差成正比：


N=C（ptfm～Ptpm） （1）


式中，C为渗透系数或传质系数；tfm和tpm分别为进料侧及渗出侧膜表面的温度。文献中出现MD跨膜传质机理通常包括：黏性流动、Kundsen扩散和分子扩散或它们之间的组合， 即Molecular