膜蒸馏技术进展

第24卷第5期 唐山师范学院学报 2002年9月 Vol. 24 No.5 Journal of Tangshan Teachers College Sep. 2002

────────── 收稿日期：2002-06-01

作者简介：刘立华（1969-），女，河北唐山人，唐山师范学院化学系讲师，在读硕士研究生。 - 27 -

膜 蒸 馏 技 术 进 展

刘立华

（唐山师范学院 化学系，河北 唐山 063000）

摘 要：对膜蒸馏的过程机理、影响因素、用膜材料等进行了讨论，同时介绍了膜蒸馏在海水淡化、水溶液的分离与浓缩、工业废水的治理等中的应用，并在此基础上提出了膜蒸馏的发展方向。

关键词：膜蒸馏；机理；影响因素

中图分类号：O631 文献标识码：C 文章编号：1009-9115（2002）05-0027-03

膜分离技术是近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(MD)作为膜分离家庭新成员，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。膜蒸馏与传统蒸馏相比，它不需复杂的蒸馏系统，且能得到更纯净的馏出液；与一般的蒸发过程比，它的单位体积的蒸发面积大(>1 000m 2/m 3)；与反渗透比较，它对设备的要求低且过程中溶液浓度变化的影响小。而且，膜蒸馏过程能在常压和较低温度下操作，能利用工业余热、地热、太阳能等廉价能源。因此，膜蒸馏被认为是一种节能、高效的分离技术，为缓解能源的紧张提供了简单有效的技术方法。 1 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，实现膜蒸馏必需要有两个条件：(1)膜蒸馏必需是疏水微孔膜；(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：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)。

2 膜蒸馏过程及其原理 2.1 直接接触膜蒸馏

其传质过程为：（以水溶液为例）（1）水从料液主体扩散到热侧膜面；（2）水在热侧膜面处汽化；（3）汽化的水蒸汽扩散通过膜孔传递到膜的冷侧；（4）水蒸汽在冷侧膜面冷凝成水。

传热过程为：（1）热量从热液主体传到膜面；（2）在膜面处部分热量提供水汽化所需的汽化热；（3）热量从热侧膜面传递到冷侧膜面；（4）在膜面冷侧水蒸汽冷凝放出汽化热；（5）热量从冷侧膜面传递到冷流主体。其中第（2）、（4）步很快，可认为瞬间完成。第（3）步热量包括两部分，一部分是以热传导的方式传递的热量；另一部分是水蒸汽携带的潜热。

2.2 气隙式膜蒸馏

气隙式膜蒸馏是在膜与冷凝面间引入一个很薄的空气间隙层，透过膜的蒸汽在冷壁凝结，避免了溶液与冷却水的直接接触，可提高热能利用率。具体过程如下：疏水性多孔膜的一侧与热水溶液相接称为热侧，另一侧温度较低，称为冷侧，右端为一冷壁，在冷壁和膜的冷侧之间为一个空气间隙层，冷壁后有冷却水流动。由膜两侧的温差导致的蒸汽压差促使热侧产生的水蒸汽，透过膜孔到达冷侧，再经空气隙扩散到冷壁后冷凝成水；而在热侧的液

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相水溶液则由于膜的疏水性不能进入膜孔，从而达到液相水溶液与汽相水分离的目的。刘光良等人对气隙式膜蒸馏系统进行了理论研究和实验验证，分析了气隙式膜蒸馏传质机理，推导出了一个预测蒸馏通量的简明易用的理论公式。对多种不同溶液、不同浓度及不同超声激励下的实验结果表明，该理论公式的预测值和实测结果符合均很好。该关系式为：

J=ΔT/[α(t MD /℃)-2.1+β]， 30℃≤t MD ≤80℃ 其中α与空气隙中的扩散有关，它取决于空气隙的距离及空气与水蒸汽的性质，但与热溶液的性质无关。β主要与热溶液与膜面间及冷壁与冷却水之间的对流换热系数及热溶液与膜面间的传质有关，它取决于热溶液和膜的性质、膜面清洁程度、温度与浓度极化程度及冷却水的情况等。 2.3 减压膜蒸馏

减压膜蒸馏所用的膜为疏水性微孔膜。在料液侧，膜直接与所处理的料液接触，料液流经膜面时，其中挥发性组分部分汽化，同时由于膜材料的疏水性，只要膜两侧的压差不超过液体透过临界压力，液体不能透过膜孔；另一方面，利用真空泵使减压侧压力低于料液侧挥发性组分平衡蒸汽压，在传质推动力即压差的作用下，蒸汽透过膜孔进入减压侧。减压膜蒸馏就是利用料液中不同组分挥发性的不同而达到分离的目的的。由于减压膜蒸馏的膜两侧气体压力差(△ｐ)比其他膜蒸馏的膜两侧气体压力差大，因此，它比其他形式的膜蒸馏具有更大的蒸馏通量。

在减压膜蒸馏过程中，因为透气膜的气态物质分子的平均分子自由程远大于膜的平均孔径，而且膜减压侧的气压很低，膜内只有少量气体，因此膜内的传质为努森扩散，蒸汽在膜内的传质可表示为：

Ｊ=ＫｍＭ△ｐ=ＫｍＭ(ｐ1-ｐ2)

式中：Ｊ—膜蒸馏通量，kg ·s -1·ｍ-2； ｐ1—汽液界面的蒸汽压，Pa ；ｐ2—减压侧的压力，Pa ；

Ｋｍ—传质系数，s ·mol 1/2·ｍ-1·kg -1/2

；Ｍ—透过物质的摩尔质量，kg ·mol -1 。 3 膜蒸馏过程影响因素 3.1 截留率

截留率是非挥发性溶质水溶液的分离性能参数，因为蒸馏膜的疏水性，MD 的截留率比其它膜分离过程的截留率要高。其影响因素主要有两个：一是孔径，一般认为孔径在0.2～1.0μm 较为合适，用得比较多的为0.2～0.4μm 。二是膜两侧的压力差不能超过液体进入膜孔的压力P*(P*=2cos γθR)。此外，截留率的大小还与进料中溶质浓度、上游侧

进料流速等有关。若处理的是挥发性溶质水溶液，则其分离性能由分离因子α来表示：

α=x 2(1-x 1)/[x 1 (1-x 2)]。 3.2 水通量

MD 虽有很高的截留率但通量相对较小，其影响因素主要有：（1）温度：温度是影响水通量的最主要因素。提高热侧溶液的温度或提高膜两侧的温差，均能使水通量显著增加，但不成线性关系。（2）水蒸气压差：水通量随膜两侧水蒸气压差的增加而增加，且呈线性关系。（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，且浓水溶液的MD 行为比稀溶液复杂，对水通量的影响也更大。（4）料液流速：增加进料流量和冷却水流量均可使通量增加。（5）蒸馏时间：随着蒸馏时间的延长，会出现通量衰减的现象。其原因一般有两个，一是随蒸馏的进行，膜孔被浸润，造成从渗透侧流向进料侧的回流；二是膜污染造成通量的衰减。（6）膜材料与膜结构：膜蒸馏用的膜必需是疏水的微孔膜，其结构参数如孔径、孔隙率、膜厚等均对水通量有影响，但这方面的研究还不是很深入。 3.3 热效率

膜蒸馏为有相变化需要消耗热能的过程，其热效率的高低直接影响MD 的实际应用。目前MD 的热效率较低(30%左右)，这也是阻碍其大规模工业应用的关键问题之一。适当增大膜的孔径和孔隙率，有利于提高热效率。另外，一般情况下随温度的升高热效率提高。 4 膜蒸馏的应用

4.1 海水（或苦咸水）淡化

20世纪60年代美国的findley 和欧洲的Haute 、Hen-deryckx 最早提出膜蒸馏过程时就是设想用于海水淡化的。1964年Weyl 首次将DCMD 用于脱盐，但限于当时没有合适的膜材料，过程的通量太小(<1kg/m 2·h)，没能引起人们的兴趣。到了1982年Gore 报道用Gore-Tex 卷式膜进行膜蒸馏的海水淡化，由于采用了聚四氟乙烯疏水膜，通量比以前有明显的提高。之后，膜蒸馏技术得到了很快的发展。80年代后期，N.kjellander 等首先在Hono 岛上建立了两套中试设备，试验表明膜蒸馏装置操作稳定，并可得到很纯的产品。90年代初，日产淡水25t 和10t 的膜蒸馏装置在日本投入运行。我国在这方面起步较晚，但于德贤等人的研究成果令人振奋，已完成中试试验，经一次过程，脱盐率大于99.7%，