气隙式膜蒸馏技术研究现状和应用

化
工进展
Chemical Industry and Engineering Progress
2024 年第 43 卷第 4 期
气隙式膜蒸馏技术研究现状和应用
杜永亮1，2，梁卓彬1，2，龚耀煦1，2，毕豪杰1，2，徐志远1，2，苑宏英1，2，3
（1 天津城建大学环境与市政工程学院，天津 300384；2 天津市水质科学与技术重点实验室，天津 300384；
3
基础设施防护和环境绿色生物科技国际联合研究中心，天津 300384）
摘要：在低碳经济的发展背景下，膜蒸馏技术作为一种兼具优异分离性能和节能潜力的新型分离技术而备受重视。

气隙式膜蒸馏作为一种高热效率的膜蒸馏形式，其节能优势更为显著。

本文总结了国内外与气隙式膜蒸馏技术相关的研究进展，从传质传热模型、数值模拟和膜组件结构几个方面指出了膜蒸馏技术的主要研究方向。

重点介绍了膜蒸馏过程优化的研究和技术应用现状。

膜蒸馏过程优化包括通过膜组件结构设计优化、使用改性膜、外加物理场等方式以提高膜通量或减小膜污染。

在应用方面，气隙式膜蒸馏技术主要应用于海水淡化、高浓度工业废水处理和浓缩加工等领域。

关键词：气隙式膜蒸馏；膜组件；膜分离；数值模拟；结构优化；废水处理
中图分类号：TQ028.8 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2024）04-1655-12
Air gap membrane distillation research status and applications
DU Yongliang 1，2，LIANG Zhuobin 1，2，GONG Yaoxu 1，2，BI Haojie 1，2，XU Zhiyuan 1，2，YUAN Hongying 1，2，3
(1 School of Environmental and Municipal Engineering, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China; 2 Tianjin Key
Laboratory of Aquatic Science and Technology, Tianjin 300384, China; 3 International Joint Research Center for
Infrastructure Protection and Environmental Green Biotechnology, Tianjin 300384, China)
Abstract: As a new separation technology with excellent separation performance and energy saving
potential, membrane distillation has attracted much attention under the background of the low-carbon
economy. As a form of the membrane distillation with high thermal efficiency, air gap membrane distillation has more significant energy saving advantages. This paper summarized the domestic and international research progress related to air-gap membrane distillation, and the main research directions of membrane distillation technology were pointed out from the mass and heat transfer model, numerical
simulation and membrane module structure. The current status of research and technology application for membrane distillation process optimization was highlighted. Membrane distillation process optimization included improving membrane flux or reducing membrane contamination through membrane module structural design optimization, the use of modified membranes, and the application of physical fields. In terms of technology application, air-gap membrane distillation technology could be applied mainly in the fields of seawater desalination, high concentration industrial wastewater treatment and concentration processing.
综述与专论
DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0715
收稿日期：2023-05-04；修改稿日期：2023-08-29。

基金项目：国家重点研发计划“政府间国际创新合作”专项项目（2019YFE0122400）；国家级大学生创新创业训练计划（202210792008）。

第一作者：杜永亮（1985—），男，博士，讲师，研究方向为污水污泥处理、固废资源化处置。

E-mail ：****************。

通信作者：苑宏英，博士，教授，研究方向为污水、污泥处理及资源化。

E-mail ：*****************。

引用本文：杜永亮, 梁卓彬, 龚耀煦, 等. 气隙式膜蒸馏技术研究现状和应用[J]. 化工进展, 2024, 43(4): 1655-1666.
Citation ：DU Yongliang, LIANG Zhuobin, GONG Yaoxu, et al. Air gap membrane distillation research status and applications[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2024, 43(4): 1655-1666.
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化工进展， 2024， 43（4）Keywords: air gap membrane distillation; membrane module; membrane separation; numerical simulation;
structural optimization; wastewater treatment
膜蒸馏（MD）是一种利用膜两侧液体温差引起的蒸气压差为传质驱动力的新型分离技术，属于非等温膜分离技术。

膜蒸馏过程顺利进行需要满足于以下要求[1]：①膜必须是疏水微孔膜；②膜不能被所处理的溶液湿润；③膜孔内部不发生毛细冷凝现象；④有且只有水蒸气可以穿过膜孔；⑤膜不会改变处理液中各组分的气液平衡；⑥膜至少有一侧接触被处理液体。

对比传统脱盐技术，膜蒸馏具有条件温和、能耗低、截流率高、对浓度敏感度低、可利用低品位能源等特点，但也存在如膜通量较小、容易出现膜污染现象、潜热回收技术不成熟等[2]问题。

膜蒸馏技术基本形式包括直接接触式膜蒸馏（DCMD）、气扫式膜蒸馏（SWMD）、真空膜蒸馏（VMD）和气隙式膜蒸馏（AGMD），其基本原理如图1所示。

DCMD是现今研究最多的膜蒸馏形式，其结构简单，操作方便，膜通量较大，但是其跨膜热传导损失也大；AGMD的气隙增加了传质阻力，导致其膜通量比较低，但AGMD的热效率是四种基本形式中最高的；SWMD可以用来处理水中的可溶性或挥发性气体，其传质驱动力除了蒸气压差外还有吹扫气对传质的促进作用；VMD的结构与
AGMD相似，但VMD的气隙中没有空气，所以相较其他几种形式的膜蒸馏有更大的传质推动力和更小的热量损失，然而VMD相较于其他形式的膜蒸馏也更容易发生膜结垢和膜孔湿润的现象。

本文在国内外膜蒸馏相关研究成果基础上，拟从传质传热模型、数值模拟、膜组件结构几方面对AGMD技术研究现状进行论述，结合AGMD技术的国内外应用现状，进一步指出AGMD技术日后的发展方向。

1 AGMD的传质传热模型和数值模拟1.1 AGMD的传热传质模型
膜蒸馏是一种以传热为基础的传质传热协同过程，了解AGMD的传热传质模型对研究和优化AGMD具有十分重要的意义。

关于AGMD的传热模型不少文章都已经给出[1]，这里仅简要介绍AGMD 的传热过程。

AGMD的传热过程如图2所示，T h、T mb、T ma、T af、T fw、T wc、T c分别为热料液主体温度、疏水膜与热料液接触一侧的壁面温度、疏水膜渗透侧的膜表面温度、气隙侧冷凝液的温度、冷凝板与冷凝液接触一侧的壁面温度、冷凝板与冷却液接触一侧的壁面温度、冷却液主体温度。

传热过程主要分为三个步骤：①热侧边界层和热侧膜表面的对流换热；②水在气液界面上吸收潜热发生相变；③水蒸气通过膜孔传输到冷侧冷凝界面上放热冷凝成水。

Fick模型（FM）、Stefan-Maxwell模型（SMM）和尘气模型（DGM）是目前比较常用的三种用于描述膜蒸馏过程中物质在多孔介质中传输的数学模型[3]。

FM是根据Fick定律推导出来的用于描述膜蒸馏传质过程中物质扩散的数学模型，物质组分顺浓度梯度扩散，其扩散速度取决于浓度梯度，该模型没有考虑不同物质之间可能存在的相互耦合作用以及膜材料和膜结构带来的影响；SMM考虑了多种物质之间的耦合作用以及分子之间的碰撞，该模型对膜蒸馏过程的预测精度要比FM
高，但该模型
图1　膜蒸馏基本形式
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2024年4月杜永亮等：气隙式膜蒸馏技术研究现状和应用
忽略了Knudsen 扩散和膜材料以及结构参数的影响[4]；DGM 是基于严格的理论推导得出的数学模型，该模型考虑了包含膜材料和结构参数在内的所有影响因素，因此其预测的准确性是最高的[5]。

三种模型的总表达式见式(1)~式(3)[5]。

FM 总表达式
J i =-cD i a
d y i
d z
+y i (
J i +J a )
(1)
式中，y i 为物质i 的摩尔分数；d y i /d z 为物质i 在垂直方向z 上的浓度梯度；D i a 为物质i 和空气的二元扩散系数；c 为物质i 的摩尔密度；J i 、J a 分别为物质i 和空气的渗透通量。

SMM 总表达式
d y i
d ω=RT ∑j =1,j ≠i n
y i J j -y j J i p
D ij δτ+b
(i =1,⋯,n )
(2)
式中，d y i /d ω为量纲为1的数，ω=z /(δτ+b )；y i 、
y j 分别为物质i 和j 的摩尔分数；D ij 为物质i 和j 的二元扩散系数；R 为气体常数，8.314J/(mol·K)；δ为
膜厚度；τ为膜弯曲度；b 为气隙厚度；T 为热力学温度，K ；p 为膜孔内的总压力，Pa 。

DGM 总表达式（用膜通量表示）
J D w D
k w e
+
∑
i =1≠w
n
p i J D w
-p w J D i
D 0
wi e =-1
RT ∇p w (3)
式中，J D i 和J D w 分别为物质i 和w 的扩散浓度；D k w e 和D 0w ie 分别为Knudsen 扩散系数和分子扩散系数；p i 、p w 分别为物质i 和w 的分压。

在使用DGM 模型进行预测时，需要先判断膜孔内的物质扩散机理，根据不同的扩散机理将模型展开计算。

判断多孔介质内的物质扩散机理常用到
Knudsen 数（K n ），K n 可以用式(4)、式(5)进行计算。

K n =λ
i
d p
(4)λi =
k B T
2πp m σ2i
(5)
式中，λi 为分子的平均自由程，m ；d p 为疏水膜平均孔径，m ；k B 为玻尔兹曼常数，1.3806×10-23J/K ；T 为温度，℃；p m 为总压，atm ；σi 为分子的碰撞半径，m 。

由于疏水膜表面和水的亲和力非常低，在膜蒸馏过程中表面扩散几乎没有，因此表面扩散通常会被忽略。

所以，在使用尘气模型预测膜蒸馏的传质机制时，主要考虑的是Knudsen 扩散、分子扩散以及黏性流扩散，这几种扩散机制往往不是独立存在的，而是像图3所示的类似模拟电路中的电阻一样相互组合存在的。

由于空气在水中的溶解度较低，因此假设空气是一种停滞膜，可忽略黏性流扩散，从而在AGMD 中往往又可简化为以分子扩散和Knudsen 扩散组合为主的扩散形式[5]。

上述的三种模型中，FM 可以用于描述单一组分在浓度梯度作用下的扩散情况；SMM 考虑了多组分在扩散过程中的耦合作用，由于该模型没有考虑膜材料和结构的影响，在预测气体混合物在多孔介质中的扩散时预测精度不如DGM [4]；DGM 是三种模型中预测精度最高的，DGM 考虑了可能影响膜蒸馏的所有参数，包括各种扩散形式、多物质之间的耦合以及膜材料和结构的影响等，其表达式
涉及众多的物料和结构参数，因此DGM 是描述膜蒸馏传质过程的首选方式[6]。

综上所述，即使FM 的精度较低，但是由于其计算简单方便，因此仍有一定的应用范围；SMM 的预测精度较FM 高，但是由于其本身存在的缺陷，一般不会将该模型直接用到对膜蒸馏的预测上，而是多用于预测对共沸混合物的分离效果[7-8]；DGM 模型由于其涉及的机理和参数的多样性以及复杂性，使其计算变得十分困难，因此需要借助其他工具辅助求解。

在研究DGM 模型时，Kong 等[9]使用Fick 定律对DGM 模型进行简化并得到了Fick 形式的DGM 模型（
DGMFM ），所得的DGMFM 模
图2　AGMD 的传热过程示意图
图3　AGMD 过程中的跨膜传输机制[5]
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化工进展， 2024， 43（4）
型可以得到各个物质的显性表达式，直接代入质量守恒方程中求解，能够得到接近DGM的精确率。

1.2 膜蒸馏过程数值模拟
膜蒸馏过程的数值模拟是在计算流体力学的基础上实现的。

计算流体力学（computational fluid
dynamics，CFD）是一门基于Navier-Stokes方程综合了力学、数学、计算机科学等多门学科的交叉学科。

CFD技术最早应用于航天工业和飞行器设计领域，随后被逐渐推广使用到如环境、生物等其他领域[10]。

膜蒸馏过程的解析需要建立在质量守恒、动量守恒、能量守恒方程之上，求解过程十分复杂。

传统的实验方法只能定量或半定量地对实验的过程进行验证研究，很难对膜蒸馏过程进行深入到机理层面的研究。

而CFD技术可以利用计算机强大的运算能力对多个方程进行联立求解，然后利用可视化技术将所得结果直观地显示出来，还可以根据用户的要求自定义参数，在研究机理层面的问题时有着极为显著的优势。

Ghadiri等[11]将DCMD过程认为是层流下Knudsen 扩散和黏性流扩散的结合，在COMSOL Multiphysics 中将Knudsen和黏性流扩散的扩散系数与Navier-Stokes方程、对流传热方程耦合建立起了DCMD的质量、热量和动量传递基本方程，并对DCMD海水淡化过程进行模拟，其模拟结果与文献中的实验数据拟合程度较好。

Ali等[12]以分子扩散理论为基础开发了一个二维相变多孔介质的传质模型对AGMD 传质传热过程进行模拟，还对不同孔隙率和膜材料进行比较，结果显示，该模型能够准确模拟AGMD 过程，模拟值与实验值的拟合程度很好。

Jensen 等[6]将质量和温度平衡方程整合到DGM中进行修正，用传质和传热系数的经验相关性对浓度和温度极化现象进行校正，修正后的DGM能够比较准确地预测DCMD浓缩黑加仑汁时的膜通量，平均误差小于10%。

国内外利用CFD技术对膜蒸馏进行研究的案例中，关于DCMD和VMD的研究最多，而关于AGMD的研究相对较少。

Yazgan-Birgi等[13]用CFD 模拟的方法对比了入口温度和雷诺数对平板式DCMD（FS-DCMD）和中空纤维式DCMD（HF-DCMD）的膜通量和温度极化系数（TPC）的影响，模拟结果显示，在相同操作条件下FS-DCMD的膜通量高于HF-DCMD，但其换热效率较低，改变入口温度和雷诺数都会对DCMD的通量和TPC造成显
著影响且料液入口温度和料液入口雷诺数（Re f）的相互作用对DCMD性能的影响更为明显，其中
HF-DCMD受料液Re f变化的影响最大。

Lou等[14]用Matlab开发了一个二维CFD代码来模拟DCMD中的热量和质量传递，对比各种组件参数和操作条件对膜通量（J）、造水比（GOR）和极化现象的影响，模拟结果显示跨膜温差增加会使GOR和J升高，但同时会增加浓差极化和结垢的风险；增加浓度会降低J和GOR，但是同时会降低浓差极化现象；大流量会减轻温度极化现象，使J升高但降低GOR；进料温度和流量最大时J最大，且进料温度最大流量最小可以最大化GOR。

唐娜等[15]利用CFD软件对VMD过程进行模拟，通过自行编写的UDF对实验结果进行验证，结果显示在不同进料温度、流量和真空度下模拟值与实验值都高度吻合，然后用该模型对VMD膜组件进行结构设计优化，结构优化后的VMD膜组件膜通量较原组件提升了10.3%。

2 膜组件结构和优化
2.1 膜材料
膜蒸馏用的疏水膜从外形分为平板膜、管式膜（中空纤维膜）。

一般来说管式膜指的是内径1~ 25mm的圆柱体或类圆柱体的膜，当管式膜的内径很小时通常称为中空纤维膜，中空纤维膜的内外径通常在3.0mm/6.0mm以内。

平板膜的特点在于其通过流量较大，抗污染和抗堵塞能力较强，膜组件结构简单、操作方便且容易拆卸；相较于平板膜，管式膜和中空纤维膜的比表面积更大[16]，可以得到更高的组件填充率和体积利用率，但是中空纤维膜对进水压力十分敏感，当进料液的压力大于膜的进入压力（LEP）时，将会出现膜孔湿润的现象使出水水质恶化。

膜蒸馏用的疏水膜一般要求具有高通量、一定的机械强度、具有疏水性、良好的热稳定性以及化学稳定性。

目前，使用得较多的疏水膜材质为聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚丙烯（PP）。

PVDF膜具有较好的化学稳定性和耐热性，且成本相对较低；PTFE膜的疏水性比PVDF膜强，化学稳定性更高，且耐强酸强碱、耐高温、耐污染性能也优于PVDF，但其产量相对较小且价格较贵；PP膜的价格为三者中最低，但其整体性能也是三者中最差的[17]。

疏水膜的性能是膜蒸馏组件效率的决定性因素，因此针对处理料液的特征研制适合的膜材料对
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提高膜蒸馏过程的效率具有十分重要的意义。

随着
对膜蒸馏研究的深入，膜蒸馏渐渐开始用于处理多
种高浓度、成分复杂的废水，这些废水中往往含有
许多低表面能的污染物，如有机污染或/和表面活
性剂，使得一般的疏水膜很容易出现膜湿润现象，
导致膜通量和截留率下降，甚至是膜蒸馏过程失
效。

近年来，能够应用于处理复杂料液具有抗湿润
性能的全疏膜受到了广泛的关注，典型的全疏膜包
括纳米粒子掺杂膜、静电纺丝膜和Janus膜[18]。

纳
米粒子掺杂膜是通过引入纳米粒子使其获得全疏特
性，引入的纳米粒子不但能提升膜表面的粗糙度，
也便于氟化改性。

静电纺丝膜的制备方法有三种：
①先制备静电纺丝基膜，再进行氟化改性；②在纺丝液中加入氟化物进行静电纺丝；③双层静电纺丝膜。

Janus膜是一种不对称复合膜，膜的两面具有相反性质，其疏水层可以在保证截留率的前提下防止膜孔被湿润和降低污染概率，亲水层则起到减小传质阻力和增加膜通量的作用，是一种可以同时实现高通量和高截留率的膜材料[19]。

有关膜材料优化的部分案例见表1。

2.2 膜组件结构
气隙式膜蒸馏组件常见的形式一般为平板式[图4(a)]和套管式[图4(b)]。

其基本结构均由疏水膜、流道（包括进出水通道和组件内料液流道）和冷凝壁组成。

疏水膜的作用是将除水蒸气外的其他物质阻隔在料液侧，从而达到分离的目的，有关疏水膜的内容在2.1节已经有过介绍；流道的结构可以在一定程度上改变膜组件内的料液流态，从而对膜蒸馏效率产生影响；冷凝板是水蒸气冷凝产水的主要区域，其冷凝效率会根据冷凝板的材料和表面结构的不同而有所变化。

2.2.1 流道结构和流场优化
存在于膜壁附近由温度和浓度梯度导致的温度和浓度极化现象是造成膜蒸馏过程效率不高的重要原因。

为了降低温度和浓度极化现象对膜蒸馏过程的影响，除了调节工艺操作参数外，对膜组件内部料液流场进行优化设计以削弱极化现象对膜蒸馏过程的影响也是比较常用的方法。

流场优化常用的方法有膜组件的流道设计、加装绕流挡板或使用异形膜来实现。

流场优化的目标是在组件内部料液流动区域设计特定的结构来增加料液的紊动并减少死区的形成，从而削弱浓度极化和温度极化对膜蒸馏过程的影响并增加有效利用面积。

流道包括料液进出口通道和组件内料液流道。

料液进出口通道决定了料液进入和流出组件的方式，也就是料液在组件进口和出口的流动方式。

料液流道是料液进入膜组件后的流动通道，以膜壁为边界形成的流道决定了料液在组件内部的流动方式，加装绕流挡板和使用异形膜都属于料液流道的
表1　中空纤维膜材料优化案例
基膜PSF（聚砜）膜PP膜PVDF膜PVDF膜PVDF膜PVDF膜
强化形式
将吐温80或磺化聚砜（SPSF）加入聚砜-聚乙
二醇400-二甲基乙酰胺体系中用浸入沉淀相转化
法制备PS中空纤维膜
用共沉积法让亲水性聚多巴胺/聚乙烯亚胺在PP
中空纤维膜管腔内沉积制成Janus膜
通过多巴胺的自附着行为对PTFE中空纤维膜进
行表面改性
用热致相分离法制备PVDF/SMA共混中空纤维膜
双喷头对喷的静电纺织制备PVDF-PH-PET交
织型的多级纤维复合膜（tHFC）
蚀刻-电喷雾协同技术使用Al2O3纳米颗粒对
PVDF膜改性制成有微/纳凹结构的亲/疏水Janus膜
优化结果
SPSF对膜的亲水性改善比吐温80好；SPSF质量分数为1.5%时
可将膜通量提升一倍以上，可达302L/(m2·h)
使用2g/L的聚多巴胺/聚乙烯亚胺共沉积液在60℃下沉积6h约
提升85%，70℃下沉积6h约提升100%，80℃下沉积6h可使得通
量提升120%，且具有良好的耐盐和抗污染性
用2g/L的多巴胺对PTFE中空纤维膜进行表面改性8h后得到的
膜丝的纯水通量为原膜的1.5倍
PVDF/SMA共混膜的膜通量由19.23L/(m2·h)提升到了62.39L/
(m2·h)，水接触角由93.4°降低到66.9°
在温差为40℃、PET/PH为0.8/1.5、膜厚为80μm的条件下，膜
通量可达65.86L/(m2·h)
相较PVDF膜和双疏膜处理高盐含油废水时30min就被污染，
Janus膜可连续稳定运行45h仍未被污染
参考文献
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[19]
图4　AGMD组件结构示意图
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化工进展， 2024， 43（4）优化设计。

因此，在设计膜组件时，进出口通道和
料液流道的设计也应予以重视。

田瑞[25]设计了一种切向进水流道AGMD组件，
该组件的料液进口流道由三个互为120°的入流管
组成，料液沿入流管切向进入膜面（图5）。

研究
发现，切向的进水流道使料液在膜进口处形成旋
流，增加了进料侧料液的紊动，使进口处液体的雷
诺数变大，进口的边界层变薄，从而提升AGMD
的传质和传热效率。

颜学升等[26]用CFD软件分别对
三个DCMD模型进行模拟（图6），模拟结果显示
水平方向进水的模型A的温度极化现象最严重，垂
直方向进水的模型B浓度极化现象最严重，而垂直
进水加挡板的模型C的膜通量和热效率最高且极化
现象也是三者中最弱的一个，对比模型A和模型
B，模型B的通量大于模型A。

这是因为模型B不
存在回流区，可以避免组件内“死角”的出现，从
而提高了膜组件内的有效利用面积，但模型A在绝
大部分的工况条件下的热效率均大于模型B。

在组件内部加装隔板或使用经过加工的异形膜，其目的都是增加组件内部料液流道中水流的紊动，从而削弱组件内的极化现象，减小温度和浓度极化现象对膜蒸馏的影响。

使用绕流挡板和异形膜进行流场设计优化的案例见表2。

2.2.2 冷凝板
冷凝板材料和表面结构与膜蒸馏组件的产水过程有密切的关系，要实现膜蒸馏高效产水和集水，一方面需要使冷凝板的壁面温度尽量接近冷凝液本体温度，另一方面需要提升冷凝板的冷凝效率和集水效率。

冷凝板材料的热导率是影响冷凝壁冷凝效果的一大关键因素。

在膜蒸馏过程中，当冷凝壁材料具有较高的热导率时，冷凝壁与空气接触一侧的温度就更接近冷却液本体的温度，这是有利于提高冷凝板表面的冷凝效率的。

通过对冷凝板表面设计特定的结构图案来提升冷凝板的冷凝和集水效率，有利于膜蒸馏组件实现高效产水和渗透液的及时排出，避免产水处因产水不畅导致的液桥现象的发生。

水蒸气在冷凝板壁面上的冷凝方式可以分为膜状冷凝和珠状冷凝。

发生膜状冷凝时冷凝壁表面覆
盖一层液膜，该液膜会带来额外的传热阻力。

发生图6　三个不同DCMD模型示意图
[26]
图5　膜组件切向进口流道[25]
表2　膜组件流场优化案例
膜蒸馏形式
DCMD
DCMD
DCMD
DCMD
AGMD
强化形式
基于三周期极小曲面（TPMS）的具有
横向交联结构（tCLP）的聚丙烯垫片
基于TPMS的tCLP和Gyroid垫片
无纺布网隔板
六种有不同流动攻角和格栅夹角三维扰
流层
螺旋式和波浪式中空纤维膜
结果
以1900mg/L的硫酸钙为料液，温差为30℃条件下，效果较好的tCLP垫片能
使得通量增加50%，但会增加压降
tCLP和Gyroid垫片都可以显著提升MD的性能，但都不可避免地使压降变
大；Gyroid垫片具有更好的缓解有机污染性能，但tCLP对通量的提升
效果更显著
在较高的流速下，填充的无纺布隔板使通量增加7%~19%。

增加垫片对进
料通道的通量增强可达21%~33%。

在更高的温度下，垫片对温度极化的改善
更明显
曲线型攻角为45°和夹角为90°的扰流层强化效果最好，能使膜通量提升
73.99%
50℃时可分别提升7%和4%的通量；75℃时可分别提升40%和36%的通量
参考文献
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[28]
[29]
[30]
[31]
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珠状冷凝时，水蒸气在疏水表面上凝结成的水珠不能湿润壁面，只能形成一粒粒直径很小的液滴，没有被液滴覆盖的区域仍可以与水蒸气直接接触，仍具有较高的传热系数[32]。

因此可以通过对冷凝板表面进行疏水改性以减少表面液膜的形成，有利于提高膜蒸馏过程的热效率。

纪仲光等[33]对比了铜管
[热导率386.4W/(m·K)]、不锈钢管[热导率17W/(m·K)]和聚氯乙烯管[热导率0.17W/(m·K)]三种材质的冷凝管对AGMD性能的影响，在运行温度范围内铜管和不锈钢管相较聚氯乙烯管对AGMD过程性能的提升幅度分别达55%和56%。

除了选择合适的冷凝壁材料外，还可以通过对冷凝材料表面改性来实现冷凝强化。

如刘灯辉等[34]将玻璃片和TiCl3放入水热反应釜中进行水热反应生成致密的TiO2薄膜，然后用全氟硅烷通过气相沉淀法对玻璃片表面进行超疏水改性获得超疏水表面，最后用掩膜紫外光刻法使部分疏水表面区域获得亲水性，以此来制得一种超亲水-超疏水组合壁面，其冷凝效率相较未改性的光滑铜片提升39%。

Warsinger等[35]用纳米结构的硅化氧化铜对AGMD的冷凝板表面进行改性，改性后的冷凝表面水接触角可达164°±4°，产水率最高可提升120%，但产水率的增加率会随温差的增加而降低。

冷凝板表面结构对冷凝板的冷凝效率有着显著的影响。

冷凝板表面结构包括冷凝板的表面波纹度、表面缺陷、表面纹理、表面粗糙度等。

刘振艳等[36]研究发现，波纹管由于其波纹结构使得液体发生二次绕流，削弱了浓度和温度边界层从而强化了传热效果，当管径为32mm时，波纹管的传热系数是光滑管的1.93倍。

2.3 膜蒸馏工艺优化
制约膜蒸馏发展的主要问题包括膜蒸馏通量较小、过程能耗高以及疏水膜的成本高。

解决这些问题除了需要制造高通量的商用膜，还可以通过利用太阳能、地热能等低品位能源作为天然热源以减少电能消耗，除此之外还需要对膜蒸馏过程进行工艺优化以提高热效率和膜通量。

2.3.1 能量回收优化
膜蒸馏过程能耗和过程成本问题一直是制约膜蒸馏发展和工业化的重要问题[37]。

膜蒸馏的主要驱动力为蒸气压差，跨膜温差增大有利于提升膜蒸馏过程的推动力，但同时也会加剧温度极化和热量损失。

对比反渗透、电渗析等传统脱盐技术，膜蒸馏的一个显著特点是在蒸馏过程中水发生了相变，相变潜热大导致其过程能耗较高。

降低膜蒸馏的过程能耗，提高膜蒸馏热效率的基本思路是对能量利用方式的优化，对能量回收利用的优化主要有两种方式：开发新型能源或低品位能源以及开发新型能量回收型膜蒸馏设备。

能量回收型膜蒸馏设备可分为外部回收型和内部回收型，外部回收型即将膜蒸馏组件与外部换热器或与其他能量回收技术进行耦合，如热泵-膜蒸馏技术；内部回收型即将膜蒸馏组件设计为能量回收型组件或将热量多级利用，如多级多效膜蒸馏技术。

相关能量回收型膜蒸馏研究见表3。

2.3.2 外加物理场强化
膜蒸馏的成本较高的原因是多方面的，比如：过程能耗高、膜通量较小、膜污染问题无法避免需要频繁更换膜丝、高通量疏水膜制作成本高等。

因此，除了在疏水膜、膜组件结构和操作条件上对膜蒸馏进行优化获得高通量外，还可以在膜蒸馏工艺流程上进行强化来提高膜蒸馏的通量，比如对膜蒸馏外加如电场、超声场等。

目前国内外不少研究都已经证明，对膜蒸馏外加物理场强化其过程能够明显提高其膜通量并缓解膜污染，以提高疏水膜的使用寿命。

Al-Juboori等[43]用低功率的超声波场强化AGMD
表3　能量回收优化案例
工艺
三级并联和三级串联AGMD
能量回收AGMD 组件
用于海水深度浓缩的多效膜蒸馏多效膜蒸馏用于氢氧化钠溶液浓缩耦合热泵型三级减压多效膜蒸馏能量回收
形式
内部回收
内部回收
内部回收
内部回收
外部回收
参数
热料液温度90℃，原料液温度20℃，气隙厚
度4.0mm
热料液温度90℃，原料液温度40℃，气隙厚
度0.5mm，中空纤维膜/换热管为2/1
热料液温度95℃，原料液温度30℃，进料流
量40L/h，料液浓度34g/L
热料液温度95℃，原料液温度30℃，进料流
量30L/h，料液浓度200g/L
热料液温度70℃，原料液温度30℃，料液流量
104L/h，冷却水流量54L/h，热泵COP为3.11
膜通量/L·m-2·h-1
并联时为单级的3倍；
串联时为单级的2.6倍
3.1
3.61~6.07
3.05
2.26
造水比
—
4.3
4.96~
13.2
5.04
3.65
其他
并联的能量利用率
为0.6，串联为0.45
热效率80%以上
截留率99.9%
截留率99.9%
—
参考
文献
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[39]
[40]
[41]
[42]
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