膜蒸馏

真空膜蒸馏 （Vacuum Membrane Distillation）
真空膜蒸馏（VMD），也称减压膜蒸馏，其操 作方式为：在透过侧施加一个小于液体进入膜孔压 力的负压，增大膜两侧的水蒸汽压力差，从而得到 较高的蒸馏通量，透过的水蒸汽被抽出组件外冷凝。 VMD与其它膜蒸馏过程的最根本区别在于 有真空系统提供增强驱动力。
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20000 几百
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膜蒸馏分类
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直接接触式膜蒸馏 空气隙膜蒸馏 吹扫气膜蒸馏 真空膜蒸馏
直接接触式膜蒸馏
(Direct Contact Membrane Distillation)-
直接接触式膜蒸馏(DCMD)，由于其低温侧液 体是在膜组件外冷却的，也称外冷式膜蒸馏。透过 侧为冷却的纯水，在膜两侧温差引起的水蒸汽压力 差驱动下传质，透过的水蒸汽直接进入冷侧的纯水 中冷凝。 DCMD具有组件和流程简单、通量大等优点， 具有广阔的应用前景。DCMD的不足之处在于其能 量利用率相对较低。
DCMD传递过程
膜蒸馏过程是热量传递和质量传递的复合过 程，所以该过程的传递机理包含传热机理和传质机 理，并且传热与传质相互影响制约。
• 传热过程 • 传质过程
传热过程 .
DCMD过程中的传热过程可分三步进行:
• 料液侧热边界层内的热传递； • 通过膜的热传递，膜内的传热包含两部分，即伴 随着跨膜传质而发生的汽化一冷凝热和膜材料本 身、膜孔气体的导热； • 渗透侧热边界层内的热传递。
最早蒸馏器
蒸馏实验室基本装置
膜蒸馏实验装置
膜蒸馏 (Membrane Distillation)
膜蒸馏，是膜技术与蒸发过程相结合的膜分 离过程。 膜蒸馏已被用于小规模的海水淡化、超纯水生 产以及高沸点、高浓度含水制品的脱水、浓缩，可 望成为一种廉价、高效的分离手段。
由多孔疏水膜的一侧流过热水溶液， 另一侧流过低温冷水时，由于膜的疏水 性，当膜两侧压力相近时，水不会从膜孔中通过， 但高温侧水溶液在膜表面产生的水蒸气在膜两侧蒸 汽压差的推动下可通过膜孔，进入低温侧并冷凝， 因此在低温侧可得到高纯水。
膜蒸馏背景
• 膜蒸馏首先出现于1966年，美国内务部盐 水局的海水淡化研究报告中对此作了介绍。 • 1967至1969年间，Findley提出了膜蒸馏的 概念，并进行了实验； • 1982年Gore发表用聚四氟乙烯进行膜蒸 馏，并论述了这种技术进行海水脱盐的可 能性；
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1986年在罗马召开的膜蒸馏研讨会 上，定义膜蒸馏过程有如下几层含义： 使用的膜是多孔的； 膜不能被膜两侧的料液润湿； 挥发性组分以蒸汽的形式通过膜孔； 各种组分通过膜的推动力是该组分在 膜两侧的蒸汽压差； 在膜孔中不发生毛细冷凝现象； 膜本身不影响其两侧不同组 分的汽—液平衡； 膜至少有一侧与料液直接接触。
分子扩散 （Molecular Diffusion）
由于物质分子的热运动而产生的扩散。 由一种或多种物质在静止的或滞流运动的同一 相内或不同相间进行。分子从浓度较大的区域向较 小的区域迁移，直到一相内各部分的浓度达到一致 或两相间的浓度达到平衡为止。
努森（Knudsen）扩散
气体在多孔固体中扩散时，如果孔径小于气体 分子的平均自由程，则气体分子对孔壁的碰撞，较 之气体分子间的碰撞要频繁得多，这种扩散，称为 Knudsen扩散。
传热过程
AGMD传热过程主要分为以下几步： • 热量以对流换热的方式从热水主体传递到膜面热 侧，这是热侧提供的总热量； • 水在膜面热侧吸收总热量中的部分热量(汽化热) 汽化成为水蒸气，此程进行的很快，瞬间完成； • 热量从膜面热侧传递到膜面冷侧.由于膜面两侧存 在温差，一部分热量以热传导方式传递到膜面面 冷侧，同时由于水蒸气质量的迁移而引起热量传 递；
疏水微孔膜可采用多种方法制备：
• 熔融拉伸法 • 相转化法 • 表面改性法
熔融拉伸法 将晶态聚烯烃材料在高应力下熔融挤出成平面 膜或中空纤维膜，然后在稍低于熔点的温度下进行 拉伸，在张力下进行定型处理，便可得到微孔膜。 拉伸膜能很好地保持膜材料的疏水性，但膜孔结构
不易控制，直接影响膜通量的大小。
膜蒸馏原理
膜蒸馏过程采用疏水微孔膜，以膜两侧蒸汽压 力差为传质驱动力，即用微孔疏水高分子膜将温度 不同的料液隔开，挥发组分在料液侧膜表面蒸发， 蒸汽在膜两侧蒸汽压差的作用下通过膜孔， 在膜冷侧得到冷凝。
膜蒸馏特征
与传统的分离过程相比，膜蒸馏过程 具有如下独特的优点： 100%的排斥溶液中的不挥发性物质，如离子、 大分子、固体颗粒； 操作温度比传统蒸馏过程低得多； 操作压力比其它压力驱动的膜分离过程低许 多； 处理液与膜之间的化学作用很小； 对膜的机械强度要求很低； 与传统的蒸馏过程相比，操作时所需的汽相 空间很小。
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膜蒸馏本身也有局限，它的弱点主要
如下：
• 膜蒸馏一个有相变的膜过程，汽化潜热降低了热 能的利用率； • 膜蒸馏与制备纯水的其他膜过程相比通量较小； • 膜蒸馏采用疏水微孔膜，在膜材料和制备工艺的 选择方面都十分有限。
膜蒸馏所用的膜
用于膜蒸馏的膜一般采用疏水性微孔 膜，同时膜材料必须耐温，以保证膜在热 溶液中稳定运行。几种高分子材料，如聚四氟乙烯 (PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)等，表面 能很低，具有疏水性，有很好的化学稳定性和热稳 定，因而常用于制备膜蒸馏所用的膜。
温度极化 传热过程中，膜两侧存在热边界层，料液侧由
于水的汽化膜表面温度低于料液主体温度，渗透侧 由于水蒸气的冷凝膜表面温度高于渗透液主体温 度，这种现象称为温度极化。
传质过程
DCMD的传质过程包括以下三个步骤: • 料液侧浓度边界层内的传质，即组分从料液主体 扩散到膜表面； • 水蒸气的跨膜传递，即水蒸气通过膜孔扩散到冷 侧膜表面； • 水蒸气在冷凝侧冷凝。
浓度极化
膜蒸馏过程中，挥发组分在膜表面蒸发，溶质 在膜表面的浓度高于料液主体的浓度而挥发组分的 浓度相对就降低，造成膜表面到主体料液之间的浓 度梯度，形成浓度边界层，这种现象就是浓度极化。
空气隙膜蒸馏 (Air Gap Membrane Distillation)
空气隙膜蒸馏（AGMD），由于其低温侧的冷 源设在膜组件内，由于冷壁与膜之间存在一空气 隙，也称内冷式膜蒸馏。透过侧的冷却介质与膜之 间有一冷却板相隔， 膜与冷却板之间存在气隙，从 膜孔透过气隙中的水蒸汽在冷却板上冷凝而不 进入冷却介质。 由于AGMD分离热效率较高，且冷凝渗透物不 与膜直接接触，可应用特殊场合。
AGMD传递过程
传质过程
AGMD质量传递主要分为以下几步： • 水分子从热溶液主体传递到膜面的热侧； • 水在膜面热侧汽化此过程进行得很快，近似认为 处于汽液平衡； • 水蒸气从膜的热侧通过膜孔扩散传递到膜的冷 侧； • 水蒸气从膜面冷侧通过空气隙到达冷壁热面； • 水蒸气在冷壁热侧凝结成水，此过程近似认为处 于汽液平衡。
目录
• • • • • • • • • 引言 —— 蒸馏 膜蒸馏 直接接触式膜蒸馏 空气隙膜蒸馏 吹扫气膜蒸馏 真空膜蒸馏 总结 渗透蒸馏 文献讲解
引言——蒸馏（Distillation）
蒸馏：一种分离液体混合物的方法 • 蒸馏的历史 • 蒸馏的原理 利用液体混合物中各组分挥发度的差别， 使液体混合物部分汽化并随之使蒸气部分冷 凝，从而实现其所含组分的分离。
1982年gore发表用聚四氟乙烯进行膜蒸馏并论述了这种技术进行海水脱盐的可膜蒸馏原理膜蒸馏过程采用疏水微孔膜以膜两侧蒸汽压力差为传质驱动力即用微孔疏水高分子膜将温度不同的料液隔开挥发组分在料液侧膜表面蒸发蒸汽在膜两侧蒸汽压差的作用下通过膜孔在膜冷侧得到冷凝
膜蒸馏
轮讲人： 指导教师：
李斯琳 杨立
教授
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热量从膜面冷侧传递到冷壁热面； 冷壁热面水蒸气冷凝放出汽化热，瞬间完成； 热量从冷壁热侧以热传导方式传递到冷壁冷侧； 热量从冷壁的冷面以对流换热方式传递到冷却水 主体。
吹扫气膜蒸馏
（Sweeping Gas Membrane Distillation）
吹扫气膜蒸馏（SGMD），操作方式为：在透 过侧通入干燥的气体吹扫。把透过的水蒸汽带出组 件的外面冷凝。 SGMD中，由于载气的吹扫而形成负压，导致 传质推动力比DCMD和AGMD大。但是SGMD中冷 凝器件的负荷很大，因为在大量的吹扫气中，只有 很少一点汽化的渗透物。
Separation and Purification Technology(2009)
Introduction
The scarcity of clean water has always been a major global concernand this issue is becoming more pressing with the anticipationof water shortage exacerbating to an alarming rate by the year 2025。
渗透蒸馏过程
渗透蒸馏包括如下三个连续的过程： • 被处理物料中易挥发组分的汽化； • 易挥发组分选择性的通过疏水性膜； • 透过疏水性膜的易挥发性组分被脱除剂所吸收。
渗透蒸馏特点
• 渗透蒸馏过程是一个等温的膜蒸馏过程； • 渗透蒸馏过程是一种能对被处理物料进行高倍浓 缩的膜分离过程； • 渗透蒸馏过程是一种能使被处理物料中易挥发组 分选择透过疏水膜的膜分离过程； • 渗透蒸馏在进行低倍浓缩时，其渗透蒸馏 速率要比一般超滤、反渗透速率要慢，而在 高倍浓缩时，其速率要快。
总结
渗透蒸馏 （Osmotic Distillation）
渗透蒸馏，又称之为等温膜蒸馏，它是建立在 渗透与蒸馏概念基础之上的一种新型膜分离技术。 它也使用疏水微孔膜，膜两侧也均为不浸润膜孔的 水溶液，其过程的进行依靠膜两侧溶液的渗透压差 与蒸汽压差将料液侧水蒸气传递到膜另一侧。
渗透蒸馏原理
相转化法 关键是相转化过程，即分子分散的单一相溶液 首先转化成以分子聚集体分散的双分子相液体，然 后进入胶化阶段。相转化法又可分为热法相转化和 湿法相转化两种。
表面改性法 与疏水微孔膜相比，亲水微孔膜的结构控制较 为成熟，将亲水微孔膜表面进行疏水性化改性，发 现改性后膜的膜蒸馏性能不低于疏水材料制成的 膜，成为制备高性能疏水性微孔膜的有效手段。
膜污染
膜的污染情况可大体上分类如下:
膜蒸馏主要应用领域
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海水和苦咸水淡化 超纯水制备 溶液浓缩和回收 溶液的结晶 废水处理
各种膜法海水淡化的能耗和费用
膜法
能耗 (kWh/m3)
费用 （日元/m3）
规模 （m3/天）
反渗透 膜蒸馏
电渗析
7 12 3（太阳能、废热）
18
200 — 300 250 — 300
膜结构参数
• • • • 膜厚 孔隙率 孔径 弯曲因子
膜性能
膜性能是指膜的物化稳定性和膜的渗透性。膜 的物化稳定性主要是指膜的抗氧化性、抗水解性、 耐热性和机械强度等，它取决于构成膜的高分子材 料的性能。 膜的渗透性能主要包括膜通量、截留率和通量 衰减这三个指标。另外一个影响膜的渗透性能的重 要因素就是膜污染。
渗度酒的制备
• 渗透蒸馏在医药、生化领域内的应用 在医药、生化产品的制备过程中，我们常常需 要对一些热敏性物料及剪应力敏感性物料进行高倍 浓缩，象疫苗、氨基酸、多肽、蛋白质、核酸、激 素、抗菌素进行浓缩。
文献讲解
Membrane distillation with hydrophobic macrovoid-free PVDF–PTFE hollow fiber membranes
SGMD传递过程
传热过程
SGMD传热过程为： 热量经料液侧的热边界层传递到膜界面，在膜 面处料液蒸发，蒸汽通过孔渗透蒸发到外侧，热量 以潜热的形式传递，同时也有部分热量通过膜的实 体部分以热传导的方式传递到另一侧。最后由空气 带出膜组件。
传质过程
由于气扫式膜蒸馏过程膜外侧有大量空气存在, 膜孔内也有大量空气存在, 因此其质量传递过程包 括分子扩散, 即水蒸气分子通过停滞空气的扩散。 另外由于水蒸气在0～100℃之间的分子自由程约为 0.2μm,与膜蒸馏所用膜的孔径在同一数量级, 需同时考虑分子与膜孔壁面的碰撞。因此气扫 式膜蒸馏传质过程是介于努森扩散与分子扩散 之间的过渡状态。