料液强化流动对气扫式膜蒸馏影响的实验研究

料液强化流动对气扫式膜蒸馏影响的实验研究
张大帅;李晨;张小朋;吴迪;熊玉琴;林强;史载锋
【摘要】采用聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜组件,对比研究稳定流气扫式膜蒸馏(SSGMD)、脉冲流气扫式膜蒸馏(PSGMD)、鼓气流气扫式膜蒸馏(GSGMD)、鼓
气流和脉冲流结合式(P&GSGMD)4种膜蒸馏模式,以膜的渗透性能、膜污染状况、热效率为指标,判断4种模式的优越性.研究了SSGMD膜蒸馏过程中进料温度(Tf-in)和进料流量(Qf)对膜通量(J)的影响,选择了最佳的条件,对比4种膜蒸馏方法在膜蒸馏过程中膜的渗透性能、膜表面污染情况、热效率.结果表明,采用SSGMD工艺,J随Qf、Tf-in的增大而增大;在4种膜蒸馏过程中,GSGMD过程中膜通量相对
最大、热效率最高(49.21％)、膜的污染最小.
【期刊名称】《膜科学与技术》
【年(卷),期】2018(038)003
【总页数】7页(P91-96,109)
【关键词】脉冲流;鼓气流;气扫式膜蒸馏;通量强化比;热效率
【作者】张大帅;李晨;张小朋;吴迪;熊玉琴;林强;史载锋
【作者单位】海南省水环境污染治理与资源化重点实验室,海南师范大学化学与化
工学院,海口571158;海南省水环境污染治理与资源化重点实验室,海南师范大学化
学与化工学院,海口571158;海南省水环境污染治理与资源化重点实验室,海南师范
大学化学与化工学院,海口571158;海南省水环境污染治理与资源化重点实验室,海
南师范大学化学与化工学院,海口571158;海南省水环境污染治理与资源化重点实
验室,海南师范大学化学与化工学院,海口571158;海南省水环境污染治理与资源化
重点实验室,海南师范大学化学与化工学院,海口571158;海南省水环境污染治理与资源化重点实验室,海南师范大学化学与化工学院,海口571158
【正文语种】中文
【中图分类】TQ028.8
膜蒸馏(MD)是以膜两侧的蒸汽压差作为传质推动力，具有能耗低、污染小、截留率高等优点[9]，自20世纪90年代以来，膜蒸馏工艺受到越来越多的关注，不但具有高疏水性膜材料的制备技术有了大幅提高，而且对膜蒸馏过程的传质/传热效率强化和膜表面污染防治也进行了大量研究.
膜蒸馏海水淡化技术是一种新兴的热驱动水处理淡化技术，所使用的膜材料主要有陶瓷膜和高分子聚合物膜两类，其中高分子聚合物膜中聚偏氟乙烯(PVDF)膜具有良好的渗透性能和高的截留率.膜蒸馏技术可使用廉价易得的低品位余热在低温低压下操作，实现低/零排放[1-5].因此，将聚偏氟乙烯(PVDF)膜在海水淡化的膜蒸馏技术越来越受到人们的广泛注.
然而，膜蒸馏过程中，沉积在膜表面的盐晶体会导致膜孔堵塞，跨膜传质/传热阻力进一步增大[6]，从而导致跨膜通量的急剧下降[7]，为了防止在高浓度膜蒸馏过程中渗透通量的下降延长膜的使用寿命，必须采用相应的技术提高流体在膜表面的剪切力[8].
本研究在课题组前期工作基础上[9-11]，以海水作为进料液，应用PVDF中空纤维膜组件，研究稳定流气扫式膜蒸馏(SSGMD)海水淡化情况，考察进料温度和进料流量对膜通量的影响及其膜的稳定性能，并对比稳定流气扫式膜蒸馏(SSGMD)、脉冲流气扫式膜蒸馏(PSGMD)、鼓气流气扫式膜蒸馏(GSGMD)、鼓气流和脉冲流结合式(P&G SGMD)在淡化海水过程中膜的渗透性能、膜表面的膜污染状况及热
效率.为气扫式膜蒸馏海水淡化提高传质与抗污染性能提供相应的解决方案.
1 实验装置与方法
1.1 实验试剂与设备
NaCl分析纯；去离子水自制；电子天平JJ1000；自吸泵EC - 101 - 50；超静强
力气泵海利V - 30；低温冷却液循环泵DLSB - 5/20；时间继电器DH48S - S；
电磁阀2W160 - 20；数显水浴恒温箱HH - 4；数字电导率仪DDS - 11A；流量
计LZB - 10.
1.2 膜与膜组件
实验所用PVDF中空纤维膜是由江苏旌凯环保科技有限公司提供，膜孔隙率78%，平均孔径0.22 μm，内径0.9 mm，外径1.2 mm，接触角113°±1.7°，膜组件长度为230 mm，膜丝的长度为180 mm，填充因子分别为12.8%、32%，有效膜面积约为1.017 4×10-2 m2、2.543 4×10-2 m2.
1.3 实验装置
实验过程中搭建4套装置，分别为SSGMD装置、PSGMD装置、GSGMD装置、P&G SGMD装置，图1为 P&G SGMD工艺示意图.
SSGMD装置：系统分为热循环和冷循环两部分.在热循环中，由自吸泵将料液从
恒温槽抽出，流经液体转子流量计，从膜组件的下端流入，经循环后流回恒温槽.
在冷循环中，低温冷却液循环泵制备的冷却水，经液体转子流量计，至流入冷凝管下端，再由冷凝管上端循环流回低温冷却液循环泵.同时采用超静强力气泵吹扫膜
腔内的渗透蒸汽，至组件外的冷凝管，冷凝后流入收集器，电子天平收集数据.(TI)为温度显示器、(PI)为压力显示器，(CI)电导率显示器.
PSGMD装置是在 SSGMD工艺装置的热循环中，在转子流量计与PVDF膜组件
中间加入了电磁阀耦合时间继电器从而形成脉冲流，从而构成脉冲流式气扫式膜蒸馏装置.
GSGMD装置是在 SSGMD装置的上进行改装，在气泵处接入三通阀通过分流方式，将气泡从膜组件的入口侧导入，从而构成鼓气流式气扫式膜蒸馏装置.
P&G SGMD装置是在 SSGMD装置基础上，在转子流量计与PVDF膜组件中间
加入了电磁阀耦合时间继电器从而形成脉冲流，在气泵处接入三通阀通过分流方式，将气泡从膜组件的入口侧导入，在膜组件的入口处交汇形成气液两相脉冲流.
图1 P&G SGMD工艺流程示意图Fig.1 Schematic diagram of P&G SGMD process
1.4 实验方法
1.4.1 操作参数对气扫式膜蒸馏过程的影响
1.4.1.1 进料流量对膜渗透性能的影响
海水采取多层纱布过滤除泥沙后，作为进料液，将进料温度固定在353 K、将冷却温度固定在283 K、气扫速度Qa为0.84 m3/h、膜组件填充因子FF为32 %，
当进料流量Qf分别为10、20、40、80 L/h时，通过SSGMD对进料流量对膜的渗透性能的考察，每隔4 min取1个样，取样时间60 min，共样15个样.
1.4.1.2 进料温度对膜渗透性能的影响
料液同1.4.1.1，固定料液流速Qf为80 L/h、冷凝温度Tc为283 K、气扫速度
Qa为0.84 m3/h、组件填充因子FF为32 %，当料液温度Tf-in分别为323、333、343、353 K时，通过SSGMD对进料温度对膜的渗透性能的考察，每隔4 min取1个样，取样时间60 min，共样15个样.
1.4.2 不同强化方法对比实验.
1.4.
2.1 渗透通量对比
以未预处理的海水为进料液，当料液流速Qf = 50 L/h，气扫速度Qa = 0.84
m3/h，冷凝温度Tc = 283 K，料液温度Tf-in = 333 K，组件填充因子FF=
12.8 %时，通过对比PSGMD (PF/PL=1 min-1/0.5 s)、GSGMD (Qb=0.5 L/h;
RHb= 74%; Db = 2.2 mm，气泡鼓歇比=30 s/3 min)、P&G SGMD (PF/PL=1 min-1/0.5 s，Qb =0.5 L/h; RHb=74%; Db =2.2 mm，气泡鼓歇比=30 s/3 min) 强化法对海水淡化过程中对水通量的影响.实验中使用皆为新的膜组件，每隔10 min取1次样，取样时间400 min，共样40个样.
1.4.
2.2 膜污染控制对比
对1.4.2.1实验后膜的膜表面形态进行SEM结构表征，将稳定流气扫式膜蒸馏(SSGMD)、脉冲流气扫式膜蒸馏(PSGMD)、鼓气流气扫式膜蒸馏(GSGMD)、鼓
气流和脉冲流结合式(P&G SGMD)4种膜蒸馏模式处理海水后的膜，进行膜表面
的SEM表征，再与新膜表面的SEM图进行对比.
1.4.
2.3 热效率对比
对比SSGMD、PSGMD、GSGMD、P&G SGMD 4种膜蒸馏工艺的热效率.
1.5 分析方法
渗透通量[9]的计算式为
(1)
式中，J为膜通量，kg/(m2·h)，m为渗透液质量，kg，A为膜的有效面积，m2，t为收集时间，h.
膜蒸馏的热效率由式(2)～ (4)计算[10].
(2)
Q=CphVhρh(Thi-Tho)
(3)
Qe=JAHv
(4)
式中，Thi，Tho分别为料液的进出口温度，℃;Q为热测料液提供的总热量(忽略热损失)，kJ/h;Qe为水分蒸发所需的热量，kJ/h;Hv为热侧平均温度Tm下水的蒸发潜热，kJ/kg.
2 结果与讨论
2.1 操作参数对气扫式膜蒸馏过程的影响
2.1.1 进料流量对膜性能的影响
由图2可知，膜通量随着进料温度的增大而增大.当进料流量为80 L/h ，膜通量较高其值达到2.0 kg/(m2·h)，比进料流量为10 L/h 的膜通量增加100%.
图2 进料流量Qf (L·h-1)对膜通量的影响Fig.2 Effect of feed flowrate Qf (L·h-1) on permeate flux
当进料流量增大时，一方面，料液的Re数随流速增大而增大，料液在膜组件中的湍流程度也不断提高，进而导致膜表面与主体料液之间的温度/浓度边界层厚度变薄，温度/浓度极化效果减弱，传热速度加快，从而使膜两侧的温差不断增大，跨膜压差也随之增大，相应地增加了跨膜传质的推动力，使J不断增大[12,15].另一方面，由于料液流量的增加，使料液在膜组件内的停留时间缩短，减少了料液在膜组件的热传导损失，进而增大了膜两侧的温差，传质推动力增大，所以J相应地增加[15].
2.1.2 进料温度对膜性能的影响
由图3可知，当进料流量为80 L/h时，膜通量随进料温度的增加而增加.当进料温度从323 K增大到353 K时，膜通量提高了150%.由于当进料温度增大导致跨膜压差增大，从而使跨膜驱动力的增大，因此膜通量提高.同时证明当冷凝测温度恒定时，随着进料温度增加，跨膜压差(Δp)随跨膜温差(Tfm-Tpm)的增大而增大，J 随温度呈指数增长[13-15].
图3 进料温度对渗透通量的影响Fig.3 Effect of feed temperature on
permeate flux
2.2 不同强化方法的对比
2.2.1 渗透通量对比
图4 渗透通量的对比Fig.4 Comparison of permeate flux
实验结果如图4所示,在400 min SGMD的4种膜蒸馏海水淡化模拟的过程中，
强化组P&G SGMD、PSGMD、GSGMD的膜通量均高于SSGMD，其中，GSGMD膜蒸馏的膜通量强化效果最好.膜蒸馏强化组有效地进行料液的混合，强
化组的气液两相流形成二次流能，增大剪切力，减浓度/温度边界层的厚度，削弱
浓度/温度极化效果，从而促进传质[15].
2.2.2 膜污染控制对比
为了更好地找出图5中造成膜通量J变化趋势的原因，对1.4.2.1实验后膜表面形态进行结构表征，图5(a)为新膜表面的SEM图，图5(b)～(d)、(e)～(g)、(h)～(j)、(k)～(m)分别为400 min稳定流气扫式膜蒸馏(SSGMD)、脉冲流气扫式膜蒸馏(PSGMD)、鼓气流气扫式膜蒸馏(GSGMD)、鼓气流和脉冲流结合式(P&G SGMD) 4种膜蒸馏模式处理海水后膜表面的SEM图.
图5(a)为新膜表面的SEM图.对比实验组使用过的膜SEM图5(b～d)、(e～g)、(h～j)、(k～m)，均出现了不同程度的膜表面的污染.再通过对比强化组和SSGMD 的膜表面，SSGMD的膜表面出现了较大块的结晶物质.图5(c～d)显示膜表面出现立方NaCl晶体，且尺寸密集较大晶型光滑完整.强化组P&G SGMD、PSGMD、GSGMD的膜表面的晶体较稀疏，晶面模糊不清，晶型颗粒较小.从图5中可见
P&G SGMD、PSGMD、GSGMD膜表面的晶体密集度依次降低，尺寸逐渐减小. 图5(g)P&G SGMD的膜表面出现多层蜂窝状结构，可能是由于脉冲流产生瞬态变化压力波导致气泡的爆破，而气泡爆破释放高能量，产生较强冲击力的微小水柱作用于膜表面形成的[15].图5(j)PSGMD的膜表面上出现不同程度的裂缝，可能是由
于由电磁开关诱导产生的水锤作用诱导纤维的振动，从而造成膜表面污染物的皲裂[15].GSGMD膜表面的晶体密集度稀薄且尺寸较小，气液两相流诱导产生二次流
能形成更强有力的剪切区域，扰乱晶体的正常结晶，并阻止晶体在膜表面的富集[15].
2.2.3 热效率对比
图6为稳定流气扫式膜蒸馏(SSGMD)、脉冲流气扫式膜蒸馏(PSGMD)、鼓气流气扫式膜蒸馏(GSGMD)、鼓气流和脉冲流结合式(P&G SGMD)4种膜蒸馏方法的热效率对比图.对比SSGMD、PSGMD、GSGMD、P&G SGMD 4种膜蒸馏模式的
热效率，其热效率分别为38.52%、44.47%、49.21%、41.19%，其中GSGMD
的热效率最高为49.21%.相对于未强SSGMD化组38.52%，P&G SGMD、PSGMD、GSGMD的热效率分别强化了6.93%、15.45%、27.75%.
图5 膜表面的SEM图Fig.5 SEM image of membrane
图6 热效率的对比图Fig.6 Comparison of thermal efficiency
3 结论
以过滤的海水为进料液，采用稳定流气扫式膜蒸馏工艺进行海水淡化模拟，实验表明：膜通量随着进料温度和进料流量的增大而增大.当进料流量为80 L/h ，膜通量较高其值达到2.0 kg/(m2·h)，比进料流量为10 L/h的膜通量增加100%.当进料
温度为353 K时，比进料温度323 K时膜通量增加了150%.
以未过滤的海水作为进料液，对比研究稳定流气扫式膜蒸馏(SSGMD)、脉冲流气
扫式膜蒸馏(PSGMD)、鼓气流气扫式膜蒸馏(GSGMD)、鼓气流和脉冲流结合式(P&G SGMD) 4种膜蒸馏模式，其中，鼓气流和脉冲流结合式(P&G SGMD)、脉冲流气扫式膜蒸馏(PSGMD)、鼓气流气扫式膜蒸馏(GSGMD)、稳定流气扫式膜蒸馏(SSGMD)工艺过程中膜通量的值逐渐增加；对比SSGMD、PSGMD、GSGMD、P&G SGMD 4种膜蒸馏模式的热效率，其热效率分别为38.52%、44.47%、
49.21%、41.19%，其中GSGMD的热效率最高.
未强化组膜表面晶体的密集度最大，且膜面附着晶体的晶型完整，晶面光
滑.GSGMD对流体造成最有效的扰动，有效地抑制晶体的正常形成，导致膜面晶体富集程度最小，且晶体沉积物的晶面不清晰.其中，GSGMD强化工艺在膜蒸馏海水淡化过程中渗透通量和热效率较高且膜污染最小，即GSGMD强化工艺在膜蒸馏海水淡化效果最佳.
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