化工原理大作业

膜蒸馏过程的研究进展

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中文摘要

摘要：膜蒸馏是一种采用疏水微孔膜以膜两侧蒸汽压力差为传质驱动力的膜分离过程，可用于水的蒸馏淡化，对水溶液去除挥发性物质。例如当有不同温度的水溶液被疏水微孔膜分隔开时，由于膜的疏水性两侧的水溶液均不能透过末空进入另一侧，但由于暖侧水溶液与膜界面的水蒸汽压高于冷侧，水蒸气就会透过膜孔从暖侧进入冷侧而冷凝，这与常规蒸馏中的蒸发、传质、冷凝过程十分相似，所以称之为膜蒸馏过程。本文介绍了膜蒸馏技术的发展历程以及膜蒸馏过程的基本概念、最主流的传质和传热机理研究、在各领域的应用概况、优点和缺点，并对膜蒸馏过程中存在的问题给出了相应的对策，最后对膜蒸馏技术的发展和研究趋势作了简要的评述。

关键词：膜蒸馏传质机理传热机理应用

膜蒸馏技术早在20世纪60年代中期就由M E Findley提出，并在国际上开始了较系统的研究，但由于受到当时技术条件的限制，膜蒸馏的效率不高。在随后的一段时间里出现一些专利对该技术进行改进，但在20世纪60、70年代膜分离研究者致力于采用反渗透、超滤、微滤等膜技术来解决水处理问题，膜蒸馏一直没有引起人们的足够重视，直到20世纪80年代初由于高分子材料和制膜丁艺技术的迅速发展，膜蒸馏才显示出其实用潜力。20多年来对这一新型膜分离过程的研究不断深入，虽然至今还未见大规模工业生产应用的报道，但无论在传质、传热机理方面还是在应用方面的研究都取得了巨大的进步，一些与膜蒸馏相关的膜过程相继出现并同样引起人们的重视。

1 膜蒸馏原理

膜蒸馏（membrane distillation ，简称MD）是一种采用疏水微孔膜以膜两侧蒸汽压力差为传质驱动力的膜分离过程，可用于水的蒸馏淡化，对水溶液去除挥发性物质。例如当不同温度的水溶液被疏水微孔膜分隔开时，由于膜的疏水性，两侧的水溶液均不能透过膜孔进入另一侧，但由于暖侧水溶液与膜界面的水蒸汽压高于冷侧，水蒸汽就会透过膜孔从暖侧进入冷侧而冷凝，这与常规蒸馏中的蒸发、传质、冷凝过程十分相似，所以称其为膜蒸馏过程。

2 膜蒸馏传质和传热机理研究

2.1 传质机理

20多年来，几乎所有关于膜蒸馏的研究都涉及不同实验条件对传质通量的影响规律，如料液温度、膜两侧温差、料液浓度、料液流动速度等，这些因素对蒸馏通量的影响规律已为人们所熟悉并基本得到共识，而且总结出影响蒸馏通量最根本的因素是膜两侧的蒸汽压力差：

J=Km * △P

其中Km被称为“膜蒸馏系数”；△P是跨膜蒸汽压力差。一般认为膜蒸馏系数只与膜本身有关，与操作条件无关，Km值的计算基本都是依据气态分子通过多孔介质的3种机理，即Knudsen扩散、分子扩散和Poiseille流动，具体机理的选择是根据气体分子运动的平均自由程入和膜孔径 dp的对比，当入<>dp时，气体分子与孔壁碰撞对传质产生重要影响，传质可用Knudsen扩散来描述。由于存在孔径分布，传质过程就不能用单一的机理来描述。区别在于不同的作者对3种机理有所侧重，并采用了不同的数学模型进行处理，但都得到了理论预测和实验数据相符的结果。Phattaranawik等人研究了孔径分布对直接接触式膜蒸馏的影响，认为孔径分布的影响并不重要。一般文献中都采用平均孔径，并认为在3种传质机理中，Knudsen扩散起主要作用。在直接接触式膜蒸馏实验中，采用Knudsen扩散模型进行计算就得到了很好的结果，但研究工作中较多的是采用Knudsen—分子扩散机理，也有的采用了Knudsen扩散—Poiseuille流动机理，最近Ding等人提出基于Knudsen分子扩散-Poiseuille流动的三参数KMPT模型来预测膜蒸馏系数和通量，得到较好的结果。不同作者提出数据处理的数学模型也有很大的差别，但多是以早期提出的数学模型为基础进行修饰或改进，如基于Schofield等人提出的模型、基于经典的尘气（dusty-gas）模型、基于多组分气态扩散的Stefan-Maxwell数字模型。另一种研究传质规律的方法是考察各种参数对通量的影响程度。对纯水膜蒸馏的研究表明，料液温度是影响纯水通量最重要的参数，增加膜厚度会减小通量，但也减小温度极化现象，料液温度升高时，温度极化的影响将变得十分重要。数据处理方法的改进也会减小数学模型预测的误差，任建勋[2]等人在计算中空纤维组件减压膜蒸馏通量时，采用对数平均压差法代替算数平均压差法，提高了计算的精确度。

2.2 传热机理

膜蒸馏过程中的热传递主要由2部分组成，一部分是在传质过程中的汽化—冷凝；另一部分是分离膜本身的热传导。在很多研究工作中对这2种形式的传热速率进行了成功的计算。汽化—冷凝热传递是必须的、正常的，但在渗透蒸馏过程中对通量会造成一定影响：一般认为渗透蒸馏是在恒温下进行的，但实际上由

于汽化—冷凝热传递会使膜两侧造成温差，不利于渗透蒸馏的进行。Phattaranawik[3]等人对直接接触式膜蒸馏研究表明，传质对传热的影响是可以忽略的，料液的温度起较大的作用，当料液温度低于50℃时，热传导是热量损失的主要来源。分离膜的热传导会降低膜两侧的温差，对膜蒸馏是不利的，所以降低分离膜的导热系数是十分必要的，如增加膜的孔隙率、增加膜的厚度，都是有利的措施，但也要考虑到增加膜厚度对传质是不利的。选择合适的膜材料、提高料液的温度和流速也可以减少热损失的比例。

3 膜蒸馏的应用

3.1 海水淡化

淡水资源短缺成为当今社会一大问题，海水淡化无疑是淡水来源的途径之一。目前从海水或苦咸水获得淡水的主要方法有：电渗析法、蒸发法、多级蒸馏法和反渗透法等。近年来迅速发展起来的蒸馏法与膜法相结合的膜蒸馏技术在海水淡化的应用中获得了成功，可望成为一种廉价高效制取淡水的新方法。利用工业上使用的海水余热或用工业废热加热海水进行膜蒸馏海水淡化，具有成本低、设备简单、操作容易、能耗低等优点，使膜蒸馏技术在诸多海水淡化工程有一定竞争力![4]

3.2 超纯水的制备

由于膜的疏水性，原则上只允许水蒸气通过微孔，因此能得到很纯的水。用减压膜蒸馏对自来水进行处理后，水质达到微电子工业用高纯度水三级和医用注射水的标准[5]。特别是近来新型高通量无机膜和有机-无机混合膜的开发成功，使得用膜蒸馏制备超纯水变为具有巨大商业潜力的工业手段。

3.3 废水处理

膜蒸馏与其他膜过程相比，其主要优点之一就是可以在极高的浓度条件下运行，即可以把非挥发性溶质的水溶液浓缩到极高的程度，甚至达到饱和状态[6]。张凤君[7]等人采用中空纤维膜蒸馏技术对含酚废水进行了研究，结果使浓度高达5000mg/L的苯酚经处理后可降至50mg/L以下，苯酚的去除率可达95%以上。刘金生[8]等人采用自制中空纤维膜蒸馏组件对油田联合站含甲醇污水进行膜蒸馏处理研究，质量浓度高达10mg/mL的甲醇水溶液经处理后可降至0.03mg/mL 一下。

3.4 共沸混合物的分离

膜蒸馏对某些共沸物也能起到分离效果。孔瑛[10]等人研究了用膜蒸馏技术来分离甲酸-水共沸混合物的可能性，结果表明，采用膜蒸馏技术来分离甲酸-