膜蒸馏技术

热源


将 MD 过程与可再生能源（太阳能、地热能、风能等）相 结合，是优化 MD 过程的常见方式。随着太阳能集热器技 术的成熟，太阳能与 MD 技术的耦合研究也越来越普遍。 而且这种集成过程最主要的成本是初始投资，包括设备、 选址等，后续操作几乎不需要过多的投入。 除了太阳能与地热，还可采用微波照射的方式。这样可使 加热更为均匀，提高传质效果，对膜的性能不会造成影响， 但是可能会加重膜的结垢。
提高膜的固有传质系数，可减弱温差极化现象减弱。当膜的固有传质 系数较高时，流动阻力集中在边界层上，此时，增加扰动会带来传质 效果的提升，提高操作温度同样促进传质 。当然，设置挡板增加扰动 也会造成一定的能量损失，需要综合考察来权衡。
膜材料

MD过 程 使 用 的 膜 主 要 有 聚 四 氟 乙 烯PTFE） 、聚丙烯（PP） 、 聚乙烯（PE） 、聚偏氟乙烯（PVDF）等。然而这些膜基本是作为超 滤、微滤、反渗透等膜过程的商业用膜，并不能够完全胜任 MD过程 所需的疏水性、渗透率、抗污染能力等。 对不同的材料进行改性、修饰或复合，开发和研制了许多性能优异的 膜材料。如增加添加剂、改变膜的制作工艺、膜结构、纳米技术的应 用、添加阻垢剂等。
膜蒸馏技术
背景


膜分离技术是近 20 a 迅速发展起来的重要的化工单元，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领域。 膜蒸馏（ MD ）技术首先由B.R. Bodell 在 1963 年申请并 获得专利，在20世纪80年代才开始迅速发展，随着对MD 类膜分离过程研究的不断深入，一些与 MD相关的膜过程 相继出现并引起人们的重视，MD 技术在许多领域取得可 喜的研究成果，尤其在水溶液的分离中更具有优势。



膜组件的优化涉及传质传热、设备投资等方面，应与特定的MD过程及 工艺条件相结合，尤其是将多个方面综合起来研究，从系统角度进行 优化，力求获得整体性能的提升，加快MD技术的工业化步伐。


特点



所用的膜为微孔膜； 膜不能被所处理的液体润湿； 在膜孔内没有毛细管冷凝现象发生，只有蒸汽能通过膜孔 传质； 所用膜不能改变所处理液体中所有组分的气液平衡； 膜至少有一面与所处理的液体接触； 对于任何组分该膜过程的推动力是该组分在气相中的分压 差。
膜蒸馏的分类

MD可分为4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，又名减压膜蒸 馏），如图2-5所示，不同MD装置的区别主要在于蒸汽穿过疏水膜后 冷凝回收方式的不同
分类
（1）直接接触式膜蒸馏（DCMD）这种装置相对简单，两侧的液体直接与 多孔膜的表面接触，蒸汽的扩散路径仅仅局限于膜的厚度。它是出现最早也 是研究最广泛的膜蒸馏过程，但其热损耗也最大。 （2）气隙式膜蒸馏（AGMD）在冷凝面与膜表面之间有一停滞的空气隙存 在，蒸汽穿过气隙后在冷凝面上冷凝。与 DCMD 相比，由于气隙的存在， 减小了过程热损耗，但增加了传质的阻力。适合两侧温差较大的蒸馏过程。 （3）气扫式膜蒸馏（SGMD）装置与AGMD 相似， 不同在于使用惰性气体 将透过侧的蒸汽吹出组件，在外部进行冷凝。由于惰性气体的加入，可以减 少部分热量损耗，同时还可加快传质。但所需冷凝器的体积较大。 （4）真空膜蒸馏（VMD）与 SGMD 类似，用真空泵抽吸代替吹扫，使透 过侧处于低压状态（不低于膜被润湿的压力），将透过侧的蒸汽抽出，并在 膜组件外冷凝。 这种方式可以大大减小热损失，且透过通量较大。当然， 操作费用也相应增加。
原理

MD是膜技术与蒸发过程相结合的膜分离过程，以膜两侧蒸汽温 度差为传质驱动力，它是热量和质量同时传递的过程，膜孔内 的传质过程是分子扩散和努森扩散的综合结果。MD 蒸馏原理 （直接接触式）如图1所示
原理

MD 过程是一种热驱动过程， 通过疏水性多孔膜将热料液 （热侧）与透过侧（冷侧） 分隔开，由于进料侧的蒸汽 压高于透过侧的蒸汽压，在 压差梯度作用下，蒸汽分子 由热侧透过膜孔迁移至冷侧， 再经冷凝，其他组分则被疏 水膜阻挡在热侧，从而实现 混合物提纯或分离的目的。
对于处理高浓度的含盐废水、高浓度的氨氮废水 ，MD 技术具有突出的优势。 目前含放射性废水的治理方法主要有吸附法、化学沉淀法、蒸发法、离子交换 法等 ，膜分离技术因其运行经济和对环境不造成二次污染而显示出优越性。并 且MD 技术不涉及高压，对进料浓度无严格要求，可实现高的去除率这些特点， 因此在核电工业废水处理中的应用潜力巨大。
缺点

MD 是一个有相变的膜过程，汽化潜热降低了热能的利用 率； MD 与制备纯水的其他膜过程相比通量较小，目前尚未实 现在工业生产中应用； MD用膜的材料和制备工艺选择方面有限； MD过程中的膜污染是其实现工业应用的主要障碍。


应用
海水淡化 从目前MD在海水淡化产业的应用情况看，尚未见MD在海 水淡化产业中大规模应用的报导。但相关的中试产水规模取 得了一定的进展。利用工业上使用的海水余热或用工业废热 加热海水进行 MD海水淡化，具有成本低、设备简单、操作 容易、能耗低等优点，证明 MD 技术在诸多海水淡化工程中 有一定的竞争力。 苦咸水脱盐 MD 作为苦咸水脱盐技术之一，因其高效、节能、工艺简 单等特点，在我国水资源持续发展战略中起着越来越重要的 作用。 MD 脱盐的产水质量是其他膜过程不能比拟的，产水 的电导率可达到0.8μS/cm，TDS 质量分数可达到6.0×10-7。 由于渗透压对MD影响较小，采用RO与MD集成膜过程脱盐 也是合理可行的。

应用

废水处理
MD技术用于废水处理，目前主要有从废水中除去痕量、挥发的有机化合物、 浓缩离子、胶体或其他相对不挥发的水溶液。MD是环境友好的分离技术，在工 业废水处理方面具有很好的应用前景。
热电工业的冷却塔废水往往含有多种易结垢离子，采用 DCMD 装置并加入阻 垢剂进行处理，浓缩倍数可达 8 倍，水的回收率也提高至 87%。
可能的瓶颈及解决方案

高的能耗与低的热效率是MD过程亟待解决的问题，借助风能、地热能、 太阳能等可再生能源，使用多级热回收装置，都是可借鉴的优化途径。 加强这方面的研究，对于拓宽应用范围，降低运行成本意义重大。
目前MD过程尚无特定的商业用膜，膜材料的性能提升，膜的抗润湿与 抗污染，始终是研究的热点领域，最终的结果是研制出适用于MD过程 的低价高效膜材料。 大多数MD研究尚处于实验室规模，工业化还不成熟。除DCMD以外， 其他MD类型也应受到更多的关注，它们在膜通量及热效率上有更突出 的优势。
膜蒸馏技术的传质与传热
由此可见 MD 分离的传质过程主要由 3 个阶段组成：①水 分在膜的热料液侧蒸发；②水蒸气穿过膜孔的迁移过程； ③水蒸气在膜的另一侧冷凝。 与之相关的传热过程则主要包括 4 个方面：①热量由料液 主体通过边界层转移至膜表面；②蒸发形式的潜热传递； ③热量由热侧膜表面通过膜主体和膜孔传递到透过侧膜表 面；④由透过侧膜表面穿过边界层转移到气相主体。
参数

MD过程是传质与传热同时进行的过程，衡量 这两种过程效果的相应参数分别是膜通量与 热效率。而对二者影响较大的主要是过程的 操作参数以及膜的特性参数。
参数




操作参数 主要影响参数有进料温度、浓度、进料流量、真空度、气 体流速等。 进料温度和跨膜温差对膜的通量有重要影响，温度升高则 蒸汽压变大，这就直接导致过程推动力的增加。提高进料 温度和进料流量可以增加 MD的通量，这是由于高流速下的 混合更为理想，边界层变薄，膜表面的传质效果更好。但 是通量随流速的增加有一个最优值，之后会趋于稳定或是 略微下降，这可能与热量损失有关。 高的进料浓度会降低蒸汽压力，并引起浓差极化，而且有 可能导致膜的堵塞，因而浓度增加则通量减小。
优点





蒸馏过程几乎是在常压下进行，设备简单、操作方便，可 以采用非金属设备； 在非挥发性溶质水溶液的 MD 过程中， 只有水蒸气能透过 膜孔，蒸馏十分纯净，有望成为大规模、低成本制备超纯 水的手段； 可以处理极高浓度的水溶液，是目前唯一能从溶液中直接 分离出结晶产物的膜过程； MD 组件很容易设计成潜热回收形式，并具有以高效的小 型膜组件构成大规模生产体系的灵活性； 膜两侧只需维持适当的温差即可进行操作，有望利用太阳 能、地热、温泉和工厂的余热等廉价能源。
参数
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膜特性参数
膜的特性参数主要包括膜的孔隙率、孔径大小及分布、曲折因子以及 膜厚度等。 膜的孔隙率影响蒸发面的大小，因此孔隙率越大，传质效果越好。


膜的厚度增加一方面会增加传质阻力，另一方面却能够减少能量的损 失 。
高的孔隙率、较小的弯曲因子和膜厚度值有助于通量的提高和极化现 象的降低。