膜蒸馏_结晶技术的研究现状和发展前景

第7卷第3期环境污染治理技术与设备

Vol.7,No.32006年3月Techniques and Equi pment for Envir on mental Polluti on Contr ol

Mar.2006

膜蒸馏2结晶技术的研究现状和发展前景

郭宇杰1

　栾兆坤1

　陈　静2

　范　彬

13

(11中国科学院生态环境研究中心,北京100085;21中国矿业大学化学与环境工程学院,北京100083)

摘　要　膜蒸馏2结晶工艺是一种新的回收纯物质方法,尤其从废水中分离出晶体。对于膜蒸馏2结晶技术进行了综

述,介绍了膜蒸馏2结晶技术的优点,以及工艺控制的关键技术。概述了膜蒸馏2结晶的起源和国内外研究现状,指出了膜蒸馏2结晶在高浓度无机盐废水中应用的优势,预测其在该方向上很好的发展前景。

关键词　膜蒸馏2结晶　膜蒸馏　高浓度无机盐废水　结晶

中图分类号　X506 文献标识码　A 文章编号　100829241(2006)0320019206

The presen t situa ti on and prospects of m em brane

d istill a ti on 2cryst a lli za ti on techn i que

Guo Yujie 1

　Luan Zhaokun 1

　Chen J ing 2

　Fan B in

1

(11Research Center f or Eco 2Envir onmental Sciences,Chinese Acade my of Sciences,Beijing 100085;

21School of Che m ical and Envir onmental Engineering,China University of M ining and Technol ogy,Beijing 100083)

Abstract Me mbrane distillati on 2crystallizati on is a new method of recovering materials es pecially fr om waste water .The technique of me mbrane distillati on 2crystallizati on is intr oduced in this paper .The advantages and the sticking points in operati on are als o described .The origin and the p resent situati on of me mbrane distil 2lati on 2crystallizati on are su mmarized fr om full and accurate literatures .It is pointed that app licati on of this tech 2nique in high concentrati on inorganic salt waste water has p r om ising p r os pect .

Key words me mbrane distillati on 2crystallizati on;me mbrane distillati on;high concentrati on inorganic salt waste water;crystallizati on

资助项目:国家“863”高技术研究发展计划资助项目(2002AA601310)收稿日期:2004-12-25;修订日期:2005-09-22

作者简介:郭宇杰(1973～),女,博士研究生,主要从事膜分离技术

研究工作。

3通讯联系人,E 2mail:fanbin@rcees .ac .cn

1　膜蒸馏

1.1　膜蒸馏的起源及优点膜蒸馏是一种用疏水性微孔膜将2种不同温度的溶液分开,利用膜孔两侧气相中的组分的分压差为传质驱动力,从而完成传质的一种膜分离技术。20世纪60年代Findley 首先在其专利中描述了这种分离技术,但由于没有合适的膜材料,70年代陷入低潮。80年代之后,随着膜材料工业的发展,膜的开孔率达到80%,厚度仅为50μm ,膜的通量提高

了100倍,膜蒸馏又开始引起人们的重视[1,2]

。随后科研人员在膜材料的制作[3～5]

、膜组件的优化

[6,7]

、传质传热的机理及数学模型的建立

[8～10]

等

进行了详细深入的研究,取得了较大的进展。与传统的分离过程相比,膜蒸馏具有如下优势[2,3,11]:(1)膜蒸馏在常压下操作,比其他压力驱动的膜分离过程对设备和膜的机械性能要求低;(2)操作温度远低于溶液的正常沸点,相对于常规

的蒸馏过程,可以采用非金属设备,既节约能耗,也降低了设备成本,减小了腐蚀;(3)所采用的疏水性

微孔膜一般为聚丙烯(PP )、聚四氟乙烯(PTFE )和

聚偏氟乙烯(P VDF )等,具有极好的化学稳定性,耐

酸碱、

抗氧化,很难溶胀或溶解;(4)疏水性微孔膜的完好的疏水性可以很好地抵抗亲水性物质的污染,而且易于清洗;(5)能够完全截留溶液中非挥发

性物质,理论上可以达到100%的截留率。

1.2　

膜蒸馏的主要应用范围膜蒸馏的基本过程为在料液侧得到非挥发性物质的浓缩液,同时在馏出液侧得到高纯度的挥发性

物质。在最初阶段,开发膜蒸馏的主要目的是用于海

环境污染治理技术与设备

第7卷

水、苦咸水除盐制取饮用水[1,12,13]

及饮用水中HOV s

的脱除[14];随后进行了高纯水制备的研究[15,16]

及鲜

果汁的浓缩[17～19]

;由于膜蒸馏不在沸点操作,因此料液不遵从沸点下的气液平衡规律,可以用于分离

恒沸混合物[20]

;在废水处理中,可以用于综合治理

纺织废水[21,22],去除挥发性物质(如苯酚[23]

、氰化物[24]、盐酸[25～27]等),浓缩回收化工废水中非挥发

性物质如硫酸[28]、重金属离子[29～31]

等,浓缩处理放射性废水[32,33],净化含油废水[34,35]

。2　膜蒸馏2结晶

膜蒸馏相对于其他膜过程的主要优势之一是受

溶液浓度的影响很小。Schofield 等[36]

对盐溶液的实验研究表明,5mol/L 的NaCl 溶液中水的饱和蒸气压比纯水仅下降了25%,膜蒸馏通量下降了30%,由此可见,膜蒸馏相对于其他膜分离过程可以

处理极高浓度的水溶液。如果溶质是容易结晶的物

质,可以把溶液浓缩到过饱和状态而出现结晶,是目

前能从溶液中分离出结晶产物的膜过程之一[37]

。膜蒸馏2结晶是膜蒸馏和结晶

2种分离技术的耦

合[38]

,通过膜蒸馏来去除溶液中的溶剂,将料液浓

缩至过饱和状态,在结晶器中得到晶体。在膜蒸馏2结晶过程中,溶剂的蒸发和溶质的结晶分别在膜组件和结晶器中完成。2.1　膜蒸馏2结晶工艺流程

经过预处理或预浓缩的盐溶液加热到预定温度,进入一级膜蒸馏膜组件的料液侧,馏出液一部分

进入冷却装置循环冷却,以维持冷侧温度,剩余部分

收集起来作为高纯水产品。在运行过程中,维持尽

可能高的温差和流速,得到较大的膜通量,从而减少

膜面积和设备投资;一级浓缩液根据二级膜蒸馏的设定温度来调节其温度,进入二级膜蒸馏组件的料液侧,馏出液操作同上,在运行中维持较低的温差和适当的流速,减小料液侧的温度极化和扰动结晶发生的可能性,在防止料液结晶的前提下,得到尽可能高的盐浓度或过饱和度;二级膜蒸馏的浓缩液进入合适的结晶器中进行结晶,结晶产品回收或回用。结晶后的二次母液加热,回流至二级膜蒸馏重新浓缩。

膜蒸馏2结晶工艺的流程如图1所示。

图1　膜蒸馏2结晶工艺流程图

Fig 11　Fl ow sheet of me mbrane distillati on 2crystallizati on p r ocess

首先,在一级膜蒸馏中,维持较高的温差和较大的流速,以尽可能大的膜通量较快去除大部分的溶剂,使料液接近饱和,然后进入二级膜蒸馏,在较低的温差和较低的流速下,使得料液在较温和的状态下达到亚稳的过饱和状态,再进入下一步结晶过程。

在膜蒸馏2结晶过程中,最重要的就是阻止溶质

在膜组件内结晶。若溶质的溶解度随温度的升高而有较大幅度的增加,则在膜组件的料液入口前将料液加热至适当的温度,保证料液在组件内流动过程中始终处于未饱和状态,可以有效地防止组件内结晶的发生,在该过程中,同时要考虑到温度极化所产生的料液主体和膜面上的温度梯度。其次,在料液侧循环泵的入口处一定要采用过滤装置,既可以防止颗粒物堵塞膜组件的膜孔,同时

又可以去除料液中的晶核[38]

。在料液中没有晶核存在的条件下,即使膜蒸馏过程中料液达到过饱和状态,也可以不发生结晶现象,这样可以提高料液的饱和度,在结晶器中可以得到更加完美的晶体。

另外,维持料液的流速也十分重要。较高的流

速可以冲刷膜表面,减弱膜表面晶体的沉积,但是过高的流速会产生扰动结晶,因此,流速的选择是膜蒸馏2结晶过程顺利进行的一个重要因素。最后,维持膜两侧的温差也很关键。大量研究证明,较高的温差可以得到较高的膜蒸馏通量,但是,同时也加强了温度极化和浓度极化现象,使得料

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