膜蒸馏

膜蒸馏过程的工艺流程综述化工81 王改成学号：07038018摘要：通过查阅近年来发表的有关文献，较全面地综述了新型分离技术——膜蒸馏过程的基本概念、特征、优缺点，并从传质机理、传热机理等方面，对膜蒸馏技术的研究现状进行归纳总结．在此基础上，总结了目前膜蒸馏技术主要应用的几个方面，最后对膜蒸馏技术进行了总结。

关键词：膜蒸馏；传质机理；传热机理；膜通量前言: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多年来对膜蒸馏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。

本文第一部分介绍膜蒸馏的特征、优点和缺点，第二部分介绍最新研究进展和应用研究情况，第三部分介绍膜蒸馏研究和发展方向。

1.膜蒸馏的特征、优点和缺点1.1膜蒸馏的特征膜蒸馏是一种新型的分离技术，是一种是以疏水性微孔膜两侧蒸汽压差为传质推动力的膜分离过程，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。

膜蒸馏过程区别于其他膜过程的特征是：[6,7]（1）所用的膜为微孔膜；（2）膜不能被所处理的液体润湿；（3）膜不能被所处理的液体浸润膜孔内无毛细管冷凝；（4）现象发生只有蒸汽能通过膜孔传质膜不能改变；（5）所用膜不能改变所处理液体中所有组分的气液平衡；（6）操作液体中各组分的汽液平衡膜至少有一侧要与操作液体直接接触；（7）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梯度。

1.2 膜蒸馏过程的优点膜蒸馏过程具有以下优点：（1）膜蒸馏过程几乎是在常压下进行，设备简单、操作方便，在技术力量较薄弱的地区也有实现的可能性；（2）在非挥发性溶质水溶液的膜蒸馏过程中，因为只有水蒸汽能透过膜孔，所以蒸馏液十分纯净，对离子、大分子、胶体、细胞及其他非挥发性物质能达到100％的截留，可望成为大规模、低成本制备超纯水的有效手段；（3）该过程能够处理反渗透等不能处理的高浓度废水溶液，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膜蒸馏结晶现象，是目前唯一能从溶液中直接分离出结晶产物的膜过程；（4）膜蒸馏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；（5）在该过程中无需把溶液加热到沸点，只要膜两侧维持适当的温差，该过程就可以进行，有可能利用太阳能、地热、温泉、工厂的余热和温热的工业废水等廉价能源, 降低能耗；(6) 截留率高,若膜不被润湿可达100%；(7) 操作压力较其他膜分离低；（8）在膜蒸馏过程中蒸发区和冷凝区十分靠近，实际上只是膜的厚度，蒸馏液却不会被料液污染，所以膜蒸馏与常规蒸馏相比具有较高的蒸馏效率，并且蒸馏液更为纯净；（9）在膜蒸馏过程中，由于液体直接与膜接触，最大限度地消除了不可冷凝气体的干扰，无需复杂的蒸馏设备，如真空系统、耐压容器等；（10）蒸馏过程的效率与料液的蒸发面积直接相关，在膜蒸馏过程中很容易在有限的空间中增加膜面积，即增加蒸发面积，提高蒸馏效率；1.3膜蒸馏过程的缺点[11]膜蒸馏过程具有以下缺陷：（1）膜蒸馏是一个有相变的膜过程，热量主要通过热传导的形式传递因而效率较低(一般只有30％左右)，汽化潜热降低了热能的利用率，所以在组件的设计上必需考虑到潜热的回收，以尽可能减少热能的损耗，与其他膜过程相比，膜蒸馏在有廉价能源可利用的情况下才更有实用意义。

（2）蒸馏通量小。

膜蒸馏与制备纯水的其他膜过程相比通量较小，所以目前尚未实现在工业生产中应用，如何提高膜蒸馏的通量也就成为一个重要的研究课题。

（3）膜蒸馏采用疏水微孔膜，与亲水膜相比在膜材料和制备工艺的选择方面局限性较大。

（4）由于温度极化和浓度极化的影响，运行状态不稳定。

（5）膜成本高。

2.膜蒸馏过程研究现状[2,3]20世纪80年代，早期随着新的制膜技术的发展，膜蒸馏过程的研究高潮再次掀起。

80年代初，Gore最先开发了一个卷式的组件，用于膜蒸馏过程。

瑞典NationalDevelopment公司采用板框式组件，对膜蒸馏进行了研究Enda采用中空纤维膜组件，对膜蒸馏过程进行理论性探索。

另一方面80年代以来人们对膜蒸馏过程的理论研究也逐步深入包括跨膜传质机理、跨膜传热过程及温度极化现象各种操作条件，对膜蒸馏过程的影响组件形式和结构对膜蒸馏传热传质过程的影响等，目前膜蒸馏尚未被商家接受而全面进入工业。

目前膜蒸馏过程的研究研究热点主要集中在以下几部分。

2.1 膜蒸馏的传质机理研究多年来，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*Δp （2）其中km被称为“膜蒸馏系数”；Δp 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[20]，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kunden扩散、分子扩散和poiseille流动。

．根据气体分子运动的平均自由程(λ)和膜孔径(dp )的对比，当λ<< dp时，气体分子间碰撞对传质产生重要影响，传质可用Poiseuille流动描述；当λ>>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．但是，由于存在孔径分布、温度极化、浓度极化等因素的影响，传质过程不能用单一的机理来描述，一般研究中采用下列两种模型:(1)介于Knudsen和Poiseuille之间的过渡模型;(2)介于Knudsen和分子扩散之间的过渡模型;后者是1991年，清华大学余立新等[19]在第一种模型的工作基础上，进行深人研究，得到的改进模型。

2.2 膜蒸馏中的热传递机理研究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（汽化潜热）；另一部分是分离膜本身的热传导（跨膜热传导）。

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。

．2003年，泰国国王Mongkut科技大学. Phattaranawik等人[12]建立传热模型时将传热过程看作非等焓且膜内温度分布呈非线性的，通过对直接接触式膜蒸馏研究表明，，在层流状态下传质对传热和边界层内传热系数的影响可以忽略，料液的温度起较大的作用，当料液温度低于50度时，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为选择合适的膜材料、提高料液的温度和流速也可以减少热损失的比例。

2005年，西班牙马拉加大学Ro—driguez—Maroto[24]等针对直接接触式膜蒸馏组件给出了流道内的速度和温度分布曲线，将流道内的温度分布表示为由膜组件入口和出口处测得的温度的函数．通过对计算值和实验值的比较指出，当工作流体温度较高且做层流流动的情况下，用分别测得的组件进、出口处的温度来表示膜两侧的主体温度存在着较大的误差．3.膜蒸馏技术的应用[1,2,3]3.1 海水、苦咸水脱盐制备饮用水膜蒸馏过程的开发最初完全是以海水淡化为目的，虽然反渗透作为海水和苦咸水淡化的膜分离方法，从20世纪60年代就进入了实用阶段，其设备和工艺条件也在实用中不断得到改进和完善，但是反渗透过程需要较高的操作压力，设备比较复杂，并且难以处理盐分过高的水溶液[2]。

Karakulski等[27]将不同的造水膜过程进行了对比:UF 能脱除悬浮物和胶体NF 可完全除掉水中的有机碳硬度可降低60%- 87%, RO 可将总固溶物截留99.7% ;质量最好的水是由膜蒸馏制备产水的电导可达到0.8 μS/cm 固溶物质量分率达0.6×106但目前尚无性能良好的专门膜蒸馏用膜膜蒸馏在大规模海水脱盐上仍难以与反渗透技术相媲美.[3]3.2 非挥发性溶质水溶液浓缩[2,3]膜蒸馏过程可在相对比较低的温度下运行，并具有极高的脱水能力，特别是渗透蒸馏可以在室温下运行，对果汁、食品的浓缩是其它任何膜过程都无法比拟的. 吴庸烈等[28]采用自制的不对称聚偏氟乙烯膜开展了从牛磺酸废液中回收牛磺酸的实验研究杜军等[29]使用聚偏氟乙烯微孔膜以减压膜蒸馏法浓缩含铬离子水溶液体系 Tomaszewska[30]利用直接接触式膜蒸馏浓缩纯化氟硅酸柠檬酸和硫酸等酸溶液对柠檬酸和硫酸的截留率接近100%对氟硅酸可将浓度从2%浓缩至35%且发现对非挥发性酸的膜蒸馏过程类似于盐溶液的膜蒸馏过程Rincon 等用直接接触式膜蒸馏浓缩甘醇类水溶液截留率亦接近100%膜蒸馏技术用于浓缩果汁等液体食品加工过程中具有保持食物原有的色香味营养不被破坏等突出优点但上述工作大多仍处在实验室研究阶段.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[7]。

张凤君[8]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[9]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。

和其它膜分离过程一样，膜蒸馏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)从工业废酸液中回收HCL[23,23,25,26]是在处理含挥发性酸性物质废水方面的典型应用。

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-水溶液时不存在共沸现象，表明膜蒸馏在分离共沸物方面具有潜在的应用价值。