超声波强化膜蒸馏研究进展

CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2009年第28卷增刊·38·

化工进展

超声波强化膜蒸馏研究进展

吴莉莉，李昕，赵之平

（北京理工大学化工与环境学院，北京100081）

摘要：在介绍膜蒸馏原理和传递过程的基础上，讨论了超声波强化膜蒸馏的原理，综述了近年来超声强化膜蒸馏的研究进展，并对其存在的问题和应用前景作了分析。

关键词：膜蒸馏；超声强化；研究进展

膜蒸馏（membrane distillation，简称MD）是20世纪60年代发展起来的一种节能环保的新型膜分离技术，是一种采用疏水微孔膜两侧蒸汽压力差为传质驱动力的膜分离过程。与其它的膜分离过程相比，膜蒸馏具有截留率高、能耗低、设备简单、能处理反渗透等不能处理的高浓度废水等优点[1]。然而，由于膜蒸馏的渗透通量与其它膜分离过程相比相对较小，目前，膜蒸馏尚未进入工业生产，许多工作仅局限于实验室研究阶段。为了提高膜蒸馏过程的渗透通量，近年来，一些研究者尝试将超声波技术引入膜蒸馏，结果表明超声激励是提高膜蒸馏过程渗透通量的一种行之有效的手段。

1膜蒸馏简介

1.1膜蒸馏原理和分类

在膜蒸馏过程中，不同温度的水溶液被疏水微孔膜分隔开，膜的疏水性导致两侧的水溶液均不能透过膜孔进入另一侧，但由于热侧水溶液与膜界面的蒸气压高于冷侧，水蒸气就会透过膜孔从热侧进入冷侧而冷凝，从而达到物质分离或溶液浓缩的目的[1]。

根据扩散到膜冷侧蒸汽冷凝方式的不同，膜蒸馏分为直接接触式膜蒸馏（DCMD）、气隙式膜蒸馏（AGMD）、气扫式膜蒸馏（SGMD）、真空膜蒸馏（VMD）4种形式。其中，直接接触式膜蒸馏装置结构简单，安装方便，渗透通量较大，主要用于非挥发性水溶液的分离与浓缩[2-3]；气隙式膜蒸馏结构复杂，渗透通量较低，但热效率高，多用于水-挥发性有机化合物二元体系的分离[4-5]；气扫式膜蒸馏能耗高，应用研究相对较少；真空膜蒸馏，由于冷侧抽成负压，传质驱动力增加，渗透通量大，应用研究涉及的领域也很广，如海水淡化[6-8]、溶液浓缩[9-10]、废水处理[11-12]、水溶液中挥发性有机化合物的分离与回收等[13-16]。1.2膜蒸馏用膜与膜组件

膜蒸馏用膜必须满足疏水性和微孔性两个基本条件。膜的疏水性是由膜材料的表面张力决定的，膜对于水的表面张力越大，它的疏水性能就越好。目前制备疏水膜的材料与亲水膜相比很有限，主要为高分子聚合物，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏氟乙烯（PVDF）等。其中，PTFE 的疏水性最好，同时还具有耐氧化性、化学稳定性好等优势，所以它被认为是一种较理想的膜材料。但是PTFE制作成本较高，而且难以制成中空纤维膜，不利于组件的放大。PP膜化学稳定性较差，但是价格低廉，易于加工，市场应用非常广泛。在实验室研究中，PTFE和PVDF都是比较理想的膜材料，但是由于成本高而不具有产业化优势。通常，膜蒸馏用膜的孔隙率为60%～80%，孔径为0.1～1.0 μm比较合适。

膜组件是将膜以某种形式组装在一个基本单元设备内，然后在外界推动力作用下将混合物各组分分离的器件[17]，真空膜蒸馏常用的膜组件形式有平板膜组件、管式膜组件、中空纤维膜组件。平板膜组件易于清洗、检查和更换，大多数实验室规模的膜组件多采用平板式。管式膜组件和中空纤维膜组件通常不易更换，但在工业生产中，中空纤维膜组件由于不需额外支撑部件，边界层阻力小，比表面积和生产能力较强而更具优势。

1.3膜蒸馏过程热量传递

传热过程在各种形式的膜蒸馏中都非常重要，基本可以分为以下4个步骤实现：①热量从料液主体传递到热侧膜表面；②以传导方式热量通过膜和膜孔内气体进行热传递；③热量以潜热形式伴随质量传递从热侧膜表面传递到冷侧膜表面；④热量从冷侧膜表面传递到冷侧主体。

热量传递过程中，由于热边界层的存在，会出现料液侧膜表面处的温度低于料液主体的温度，渗透液侧膜表面的温度高于渗透液主体的温度，这就是温度极化现象。目前膜蒸馏通量比较低的一个重要原因就是由温度极化造成的，温度极化最高可以

增刊吴莉莉等：超声波强化膜蒸馏研究进展·39·

使传质推动力下降约80%，当在较好的操作条件下，温度极化现象会大大降低，具体可以通过设计合理的膜组件、改善膜在组件内的分布、安装湍流网、提高进料液流速等实现。

1.4膜蒸馏过程的质量传递

膜蒸馏的跨膜传质过程包括易挥发性组分（通常为水）在热侧浓度边界层内的传递及其在膜孔内的传递过程。当料液流过膜表面时，难挥发的物质被截留，而易挥发的物质（通常为水）以蒸汽的形式透过膜，导致难挥发物质在膜表面处的浓度高于其在料液主体中浓度的现象，即浓差极化现象。浓差极化一方面会削弱浓度边界层内的传质推动力，进而使MD过程的跨膜通量减小；另一方面，当膜表面处溶质浓度高至一定程度将会导致膜被润湿，影响膜的正常使用。

除浓差极化外，膜污染也会引起膜通量降低，影响膜蒸馏过程的分离性能。膜污染是由于被截留的颗粒、胶粒、乳浊液、悬浮液、大分子和盐等在膜表面或膜内的沉积造成的，这种沉积包括吸附、堵孔、沉淀、形成滤饼等。这与浓差极化导致的通量下降不同，膜污染的沉积多是不可逆的，需要外加作用予以消除。在实际应用中，膜蒸馏可能会处理不同性质和浓度的溶液，膜污染是不可避免的，因此，寻找切实可行的手段，有效减轻膜污染，是膜蒸馏研究工作亟需解决的问题。

2 超声强化膜蒸馏的研究

2.1超声强化膜蒸馏的原理

超声技术是20世纪发展起来的高新技术，超声波是指频率高于人的听觉上限，范围在20kHz～10MHz的弹性波。超声波在介质中传播时，与介质相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列力的、热的、电磁的和化学的超声效应，这些效应包括机械效应、光效应、热效应和活化效应。由于上述效应的存在，目前超声技术作为一种过程强化手段已经被广泛应用于化学反应、医学、生物学、膜分离等领域。

超声强化膜蒸馏等传质过程主要是依靠超声波的空化效应。超声空化是指在超声场作用下液体内部产生的空穴或含有的杂质和小气泡的振动、膨胀、压缩和崩溃闭合的过程。空化泡崩溃时，形成一个局部过热点，极短时间内在泡内产生高温和高压，并伴生强烈的冲击波和微射流。首先，冲击波、微射流和声冲流等机械效应引起液流宏观湍动，使边界层减薄，边界层内局部湍动程度增强，同时湍流主体中的涡流扩散加强，最终促进物质的传递，这是由超声空化机械效应引起的湍动效应；其次，冲击波和微射流对液-液、液-固界面的冲击、剥离、侵蚀作用使相界面得以更新，增加了传质表面积，加快了液流内部的物质传递，这种由机械效应和活化效应共同作用促进物质传递的作用称之为界面效应；最后，冲击波和微射流等在膜微孔内产生的微扰作用加强了微孔内物质扩散，称为微扰效应[19]。上述各效应均能使膜蒸馏的传质过程得到强化，从而提高MD过程的渗透通量。2.2超声波的两个重要参数

由超声波强化传质过程的机理可知，空化效应使得流体传质阻力减小，扩散系数提高，传质系数增加，而超声波空化的效果又是由空化泡数量，大小及空化气泡溃灭速度决定的，上述参数又最终取决于超声声强的大小，声强决定了空化的强度与密度[20]。一般而言，提高声强可使空化强度增强，但声强过高，空化泡生长过大甚至连接成片，在声源表面形成一道屏障，阻止了声波的传播，使得远离声源处声强减弱，反而不利于空化作用[21]。

另外，超声频率也是影响空化效应的一个重要参数。声强一定，超声波频率越低，在液体中越易发生空化现象；频率较高时，单位时间内产生的空化泡崩溃较多，但是空化泡体积小且在溃灭时能量较低，因而空化作用较弱[22]，不利于传质过程的强化，因而，为了提高超声作用的效果，应该采用低频率的超声波。

2.3超声波强化膜蒸馏研究进展

Zhu与Liu等[23-25]将一个压电式超声换能器固定在空气隙厚度为4mm的不锈钢平板膜组件的料液侧对气隙式膜蒸馏进行超声强化。结果表明，超声激励使膜蒸馏通量增加，膜通量随超声波强度的增大而增加（实验条件下声强从0到5 W/cm2变化时，膜通量的提高率可达到200%）；并且超声波连续作用时比间歇作用效果更好；在相同的超声强度下，料液温度越低，通量的增加幅度越大；超声频率增加，使通量提高率下降。研究者认为，超声作用下膜蒸馏通量提高的主要原因在于超声波的空化作用、声冲流以及膜面振动降低了温度极化和浓度极化，同时清洗了膜表面。

浙江大学的李建梅[26]分别采用“无壁”型、有机玻璃型以及玻璃型中空纤维膜组件，以自来水为原料液进行了超声强化真空膜蒸馏的实验研究。结果表明由于不同材质的膜组件对超声波的吸收程度不同，超声作用的增强效果也不相同。3种组件的增强效果依次为“无壁”型＞玻璃型＞有机玻璃型。另外，温度越高，超声增强效果越明显，最大可增强约40%，流