减压膜蒸馏淡化处理盐水的实验研究_张建芳

减压膜蒸馏淡化处理盐水的实验研究张建芳李玲(新疆大学化学与化工学院,830008)摘要以NaCl水溶液为实验体系,使用聚丙烯中空纤维膜研究减压膜蒸馏过程中的影响因素,考察了料液温度、冷侧真空度、料液流量以及料液浓度对膜的渗透通量和截留率的影响。结果表明,随着真空度及料液流量、温度的提高,膜的渗透通量有增加的趋势,当料液浓度在10g/L以上时,膜的渗透通量有下降趋势;但馏出液的电导率不受各因素变化影响,通常在4μS·cm-1左右;膜的截留率达到99%以上。关键词聚丙烯膜淡化减压膜蒸馏截留率收稿日期:2004-12-09。作者简介:张建芳,硕士研究生,主要研究减压膜蒸馏在盐水淡化方面的应用。膜技术成功地用于海水、苦咸水、纯水、超纯水制备以及工业废水处理等方面,被公认为当代最有前途的高新技术之一。在我国西北以及内陆地区,尤其是西北地区,采用膜分离技术进行苦咸水淡化,可以解决饮用水和工业生产的急需。减压膜蒸馏(VMD)是20世纪70年代后期发展起来的一种新型膜分离技术,它在膜的冷侧抽真空,将蒸汽抽离膜器外再进行冷凝,可以说是恒温的膜过程,其热传导损失一般可以忽略,因此效率高,而且由于其渗透通量较一般其他方式大,而受到研究者越来越多的关注〔1～4〕。笔者用疏水性聚丙烯膜对NaCl水溶液淡化处理,为减压膜蒸馏这种新型分离技术应用于新疆苦咸水淡化奠定基础。1实验部分1.1主要仪器和材料SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵:郑州长城工贸有限公司;磁力驱动循环泵:上海天潼给水有限公司;超级恒温器:上海实验仪器厂;电子天平:北京赛多利斯天平有限公司;DDS-HF型数字式电导仪:江苏江分电分析仪器有限公司;膜组件:膜外型尺寸8.3mm×200mm,内含膜丝数量110根/支,膜的有效面积为0.02765m2(按纤维内径计算),装填率为39.8%;膜的主要性能参数:内径400μm,壁厚50μm,微孔膜的孔径0.2～0.4μm,空隙率55%。NaCl,分析纯,天津市福晨化学试剂厂。1.2实验装置与运行减压膜蒸馏装置包括真空系统、水循环系统、真空纤维膜组件及冷凝收集系统。实验装置流程见图1。图1实验装置流程1-恒温水浴;2-磁力驱动泵;3-流量调节阀;4-膜组件;5-蒸馏水补充;6-真空度调节阀;7-冷凝管;8-冷却水;9-接收瓶;10-水循环式真空泵用超级恒温器加热料液,用磁力驱动泵使之循环,让料液走真空纤维管内,以内压式运行,渗透过膜的蒸汽被真空带离膜表面,至冷凝管冷凝,冷凝温度22℃。为保持料液浓度基本不变,在循环水中补充蒸馏水。实验采用间歇式操作,每次改变一定的操作条件(进料温度、进料浓度、冷侧真空度等),待系统稳定后开始取样,每隔一定时间取出渗透液,用电子天平称渗透液质量,用电导率仪测定原料液和渗透液的电导率,计算出膜渗透通量和截留率,测试均在室温下进行。1.3数据处理膜的渗透通量是指单位时间单位膜面积通过10精细石油化工进展ADVANCESINFINEPETROCHEMICALS第6卷第3期的水蒸气质量。其计算公式如下:J=WSt(1)式中,W为馏出液质量,g;S为有效膜面积,m2;t为运行时间,h。NaCl水溶液浓度不大时,浓度和电导率之间存在良好的线性关系,对组分相同或者相近的水样,含盐量在一定范围内其浓度与电导率的比值为常数〔5〕。因此在计算截留率过程中,使用电导率代替浓度计算。膜的截留率计算公式为:η=ch-ccch×100%=ρh-ρcρh×100%(2)式中,ch为进料液浓度,g/L;cc为馏出液浓度,g/L;ρh为进料液电导率,μS/cm;ρc为馏出液电导率,μS/cm。2结果与讨论2.1温度对渗透通量和截留率的影响利用聚丙烯膜,在进料液浓度为0.7704g/L,冷侧真空度为0.083MPa的条件下,考察不同料液流量下进料液温度对渗透通量和截留率的影响,结果见图2和表1。由图2可知,膜的渗透通量随着进料温度的升高成直线增加。这是由于温度升高,膜热侧水蒸气分压增大,水蒸气透过膜的过程推动力增大,因而膜的渗透通量也增加;并且在料液流量较低时,即流量为1.96L/h时直线的斜率很小,在流量较高,即20L/h时直线的斜率较大。图2进料液温度对渗透通量的影响表1列出与图2相对应馏出液的电导率以及截留率数据。由表1可以看出,随着温度的增加,相同流量下馏出液的截留率变化不大。电导率都在5μS/cm以下,而且截留率都达到99.7%以上。表1温度对馏出液电导率和截留率的影响温度/℃电导率/μS·cm-111.68L·h-120L·h-1截留率η,%11.68L·h-120L·h-1402.93.999.8199.78502.42.799.8499.82551.72.699.8999.83602.72.099.8699.87652.34.999.8699.7