膜蒸馏的发展状况_王默晗

膜蒸馏的发展状况王默晗,田瑞,杨晓宏(山东科技大学,山东青岛266510)摘要:膜蒸馏是一种可以利用低品位能源作为分离驱动力的新型膜分离技术。该技术利用高分子疏水性微孔膜提供较大的传质表面来实现水溶液汽化和传质的分离过程,从而达到蒸馏的目的。关键词:膜蒸馏;通量;研究中图分类号:TK519文献标识码:A文章编号:1004-7948(2006)02-0035-021引言膜蒸馏(MembraneDistillation,简称MD)是近几十年得到迅速发展的一种新型高效的膜分离技术。这种技术基于膜两侧水蒸气压力差的作用,热侧的水蒸气通过膜孔进入冷侧,然后在冷侧冷凝下来,这个过程同常规蒸馏中的蒸发—传递—冷凝过程一样。与其他膜分离过程相比,膜蒸馏具有可在常压和稍高于常温的条件下进行分离的独特优点,可以充分利用太阳能、工业余热和废热等低价能源,且设备简单、操作方便,可用于海水和苦咸水淡化、超纯水制备、浓缩水溶液以及医药、环保等诸多方面,所以膜蒸馏技术的发展越来越引起人们的重视。2国内外对膜蒸馏的研究与应用膜蒸馏技术的研究始于20世纪60年代的美国。1963年美国的Bodell首先在其专利申请中对膜蒸馏的初步成果进行了介绍。1967～1969年,Findley在美国、Hendergcky在欧洲同时进行了试验。Findley尝试了多种膜材料,然而膜通量却非常小,但他预言只要找到合适的膜材料,这种技术是很有前途的。进入90年代以后对膜蒸馏的研究逐渐增多,但多数还是处于实验研究阶段。P.AHogan与Sudjito等在澳大利亚利用太阳能作为热量来源进行了直接接触膜蒸馏,实验证明太阳能膜蒸馏在技术上是可行的,可以进行实际应用。机理研究方面,1995年俄罗斯的Agashichcv和Sivakov基于质量和热量平衡方程,考虑温度和浓度极化提出直接接触式膜蒸馏的数学模型,但因其过于复杂而没有被广泛接受。1998年,Gryta等考虑在温度极化影响的情况下对毛细管状物膜组件层流问题进行了研究,并得出了一些理论依据。我国对膜蒸馏技术的研究始于20世纪80年代,1988年,吴庸烈综述了膜蒸馏及其相关的膜过程、挥发性溶质水溶液的膜蒸馏,微孔膜的透过蒸发和蒸发吸收等膜过程的发展、机理和应用等情况。1991年余立新等使用北京塑料研究所提供的孔径0.3μm、膜厚80μm的聚四氟乙烯微孔膜对古龙酸水溶液进行蒸馏浓缩。结果发现这一方法是可行的,并得出结论是膜蒸馏可用于热敏性物质水溶液的浓缩,并能很好地发挥该过程低温浓缩的优势。机理研究方面,1999年,李凭立等进行了膜蒸馏传质的强化研究,提出了传质通量因子的概念。20世纪80年代才开始有关于气隙式膜蒸馏的研究报道,而且理论和实验研究比较少。尽管与直接接触式膜蒸馏相比,气隙式膜蒸馏通量低,但是因其热效率相对高而且能耗少,冷却水与凝结水分开,各行其道。所以在制取超纯水和含挥发性物质时,有着直接接触式膜蒸馏无法比拟的优势,因此气隙式膜蒸馏越来越受到人们的青睐。1989年,Gostod采用PTFE膜,以乙醇水溶液为实验物系,对含易挥发溶质水溶液的空气隙膜蒸馏作了研究,提出用分离因子的概念来表示挥发性溶质的提纯程度,初步探明了挥发性溶质水溶液膜蒸馏的规律。2000年,阎建民等对气隙式膜蒸馏传递过程进行研究,他们测定膜两侧流体的温度、流量及料液浓度对膜通量的影响,并从理论上描述了传热、传质过程,建立了可以预测膜蒸馏通量的数学模型,实验结果与模型预测吻合较好。2002年,丁忠伟等采用模拟计算和实验的方法对直接接触式膜蒸馏(DCMD)和气隙式膜蒸馏(AGMD)过程进行了比较研究,模拟计算及实验结果表明,AGMD中的气隙构成了过程的主要阻力,使得跨膜温差远小于膜两侧流体主体温差,在AGMD中随气隙厚度的增加膜通量是下降的,随气隙厚度的增大,下降速度有所减缓,为提高AGMD膜通量,减少气隙厚度是有效手段之一。—35—2006年第2期(总第283期)节能ENERGYCONSERVATION3膜蒸馏基本原理膜蒸馏的分离模型如图1(以空气隙式为例)所示,疏水性多孔膜的一侧与高温原料水溶液相接触(即暖侧),膜的另一侧与低温冷壁相邻(即冷侧)。正是借助暖侧与冷侧之间这种相当于温度差的蒸气压差,促使暖侧产生的水蒸气通过膜的细孔,再经扩散到冷侧的冷壁表面被凝结下来,而液相水溶液由于多孔膜的疏水作用无法透过膜而被留在暖侧,从而达到与汽相分离的目的。4膜蒸馏的分类根据在膜冷侧收集水蒸气的方式不同,膜蒸馏的类型可分为:(1)直接接触式膜蒸馏(水吸式或外冷式)(DCMD)(见图2)该组件内,膜两侧的液体直接与膜面接触。其一面是经过加热的原溶液为热侧,另一面是冷却水为冷侧,膜孔内为汽相(蒸气和空气),在热侧膜面上生成的水蒸气透过膜至冷侧凝结成水,并和冷却水合而为一。(