不对称静电场强化膜蒸馏过程的研究

第３６卷第２期膜科学与技术Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．２２０１６年４月ＭＥＭＢＲＡＮＥＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＡｐｒ．２０１６不对称静电场强化膜蒸馏过程的研究苗成朋１，杜文林１，陈佳１，孟慧琳２，石雪莉２，王南南１，杜润红１＊（１．天津工业大学分离膜与膜过程国家重点实验室，天津３００１６０；２．中国膜工业协会，北京１０００２９）摘要：采用聚四氟乙烯膜，以真空膜蒸馏过程为例，通过在膜的两侧放置形状不同的电极，并使渗透侧的场强大于原料侧的场强，建立不对称静电场强化膜蒸馏过程，使极性分子水在电场梯度力的作用下，加速向渗透侧迁移，从而提高水分子的渗透通量．结果表明，在相同实验条件下，附加不对称静电场的强化过程较传统的膜蒸馏过程的水渗透通量有很大幅度提高，在电压梯度为１７０ｋＶ／ｍ的针板电场中，水通量提高率可达５０％．还探讨了不对称静电场强化膜蒸馏过程在脱盐、染料废水处理以及热敏性药物浓缩领域的应用．结果表明，不对称静电场可以同时提高水通量和分离性能．关键词：膜蒸馏；静电场；电位梯度中图分类号：ＴＱ０２８．８文献标志码：Ａ文章编号：１００７－８９２４（２０１６）０２－００５５－０５ｄｏｉ：１０．１６１５９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ１００７－８９２４．２０１６．０２．００９膜蒸馏是一种新型膜分离过程，易挥发物质（通常为水）在原料侧膜面处汽化，蒸汽分子在膜两侧压差的推动下通过膜孔，蒸汽在渗透侧或外部冷凝器内冷凝［１－３］．因其操作条件温和，可利用太阳能等廉价能源，是一种高效节能、容易放大的分离技术，有广阔的应用前景，可用于海水淡化及反渗透浓缩液处理［４］，制取电子和半导体工业超纯水［５］、生物活性物质和热敏性物质的浓缩和回收［６］、工业废水处理［７］等．近年来膜蒸馏技术得到了很大的发展，但仍难见大规模工业化应用的实例，主要原因是与制备纯水的其他膜过程相比通量较小．因此，提高膜蒸馏过程的通量是推动其工业化的核心研究内容之一［８－１０］．为了提高膜蒸馏的通量，新型的膜与膜材料研究取得了很大的进展，如研发大孔径、高孔隙率的膜［１１］，改性中空纤维膜形状［１２－１３］，制备亲／疏水复合膜［１４］等，但进入实用阶段还存在一些困难；也可以通过优化操作条件［１５－１６］和组件设计［１７－１８］调控料液的流动状态来加速传质，但由于以往的研究都局限在借助于膜两侧的蒸汽压差来推动传质过程，所以传质速率仍然受到一定的局限．本文以真空膜蒸馏过程为研究对象，在压力场的基础上，附加不对称静电场，使水分子在膜内的迁移加快，强化水的渗透，并考察在电场作用下水分子的传质规律，及该强化过程对盐水溶液和大分子溶液的浓缩效果．１实验１．１主要材料与仪器分离膜：聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ）双拉伸膜（多孔聚丙烯无纺布支撑，ＰＴＦＥ层厚约２０μｍ，平均孔径０．２μｍ）．纯水：电导率１４．６μＳ／ｃｍ．直流高压电源：型号ＤＷ－ＳＡ２０３－１ＡＣＤＥ，东文电源（天津）公司．１．２不对称静电场膜分离评价池在膜原料侧与膜平行安装一个与膜有效面积收稿日期：２０１５－０６－２５；修改稿收到日期：２０１５－０８－２６基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（２１２０６１２２）第一作者简介：苗成朋（１９９２－），男，河北省沧州市人，硕士研究生，主要从事不对称静电场强化膜分离过程的研究．＊通讯作者，Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｕｒｕｎｈｏｎｇ＠ｔｊｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ·５６·膜科学与技术第３６卷（２５．５ｃｍ２）相同的圆形平板电极，使电场可以完全覆盖膜有效面积，透过侧中心处与膜垂直安装一个针状电极，两电极连接直流高压电源的输出端给电极供电，针电极接正高压，板电极接地（图１）．１．原料室；２．渗透室；３．原料液进口；４．浓缩液出口；５．渗透物出口；６．分离膜；７．平板电极；８．针电极；９．水；１０．Ｎａ＋；１１．Ｃｌ－图１不对称静电场膜分离评价池示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｍｅｍｂｒａｎｅｐｅｒｍｅａｔｉｏｎｃｅｌｌｗｉｔｈｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄ１．３渗透性能测试原料液经隔膜泵连续切向流入膜评价池中，原料流速为６０Ｌ／ｈ，操作保持在２０℃，膜两侧的水蒸气压差利用真空泵在渗透侧抽真空形成，渗透侧绝对压力２０ｋＰａ，渗透气体由液氮冷凝在收集管中．膜蒸馏过程的渗透性能由水通量和截留率表征．Ｊ为水通量，ｋｇ／（ｍ２·ｈ），由式（１）算出：Ｊ＝ＱＡｔ（１）式中，Ｑ为渗透量，ｋｇ；Ａ为有效膜面积，ｍ２；ｔ为渗透时间，ｈ．所有的通量均为稳定后的平均值．通过不对称静电场强化膜蒸馏和传统膜蒸馏的对比实验，考察附加电场对水分子跨膜传质的促进作用．首先测试无电场时的水通量Ｊ０，然后在膜两侧电极上施加电压，测试水通量Ｊｔ和施加不对称静电场后通量增长百分率Ｇ，％．Ｇ＝Ｊｔ－Ｊ０Ｊ０×１００％（２）截留率Ｒ由式（３）算出：