膜蒸餾是膜技術(shù)與蒸餾過(guò)程相結(jié)合的分離過(guò)程，膜的一側(cè)與熱的待處理溶液直接接觸(稱(chēng)為熱側(cè)) ，另一側(cè)直接或間接地與冷的水溶液接觸(稱(chēng)為冷側(cè)) ，熱側(cè)溶液中易揮發(fā)的組分在膜面處汽化通過(guò)膜進(jìn)入冷側(cè)并被冷凝成液相，其他組分則被疏水膜阻擋在熱側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)混合物分離或提純的目的［1］。膜蒸餾技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括: 能在常溫低壓下操作、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、容易放大、并可利用低品位熱源，如廢熱、低壓預(yù)熱等［2］。膜蒸餾理論上對(duì)離子、大分子、膠體、細(xì)胞和其他非揮發(fā)性物質(zhì)有100%的截留率; 對(duì)膜的機(jī)械性能要求低，適于各種物質(zhì)分離; 而且還可以在較高的濃度條件下運(yùn)行，并可獲得純度很高的透過(guò)液和濃縮至過(guò)飽和狀態(tài)的濃縮液［3］。

     1 膜蒸餾分類(lèi)

根據(jù)膜下游側(cè)冷凝方式的不同。膜蒸餾可分為4 種形式:直接接觸式膜蒸餾(DCMD) 、氣隙式膜蒸餾(AGMD) 、吹掃氣膜蒸餾(SGMD) 和真空膜蒸餾或減壓膜蒸餾(VMD) ［4］。

     1．1 直接接觸式膜蒸餾

     直接接觸式膜蒸餾(DCMD) 進(jìn)料液和餾出液與膜保持接觸并維持在不同溫度。兩液相間的這種溫度差產(chǎn)生了跨膜蒸汽壓差，從而引起揮發(fā)性物質(zhì)的傳遞?？梢栽谌魏文そM件形式(平板式、螺旋卷式、管式、毛細(xì)管式、中空纖維式) 中進(jìn)行操作，這是膜蒸餾形式的突出優(yōu)勢(shì)。

     1．2 氣隙式膜蒸餾

     在氣隙式膜蒸餾(AGMD) 中，冷凝面和膜表面之間設(shè)有空氣縫隙以便增加傳導(dǎo)傳熱阻力，從而降低穿過(guò)膜的傳導(dǎo)傳熱損失。AGMD 一般比DCMD 更通用: 蒸汽在靠近冷凝表面冷卻而不是直接在透過(guò)液中冷卻。AGMD 一大缺陷是空氣縫隙所產(chǎn)生的額外阻力會(huì)降低傳質(zhì)速率，因此其通量低于其他膜蒸餾形式的膜通量。另一個(gè)缺陷是由于冷卻面得存在，膜組件的設(shè)計(jì)和制作變得相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，其應(yīng)用實(shí)際上是局限于板框式和卷式膜組件。

     1．3 吹掃氣膜蒸餾

     吹掃氣膜蒸餾(SGMD) 的結(jié)構(gòu)能獲得較低的傳質(zhì)阻力和相對(duì)較小的傳熱損失。SGMD 包括四個(gè)連續(xù)階段: 熱側(cè)進(jìn)料液易揮發(fā)物質(zhì)的蒸發(fā); 蒸氣穿過(guò)膜孔的傳質(zhì); 使用惰性低溫吹掃氣體收集透過(guò)液; 膜組件出口透過(guò)液的冷凝(外部冷凝器) 。這種技術(shù)方案的效率通常較低，因?yàn)閮H有少量的透過(guò)液能夠從大量的吹掃氣體中冷凝出來(lái)。

     1．4 真空式膜蒸餾

     真空式膜蒸餾(VMD) 中，在膜冷側(cè)下游端采用低壓，在膜組件的外側(cè)進(jìn)行透過(guò)液的濃縮。VMD 雖然起步晚于其他三種膜蒸餾技術(shù)，但VMD 在料液濃度較高時(shí)仍能保持較高滲透通量，且截留率基本達(dá)到100%［5］。因此，VMD 過(guò)程可望應(yīng)用于高濃度鹽水的處理中應(yīng)用的更為廣泛。

     2 真空膜蒸餾過(guò)程的機(jī)理

     VMD 過(guò)程同時(shí)伴有質(zhì)量傳遞和熱量傳遞，其具體過(guò)程分三步完成。(1) 水以及熱量從料液主體通過(guò)邊界層傳遞到膜表面;(2) 水在膜表面汽化并吸熱; (3) 水蒸氣攜帶蒸汽潛熱，通過(guò)膜孔從料液側(cè)進(jìn)入真空側(cè)，進(jìn)而被真空象抽出膜組件; 與此同時(shí)，有一部分熱量以熱傳導(dǎo)的形式從料液側(cè)傳遞到真空側(cè)。

     2．1 質(zhì)量傳遞

     VMD 中透過(guò)膜通量NV為［6］:

     NV = Km·△P

     式中: Km——跨膜傳質(zhì)系數(shù)

     ΔP——跨膜壓差

     在VMD 中，Km一般用Knudsen 擴(kuò)散模型來(lái)描述。

     式中: ε——膜孔隙率

     τ——膜孔彎曲因子

     δ——膜的厚度，mm

     Tm——膜內(nèi)的平均溫度，K跨膜壓差ΔP 為:

     對(duì)于鹽溶液可以簡(jiǎn)化為［7］:

     2．2 熱量傳遞

     VMD 傳熱與傳質(zhì)是同時(shí)進(jìn)行且相互影響的兩個(gè)過(guò)程。蒸汽分子攜帶熱量透過(guò)膜是跨膜傳熱的關(guān)鍵步驟。在真空膜蒸餾中，由于透過(guò)側(cè)為真空，所以忽略熱傳導(dǎo)的影響，則有:

     過(guò)程總傳熱量Q = 通過(guò)熱料液邊界層熱量Qf= 跨膜傳熱總量Qm

     Qf = hf(Tf-Tfm)

     式中: Qf——料液主體向膜表面熱量傳遞速率，W/m2

     hf——料液的熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/m2·K

     Tf——料液主體的溫度，K

     Tfm——料液側(cè)膜表面的溫度，K

     3 真空膜蒸餾過(guò)程的影響因素

     3．1 溫度極化和濃度極化

     真空膜蒸餾過(guò)程是一個(gè)熱量傳遞和質(zhì)量傳遞的過(guò)程，影響膜蒸餾過(guò)程熱量傳遞和質(zhì)量傳遞的兩個(gè)重要因素足溫差極化和濃差極化［8］。溫度極化主要是由溫度邊界層引起，從而導(dǎo)致蒸汽壓下降，進(jìn)而影響膜的滲透通量。溫度極化系數(shù)(TPC) 反映了傳質(zhì)過(guò)程對(duì)總溫差推動(dòng)力的有效利用程度，TPC = 0．4 ～ 0．7［9］。發(fā)生濃度極化現(xiàn)象時(shí)，膜表面的濃度要高于熱側(cè)料液的主體濃度，也就是說(shuō)熱側(cè)料液主體濃度越高，膜表面濃度也就越高，水蒸汽分壓也就越低，傳質(zhì)推動(dòng)力也就越低。濃度極化系數(shù)(CPC) 越小，說(shuō)明濃度極化對(duì)膜蒸餾過(guò)程的影響程度越小，CPC≥1，當(dāng)CPC = 1 時(shí)，濃度極化不對(duì)膜蒸餾產(chǎn)生影響。

     3．2 操作條件的影響

     溫度是影響滲透通量的最主要因素，滲透通量會(huì)隨著進(jìn)口溫度的升高而增大。但對(duì)真空膜蒸餾過(guò)程并不是進(jìn)口溫度越高越好，應(yīng)從膜材料、能量利用、滲透通量等因素綜合考慮來(lái)控制料液溫度，料液溫度一般選擇在50～70℃為宜［10］。料液濃度對(duì)非揮發(fā)性溶質(zhì)水溶液和揮發(fā)性水溶液有不同的影響，隨著料液濃度的增加，非揮發(fā)性溶質(zhì)水溶液的滲透通量降低而揮發(fā)性溶質(zhì)的水溶液的滲透通量增加，且濃鹽水溶液的真空膜蒸餾過(guò)程比稀溶液復(fù)雜，對(duì)滲透通量影響更大［11］。在層流狀態(tài)下，流速的增大對(duì)滲透通量的影響效果隨著流速的增加而減弱［12］。在稀的鹽溶液中，滲透通量隨著冷側(cè)真空度的增加而增大，并呈現(xiàn)較好的限行關(guān)系，而在較高濃度下，真空度和滲透通量之間偏離直線關(guān)系。

     4 真空膜蒸餾的發(fā)展趨勢(shì)及存在問(wèn)題

真空膜蒸餾過(guò)程由于操作溫度相對(duì)其它膜蒸餾過(guò)程可以更低，滲透通量大，可以很方便地利用太陽(yáng)能、地?zé)峒皬U熱等廉價(jià)熱源［13］，因此將VMD 過(guò)程和這些廉價(jià)能源的結(jié)合將會(huì)為真空膜蒸餾在濃鹽溶液的處理上帶來(lái)更大的優(yōu)勢(shì)。但從目前真空膜蒸餾用于鹽水淡化產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用看，使膜蒸餾及其集成技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于鹽水淡化產(chǎn)業(yè)，仍有很多問(wèn)題有待解決［14-16］。

     (1) 研制分離性能好價(jià)格低廉耐腐蝕的膜材料

     目前可利用膜材料成本很高，易被污染，因此要在我國(guó)實(shí)現(xiàn)膜蒸餾的工業(yè)化應(yīng)用迫切需要研制出分離性能好價(jià)格低廉耐腐蝕的膜材料。

     (2) 完善膜蒸餾機(jī)理模型

     目前模擬VMD 過(guò)程濃縮濃鹽溶液的理論模型較少，但在其它操作方式的膜蒸餾過(guò)程濃縮濃鹽溶液已有報(bào)道，并得到了較好的論證，因此通用的VMD 模型建立尚需完善。

     (3) 實(shí)現(xiàn)膜蒸餾的工業(yè)化

膜蒸餾的熱效率大小是決定膜蒸餾是否有競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)重要因素，目前膜蒸餾的熱效率較低(30%左右) ，這是阻礙該技術(shù)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

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秦泰盛

2013.8.30