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膜蒸馏的研究现状及进展李小然，尚小琴(广州大学化学化工学院，广东广州510006)摘要：膜蒸馏是20世纪八十年代才引起人们重视的新型膜分离技术。
是一种以蒸汽压差为推动力的新型分离技术。
本文主要对膜蒸馏的机理、用膜、传热机理、影响因素、过程优化、进行了讨论，同时介绍了膜蒸馏在海水淡化、超纯水的制备、水溶液的浓缩与提纯、共沸混合物的分离、废水处理治理等中的应用，并在此基础上提出了膜蒸馏的发展方向。
关键词：膜蒸馏；分离技术；机理；应用；发展Research status and progress of membrane distillationLiXiaoRan,Shang XiaoQin(School of Chemistry and Chemical Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006) Abstract：Membrane distillation is a new type of membrane separation technology in the eighty's of twentieth Century.Is a kind of new separation technology with the steam pressure difference as the driving force.In this paper, the mechanism of membrane distillation、membrane、heat transfer mechanism、influencing factors、process optimizationis discussed,At the same time, it introduces the membrane distillation in seawater desalination, preparation of ultra - pure water, water solution concentration and purification, total of azeotropic mixture separation, waste water treatment, etc. in the application, and based on this, proposed the development direction of the membrane distillation.Key words：membrane distillation;isolation technique;mechanism;application;development1膜蒸馏技术的原理膜蒸馏是膜技术与蒸馏过程相结合的分离过程。
《进展与综述》膜蒸馏***（********,****,*****,******）摘要：膜蒸馏是一种热驱动的新型分离技术，可使蒸汽分子在膜两侧的压力梯度作用下通过膜孔迁移至膜外侧并冷凝下来。
它是一种以蒸汽压差为推动力,与传统蒸馏方法和其他膜分离技术相比,具有运行压力低、运行温度低、分离效率高等优点,可充分利用太阳能、废热和余热等热源。
本文简要介绍了膜蒸馏的发展背景，膜蒸馏的原理和膜蒸馏所用的材料以及直接接触式、气隙式、气扫式、真空式等几种主要膜蒸馏装置的特点，综述分析了膜蒸馏的相关研究进展以及膜蒸馏技术的一些应用。
最后，对膜蒸馏技术未来发展的展望。
关键词：膜蒸馏; 膜; 分离; 脱盐Membrane distillation***(************,***, *****, *****)abstract:Membrane distillation is a new type of thermal drive technology that allows vapor molecules to migrate through the membrane pores to the outside of the membrane and condense them under the pressure gradient on both sides of the membrane. It is a kind of steam pressure difference as the driving force, compared with the traditional distillation method and other membrane separation technology, with low operating pressure, low operating temperature, high separation efficiency advantages, can make full use of solar energy, waste heat and waste heat and other heat sources. In this paper, the development background of membrane distillation, the principle of membrane distillation and the materials used in membrane distillation and the characteristics of several kinds of main membrane distillation devices such as direct contact, air gap, air sweep and vacuum are briefly introduced. Related research progress and some applications of membrane distillation technology. Finally, the future development of membrane distillation technology outlook.Key words:membrane distillation; membranes; separation; desalination1.引言20世纪60年代前，膜蒸馏技术就已经在国际上开始了较系统的研究，但由于受到技术条件的限制，膜蒸馏的效率不高。
废液处理中的膜蒸馏技术研究进展及应用实例废液处理是环境保护领域面临的重要课题之一。
废液处置的不当会对水体和土壤等自然环境造成严重污染，甚至对人类健康产生潜在风险。
因此，开发高效、可行的废液处理技术成为了亟待解决的问题之一。
膜蒸馏技术作为一种有效的废液处理方法，近年来受到了广泛关注。
它基于蒸馏原理，通过半透膜将废液中的溶质与溶剂分离，实现废液的净化和资源回收。
随着膜蒸馏技术的研究进展，越来越多的应用实例也被提出和验证。
膜蒸馏技术的研究进展主要集中在膜材料的选取和膜结构的优化上。
膜材料的选择对膜蒸馏技术的效果至关重要。
传统的膜材料如聚醚砜（PES）和聚酰胺（PA）等在膜蒸馏中已经得到了广泛应用。
然而，这些材料存在着一些局限性，如温度和酸碱性的限制、脆化等。
为了克服这些问题，研究人员开始开发新型材料，如聚酯醚酮（PEEK）、聚酮膜（PBI）和离子液体膜等。
这些新型材料具有更广泛的应用范围和更良好的稳定性，能够提高膜蒸馏的效果和稳定性。
此外，膜结构的优化也是研究人员关注的焦点。
膜结构的优化主要包括多孔结构、层间距离和表面改性等方面。
多孔结构的膜可以增加膜的通透性和扩散速率，提高蒸馏效果。
层间距离的优化可以控制溶质和溶剂之间的传质速率，并且减少能量消耗。
表面改性可以使膜具有良好的抗污染性能，并且提高膜的寿命和稳定性。
在膜蒸馏技术的应用实例方面，废水处理是其中应用最为广泛的领域之一。
废水中含有各种有机物、无机盐和重金属等污染物，其处理对于环境和人类健康至关重要。
膜蒸馏技术能有效去除废水中的有机物和重金属等污染物，实现废水的净化和重金属的回收利用。
例如，半透膜蒸馏技术被应用于废水中重金属的去除。
研究人员在膜表面修饰了COOH基团，形成了亲酸性膜。
该亲酸性膜具有良好的金属吸附能力，可以高效去除废水中的重金属离子，大大提高了重金属去除的效率。
此外，膜蒸馏技术还可以应用于废水中有机物的处理，如挥发性有机物（VOCs）的去除。
2016年第35卷第4期CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS ·981·化工进展膜蒸馏过程强化及优化技术研究进展郭智，张新妙，章晨林，栾金义（中国石油化工股份有限公司北京化工研究院环保所，北京100013）摘要：膜蒸馏作为一种新型的膜分离技术，具有脱盐率高、可处理高浓度原料液等技术优势，近年来引起学术界及工业界的广泛关注。
膜蒸馏技术可被应用于海水淡化，工业废水/苦盐水脱盐及糖、盐、果汁、有机/无机酸、碱液等的浓缩过程。
但由于当前膜蒸馏能耗及成本较高，一定程度上限制了该技术的工业化。
本文重点介绍了可用于强化膜蒸馏过程和优化该过程能量利用的方法及研究进展，主要包括膜材料和膜制备方法/工艺的进展、膜蒸馏过程操作条件的优化、改进膜组件和辅助装置的应用、太阳能和低品位热源的使用、蒸发冷凝潜热的回收以及耦合其他分离过程的复合膜蒸馏系统，同时分析了膜蒸馏技术处理高盐工业废水的应用前景，最后探讨和总结了膜蒸馏过程强化及优化的研究方向，为该技术的进一步发展提供了科学性指导。
关键词：膜蒸馏；过程强化；优化技术中图分类号：TQ 028.3 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2016）04–0981–07DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.002Current research and technical progress in membrane distillation processintensification and optimizationGUO Zhi，ZHANG Xinmiao，ZHANG Chenlin，LUAN Jinyi（Environmental Protection Research Institute，Beijing Research Institute of Chemical Industry，SINOPEC，Beijing100013，China）Abstract：Membrane distillation（MD）is an emerging membrane separation process，and has started to receive more research concern recently due to its several attractive and unique features，such as high salt rejection rate，being capable of treating high concentration feed etc. MD can be applied for different applications，including seawater desalination，wastewater treatment and various solutions concentrating process. However，the industrialization of MD is limited to some extent because of its relatively higher energy consumption and process cost. The current status of MD intensification and optimization research has been highlighted in this paper. It has reviewed the research progress of membrane material and fabrication methods，optimization of MD operating parameters，membrane module improvement and auxiliary equipment integration，utilization of solar and low-grade thermal energy，recycling the evaporation/condensation latent heat as well as hybrid MD system with other separation process. Meanwhile，the application of MD in the treatment of industrial high concentration saline wastewater was proposed and analyzed. Moreover，the research directions of MD process intensification and optimization were discussed and summarized，which would provide insightful guidelines for the further development of MD technique.Key words：membrane distillation；process intensification；optimization收稿日期：2015-10-29；修改稿日期：2015-12-08。
膜蒸馏技术的研究进展摘要：膜蒸馏是一种热驱动新型分离技术，自上世纪80年代才引起人们的重视。
本文主要对膜蒸馏技术的过程机理、膜材料的选择、常见问题、以及应用进行了评述，并对以后膜蒸馏的发展做出了展望。
关键词：膜蒸馏；膜；应用；质量传递；热量传递膜蒸馏是一种新型的非等温物理分离技术，以疏水性多孔膜两侧的蒸汽压差为推动力，使热侧蒸汽分子穿过膜孔后在冷侧冷凝富集，可看作是膜过程与蒸馏过程的集合。
膜蒸馏过程区别于其他膜分离过程有如下的特点：膜是微孔膜；不能被所处理的液体浸润；只有蒸汽通过膜孔介质；膜孔内没有毛细冷凝现象发生。
该分离技术不是膜过程与蒸馏过程的简单结合，它自身有许多优点。
如，良好的化学稳定性；截留率高；较低的操作温度和压力，能有效利用地热工业余热等廉价能源；可与其他分离过程整合；可处理热敏性物质和高浓度废水等。
因此，自膜蒸馏技术首次提出以来，一直受到了学者的广泛关注。
本文对进近几年来的膜蒸馏的最新研究进展，尤其是针对膜蒸馏理论的应用研究进行了概述。
1.膜蒸馏的分类根据扩散到膜冷凝侧蒸汽冷凝方式的不同，膜蒸馏分为多种类型，如直接接触膜蒸馏(DCMD)、气隙膜蒸馏（AGMD）、气扫式膜蒸馏（SGMD）、真空膜蒸馏（VMD）。
（1）直接接触式膜蒸馏（DCMD）这种装置相对简单，两侧的液体直接与多孔膜的表面接触，蒸汽的扩散路径仅仅局限于膜的厚度。
它是出现最早也是研究最广泛的膜蒸馏过程，但其热损耗也最大。
由于有较大的渗透量，颇受研究者重视，较适用于主原料是水的情况，如海水或苦咸水脱盐或水溶液的浓缩，也有人用其浓缩水果汁、血液及废水处理等。
（2）气隙式膜蒸馏（AGMD）在冷凝面与膜表面之间有一停滞的空气隙存在，蒸汽穿过气隙后在冷凝面上冷凝。
与前者相比，由于气隙的存在，减小了过程的热耗损，但是渗透通量低，结构复杂，且不适用于中空纤维膜，限制了商业推广。
（3）气扫式膜蒸馏（SGMD）结果与直接接触式膜蒸馏相似，不同之处在于，惰性气体将透过侧的蒸汽吹出，并在外部进行冷凝。
这样可以减少热量损耗，加快传质。
刘乾亮[1]等采用气扫式膜蒸馏法处理高浓度氨氮废水，重点考察了料液初始pH值、料液流量和吹扫气体流量等因素对处理效果的影响。
结果表明：增大吹扫气体流量可促进氨氮的去除,有利于氨氮的传质和分离过程。
（4）真空膜蒸馏（VMD）的膜两侧气体压力差比其他膜蒸馏的膜两侧气体压力差大，因而比其他形式的膜蒸馏具有更大的蒸馏通量。
宜于脱除水溶液中的挥发性溶质。
唐娜[2]等采用PVDF中空纤维膜及PTFE微孔平板膜组件对反渗透海水淡化浓盐水的真空膜蒸馏过程进行了研究。
连续运行的结果表明：温度是影响海水淡化浓盐水膜蒸馏过程的关键因素，对膜通量影响较大。
2.膜蒸馏组件膜蒸馏过程可能采用的组件形式有板（框）式、卷式、管式和中空纤维式。
其中，由于平板膜易干清洗、检查或更换，大多数实验室规模的膜组件采用板式膜组件。
管式或中空纤维膜组件通常作为组件的固定部分而不易更换，但在工业应用中，由于中空纤维膜不需额外支撑部件，边界层阻力比板式膜组件小，同时还具有更大的膜比表面积，生产能力更高，因此中空纤维膜组件比板式膜组件更具吸引力。
耿洪鑫[3]等，利用新型气隙式膜蒸馏组件对氯化钠溶液进行膜蒸馏试验研究。
考察了进料温度、流速、浓度对膜通量、造水比和截留率的影响。
结果表明，膜通量和造水比例随着温度升高而减少，截留率基本保持不变（99.8%以上）。
曲丹[4]等研究了钙的沉积物(CaSO4、CaCO3)对PVDF中空纤维膜组件膜蒸馏过程的影响。
研究表明，CaSO4、CaCO3均在溶液中发生结晶，结晶颗粒堵塞膜组件引起热侧流速降低，从而导致膜通量降低。
3.膜材料目前常用的MD膜材料有聚四氟乙烯( PT FE)、聚偏氟乙烯( PVDF)和聚丙烯( PP)。
目前对PVDF膜研究得较多用得也较广。
膜材料的化学性能和膜的结构对膜分离的性能起着重要的作用。
在膜蒸馏中，膜主要起到汽液界面物理支撑的作用，但必须要有疏水性和较小的导热系数，以上材料基本能较好的满足以上要求。
基于上述膜材料，膜蒸馏用膜的制备方法主要有：拉伸法、相转化法、表面改性法、共混改性法以及复合膜法。
近年来，为了提高分离膜的综合性能，不同膜材料优势互补的复合膜材料的研究也越来越引起研究者的兴趣。
李福勤[5]等采用自制PVDF亲水/疏水性复合膜，对循环冷却排污水回用处理进行真空膜蒸馏实验。
结果表明：膜通量随原水温度和冷侧真空度提高而明显上升。
采用药剂软化预处理，有利于提高膜通量和高浓缩倍数下的稳定运行；自制PVDF复合膜表面疏水性(接触角130°)强，膜通量大，产水水质优良，机械强度大，用于循环冷却排污水回用处理中实用性较强。
4.膜蒸馏过程的传质和传热机理膜蒸馏是一种热驱动过程，疏水多孔膜料将热侧和冷侧分开，由于进料侧的蒸汽压高于透过侧的蒸汽压，在压差梯度作用下，蒸汽分子由热侧透过膜孔迁移至冷侧，再经冷凝，可得纯净组分。
该过程分为三个阶段：（1）潜热传递。
（2）热量由热侧表面通过膜主体和膜孔传递到冷侧表明。
（3）水蒸气在另一侧冷凝。
该过程是传热与传质的偶合过程，并且这两种传递过程都分别由边界层内的传递和跨膜传递两部分组成，因此传热和传质之间的关系比较复杂。
4.1传质机理在膜蒸馏过程中，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）以蒸气的形式透过膜，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浓度极化现象。
就理论上而言，浓度极化会削弱浓度边界层内的传质推动力，从而使膜蒸馏过程的跨膜通量减小，但若挥发性组分的蒸汽压随溶质浓度的升高下降不明显，浓度极化对跨膜通量的影响可以忽略。
浓度极化对膜蒸馏过程影响的另一方面是当膜表面处溶质浓度高至一定程度将会导致膜被润湿。
4.2传热机理由于热边界层的存在，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，造成温度极化现象。
温度极化是影响MD 过程热效率的重要因素，通常定义温度极化系数Θ用以衡量MD 过程对外加推动力的利用程度。
Θ=p f pmfm T T T T --优良的MD 系统要求边界层的传热情况达到最佳，即Θ应接近于1（通常在0.4～0.6）。
膜蒸馏过程中的热量传递主要由汽化潜热和跨膜热传导两部分。
丁忠伟等[6]通过对膜两侧进行热量衡算，并假设传热为稳态过程，得到了流体在膜两侧表面温度的表达式。
阎建民等[7]针对气隙式膜组件给出了热边界层内传热系数的经验关联式。
5.膜浸润与膜污染膜润湿与膜污染会增加传质的阻力，导致膜的通量和膜过程效率的降低，是制约膜蒸馏技术广泛应用的两个重要因素。
除了对膜材料的改良和研发来提高膜的抗润湿、抗污能力外，近年来学者们也对其他相关因素做了广泛的研究。
代婷等[8]选取水体中具有代表性的有机物(腐殖酸)、微溶无机盐(碳酸钙)作为典型污染物,研究有机腐殖酸聚集体对于膜蒸馏过程膜污染进程的影响规律，探讨天然有机物-无机微溶盐混合水体中腐殖酸聚集体对于无机盐结晶过程的控制机理。
结果表明：膜蒸馏通量的衰减大致可分为由滤饼层的形成造成的不可恢复部分以及由浓差极化、膜孔“半润湿”而造成的可部分恢复的通量降低。
可通过控制污染水体中有机物的含量控制微溶碳酸钙在膜内表面成核及生长，实现控制其在膜内表面附着进而诱发疏水膜发生亲水化的过程。
刘喆[9]等采用膜蒸馏技术浓缩中药提取液，在进料侧间歇鼓泡产生两相流。
重点考察了气速、通气持续时间、通气频率对膜污染的抑制效果。
结果表明间隔时间为30 min 时，气速分别为0.06和0.09 m 3/h 时抑制膜污染的效果明显不如气速分别为0.12和0.15 m 3/h 时的效果。
通气频率越高,则两相流抑制膜污染的效果越好。
6.膜蒸馏的应用6.1海水、苦咸水脱盐和超纯水的制备大量研究表明，膜蒸馏用于海水苦咸水脱盐，运用该方法脱盐的产水量是其他方法不能比拟的。
膜蒸馏用于海水淡化的优点是过程可在常压和接近常温下连续进行，操作简单，容易放大。
王红杰[10]等，通过调整挤出头尺寸，制备出不同壁厚的聚四氟乙烯(PTFE)中空纤维膜。
采用浸没式真空膜蒸馏(SVMD)，研究了膜丝壁厚、操作条件、NaCl 浓度等对产水通量和脱盐率的影响。
结果表明，降低膜壁厚度可增加产水通量；提高料液温度和冷侧真空度可明显提高产水通量；曝气亦可提高产水通量，当曝气量超过6m 3/(m 2·h)时，产水通量反而下降。
连续运行800h 的实验表明，产水通量随工作时间的延长而减小，200h 后趋于稳定，脱盐率可保持在99.6%以上.。
吴刚等[11]采用疏水性聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维微孔膜，以3.5%的NaCl 水溶液为测试液，进行直接接触膜蒸馏(DCMD)脱盐过程研究。
考察了盐水温度、流速、PVDF 膜的壁厚、内径、组件长度及封装分率等因素对DCMD 过程性能的影响。
结果表明：盐水温度、流速提高都有利于提高DCMD过程的通量；随中空纤维膜壁厚增加，通量逐渐降低。
由于膜的疏水性，原则上只允许水蒸汽通过膜孔，因此能得到很纯的水。
而且整套设备可以使用塑料制造，克服了腐蚀问题，更可保证产品的纯度。
用减压膜蒸馏对自来水一次通过处理，水质达到微电子工业用高纯水三级和医用注射水的标准。
实验证明，用膜蒸馏方法从自来水制取纯水是可行的。
6.2食品工业膜蒸馏技术用于食品工业可以防止高温蒸发造成的营养成分的破坏与流失，保持产品的颜色、风味和营养价值。
有研究人员用渗透膜蒸馏技术对红酒进行透水浓缩，并证实了改过程不会影响浓缩液的多酚含量和抗氧化活性。
Bagger-Jørgensen 等[12]用MD 过程提取挥发性的果汁香气成分，考察了过程的主要影响因素，为工业化提供了可靠的理论依据。
上述研究与广泛应用的传统高温蒸发工艺相比较，可直观地说明膜蒸馏过程更加温和且能耗低，但具体程度还需放大后才能确定。
王焕等[14]利用自制的具有高效内部热量回收功能的多效膜蒸馏组件对西瓜汁、梨汁、柚子汁和苹果汁4种果汁进行了浓缩试验，考察了进料温度、浓度和料液流量对膜通量和造水比的影响。
结果表明，在浓缩过程中膜平均通量约为3 L/(m2.h)，造水比约为7.5，相当于九效蒸发器的节能效果。
6.3非挥发性物质的分离膜蒸馏与其他膜过程相比，其主要优点之一是可以在极高的浓度条件下运行，即可以把非挥发性溶质的水溶液浓缩到极高的程度，甚至达到饱和状态。
王军等[15]采用疏水膜蒸馏浓缩(MD)技术处理低压反渗透(RO)系统的浓水，系统地研究了MD技术用于RO浓水回用处理的运行参数，以及RO浓水的pH值与MD浓缩倍数对膜通量和产水水质的影响。
同时采用Visual MINTE Qver 2.51软件系统地分析了膜蒸馏浓缩过程中，碳酸钙、硫酸钙、氢氧化镁等难溶盐的溶解度及其饱和指数与RO浓水pH值、温度及浓缩倍数的关系，确定了MD稳定运行的控制参数。
