第30卷第3期膜科学与技术V o l.30N o.3 2010年6月M EM BR AN E SCI EN CE A ND T ECH N OL OG Y Jun.2010专家论坛膜蒸馏过程探讨吕晓龙(天津市中空纤维膜材料与膜过程重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地,天津工业大学生物化工研究所,天津300160)摘要:讨论了膜蒸馏涉及的膜材料特性.提出水膜阻力概念,认为疏水膜材料结构的优化与膜蒸馏工艺有关.提出鼓泡膜蒸馏方法,在热流体中鼓入空气气泡,由气液两相流效应来强化热流体的扰动.提出透气膜蒸馏方法,通过气体的吹扫夹带作用,使膜孔内水蒸气的传质由低效的扩散转为高效的对流机理.提出曝气膜蒸发方法,利用不同温度的空气吸湿原理进行膜曝气.将膜蒸馏过程与化学除硬度、超滤耦合,可除去结垢性钙镁离子;将膜蒸馏过程与气浮絮凝过程耦合,可除去有机污染物,实现高倍率浓缩.提出多效膜蒸馏方法,膜组件兼有蒸发与换热功能,使膜蒸馏过程中的水蒸气冷凝与原水加热过程耦合,可以实现低成本的膜蒸馏过程.关键词:膜蒸馏;疏水膜;超疏水性;水膜阻力;膜过程;工艺耦合中图分类号:T Q028.8文献标识码:A文章编号:1007-8924(2010)03-0001-10在高收率海水淡化、工业循环冷却水和反渗透浓水的零排放、高效节能化工浓缩等领域,都涉及高盐度水的深度浓缩问题,尤其是高盐度难处理工业废水的排放问题日益被关注,其零液体排放是未来深度水处理技术的发展方向.膜蒸馏(membrane distillation,MD)是传统蒸馏工艺与膜分离技术相结合的一种液体分离技术,膜蒸馏过程是热侧液体的水分子蒸发汽化,穿过疏水膜的微孔,水相中非挥发性的离子和分子等溶质则不能透过疏水膜,从而实现溶液分离、浓缩或提纯的目的.膜蒸馏是有相变的膜过程,同时发生热量和质量的传递,传质的推动力为疏水膜两侧透过组分的蒸汽分压压差.膜蒸馏过程的特征[1]:使用疏水性微孔膜,分离膜至少有一个表面与所处理的液体接触,且不能被所处理的液体润湿,传质推动力是液体中可汽化组分在膜两侧气相中的分压差.相对于其它的分离过程,膜蒸馏的优点主要有:(1)对液体中的离子、大分子、胶体等非挥发性溶质能达到100%的截留;(2)操作温度比传统的蒸(精)馏低;(3)操作压力远低于反渗透过程;(4)与传统的蒸馏设备相比,无蒸发器腐蚀问题,设备体积小,造价低.由于疏水膜材料与膜蒸馏工艺技术的进步,膜蒸馏技术日益显示出其在水处理领域高度浓缩方面的应用潜力,成为了膜领域中最被研究关注的热点方向之一,近年来有多篇综述性文章发表[2-5],在疏水膜材料[6-11]、膜蒸馏工艺[12-21]方面开展了深入研究,并且在水中有用物的回收浓缩[22-27]方面开展了膜蒸馏技术的实际应用研究,本课题组近年来也开展了一些相关研究工作[28-34].由于膜蒸馏是一个有相变的膜分离过程,在膜蒸馏的工艺设计上,必须考虑系统的保温与热能回收,否则运行费用较高.目前膜蒸馏技术还未能大规模工业化应用,主要是因为在疏水膜材料的亲水化渗漏、膜组件结构设计与干燥方法、膜蒸馏工艺流程优化与系统集成、蒸汽相变热回收、加热与废热利用方式等一系列膜蒸馏环节上均有待于提高.结合本课题组在膜蒸馏方面已开展的研究工作,本文就膜蒸馏过程的一些问题进行探讨.收稿日期:2010-01-06基金项目:863课题工业循环冷却水膜集成净化过程研究(2008AA06Z303);天津市重点基金课题废水浓缩减排与淡化再利用技术研究(09JCZDJC26300)作者简介:吕晓龙(1964-),男,山西省忻州市人,博士,博士生导师,从事中空纤维分离膜制备与膜分离过程研究, E-mail:luxiao lo ng@#2#膜科学与技术第30卷1现有膜蒸馏过程按照疏水膜透过侧的不同蒸汽收集冷凝方式,已有四种膜蒸馏工艺过程.1)直接接触膜蒸馏如图1,直接接触膜蒸馏(direct contact mem-brane distillation,DCM D)是膜的一侧直接接触热料液,另一侧直接接触冷流体.传质过程为:(1)水从被处理液体主体扩散到与疏水膜表面相接触的边界层;(2)水在边界层与疏水膜的界面汽化;(3)汽化的蒸汽扩散通过疏水性膜孔;(4)蒸汽在疏水膜的透过侧直接与冷流体接触而被冷凝.2)空气隙膜蒸馏空气隙膜蒸馏(air g ap membrane distillatio n, AGM D),如图2,传质过程的前三步与直接接触膜蒸馏相同,从第四步开始,透过侧的蒸汽不直接与冷液体接触,保持一定的间隙,透过蒸汽扩散穿过空气隔离层后在冷凝板上进行冷凝.3)减压膜蒸馏减压膜蒸馏(vacuum membrane distillation, VMD)又称真空膜蒸馏,是在膜的透过侧用真空泵抽真空,以造成膜两侧更大的蒸汽压差.传质的前三步与直接接触膜蒸馏相同,第四步透过蒸汽被真空泵抽至外置的冷却器中冷凝,见图3.减压膜蒸馏比其他膜蒸馏过程具有更大的传质通量,所以近几年来受到比较大的关注.4)气扫膜蒸馏气扫膜蒸馏(sw eeping g as m em br ane disti-l latio n,SGMD)是用载气吹扫膜的透过侧,从膜组件中夹带走透过的蒸汽,使蒸汽在外置的冷却器中冷凝.传质过程也是在第四步发生变化,传质推动力除了蒸汽的饱和蒸汽压外,还有由于载气的吹扫夹带作用,促进传质,因此传质推动力可以比直接接触膜蒸馏和空气间隙式膜蒸馏大,载气中水蒸汽的分压以及冷凝温度控制对膜蒸馏产水量有重要影响.工艺原理见图4.一般来说,DCMD的设备最简单且操作容易,是被研究最多的膜蒸馏过程,适于脱盐或浓缩水溶液(果汁等),水为主要渗透成分;SGM D或VM D用于从水溶液中除去挥发性有机物或可溶气体; AGMD主要用于平板膜的膜蒸馏过程.图5和图6是本课题组的实验数据[35].由图5第3期吕晓龙:膜蒸馏过程探讨#3#可知,当原料液盐水浓度较低时(低于40g/L),三种过程的膜蒸馏通量随料液浓度变化的趋势并不明显;而当浓度超过80g/L后,随着盐水浓度继续增加,三种膜蒸馏过程通量都呈缓慢下降的趋势.在VMD过程中,当料液浓度大于320g/L时,产水通量迅速降低.由图6可看到,三种膜蒸馏机理的产水水质有明显差别,VM D过程有较高的通量与较低的产水电导率.2膜蒸馏材料本文主要针对中空纤维疏水膜来讨论膜蒸馏过程,为方便描述,在膜蒸馏过程中,当热流体在中空纤维膜的管内流动时,称为内接触式膜蒸馏;当热流体沿着中空纤维膜的外壁面流动时,称为外接触式膜蒸馏.2.1超疏水疏水膜的表面高疏水化应是疏水膜制备技术中的重要研究方向之一,可用于提高疏水膜的膜蒸馏通量,并提高疏水膜的抗亲水化渗漏性.超疏水表面一般是指与水的接触角大于150b的表面,自然界中许多植物叶的表面具有纳米结构与微米结构的乳突相结合的双微观结构,从而具备超疏水性.超疏水性固体表面一般来说可以通过两种方法制备:一种是在疏水材料表面构建粗糙结构;另一种是在粗糙表面上修饰低表面能的物质.我们采用溶液相转移法涂覆法来改变膜表面的物理形态结构,进行聚偏氟乙烯(PVDF)膜的表面超疏水改性.图7和图8分别为改性前后PVDF膜表面的SEM照片.如图8,采用溶液相转化固化成形机理,通过控制涂覆液中PVDF的浓度,使其在PVDF基膜表面形成非连续相,可以在膜表面构筑出纳米级的凸起结构,使PVDF疏水膜的接触角从80b提高到160b.图7改性前P VDF膜表面的SEM照片F ig.7T he membrane sur face SEM befor e modified图8超疏水改性后P VDF膜表面的SEM照片F ig.8T he membr ane surface SEM after modified2.2水膜阻力按照通常的理解,只要气体在疏水多孔膜两侧存在压力差,疏水膜应可以透气,但我们通过实验发现,在膜表面与水接触的情况下,却存在临界透气压力,在低于此临界透气压力时,疏水膜并不透气,本文在此定义此临界透气压力为水膜阻力.因此,表征膜蒸馏疏水膜的透气性能,不仅需要测定其在一定压力下的气通量,还需要测定其水膜阻力.水膜阻力与膜材料本体特性、膜表面物理结构与化学组成、膜孔道结构等因数有关.对于由溶液相转移法制得的中空纤维膜而言,由于其内外表面孔结构与粗糙程度不同,其内外表面的水膜阻力值也不同.本课题组由溶液相转移法制得的PVDF疏水膜的外接触水膜阻力值为0.040MPa,经过表面超疏水化处理后,水膜压力可以降低至0.002M Pa.2.3亲水化渗漏亲水化渗漏是指蒸汽在膜孔内因毛细管冷凝现象而导致的疏水膜透水现象,除与膜蒸馏工艺有关外,从材料学角度来看,则主要与膜材料本体的疏水性有关.当制膜过程中的亲水性添加剂未完全除去时,也会导致膜孔道内的表面疏水性下降,加剧亲水化渗漏现象.2.4膜污染及其清洗与超/微滤膜、反渗透膜一样,膜蒸馏过程同样存在膜污染问题,但由于膜表面的疏水特性,膜污染程度显著低于超/微滤膜.对于高硬度体系,如图9、图10所示的反渗透浓水体系,污染物以无机垢为主,分离膜表面有明显的结晶物形成,通过EDS对其无机物的组成成分分析可知,污染物的主要元素组成及质量分数如下:Ca32.08%;M g1.92%;Na1.41%;Cl0.78%等.造成反渗透浓水的V MD浓缩过程中膜通量迅速下降的主要原因是浓水中硬度组分的饱和沉积,堵塞膜组件以及在膜内表面形成一层致密的膜垢.#4 #膜 科 学 与 技 术第30卷对于预除硬之后的反渗透浓水膜蒸馏过程,属于低硬度、高COD 体系,如图11、图12所示,膜表面污染物则以有机沉积物夹杂氯化钠为主,通过EDS 对其组成的无机物成分分析可知,污染物主要元素组成及质量分数如下:Na 26.42%;Cl 37%;Ca 2.29%等.除硬后RO 浓水的VMD 浓缩初期膜通量衰减缓慢的原因是浓水溶液浓度增大,导致水蒸气压分压下降,降低了蒸馏过程的传质驱动力,导致了膜通量的缓慢下降;而浓缩后期膜通量迅速下降的主要原因则是由于由于浓差极化效应增加,造成膜表面泥饼沉积,在膜表面形成一层致密的膜垢.由于膜表面的疏水特性,膜污染的清洗明显比超/微滤膜容易,采用超/微滤膜清洗中常用的酸、碱及氧化性清洗剂,可以有效地恢复膜蒸馏通量.2.5 中空纤维疏水膜的几何尺寸关于中空纤维疏水膜的内径、断面结构与壁厚优化问题,与具体采用的膜蒸馏工艺密切相关.对于内接触式膜蒸馏,因中空纤维管程中流体携带的热量有限,因此中空纤维内径不宜过小,否则会导致膜组件出口温度过低.为减少膜蒸馏过程中冷热端的热量损失,DCM D 用膜的壁厚不宜过薄,断面结构应以隔热效果好的、高孔隙率的指状孔结构为宜;对于VMD 过程,在保证足够的中空纤维膜自支撑强度情况下,膜的壁厚应尽量薄为好,断面结构应选择相对致密、导热性好的海绵体结构,防止水蒸汽在膜孔内的降温,提高蒸发效率.3 新膜蒸馏过程设计基于上述膜蒸馏过程及其影响因数分析,本课题组设计了几种新的膜蒸馏过程.3.1 鼓泡膜蒸馏(bubble membrane distillation,BMD)[36,37]一般的膜分离过程如反渗透、纳滤、超滤、气体分离,均属于传质控制过程,关于膜蒸馏技术,目前的研究大多集中于研究透过侧的传质,如前所述,VM D 、DCM D 、SGMD 、AGMD 过程的研究重点集中在膜蒸馏四步骤中的第四步,但膜蒸馏过程是一个传热和传质同时进行的过程,液体蒸发的速度取决于较慢的过程,即热量传递过程,因此,研究膜蒸馏过程应主要研究传热过程.膜蒸馏过程实质属于传热控制过程.传热过程可以分为传导传热、对流传热和辐射传热三种基本机理,传统膜蒸馏技术的传热过程基本属于传导传热,在疏水膜的热侧,热流体与疏水膜之间存在滞流内层.传导传热效率远低于第3期吕晓龙:膜蒸馏过程探讨#5# 对流传热.在湍流主体内,由于流体质点湍动剧烈,所以在传热方向上,流体的温度差小,热量传递主要依靠对流进行,传导所起作用很小.在过渡层内,流涕的温度发生缓慢变化,传导和对流同时起作用.在滞流内层中,流体仅沿壁面平行流动,在传热方向上没有质点位移,所以热量传递主要依靠传导进行,由于流体的导热系数小,使滞流内层导热热阻很大,因此,该层内流体温度差较大,即流体的热阻主要集中在滞流内层.由于中空纤维膜组件的加工问题,在热流体流道中设置隔板等湍流强化措施,实施困难,效果也不是很好.在现有膜蒸馏技术中,通过在热流体中鼓入空气气泡,由气液两相流效应来强化热流体的扰动,使热流体从层流转变为湍流,同时,可以减少热流体与疏水膜之间滞流内层的厚度,从而提高传热效率.图13所示为鼓泡减压膜蒸馏过程(BVM D),实验条件为:质量分数3.5%的N aCl 水溶液,温度70e ,真空度-0.085M Pa.从图13可以看到,随着热流体中鼓气量增加,BVM D 过程通量显著增加.混合流体的雷诺数呈直线上升趋势,从层流逐渐发展到湍流,提高了膜面剪切力,降低了流体边界层厚度,从而降低了浓度和温度极化,使膜蒸馏通量提高.图13 鼓气量对膜蒸馏过程的影响F ig.13 T he influence in membranedistillation with air bubble如图14,在鼓泡减压膜蒸馏过程中,膜表面沉积物显著减少,说明鼓气过程可以明显抑制膜污染.图14 中空纤维膜内表面SEM 照片,2000倍F ig.14 T he SEM of internal surface o f membr ane3.2 透气膜蒸馏(transmission membrane disti-llation,TMD)在3.1鼓泡膜蒸馏过程中,如果进一步提高通入的压缩空气压力,使其大于疏水膜的水膜阻力,则压缩空气可以穿透疏水膜,进入疏水膜的产水侧.突破水膜阻力后,通过附加的压缩空气吹扫夹带作用,改变膜孔内水蒸气的传质机理,使其从低效的扩散转为更为高效的对流,并且,由于膜孔内的水蒸汽被空气稀释,低于其饱和蒸汽压,可以有效防止水蒸气在膜孔内的二次冷凝,解决膜孔的润湿渗漏问题.3.3 曝气膜蒸馏(aeration membrane distillation,AMD)[38]液体的汽化可以在低于沸点时进行,此时气化只发生在液体表面,蒸发速率慢.曝气膜蒸馏过程是利用不同温度的空气吸湿原理进行膜曝气,并利用空气流的吹扫作用将水蒸气带出.在热流体中直接通入压缩空气,利用疏水性多孔膜进行微泡曝气,可以大大增加空气泡与热液体的气液接触面积,提高空气泡中的湿气夹带量,湿热空气在外置的冷凝器中冷凝,获得膜蒸馏产水.在严格意义上,曝气膜蒸馏过程并不符合前述的膜蒸馏定义,在曝气情况下,分离膜不直接与所处理的液体接触,且传质推动力不是液体中可汽化组分在膜两侧气相中的分压差,而是利用了空气在不同温度下的吸湿差异,但作为一种实际可行的蒸发过程,依然有其应用价值.从本课题组实验结果看,膜通量和产水电导率均接近于气吹扫式膜蒸馏.在曝气膜蒸馏过程中,疏水膜与被处理液体可以不直接接触,因而可以扩大膜材料的#6 #膜 科 学 与 技 术第30卷选用范围.并且,在曝气膜蒸馏过程中,膜孔内部随时处于被空气吹扫状态,解决了膜蒸馏过程中疏水膜的润湿渗漏问题;膜表面随时处于被空气吹脱扰动状态,解决了膜蒸馏过程中的膜污染问题.通过控制压缩空气的曝气压力,获得经济性适宜的产水通量;通过控制气液混合区高度,使产水电导率在可以接受范围内.3.4 内吹扫式膜蒸馏(NSGMD)[39]对于中空纤维膜组件气扫式膜蒸馏,通常采用的是壳程气扫式中空纤维膜组件,存在如下缺点:(1)由于中空纤维膜组件浇铸方面问题,吹扫气进入中空纤维膜丝外侧的壳程后,难以均匀分布,导致吹扫功效低;(2)由于膜组件外壳保温问题,透过的水蒸气容易在膜组件壳体内冷凝,难以全部引出膜组件外部.因而导致实际应用时,膜蒸馏通量低.如图15所示为内气扫式膜蒸馏示意图,热流体从中空纤维膜组件壳程流过,吹扫气从中空纤维膜丝的管程流过.这样,吹扫气流容易在膜丝内部分布均匀,同时,由于热流体从中空纤维膜组件壳程流过,可以保障膜丝内部的温度,因而避免发生水蒸气在膜组件内的冷凝现象,因此产水收率高.由于原水只与膜丝外表面接触,对预处理的要求简单,还可以采用类似膜生物反应器的无外壳、浸没式膜组件,将膜蒸馏装置设计为类似膜生物反应器结构形式,更方便地控制膜污染,实现高倍率浓缩.图15 内气扫式膜蒸馏Fig.15 T he inter nal sweeping g as membr ane distillat ion4 膜蒸馏过程集成设计4.1 热泵能量回收[40]膜蒸馏是有相变的膜分离过程,降低运行成本的关键为膜蒸馏系统的热量回收.热泵是一种把热量从低温端送向高温端的专用设备,是节能的新装置.它由蒸发器、空气压缩机、冷凝器等部分组成,利用少量的工作能源,以吸收和压缩的方式,把一特定环境中低温而分散的热聚集起来,使之成为有用的热能.将低品位热能的循环水进入热泵,从中提取能量,将膜蒸发浓缩系统循环浓水加热到60~90e .通常热泵的成绩系数为3~4,新型的热泵的成绩系数可以达到6到8,这样,低品位能源将得到更有效的利用.4.2 采用塑料换热器[41]通过纺制出较薄的中空纤维壁厚和较细的中空纤维内径,使塑料中空纤维换热器在单位体积内具有较大的传热面积,可以抵消高分子材料导热率远低于金属的缺点.同时,高分子材料的耐盐类腐蚀性远高于金属材料,抗结垢性能也明显优于金属材料,不易污染,完全可以满足针对膜蒸馏过程的低温换热要求.相对于金属换热器,塑料中空纤维换热器还具有造价低、预期使用寿命长的优点.塑料材料可以选用聚丙烯、聚偏氟乙烯等易于注塑加工的高分子材料.4.3 与化学除硬、超滤耦合[42,43]通过投加酸碱等化学药剂,经过超滤澄清,将高浓度的钙镁离子和部分有机物沉淀成为污泥,澄清液继续膜蒸馏,从而提高膜蒸馏浓缩倍数.如图16所示,原水首先进入第一级膜蒸馏池进行蒸发,流出的浓水加碱后,在浸没式超滤反应器中进行过滤,滤清液被泵抽出、调酸后,进入第二级膜蒸馏池进行蒸发.图16 膜蒸馏-除硬-超滤耦合工艺Fig.16 T he pro cess coupling with membrane distillatio n,remo ve hardness and ultr afiltration4.4 与气浮除杂工艺耦合图17所示为曝气膜蒸馏/气浮除杂工艺耦合.将膜蒸馏过程与膜孔干燥、膜表面气体冲洗、处理液气浮除杂三个过程同时在一个膜蒸发池中进行.利用污水处理中常见的气浮絮凝原理将膜蒸发池中的第3期吕晓龙:膜蒸馏过程探讨#7# 污染物去除,实现膜蒸发/气浮一体化.通过不断空气吹扫清洗,可以有效防止膜污染与亲水化.原水槽中的原水经过水泵,进入膜蒸发池中进行膜蒸发;通过计量泵将絮凝剂等药剂打入膜蒸发池中;蒸发絮凝后的浓水由气浮作用,溢流出膜蒸发池,在重力作用下流入下方的超滤水槽;经过置于水槽中的浸没式多孔膜过滤后,上清液返回,继续膜蒸馏过程;多孔膜过滤水槽中的污泥则下沉,低位排出水槽外;压缩空气透过疏水膜,鼓泡进入膜组件,饱和吸湿后,同时将部分水蒸气吹扫,水蒸气进入冷凝器液化,获得产水.图17 膜蒸馏-气浮耦合工艺Fig.17 T he pro cess coupling wit h membranedistillat ion and air flo tatio n通过不间歇压缩空气连续在线鼓泡:(1)使压缩空气穿过膜孔,防止水分在膜孔中凝结导致的亲水化,从而保持疏水膜的干燥性;(2)防止污染物在膜表面沉积,解决膜污染问题;(3)通过同时在料液中加入絮凝剂等化学药剂,将污染物絮凝吹带出膜蒸发池,实现高浓度浓缩;(4)利用空气泡的吸湿和夹带作用,将水蒸气带离膜蒸发池,不需要高压压缩空气和真空泵,运行能耗大为降低;(5)压缩空气经过疏水膜的过滤,产水水质好.4.5 多效膜蒸馏(multiple -effect membrane disti-llation,MEMD)装置与方法膜蒸馏过程中水蒸气的相变热约为2500kJ/kg,远大于水的比热容4kJ/(kg #K).因此,若按常规减压膜蒸馏方式,需要大量的冷却水;若以待处理液体作为冷却水,将膜蒸馏过程中产生的水蒸气与待处理液体直接交换,则待处理液体不能完全吸收蒸汽潜热,只能部分冷凝水蒸气.若采用冷媒作为中介,使用机械式压缩机来吸收蒸汽潜热,按热泵的能效比为4B 1,系统能耗也很高,而且目前热泵系统价格昂贵.因此本文在此设计了一种多效膜蒸馏方法.将膜蒸馏过程中的水蒸气冷凝与原水加热过程耦合,回收蒸发潜热.在该工艺方法中,膜蒸馏组件兼起到了换热器的作用,无须另配换热器.如图18,是多效膜蒸馏原理示意图.多效膜蒸馏装置由升温减压发区、主蒸发区和降温蒸发区三部分构成.冷的原水经过增压泵、流量计后,依次流过疏水膜组件1、2、3、4、5、6、7、8的管程;疏水膜组件1、2、3、4、5、6、7、8的壳程则依次串联后,与气液分离器、真空泵相接;疏水膜组件1、2、3、4的壳程下端串接,将膜蒸馏产水排出;疏水膜组件5、6、7、8的壳程下端串接,将膜蒸馏渗漏液排出.图18 多效膜蒸馏原理示意图F ig.18 T he process of multiple -effect membrane distillation#8#膜科学与技术第30卷冷的原水经过增压泵1、流量计控制一定的流量后,首先流入升温减压蒸发区的疏水膜组件1、2的管程,与其壳程中的水蒸气发生热量交换.壳程中的水蒸气被冷凝成膜蒸馏产水,原水则被加热升温,并在真空泵的抽吸作用下,发生初级膜蒸馏,从疏水膜组件1、2的壳程下端,将膜蒸馏产水排出.在一级升温减压蒸发区被初步加热升温的原水,经过增压泵后,继续流入二级升温减压蒸发区的疏水膜组件3、4的管程,同样,与其壳程中的水蒸气发生热量交换.壳程中的水蒸气被冷凝成膜蒸馏产水,原水则被加热进一步升温,并在真空泵的抽吸作用下,发生二级膜蒸馏,从疏水膜组件3、4的壳程下端,将膜蒸馏产水排出.在二级升温减压蒸发区被再次加热升温的原水,经过增压泵和加热器加热,温度达到50~90e 后,继续流入主蒸发区的疏水膜组件5、6的管程,进行主体膜蒸馏过程.产出的水蒸气在真空泵的抽吸导引作用下,从疏水膜组件5的壳程上端,进入二级升温减压蒸发区的疏水膜组件3、4的壳程,对疏水膜组件3、4的管程的原水进行加热.在主蒸发区中蒸发浓缩后的原水,经过循环泵后面的两个分流阀门控制流量,一部分返回主蒸发区,加热后继续蒸发;另一部分进入一级降温减压蒸发区的疏水膜组件7、8的管程,继续发生膜蒸馏,同时,因蒸发而被降温,之后,从疏水膜组件8的管程排出.透过疏水膜组件7、8的水蒸气,在真空泵的抽吸作用下,进入疏水膜组件6的壳程.如果发生膜丝的亲水化渗漏,渗漏液则从疏水膜组件7、8的壳程下端排出.图18中示意给出了两级升温减压蒸发区、一级主蒸发区和一级降温蒸发区,根据膜蒸馏系统成本与温度控制方面的设计需要,可以仅设置一级升温减压蒸发区或更多级升温减压蒸发区;可以设置相互串联的更多级主蒸发区,以提高原水的浓缩倍数;可以设置相互串联的更多级降温蒸发区,以降低排出浓水的温度.每一级蒸发区可以设置一支或更多支疏水膜组件.为了提高膜蒸馏功效,还可以通过流量计控制,在原水中通入一定量的压缩空气,提高热流体在膜组件管程的扰动程度.另外,也可以设计使原水流经壳程,水蒸气通过管程.图18中,在主蒸发区、升温蒸发区和降温蒸发区,蒸汽的引导采用了减压膜蒸馏方式,蒸汽的引导也可以采用空气吹扫的方式.作为气扫式膜蒸馏,还可以分为内吹扫式和外吹扫式,即吹扫气可以途经疏水膜的管程或壳程.5结语目前膜蒸馏技术还未能大规模工业化应用,主要是因为在疏水膜材料的亲水化渗漏、膜组件结构设计与干燥方法、膜蒸馏工艺流程优化与系统集成、蒸汽相变热回收、加热与废热利用方式等一系列膜蒸馏环节上均有待于提高.膜表面超疏水改性是提高分离膜材料性能的一种有效手段,采用溶液相转移法,可使聚偏氟乙烯疏水膜的接触角从80b提高到160b.提出了水膜阻力概念,认为其与膜材料本体特性、膜表面物理结构与化学组成、膜孔道结构等因数有关.依膜蒸馏工艺不同,对中空纤维疏水膜的内径、断面结构与壁厚等结构参数应有不同的要求.由于膜表面的疏水特性,膜蒸馏污染的清洗明显比超/微滤膜容易,采用常用的酸、碱及氧化性清洗剂,可以有效地恢复膜蒸馏通量.膜蒸馏过程实质属于传热控制过程,在分析了现有膜蒸馏过程的传热机理基础上,探讨了几种新的膜蒸馏过程.(1)鼓泡膜蒸馏方法,通过在热流体中鼓入空气气泡,由气液两相流效应来强化热流体的扰动,从而提高传热效率.(2)透气膜蒸馏方法,通过附加的压缩空气吹扫夹带作用,改变膜孔内水蒸气的传质机理,从低效的扩散转为更为高效的对流.(3)曝气膜蒸发方法,利用不同温度的空气吸湿原理进行膜曝气,并利用空气流的吹扫作用实现水蒸气的传质.在膜蒸馏过程集成设计方面,将膜蒸馏过程与化学除硬、超滤耦合,除去结垢性钙镁离子,从而提高膜蒸馏浓缩倍数.将膜蒸馏过程与气浮絮凝过程耦合,将膜蒸发池中的有机污染物去除,实现高度浓缩.膜蒸馏是有相变的膜分离过程,降低运行成本的关键为膜蒸馏系统的热量回收,为此提出了多效膜蒸馏方法,多效膜蒸馏由升温蒸发区、主蒸发区和降温蒸发区三部分构成,膜组件兼有蒸发与换热功能,使膜蒸馏过程中的水蒸汽冷凝与原水加热过程耦合,蒸汽则在真空泵的抽吸或吹扫气引导作用下进行传质,有望实现低成本的膜蒸馏过程.参考文献[1]Smoders K,Franken A C M.T ermino lo gy fo r membrane。
