1、膜蒸馏技术膜蒸馏技术背景背景l膜分离技术是近 20 a 迅速发展起来的重要的化工单元，其应用已从早期的脱盐发展到化工、食品、医药、电子等工业的废水处理、产品分离和生产高纯水等领域。l膜蒸馏（MD）技术首先由B.R.Bodell 在 1963 年申请并获得专利，在20世纪80年代才开始迅速发展，随着对MD类膜分离过程研究的不断深入，一些与 MD相关的膜过程相继出现并引起人们的重视，MD 技术在许多领域取得可喜的研究成果，尤其在水溶液的分离中更具有优势。原理原理lMD是膜技术与蒸发过程相结合的膜分离过程，以膜两侧蒸汽温度差为传质驱动力，它是热量和质量同时传递的过程，膜孔内的传质过程是分子扩散和努森
2、扩散的综合结果。MD 蒸馏原理（直接接触式）如图1所示。原理原理lMD 过程是一种热驱动过程，通过疏水性多孔膜将热料液（热侧）与透过侧（冷侧）分隔开，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，其他组分则被疏水膜阻挡在热侧，从而实现混合物提纯或分离的目的。膜蒸馏技术的传质与传热膜蒸馏技术的传质与传热l由此可见 MD 分离的传质过程主要由 3 个阶段组成：水分在膜的热料液侧蒸发；水蒸气穿过膜孔的迁移过程；水蒸气在膜的另一侧冷凝。l与之相关的传热过程则主要包括 4 个方面：热量由料液主体通过边界层转移至膜表面；蒸发形式的潜热传递；热量由热侧膜
3、表面通过膜主体和膜孔传递到透过侧膜表面；由透过侧膜表面穿过边界层转移到气相主体。特点特点l所用的膜为微孔膜；l膜不能被所处理的液体润湿；l在膜孔内没有毛细管冷凝现象发生，只有蒸汽能通过膜孔传质；l所用膜不能改变所处理液体中所有组分的气液平衡；l膜至少有一面与所处理的液体接触；l对于任何组分该膜过程的推动力是该组分在气相中的分压差。膜蒸馏的分类膜蒸馏的分类lMD可分为4种形式：直接接触膜蒸馏（DCMD）、气隙式膜蒸馏 AGMD）、吹扫气膜蒸馏（SGMD）和真空膜蒸馏（VMD，又名减压膜蒸馏），如图2-5所示，不同MD装置的区别主要在于蒸汽穿过疏水膜后冷凝回收方式的不同。（1）直接接触式膜蒸馏（D
4、CMD）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。（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 DCMD 相比，由于气隙的存在，减小了过程热损耗，但增加了传质的阻力。适合两侧温差较大的蒸馏过程。（3）气扫式膜蒸馏（SGMD）装置与AGMD 相似，不同在于使用惰性气体将透过侧的蒸汽吹出组件，在外部进行冷凝。由于惰性气体的加入，可以减少部分热量损耗，同时还可加快传质。但所需冷凝器的体积较大。（4）真空膜蒸馏（VMD）与 SGMD 类似，用
5、真空泵抽吸代替吹扫，使透过侧处于低压状态（不低于膜被润湿的压力），将透过侧的蒸汽抽出，并在膜组件外冷凝。这种方式可以大大减小热损失，且透过通量较大。当然，操作费用也相应增加。参数参数lMD过程是传质与传热同时进行的过程，衡量这两种过程效果的相应参数分别是膜通量与热效率。而对二者影响较大的主要是过程的操作参数以及膜的特性参数。参数参数l操作参数l主要影响参数有进料温度、浓度、进料流量、真空度、气体流速等。l进料温度和跨膜温差对膜的通量有重要影响，温度升高则蒸汽压变大，这就直接导致过程推动力的增加。提高进料温度和进料流量可以增加MD的通量，这是由于高流速下的混合更为理想，边界层变薄，膜表面的传质效
6、果更好。但是通量随流速的增加有一个最优值，之后会趋于稳定或是略微下降，这可能与热量损失有关。l高的进料浓度会降低蒸汽压力，并引起浓差极化，而且有可能导致膜的堵塞，因而浓度增加则通量减小。参数参数l膜的特性参数主要包括膜的孔隙率、孔径大小及分布、曲折因子以及膜厚度等。l膜的孔隙率影响蒸发面的大小，因此孔隙率越大，传质效果越好。l膜的厚度增加一方面会增加传质阻力，另一方面却能够减少能量的损失。l高的孔隙率、较小的弯曲因子和膜厚度值有助于通量的提高和极化现象的降低。l提高膜的固有传质系数，可减弱温差极化现象。当膜的固有传质系数较高时，流动阻力集中在边界层上，此时，增加扰动会带来传质效果的提升，提高操
7、作温度同样促进传质。当然，设置挡板增加扰动也会造成一定的能量损失，需要综合考察来权衡。膜材料膜材料lMD过程使用的膜主要有聚四氟乙烯（PTFE）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚偏氟乙烯（PVDF）等。然而这些膜基本是作为超滤、微滤、反渗透等膜过程的商业用膜，并不能够完全胜任MD过程所需的疏水性、渗透率、抗污染能力等。l对不同的材料进行改性、修饰或复合，开发和研制了许多性能优异的膜材料。如增加添加剂、改变膜的制作工艺、膜结构、纳米技术的应用、添加阻垢剂等。热源热源l将 MD 过程与可再生能源（太阳能、地热能、风能等）相结合，是优化MD过程的常见方式。随着太阳能集热器技术的成熟，太阳能与MD技
8、术的耦合研究也越来越普遍。而且这种集成过程最主要的成本是初始投资，包括设备、选址等，后续操作几乎不需要过多的投入。l除了太阳能与地热，还可采用微波照射的方式。这样可使加热更为均匀，提高传质效果，对膜的性能不会造成影响，但是可能会加重膜的结垢。优点优点l蒸馏过程几乎是在常压下进行，设备简单、操作方便，可以采用非金属设备；l在非挥发性溶质水溶液的 MD 过程中，只有水蒸气能透过膜孔，蒸馏十分纯净，有望成为大规模、低成本制备超纯水的手段；l可以处理极高浓度的水溶液，是目前唯一能从溶液中直接分离出结晶产物的膜过程；lMD组件很容易设计成潜热回收形式，并具有以高效的小型膜组件构成大规模生产体系的灵活性；
9、l膜两侧只需维持适当的温差即可进行操作，有望利用太阳能、地热、温泉和工厂的余热等廉价能源。缺点缺点lMD是一个有相变的膜过程，汽化潜热降低了热能的利用率；lMD与制备纯水的其他膜过程相比通量较小，目前尚未实现在工业生产中应用；lMD用膜的材料和制备工艺选择方面有限；lMD过程中的膜污染是其实现工业应用的主要障碍。应用应用l制取纯水和浓缩溶液l海水淡化 从目前MD在海水淡化产业的应用情况看，尚未见MD在海水淡化产业中大规模应用的报导。但相关的中试产水规模取得了一定的进展。利用工业上使用的海水余热或用工业废热加热海水进行MD海水淡化，具有成本低、设备简单、操作容易、能耗低等优点，证明 MD 技术在诸多海水淡化工程中有一定的竞争力。l苦咸水脱盐 MD 作为苦咸水脱盐技术之一，因其高效、节能、工艺简单等特点，在我国水资源持续发展战略中起着越来越重要的作用。17写在最后写在最后成功的基础在于好的学习习惯成功的基础在于好的学习习惯The foundation of success lies in good habits谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way讲师：XXXXXX XX年XX月XX日
