膜蒸餾技術(shù)的回顧與展望

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1、2008年12月新膜過(guò)程研究與應(yīng)用研討會(huì)論文集·9·膜蒸餾技術(shù)的回顧與展望馬潤(rùn)宇(北京化工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京100029)摘要：論述了膜蒸餾技術(shù)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀與應(yīng)用前景，闡述了膜蒸餾技術(shù)的原理、特點(diǎn)及膜蒸餾過(guò)程機(jī)理．關(guān)鍵詞：膜蒸餾；述評(píng)；進(jìn)展中圖分類(lèi)號(hào)：T

2、Q028．8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Al膜蒸餾過(guò)程的原理及特點(diǎn)1．1膜蒸餾技術(shù)的基本原理用一張多孔疏水膜可將溫度不同的兩種料液隔開(kāi)，在膜兩側(cè)蒸汽壓差的作用下，揮發(fā)性組分以蒸汽形式通過(guò)膜孔，從膜熱側(cè)到達(dá)冷側(cè)．這就是膜蒸餾的基本過(guò)程．1986年在羅馬召開(kāi)的膜蒸餾研討會(huì)上，與會(huì)專(zhuān)家統(tǒng)一規(guī)范了膜蒸餾過(guò)程涉及的各種術(shù)語(yǔ)，定義膜蒸餾過(guò)程

3、有如下幾層含義：(1)使用的膜是多孔的；(2)膜不能被膜兩側(cè)的料液潤(rùn)濕；(3)揮發(fā)性組分以蒸汽的形式通過(guò)膜孔；(4)各種組份通過(guò)膜的推動(dòng)力是該組份在膜兩側(cè)的蒸汽壓差；(5)在膜孔中不發(fā)生毛細(xì)冷凝現(xiàn)象；(6)膜本身不影響其兩側(cè)不同組份的汽一液平衡；(7)膜至少有一側(cè)與料液直接接觸．通過(guò)膜兩側(cè)流體的溫差來(lái)實(shí)現(xiàn)蒸汽壓差是最常用的手段．揮發(fā)性組分通過(guò)膜后需要冷凝下來(lái)，根據(jù)冷凝方式的不同，膜蒸餾過(guò)程可分為直接接觸式、氣隙式、減壓式和氣掃式四種不同的形式．1．2膜蒸餾技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)的分離過(guò)程相比，膜蒸餾過(guò)程具有如下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：(1)100％地排斥溶液中的不揮發(fā)性物質(zhì)，如離子、大分子、固體

4、顆粒；(2)操作溫度比傳統(tǒng)蒸餾過(guò)程低得多；(3)操作壓力比其它壓力驅(qū)動(dòng)的膜分離過(guò)程(如反滲透)低許多；(4)處理液與膜之間的化學(xué)作用很小；(5)對(duì)膜的機(jī)械強(qiáng)度要求很低；(6)與傳統(tǒng)的蒸餾過(guò)程相比，操作時(shí)所需的汽相空間很?。?．3膜蒸餾過(guò)程用膜膜蒸餾過(guò)程一般采用疏水性多孔膜，同時(shí)膜材料收稿日期：2008一lO一30必須耐溫，以保證膜能夠在熱溶液中穩(wěn)定運(yùn)行．目前膜蒸餾所使用的多孔膜一般都是用于微濾過(guò)程的商品膜，還很少能見(jiàn)到專(zhuān)門(mén)為膜蒸餾過(guò)程開(kāi)發(fā)研制的膜．2膜蒸餾技術(shù)的歷史與現(xiàn)狀Bodell于1963年申請(qǐng)了膜蒸餾技術(shù)專(zhuān)利，在其專(zhuān)利申請(qǐng)中他將膜蒸餾描述為“一種將不可飲用含水流體轉(zhuǎn)化為可

5、飲用水的裝置和技術(shù)”．Bodell指出了可用抽真空的方式將滲透蒸汽從裝置中移走．他并沒(méi)有給出所用膜的結(jié)構(gòu)和孔的大小，只是說(shuō)該膜只能被蒸汽透過(guò)而不能被水透過(guò)，未給出結(jié)果和定量分析．1964年Weyl發(fā)現(xiàn)采用空氣填充的多孔疏水膜可在蒸汽壓系統(tǒng)內(nèi)從含鹽水中回收去離子水．這一著眼于采用新工藝提高脫鹽效率的發(fā)現(xiàn)于1967年被授予美國(guó)專(zhuān)利．該專(zhuān)利宣稱(chēng)“這是一種新的脫鹽方法和裝置，它的運(yùn)作將在最小限度地使用外部能量、資金和場(chǎng)地的情況下進(jìn)行”．Weyl建議將熱的溶液和冷的滲透物都與膜直接接觸，以消除氣隙．采用厚3．21Tim，孔徑9pan，空隙率42％的m膜，Weyl當(dāng)時(shí)獲得了1kg／(m2·

6、h)的通量，較當(dāng)時(shí)反滲透5-75k／(m2·h)的通量有相當(dāng)大的差距．因此在20世紀(jì)60年代后期人們對(duì)膜蒸餾的興趣逐漸減弱。Findley第一個(gè)將膜蒸餾的研究結(jié)果公開(kāi)發(fā)表．20世紀(jì)60年代后期他發(fā)表了用多種膜材料進(jìn)行的直接接觸式膜蒸餾的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和基本理論．盡管Findley的實(shí)驗(yàn)裝置和步驟相當(dāng)粗糙，但他還是定性地確定了膜孔中空氣的存在、膜的厚度、導(dǎo)熱熱損失·10·膜科學(xué)與技術(shù)2008年和空隙率對(duì)膜蒸餾的影響．Findley預(yù)言，如果能找到低價(jià)位、耐高溫、長(zhǎng)壽命的理想膜，膜蒸餾不僅能用于處理海水，也是一種非常經(jīng)濟(jì)的蒸發(fā)方法．早期的膜蒸餾過(guò)程設(shè)計(jì)中，Rodger的工作最為出色，他在

7、1968—1975年問(wèn)有多項(xiàng)專(zhuān)利被批準(zhǔn)揭q引．1971年的專(zhuān)利設(shè)計(jì)了多效膜蒸餾，以分離揮發(fā)性不同的繾份，如重水的分離．1972年的專(zhuān)利設(shè)計(jì)了膜蒸餾的脫鹽工藝，是一個(gè)包含了料液脫氣、膜表面處理等工序在內(nèi)的完整系統(tǒng)．1975年的專(zhuān)利則改變了研究方向，設(shè)計(jì)了家用飲水機(jī)．20世紀(jì)80年代早期，隨著膜制造技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)膜蒸餾興趣又逐漸恢復(fù)，這主要是因?yàn)榇藭r(shí)已經(jīng)出現(xiàn)了空隙率高達(dá)80％而厚為50btm的膜，其通量是Weyl和Findley在20世紀(jì)60年代所用膜的100倍以上．另外組件的設(shè)計(jì)也有了相當(dāng)大的改進(jìn)，對(duì)溫度和濃度極化現(xiàn)象對(duì)膜蒸餾過(guò)程的影響也有了較深的認(rèn)識(shí)．這些都使膜蒸餾逐漸被認(rèn)

8、為是一個(gè)極具競(jìng)爭(zhēng)力的處理過(guò)程．此時(shí)已經(jīng)有多位研究者開(kāi)始在膜蒸餾過(guò)程中測(cè)試自己的膜，以求膜蒸餾單元能夠商品化．Gore[13]開(kāi)發(fā)了一個(gè)卷式的組件用于膜蒸餾過(guò)程，但由于傳熱效果不好而不得不放棄其商品化的嘗試；SwedishDevelopmentCo。[14,15J采用板框式的組件對(duì)膜蒸餾進(jìn)行了研究；Enda[16,17J采用中空纖維膜組件對(duì)膜蒸餾過(guò)程進(jìn)行理論性的探索，并公開(kāi)發(fā)表了其理論模型和結(jié)果．20世紀(jì)80年代后期Enda推出了商品化的膜蒸餾系統(tǒng)．即使在今天，從商品化的角度來(lái)講，膜蒸餾作為一