膜蒸餾過程的研究進展
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中文摘要
摘要：膜蒸餾是一種採用疏水微孔膜以膜兩側蒸汽壓力差為傳質驅動力的膜分離過程，可用於水的蒸餾淡化，對水溶液去除揮發性物質。例如當有不同溫度的水溶液被疏水微孔膜分隔開時，由於膜的疏水性兩側的水溶液均不能透過末空進入另一側，但由於暖側水溶液與膜介面的水蒸汽壓高於冷側，水蒸氣就會透過膜孔從暖側進入冷側而冷凝，這與常規蒸餾中的蒸發、傳質、冷凝過程十分相似，所以稱之為膜蒸餾過程。
本文介紹了膜蒸餾技術的發展歷程以及膜蒸餾過程的基本概念、最主流的傳質和傳熱機理研究、在各領域的應用概況、優點和缺點，並對膜蒸餾過程中存在的問題給出了相應的對策，最後對膜蒸餾技術的發展和研究趨勢作了簡要的評述。
關鍵詞：膜蒸餾傳質機理傳熱機理應用
膜蒸餾技術早在20世紀60年代中期就由m e findley提出，並在國際上開始了較系統的研究，但由於受到當時技術條件的限制，膜蒸餾的效率不高。在隨後的一段時間裡出現一些專利對該技術進行改進，但在20世紀60、70年代膜分離研究者致力於採用反滲透、超濾、微濾等膜技術來解決水處理問題，膜蒸餾一直沒有引起人們的足夠重視，直到20世紀80年代初由於高分子材料和製膜丁藝技術的迅速發展，膜蒸餾才顯示出其實用潛力。20多年來對這一新型膜分離過程的研究不斷深入，雖然至今還未見大規模工業生產應用的報道，但無論在傳質、傳熱機理方面還是在應用方面的研究都取得了巨大的進步，一些與膜蒸餾相關的膜過程相繼出現並同樣引起人們的重視。
1 膜蒸餾原理
膜蒸餾（membrane distillation ，簡稱md）是一種採用疏水微孔膜以膜兩側蒸汽壓力差為傳質驅動力的膜分離過程，可用於水的蒸餾淡化，對水溶液去除揮發性物質。例如當不同溫度的水溶液被疏水微孔膜分隔開時，由於膜的疏水性，兩側的水溶液均不能透過膜孔進入另一側，但由於暖側水溶液與膜介面的水蒸汽壓高於冷側，水蒸汽就會透過膜孔從暖側進入冷側而冷凝，這與常規蒸餾中的蒸發、傳質、冷凝過程十分相似，所以稱其為膜蒸餾過程。
2 膜蒸餾傳質和傳熱機理研究
2.1 傳質機理
20多年來，幾乎所有關於膜蒸餾的研究都涉及不同實驗條件對傳質通量的影響規律，如料液溫度、膜兩側溫差、料液濃度、料液流動速度等，這些因素對蒸餾通量的影響規律已為人們所熟悉並基本得到共識，而且總結出影響蒸餾通量最根本的因素是膜兩側的蒸汽壓力差：
j=km * △p
其中km被稱為「膜蒸餾係數」；△p是跨膜蒸汽壓力差。一般認為膜蒸餾係數只與膜本身有關，與操作條件無關，km值的計算基本都是依據氣態分子通過多孔介質的3種機理，即knudsen擴散、分子擴散和poiseille流動，具體機理的選擇是根據氣體分子運動的平均自由程入和膜孔徑 dp的對比，當入<2.2 傳熱機理
膜蒸餾過程中的熱傳遞主要由2部分組成，一部分是在傳質過程中的汽化—冷凝；另一部分是分離膜本身的熱傳導。在很多研究工作中對這2種形式的傳熱速率進行了成功的計算。汽化—冷凝熱傳遞是必須的、正常的，但在滲透蒸餾過程中對通量會造成一定影響：
一般認為滲透蒸餾是在恆溫下進行的，但實際上由於汽化—冷凝熱傳遞會使膜兩側造成溫差，不利於滲透蒸餾的進行。phattaranawik[3]等人對直接接觸式膜蒸餾研究表明，傳質對傳熱的影響是可以忽略的，料液的溫度起較大的作用，當料液溫度低於50℃時，熱傳導是熱量損失的主要**。分離膜的熱傳導會降低膜兩側的溫差，對膜蒸餾是不利的，所以降低分離膜的導熱係數是十分必要的，如增加膜的孔隙率、增加膜的厚度，都是有利的措施，但也要考慮到增加膜厚度對傳質是不利的。
選擇合適的膜材料、提高料液的溫度和流速也可以減少熱損失的比例。
3 膜蒸餾的應用
3.1 海水淡化
淡水資源短缺成為當今社會一大問題，海水淡化無疑是淡水**的途徑之一。目前從海水或苦鹹水獲得淡水的主要方法有：電滲析法、蒸發法、多級蒸餾法和反滲透法等。
近年來迅速發展起來的蒸餾法與膜法相結合的膜蒸餾技術在海水淡化的應用中獲得了成功，可望成為一種廉價高效製取淡水的新方法。利用工業上使用的海水餘熱或用工業廢熱加熱海水進行膜蒸餾海水淡化，具有成本低、裝置簡單、操作容易、能耗低等優點，使膜蒸餾技術在諸多海水淡化工程有一定競爭力![4]
3.2 超純水的製備
由於膜的疏水性，原則上只允許水蒸氣通過微孔，因此能得到很純的水。用減壓膜蒸餾對自來水進行處理後，水質達到微電子工業用高純度水**和醫用注射水的標準[5]。特別是近來新型高通量無機膜和有機-無機混合膜的開發成功，使得用膜蒸餾製備超純水變為具有巨大商業潛力的工業手段。
3.3 廢水處理
膜蒸餾與其他膜過程相比，其主要優點之一就是可以在極高的濃度條件下執行，即可以把非揮發性溶質的水溶液濃縮到極高的程度，甚至達到飽和狀態[6]。張鳳君[7]等人採用中空纖維膜蒸餾技術對含酚廢水進行了研究，結果使濃度高達5000mg/l的苯酚經處理後可降至50mg/l以下，苯酚的去除率可達95%以上。劉金生[8]等人採用自製中空纖維膜蒸餾元件對油田聯合站含甲醇汙水進行膜蒸餾處理研究，質量濃度高達10mg/ml的甲醇水溶液經處理後可降至0.
03mg/ml一下。
3.4 共沸混合物的分離
膜蒸餾對某些共沸物也能起到分離效果。孔瑛[10]等人研究了用膜蒸餾技術來分離甲酸-水共沸混合物的可能性，結果表明，採用膜蒸餾技術來分離甲酸-水溶液時不存在共沸現象，表明膜蒸餾在分離共沸物方面具有潛在的應用價值。
4 膜蒸餾的優點和缺點
4.1 膜蒸餾的優點
（1）膜蒸餾過程幾乎是在常壓下進行，裝置簡單、操作方便，在技術力量較薄弱的地區也有實現的可能性。
（2）在非揮發性溶質水溶液的膜蒸餾過程中，因為只有水蒸汽能透過膜孔，所以蒸餾液十分純淨，可望成為大規模、低成本製備超純水的有效手段。
（3）該過程可以處理極高濃度的水溶液，如果溶質是容易結晶的物質，可以把溶液濃縮到過飽和狀態而出現膜蒸餾結晶現象，是目前唯一能從溶液中直接分離出結晶產物的膜過程。
（4）膜蒸餾元件很容易設計成潛熱**形式，並具有以高效的小型膜元件構成大規模生產體系的靈活性。
（5）在該過程中無需把溶液加熱到沸點，只要膜兩側維持適當的溫差，該過程就可以進行，有可能利用太陽能、地熱、溫泉、工廠的餘熱和溫熱的工業廢水等廉價能源。
4.2 膜蒸餾的缺點
通過目前對膜蒸餾過程的研究發現，這一技術尚存在以下缺點：(1) 膜成本高、蒸餾通量小；(2) 由於溫度極化和濃度極化的影響，執行狀態不穩定；(3) 膜蒸餾是乙個有相變的膜過程，熱量主要通過熱傳導的形式傳遞因而效率較低(一般只有30%左右)，所以在元件的設計上必須考慮到潛熱的**，以盡可能減少熱能的損耗．與其他膜過程相比，膜蒸餾在有廉價能源可利用的情況下才更有實用意義；(4) 膜蒸餾採用疏水微孔膜，與親水膜相比在膜材料和製備工藝的選擇方面侷限性較大。[10]
5 膜蒸餾存在的問題及其對策
從近幾年來膜蒸餾的研究和發展情況看，關於膜蒸餾的過程研究還有待從以下方面取得突破： (1)研製效能優良、**低廉的優質膜．目前之所以膜蒸餾與其他分離技術相比競爭力不強，乙個很主要的原因是製膜成本較高．迫切需要研製出具有良好分離效能、**低廉、孔隙率高、耐高溫、通量大、易於工業化生產及應用的膜．同時還要開發傳熱、傳質效能優良的膜元件，以提高膜蒸餾過程的分離效能和熱效率。 (2)提高熱能利用率．膜蒸餾過程中不可避免地存在著固熱傳導造成的熱量損失，如何減少這部分熱量損失，開發熱能同收裝置，是值得研究的重要課題。
(3)完善機理模型．進一步完善機理模型，盡量將眾多影響膜蒸餾過程的因素都考慮在內，同時減少模型中需經實驗測定的引數。 (4)加強真空膜蒸餾技術的研究．由於另外3種膜蒸餾過程存在著熱平衡太快、易因膜的破裂而汙染餾出物、下游側邊界層阻力較大等缺點，而真空膜蒸餾卻不存在這些缺點，且具有蒸餾通量大的優點。 (5)與其他過程的結合．將膜蒸餾過程與其它分離過程相結合，取長補短，設計出新的具有更好分離效能、操作更簡便、能耗更小、更易產業化的膜分離過程．同時更要加強應用研究，拓展膜蒸餾的應用領域。
6 結論
近年來膜蒸餾應用研究更為普遍、深入，很多研究工作已經達到示範性生產的規模，相信膜蒸餾工業化應用的時間不會太遙遠。在實際應用中，整合膜過程能夠發揮各自優勢，膜蒸餾與其它膜過程和非膜過程的整合將會在工業化應用中起更大的作用。
膜蒸餾過程研究的發展十分迅速，人們不再滿足於對膜蒸餾過程普遍規律的描述，而是根據各自研究體系的特點，從機理的角度建立數學模型，考慮包括溫度極化、濃度極化在內的各種相關引數，使數學模型的**結果更符合實際。儘管人們目前考慮問題的角度、解決問題的方法不同，但基本都是以kudsen擴散、分子擴散、poiseuille流動為基礎，隨著研究工作的深入發展，有可能殊途同歸，得到更精確、普適的數學模型。膜蒸餾過程研究的發展十分迅速，人們不再滿足於對膜蒸餾過程普遍規律的描述,而是根據各自研究體系的特點，從機理的角度建立數學模型。
考慮包括溫度極化、濃度極化在內的各種相關引數，使數學模型的**結果更符合實際)儘管人們目前考慮問題的角度、解決問題的方法不同，但基本都是以kudsen擴散、分子擴散、poiseuille流動為基礎。隨著研究工作的深入發展，有可能殊途同歸，得到更精確、普適的數學模型。由於膜蒸餾能耗較高，在純水製造方面尚不能與反滲透競爭。
但如果有可利用的廉價能源如太陽能、地熱、溫熱的工業廢水等，膜蒸餾會成為有競爭力的造水技術。膜元件和系統的合理設計、盡可能**汽化潛熱是提高膜蒸餾造水競爭力的有力措施。在高濃度水溶液濃縮方**蒸餾過程潛力是反滲透過程無法比擬的。
濃水溶液極高的滲透壓使反滲透過程無法執行，而膜蒸餾可把水溶液濃縮至過飽和狀態，特別是滲透蒸餾在濃縮果汁、果醬等對溫度較敏感的物質方面優點是其它膜過程不具備的。在化學物質的濃縮與**和液體食品的濃縮加工方面是膜蒸餾重要的發展方向之一，近年來膜蒸餾應用研究更為普遍、深入很多研究工作已經達到示範性生產的規模，相信膜蒸餾工業化應用的時間不會太遙遠。在實際應用中整合膜過程能夠發揮各自優勢，膜蒸餾與其它膜過程和非膜過程的整合將會在工業化應用中起更大的作用。
為了實現膜蒸餾的實際應用大型膜元件結構設計和製備以及工藝流程和操作條件的優化都是十分重要的研究課題，一種技術的成熟與否是相對的。過去人們認為膜蒸餾是不成熟的，現在仍然不夠成熟。但與過去相比，膜蒸餾研究取得了巨大的進步，已經進入了成熟的初級階段。
當然要達到真正的成熟還需要進行大量的工作。什麼是真正的成熟呢？最近在文章中以血液氧合器、膜蒸發器和膜蒸餾為例進行了描述。
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