1)国内外在该研究方向的研究现状及发展动态
2)研究问题在本研究领域应用上的地位与价值
1、膜蒸馏的背景及原理介绍
膜蒸馏(Membrane Distillation,MD)是在20世纪八十年代初发展起来的一种新型分离技术,是膜分离技术与传统蒸发过程相结合的新型膜分离过程,它与常规蒸馏一样,都以汽液平衡为基础,依靠蒸发潜热来实现相变。在传递过程中,膜作为两相间的屏障,没有传统膜技术的分离作用,整个分离过程完全由冷热两侧的气液平衡决定。膜蒸馏过程是热量和质量同时传递的过程。基于MD膜的强疏水性,水溶液不能从膜孔中通过,仅挥发的蒸气通过膜孔,从高蒸气压侧向低蒸气压侧传递,不挥发组分则被疏水膜阻挡在热侧,从而产生了膜的透过通量,实现了混合物的分离、提纯或浓缩。这与常规蒸馏中的蒸发、传质、冷凝过程十分相似,所以称其为膜蒸馏过程。
MD系统中,根据膜下游侧冷凝方式的不同,膜蒸馏过程主要有以下类型:(1)直接接触膜蒸馏(DCMD);(2)空气隙膜蒸馏(AGMD);(3)减压膜蒸馏(VMD);(4)气扫膜蒸馏(SGMD)。
在膜蒸馏形式方面,目前空气隙膜蒸馏(AGMD)和减压膜蒸馏(VMD)应用相对为主,其次是直接接触膜蒸馏(DCMD),而气扫膜蒸馏(SGMD)的研究则较少。减压膜蒸馏因工艺简单,操作控制方便和工作效率高以及易于工业化等特点,在中大型规模的系统中被普遍采用。
目前膜蒸馏研究只限于以水溶液为研究对象,所以膜的疏水性和微孔性是膜蒸馏的必要条件。为了得到较高的通量和较高的溶质截留系数,要求所用的疏水微孔膜具有尽可能大的孔径,但两侧的液体又不能进入膜孔。为了制备疏水性的膜,常采用疏水性高分子材料,如聚四氟乙烯( PTFE ) 、聚丙烯( PP) 、聚乙烯( PE) 、聚偏氟乙烯( PVDF) 等。
2、膜蒸馏中的热传递研究
膜蒸馏过程中的热传递主要由两部分组成, 一部分是在传质过程中的汽化、冷凝;另一部分是分离膜本身的热传导。在很多研究工作中对这两种形式的传热速率进行了成功的计算。汽化、冷凝热传递是必须的、正常的, 但在渗透蒸馏过程中对通量会造成一定影响:一般认为渗透蒸馏是在恒温下进行的, 但实际上由于汽化/冷凝热传递会使膜两侧造成温差, 不利于渗透蒸馏的进行。对直接接触式膜蒸馏研究表明, 传质对传热的影响是可以忽略的, 料液的温度起较大的作用, 当料液温度低于50 ℃时, 热传导是热量损失的主要来源。分离膜的热传导会降低膜两侧的温差, 对膜蒸馏是不利的, 所以降低分离膜的导热系数是十分必要的, 如增加膜的孔隙率、增加膜的厚度, 都是有利的措施, 但也要考虑到增加膜厚度对传质是不利的。选择合适的膜材料、提高料液的温度和流速也可以减少热损失的比例。
3、浓度极化和温度极化的研究
膜蒸馏过程中的质量传递会导致膜表面溶质浓度不同于本体料液浓度,在膜表面和本体料液之间形成浓度边界层,这就是浓度极化现象。同样由于热量传递,膜上游侧表面的温度会低于料液本体的温度,而膜下游侧表面温度高于渗透液主体的温度,形成温度边界层,这就是温度极化现象。浓度极化和温度极化必然对膜蒸馏过程造成不利影响。大量研究工作表明, 在采用各种数学模型分析传质机量时, 必须考虑浓度极化和温度极化的影响。两者相比, 温度极化影响更为严重。 在关于 LiBr水溶液膜蒸馏过程中,浓度边界层和温度边界层对通量的影响都不可忽视。当浓度小于5%时, 浓度边界层的影响可以忽略, 而温度边界层比浓度边界层大得多。但在渗透蒸馏过程中, 浓度极化对传质过程的影响起重要作用。
4、膜结构对膜蒸馏的影响
分离膜的结构包括膜厚、平均孔径、孔径分布、孔隙率等参数。用于膜蒸馏的分离膜应该有足够大的孔径又不能使料液进入膜孔。研究平均孔径和孔径分布对通量影响的结果表明, 孔径分布比较窄的膜性能更为优秀。在以往的研究工作中, 人们只注意到使用前膜的形态结构, 忽略了使用中膜的结构变化。Lauson 等人研究了膜蒸馏过程中膜压密的影响,这在超滤( UF) 、反渗透( RO) 过程中普遍存在的现象会给膜蒸馏带来益处, 适当的压密可减小膜的厚度而提高蒸馏通量。当然过度的压密会造成孔径和孔隙率的降低, 反而使通量降低。
5、膜蒸馏研究的价值
膜蒸馏本身的特点决定了该技术与其它分离技术相比有着无法比拟的优点:
(1)膜蒸馏过程较其他膜分离过程(反渗透)的操作压力低,几乎是在常压下进行,设备简单、操作方便,在技术力量较薄弱的地区也有实现的可能性。
(2)理论上可以100%截留离子、大分子、胶体、细胞和其它非挥发性物质,蒸馏液十分纯净,能够回用到大多说工艺段,是低成本制备超纯水的有效手段。由于膜蒸馏能耗较高, 在纯水制造方面尚不能与反渗透竞争。但如果有可利用的廉价能源, 如太阳能、地热、温热的工业废水等, 膜蒸馏会成为有竞争力的造水技术。
(3)该过程可以处理极高浓度的水溶液,如果溶质是容易结晶的物质,可以把溶液浓缩到过饱和状态而出现膜蒸馏结晶现象,是目前唯一能从溶液中直接分离出结晶产物的膜过程。
(4)系统设计成潜热回收形式,膜组件和系统的合理设计, 尽可能回收汽化潜热, 是提高膜蒸馏造水竞争力的有力措施,可以灵活的使用高效的小型膜组件构成大规模生产体系。
(5)在该过程中无需把溶液加热到沸点,只要膜两侧维持适当的温差。MD操作温度比传统的蒸馏低,可以利用太阳能、地热、温泉、工厂的余热和温热的工业废水等廉价能源。尤其在工厂有余热或低品位废热时,能够有效的降低MD的运行能耗和运行成本。
(6)在高浓度水溶液浓缩方面膜蒸馏过程潜力是反渗透过程无法比拟的。浓水溶液极高的渗透压使反渗透过程无法运行, 而膜蒸馏可把水溶液浓缩至过饱和状态, 特别是渗透蒸馏在浓缩果汁、果酱等对温度较敏感的物质方面优点是其它膜过程不具备的。
本课题欲通过膜蒸馏技术对纳滤和反渗透所产生的浓缩液高盐废水进行处理,有效的利用焚烧厂余热,进一步减少浓缩液,达到低能耗、高效率、节能减排的要求。 |