PP中空纖維膜用于真空膜蒸餾的苦咸水淡化

許昌學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院

PP中空纖維膜用于真空膜蒸餾的苦咸水淡化

徐靜莉 孫國富 都昌盛許昌學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院

新疆約有15.35億立方米的地下水屬于苦咸水，目前苦咸水淡化方法主要有蒸餾法、電滲析法、反滲透法，膜蒸餾法采用較少。采用PP中空纖維膜的真空膜蒸餾對苦咸水進行淡化。結(jié)果表明，在相同流量下，料液溫度越高，滲透通量越大。當料液溫度為75℃，進料液流量為1 L/m in，滲透側(cè)壓力為5 kPa時，滲透通量可以達到8.6 kg/m2·h，產(chǎn)水中只有微量離子存在，脫鹽率達到了99.9%以上，可滿足生活用水和油田回注水及鍋爐用水標準。

真空膜蒸餾；苦咸水淡化；PP膜；滲透通量；壓力

新疆油田地處苦咸水地區(qū)，由于地下水水質(zhì)幾乎都是高礦化度、高氟苦咸水，不能直接作為工業(yè)和生活用水。據(jù)統(tǒng)計，新疆約有15.35億立方米的地下水屬于苦咸水，對苦咸水進行淡化使其成為健康的飲用水和工業(yè)用水具有非常重要的現(xiàn)實意義?？嘞趟?jīng)過淡化處理后鹽堿度明顯降低，有害礦物質(zhì)被清除。處理合格后的水可以直接飲用或者應(yīng)用于鉆井配漿、固井和鍋爐等油田生產(chǎn)。

目前苦咸水淡化方法主要有蒸餾法、電滲析法、反滲透法，膜蒸餾法采用較少。蒸餾法是最早采用的淡化法，裝置結(jié)構(gòu)較簡單，操作容易，所得淡水水質(zhì)好，主要應(yīng)用于海水的淡化；電滲析法存在對水質(zhì)要求較嚴格、且不能去除水中有機物和細菌等缺點[1]；反滲透法是一種膜分離技術(shù)，較前兩種方法在節(jié)能方面具有較大的優(yōu)勢，但也存在膜污染嚴重、壓力高等缺點[2]。近年來發(fā)展的一種新興的膜分離技術(shù)——膜蒸餾法，是把蒸餾與膜分離技術(shù)有機結(jié)合起來，具有良好的發(fā)展前景。其主要包括直接接觸式膜蒸餾，氣掃式膜蒸餾，氣隙式膜蒸餾和真空膜蒸餾。真空膜蒸餾法具有操作溫度比傳統(tǒng)蒸餾法低、操作壓力低于反滲透法的優(yōu)點[3]。本研究使用聚丙烯（PP）中空纖維膜組件，采用真空膜蒸餾的方法對苦咸水進行淡化，考察了各種操作條件對滲透通量及產(chǎn)水質(zhì)量的影響。

1 試驗部分

1.1實驗儀器和材料

料液泵和冷卻水循環(huán)泵均為Cole—Parme數(shù)顯齒輪泵，貝克VT4.4真空泵，上海試驗儀器廠501A超級恒溫水浴，YP6001N電子天平，Hach SensionEC5便攜式電導(dǎo)率儀，美國Celgard公司的聚丙烯中空纖維膜（PP）。

1.2試驗用水質(zhì)

采用自配的模擬苦咸水溶液作為進料液，其中NaCl含量為4.5 g/L，MgSO4含量為1.5 g/L，NaHCO3含量為260mg/L，CaCl2·2H2O含量為2 g/L，NaF含量為500mg/L。

1.3試驗裝置與運行

試驗裝置如圖1所示。

進料液儲罐內(nèi)裝有和恒溫水浴相連接的線圈，恒溫水浴內(nèi)的水通過水循環(huán)泵經(jīng)由線圈進行循環(huán)，進而控制進料液的水溫。進料液通過料液泵進入中空纖維膜組件的殼程。啟動真空泵，滲透的水蒸氣經(jīng)過管程，被冷卻水冷凝后收集到產(chǎn)水罐中，通過電子天平稱量產(chǎn)水的質(zhì)量，通過監(jiān)測產(chǎn)水的電導(dǎo)率監(jiān)測膜是否發(fā)生滲漏。

圖1 實驗裝置

本研究中進料液的溫度控制在50～75℃范圍內(nèi)，進料液的流速為0.25～2 L/min，通過和真空泵相連的閥將真空側(cè)壓力控制在5～20 kPa范圍內(nèi)。

2 結(jié)果與討論

2.1不同進料溫度對滲透通量的影響

以自配的苦咸水溶液作為進料液，在進料流速為1 L/min，真空側(cè)壓力5 kPa條件下，考察了不同溫度對滲透通量的影響，實驗結(jié)果見圖2。

圖2 進料溫度對滲透通量的影響

由圖2可知，溫度對產(chǎn)水的滲透通量有很大的影響。流量一定條件下，純水的滲透通量隨著進料溫度的升高而增加。這是因為真空膜蒸餾過程的推動力為膜兩側(cè)的蒸汽壓，當真空側(cè)壓力一定時，進料液溫度升高使進料側(cè)蒸汽壓增大，從而使得膜兩側(cè)的壓力差提高，提高了整個過程的傳質(zhì)推動力，滲透通量增加。盡管進料溫度高有利于提高產(chǎn)水通量，但是進料溫度不宜過高，因為如果系統(tǒng)沒有有效的熱能回收裝置，進料液溫度過高會導(dǎo)致整個過程能耗增大，不利于節(jié)能，同時也增加了生產(chǎn)成本。不同溫度下使用PP中空纖維膜的真空膜蒸餾過程顯示了很高的脫鹽率，達到了99%以上，產(chǎn)水電導(dǎo)率一般在4～15 uS/cm范圍內(nèi)，只有微量離子存在于產(chǎn)水中，產(chǎn)水水質(zhì)滿足生活用水和生產(chǎn)用水的要求。

2.2不同進料流速對滲透通量的影響

以自配的苦咸水溶液作為進料液，在進料溫度為65℃，滲透側(cè)壓力5kPa的條件下，考察了不同進料流速對滲透通量的影響，實驗結(jié)果見圖3。

圖3 進料流速對滲透通量的影響

由圖3可知，隨著進料流速的提高，滲透通量也在增加。其原因是流速的增加減小了膜面與主體之間的層流濃度和邊界層厚度，從而減弱了膜面的濃差極化和溫差極化效應(yīng)，使?jié)B透通量提高。但是并不意味著進料流量越大越好，進料流量過大容易造成膜滲漏，因此應(yīng)該選擇合理的進料流速。盡管在低流量下脫鹽率也達到99%以上，但是很明顯增大流量會提高脫鹽率，可能原因是進料流量大，使得苦咸水在膜表面的停留時間變短，從而減少了鹽在膜表面的吸附。

2.3不同滲透測壓力對滲透通量的影響

以自配的苦咸水作為進料液，在進料溫度為65℃，進料流量1 L/min的條件下，考察了不同滲透測壓力對滲透通量的影響。

由實驗結(jié)果可知，隨著滲透側(cè)壓力的增加，滲透通量呈現(xiàn)下降的趨勢。其原因是滲透側(cè)壓力的增加導(dǎo)致了膜兩側(cè)的壓力差減小，使得整個過程的傳質(zhì)推動力下降，從而直接導(dǎo)致滲透通量下降。因此為了提高滲透通量，降低滲透側(cè)的壓力是必要的。而滲透側(cè)壓力和真空泵性能密切相關(guān)。所以在實際操作中，選擇一臺性能良好的真空泵是得到高滲透通量的必不可少的條件之一。

2.4運行時間對滲透通量的影響

以自配的苦咸水溶液作為進料液，在進料溫度為65℃，進料流量1 L/min，滲透側(cè)壓力為5 kPa的條件下，考察了運行時間對滲透通量的影響。

由實驗結(jié)果可知，隨著運行時間的增加，滲透通量呈下降的趨勢。這主要是因為進料液中的離子在膜面沉積引起的膜結(jié)垢引起的。長時間運行后需要對膜進行清洗。

3 結(jié)論

采用PP中空纖維膜的真空膜蒸餾對苦咸水進行淡化。在相同流量下，料液溫度越高，滲透通量越大。當進料溫度從50℃提高到75℃時，滲透通量從2.12 kg/m2·h增加到8.62 kg/m2·h，工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)該考慮能效來選取合適的進料溫度；提高進料流量同樣能夠增加滲透通量，合理的流量在1～1.5 L/min范圍內(nèi)；降低滲透側(cè)壓力有利于提高滲透通量，滲透側(cè)壓力與使用的真空泵性能密切相關(guān)。

當料液溫度為75℃，進料液流量為1L/min，滲透側(cè)壓力為5 kPa時，滲透通量可達到8.6 kg/m2·h，產(chǎn)水中只有微量離子存在，脫鹽率達到了99.9%以上，可滿足生活用水和油田回注水及鍋爐用水標準。

[1]欒韶華，孫國瑞，王奇．苦咸水淡化技術(shù)綜述[J]．四川環(huán)境，2010，29（1）：97-99.

[2]尚天寵．膜分離技術(shù)在中國西部省區(qū)苦咸水淡化工程中的應(yīng)用[J]．凈水技術(shù)，2000，18（2）：28-33.

[3]吳庸烈．膜蒸餾技術(shù)及其應(yīng)用進展[J]．膜科學(xué)與技術(shù)，2003，23（4）：67-79.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.1.013