新型中空纖維空氣隙式膜蒸餾用于海水淡化

李卜義，王建友，王濟(jì)虎，劉紅斌

（1南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300071；2軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所，天津 300161）

引 言

膜蒸餾（MD）技術(shù)是一種將膜分離技術(shù)和傳統(tǒng)蒸餾法結(jié)合起來的新型膜分離過程[1]，首先由Bodeli[2]在1963年申請(qǐng)并獲得專利。該技術(shù)以疏水微孔膜作為氣-液兩相分離介質(zhì)，在膜兩側(cè)蒸氣壓差推動(dòng)下，料液中揮發(fā)性組分以蒸氣形式透過膜孔，從而實(shí)現(xiàn)分離目的。由于具有常溫低壓下操作、可利用低品位熱源或可再生能源（如太陽能、工業(yè)廢熱、地?zé)岬龋?、非揮發(fā)性物質(zhì)截留率接近100%等優(yōu)勢(shì)，MD技術(shù)在海水淡化領(lǐng)域已成為傳統(tǒng)蒸餾法和反滲透技術(shù)的重要補(bǔ)充，在全世界范圍內(nèi)逐漸得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)蒸氣冷凝方式的不同，MD技術(shù)可分為直接接觸膜蒸餾（DCMD）、減壓膜蒸餾（VMD）、吹掃氣膜蒸餾（SGMD）、空氣隙膜蒸餾（AGMD）和吸收膜蒸餾（OMD）5種形式[3]。其中，AGMD技術(shù)由于在疏水微孔膜和蒸氣冷凝板/管之間引入一層靜態(tài)空氣（熱導(dǎo)率很低）很大程度上減少了直接熱傳導(dǎo)損失，因此較其他4種形式具有更高的熱效率。然而，空氣隙的出現(xiàn)也增加了額外的傳質(zhì)阻力，造成該技術(shù)的膜通量普遍較小。同時(shí)，以造水比（gained output ratio，GOR）表征的AGMD過程性能一般在0.70～0.98[4]，而目前成熟海水淡化過程的GOR普遍高于1.0，工業(yè)上的多效蒸發(fā)技術(shù)甚至達(dá)到8.0～16.0[5]。

為了提高 AGMD過程的膜通量和蒸氣潛熱回收效率（造水比），近年來關(guān)于AGMD膜組件的新型設(shè)計(jì)逐漸成為行業(yè)研究熱點(diǎn)。與 DCMD技術(shù)和VMD技術(shù)相比，采用中空纖維膜的 AGMD（AGMD-HF）膜組件的報(bào)道目前還較少。由于比表面積較大，空氣隙間距方便調(diào)節(jié)，填充密度高，AGMD-HF膜組件在提供更高的膜通量、造水比甚至熱效率方面具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。Hanemaaijer等[6]報(bào)道了一種平行排列式中空纖維 AGMD膜組件。Guijt等[7]提出了一種平行填充中空纖維膜的錯(cuò)流式AGMD膜組件，其熱效率達(dá)到85%～90%。Yao等[8]報(bào)道了一種基于AGMD-HF膜組件的連續(xù)多效膜蒸餾（CEMD）過程，結(jié)果顯示其熱效率始終保持在80%以上，造水比則達(dá)到了13.8?，F(xiàn)有AGMD-HF膜組件普遍采用中空纖維平行排列的結(jié)構(gòu)，這種形式一方面不能保證空氣隙穩(wěn)定存在，中空纖維之間不可避免地存在直接接觸；另一方面空氣隙厚度無法準(zhǔn)確計(jì)算，即使引入假想的中空纖維排列模型來輔助計(jì)算[8-9]，所得結(jié)果也只是理論范圍，鑒于空氣隙厚度對(duì)膜通量和填充密度具有直接影響[10]，理論估算層面的空氣隙厚度無疑會(huì)放大膜組件的實(shí)際性能誤差。Geng等[9,11]設(shè)計(jì)了一種添加PP隔熱網(wǎng)的AGMD-HF膜組件，其膜通量和造水比分別達(dá)到5.30 L·m?2·h?1、5.70，熱效率則超過 80%。該膜組件添加隔網(wǎng)的設(shè)計(jì)充分保證了空氣隙的穩(wěn)定性，但仍未實(shí)現(xiàn)空氣隙厚度的準(zhǔn)確計(jì)算。此外，為了增強(qiáng)跨膜傳質(zhì)尤其是徑向蒸氣遷移，近年來許多研究者開始利用平板膜開發(fā)一種螺旋纏繞式 AGMD（SW-AGMD）膜組件[10,12-16]。螺旋結(jié)構(gòu)可以增加流體擾動(dòng)度，有效降低熱側(cè)和冷側(cè)的邊界層厚度，增加跨膜傳質(zhì)、傳熱系數(shù)，從而削弱濃度和溫度極化效應(yīng)的影響。因此，如果在AGMD-HF膜組件的中空纖維膜外引入一層隔熱管狀隔網(wǎng)，使得隔網(wǎng)厚度即等同于空氣隙厚度，并將中空纖維膜與若干中空纖維冷凝管呈立體交錯(cuò)纏繞編排，則不僅能夠保證較高的膜比表面積、低厚度且可準(zhǔn)確計(jì)算的空氣隙、高填充密度，而且將進(jìn)一步提高以膜通量、造水比和熱效率為參數(shù)的膜組件性能。

本文自主開發(fā)了一種基于聚四氟乙烯（PTFE）中空纖維膜和中空纖維冷凝管的具有螺旋纏繞填充結(jié)構(gòu)的SW-AGMD-HF膜組件，并以模擬標(biāo)準(zhǔn)海水[質(zhì)量分?jǐn)?shù) 3.5%，總?cè)芙庑怨腆w含量（TDS）為35000 mg·L?1]為進(jìn)水重點(diǎn)考察了熱料液進(jìn)水溫度、熱料液流量、冷凝液進(jìn)水溫度和冷凝液流量等因素對(duì)膜組件膜通量、造水比和熱效率的影響。

1 SW-AGMD-HF膜組件的基本原理及結(jié)構(gòu)

SW-AGMD-HF膜組件的基本原理如圖1所示。

圖2為 SW-AGMD-HF膜組件的基本結(jié)構(gòu)示意圖。

熱料液與冷凝液以錯(cuò)流方式進(jìn)入膜組件，其中熱料液相變產(chǎn)生的蒸氣在中空纖維膜兩側(cè)蒸氣壓差推動(dòng)下透過膜孔進(jìn)入設(shè)置有隔熱管狀隔網(wǎng)的空氣隙，而后遷移至中空纖維冷凝管外壁的冷凝邊界層，與管中冷凝液進(jìn)行熱交換并重新液化，最終在自身重力作用下于膜組件底部匯聚，所得滲透液（淡水）則被導(dǎo)出并收集。與傳統(tǒng)的中空纖維平行填充方式相比，添加隔熱管狀隔網(wǎng)并呈螺旋纏繞方式編排的SW-AGMD-HF膜組件提供了更穩(wěn)定的空氣隙和更高的填充密度，最重要的是該設(shè)計(jì)最大程度地避免了空氣隙厚度的計(jì)算誤差，從而保證了膜蒸餾過程各性能參數(shù)較高的測(cè)定精確度。

圖1 SW-AGMD-HF膜組件基本原理示意圖Fig.1 Schematic presentation of SW-AGMD-HF module

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

表1為本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的SW-AGMD-HF膜組件膜殼及中空纖維的參數(shù)。其中，PTFE中空纖維膜、中空纖維冷凝管及實(shí)驗(yàn)過程中額外添加的換熱器均由浙江東大水業(yè)有限公司提供。

實(shí)驗(yàn)試劑：NaCl、CaCl2、MgCl2·6H2O、KCl和MgSO4·7H2O等，天津江天化工技術(shù)有限公司，分析純。儀器設(shè)備：管道流量計(jì)，LZS-15，無錫市昌林自動(dòng)化科技有限公司；智能數(shù)顯調(diào)節(jié)儀，XMTA-818（J），余姚市長(zhǎng)江溫度儀表廠；氟塑料合金自吸泵，F(xiàn)SB-18L，靖江市泰達(dá)泵閥廠；電導(dǎo)率儀，DDSJ-308F，上海精密科學(xué)儀器有限公司雷磁儀器廠；pH計(jì)，PHS-3C型，上海精密科學(xué)儀器有限公司雷磁儀器廠。

表1 SW-AGMD-HF膜組件的膜殼和中空纖維參數(shù)Table 1 Details of hollow fibers and module for SW-AGMD-HF process

圖2 SW-AGMD-HF膜組件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Configuration of SW-AGMD-HF module

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)流程及裝置如圖3所示。

2.3 SW-AGMD-HF過程的性能參數(shù)

基于SW-AGMD-HF膜組件的海水淡化過程的性能主要以膜通量JW、造水比GOR、熱效率η和離子去除率ω4個(gè)參數(shù)進(jìn)行表征。

式中，S為中空纖維膜有效蒸發(fā)表面積，m2；t為實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間，h；ΔV為t時(shí)間內(nèi)從膜組件收集的滲透液體積，L。

式中，VD和Vh分別為滲透液和熱料液的體積流量，L·h?1；ΔH為滲透液的蒸發(fā)焓，kJ·mol?1；cp,l為熱料液的比熱容，J·kg?1·℃?1；T3和T2分別為熱料液進(jìn)口溫度和冷凝液出口溫度，℃。

式中，Vc為冷凝液體積流量，L·h?1；T1為冷凝液進(jìn)口溫度，℃。

造水比 GOR衡量的是膜蒸餾過程的熱能回收效率，即滲透液蒸發(fā)所需潛熱與外界為系統(tǒng)提供的熱量之比；熱效率η用于表示系統(tǒng)內(nèi)部用于膜蒸餾過程的熱量占總相變熱的比值。

式中，ω0為進(jìn)水熱料液TDS，35000 mg·L?1，ω1為產(chǎn)水 TDS，mg·L?1。

3 結(jié)果與討論

3.1 兩種構(gòu)型的AGMD-HF膜組件性能對(duì)比

為了研究膜組件中空纖維填充方式對(duì)AGMD-HF海水淡化過程性能的影響，本文同時(shí)設(shè)計(jì)了兩種構(gòu)型不同的膜組件，其中，中空纖維膜均為150根，中空纖維管均為450根，中空纖維材質(zhì)均為PTFE，膜殼材質(zhì)均為聚丙烯（PP），膜殼長(zhǎng)度均為1.15 m，一種采用中空纖維螺旋纏繞填充結(jié)構(gòu)，另一種為中空纖維嚴(yán)格平行填充結(jié)構(gòu)。

如圖4所示，實(shí)驗(yàn)過程中螺旋纏繞結(jié)構(gòu)和嚴(yán)格平行結(jié)構(gòu)膜組件的膜通量JW在T3=90℃，T1=25℃，F(xiàn)h=Fc=50 L·h?1條件下均達(dá)到最大值，分別為5.87 L·m?2·h?1和 4.91 L·m?2·h?1，前者較后者增加19.6%；最大造水比GOR則在T3=85℃，T1=30℃，F(xiàn)h=20 L·h?1，F(xiàn)c=30 L·h?1條件下分別達(dá)到5.37和4.25，螺旋纏繞結(jié)構(gòu)膜組件GOR性能提升 26.4%；最高熱效率η出現(xiàn)在T3=90℃，T1=30℃，F(xiàn)h=30 L·h?1，F(xiàn)c=20 L·h?1條件下，其中，螺旋纏繞結(jié)構(gòu)膜組件η為 0.943，平行排布結(jié)構(gòu)膜組件η為0.874，前者較后者增加7.9%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，中空纖維的立體螺旋結(jié)構(gòu)通過增強(qiáng)料液擾動(dòng)使得熱側(cè)和冷側(cè)的熱邊界層厚度得到有效削弱，同時(shí)隔熱管狀隔網(wǎng)的存在不僅最大程度地降低了空氣隙厚度，減小了空氣隙的蒸氣傳質(zhì)阻力，而且保證了空氣隙的穩(wěn)定存在，避免了平行排布式中空纖維膜與中空纖維管直接接觸導(dǎo)致的熱傳導(dǎo)損失。

3.2 操作條件對(duì)SW-AGMD-HF過程性能的影響

圖5 熱料液進(jìn)水溫度T3對(duì)膜組件性能的影響Fig.5 Effect of hot feed-in temperature T3(T1=30℃, Fc=30 L·h?1)

選取熱料液進(jìn)水溫度T3、熱料液流量Fh、冷凝液進(jìn)水溫度T1和冷凝液流量Fc為操作變量考察了各單因素對(duì)膜通量、造水比和熱效率的影響。實(shí)驗(yàn)過程中為保證進(jìn)水熱料液濃度的穩(wěn)定，濃縮后的海水和滲透液淡水均回流至進(jìn)水罐中。每組實(shí)驗(yàn)均運(yùn)行3次以確定所測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)水濃度始終保持在 3.5%（質(zhì)量），相應(yīng)的TDS為35000 mg·L?1，熱料液進(jìn)水溫度變化范圍為70～90℃，熱料液和冷凝液流量變化范圍為20～50 L·h?1，冷凝液進(jìn)水溫度變化范圍為25～45℃。3.2.1 熱料液進(jìn)水溫度T3的影響 如圖5所示，JW、GOR 和η均隨T3的增加而增加。由于跨膜溫差導(dǎo)致的蒸氣壓差是膜蒸餾過程的直接推動(dòng)力，且根據(jù)Antoine方程可知，水蒸氣的飽和蒸氣壓隨溫度的上升呈指數(shù)性增加。因此，T3的增加雖然造成整個(gè)中空纖維膜軸向上各處溫度均增加，進(jìn)而引起中空纖維冷凝管軸向平均溫度的增加，但是中空纖維膜兩側(cè)的蒸氣壓差仍是隨之增大的，即膜蒸餾過程的傳質(zhì)推動(dòng)力增加，膜通量即隨之提高，如當(dāng)Fh=50 L·h?1時(shí)，T3由 70℃上升至90℃，JW則相應(yīng)地從3.67 L·m?2·h?1增加至 5.87 L·m?2·h?1，提高了37.5%。由式（2）可知，GOR不僅與膜通量JW有關(guān)，而且與溫差（T3?T2）有關(guān)。因?yàn)檎魵鈧髻|(zhì)的過程同時(shí)也伴隨傳熱過程，JW的增加意味著跨膜傳熱通量也增加，T3的增加導(dǎo)致蒸氣量呈指數(shù)性增加，其攜帶的熱量相應(yīng)也會(huì)近似呈指數(shù)性增加，而本實(shí)驗(yàn)過程中膜組件傳遞至外界環(huán)境的熱損失始終保持在 0.5℃左右，則以對(duì)流和傳導(dǎo)形式由熱側(cè)到冷側(cè)的熱損失百分比必然減小，導(dǎo)致冷側(cè)回收熱量增加，其結(jié)果是冷凝液出口處T2相應(yīng)增加，但（T3?T2）值相應(yīng)變小，即 GOR增加，這一實(shí)驗(yàn)記錄結(jié)果與其他研究者一致[17]。蒸氣遷移熱損的相對(duì)減小也就意味著用于膜蒸餾過程的蒸發(fā)相變熱的比值相對(duì)增加。此外，根據(jù)式(3)可知，在T1不變的情況下，T2提高會(huì)導(dǎo)致溫差（T2?T1）增大，但其增幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熱冷兩側(cè)蒸氣壓差的增幅,結(jié)果導(dǎo)致η增加。

3.2.2 冷凝液進(jìn)水溫度T1的影響 從圖6可見，膜通量JW隨T1的增加而減小，而GOR和η則呈現(xiàn)與之相反的趨勢(shì)。在T3保持不變的情況下，T1的增加必然導(dǎo)致熱料液與冷凝液之間的溫差減小，進(jìn)一步造成蒸氣壓差出現(xiàn)指數(shù)性下降，膜蒸餾過程直接推動(dòng)力受到削弱，跨膜傳質(zhì)受阻，JW隨之降低。GOR的增加一方面是由于T1的增加使得冷凝管軸向平均溫度增加，即T2增加，從而導(dǎo)致溫差（T3?T2）減小，膜蒸餾系統(tǒng)需要外界提供的熱量也減少；另一方面，雖然熱料液與冷凝液之間的溫差減小導(dǎo)致熱料液主體與冷凝管外壁冷凝淡水之間的蒸氣壓差減弱，但是根據(jù)Antoine方程可知，蒸氣壓差指數(shù)性降低的幅度很小，其結(jié)果是JW的降低幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于溫差（T3?T2）的降低幅度，從而導(dǎo)致GOR上升。如圖6 (b)所示，在Fh=50 L·h 的情況下，隨著T1的增加，GOR也由3.69上升至5.37。GOR的增加意味著蒸氣潛熱回收效率增加，進(jìn)而膜蒸餾過程的徑向傳熱得到加強(qiáng)，在T3不變即熱料液蒸發(fā)相變熱總量不變的情況下，冷凝液吸收的熱量相對(duì)增加，熱傳導(dǎo)損失則相對(duì)減小，最終導(dǎo)致膜蒸餾過程的熱效率η上升。圖6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示JW、GOR和η之間存在明顯的反向競(jìng)爭(zhēng)，膜通量的提高需要犧牲造水比和熱效率來實(shí)現(xiàn)。這也意味著膜蒸餾技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用需要充分考慮降低能耗或者尋求利用清潔、廉價(jià)的能源（太陽能、地?zé)?、工業(yè)廢熱等）取代傳統(tǒng)的電加熱驅(qū)動(dòng)熱源。

圖6 冷凝液進(jìn)水溫度T1對(duì)膜組件的影響Fig.6 Effect of cold feed-in temperature T1(T3=85℃, Fc=30 L·h?1)

圖7 熱料液進(jìn)水流量Fh對(duì)膜組件性能的影響Fig.7 Effect of hot feed-in flow Fh on JW, GOR and η(T3=85℃, T1=30℃, Fc=30 L·h?1)

3.2.3 熱料液進(jìn)水流量Fh的影響 從圖 7可以看出，隨著熱料液進(jìn)水流量Fh的增加，JW上升而GOR和η呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。Fh的增加使得料液擾動(dòng)加劇，徑向剪切力得到增強(qiáng)，導(dǎo)致熱料液主體與中空纖維膜壁之間形成的熱邊界層厚度減小，溫度極化效應(yīng)削弱，即膜壁內(nèi)側(cè)溫度更接近熱料液主體絕對(duì)溫度，熱側(cè)與冷凝側(cè)之間的溫差變大，二者間的蒸氣壓差也相應(yīng)增加，其結(jié)果是JW上升；此外，T3不變的情況下，F(xiàn)h的增加意味著進(jìn)入中空纖維膜管程的熱量增多，更多的熱量有機(jī)會(huì)經(jīng)徑向傳質(zhì)傳遞至冷凝液中，而這一過程的實(shí)現(xiàn)伴隨著蒸氣傳質(zhì)通量的增加，即JW的增加。上述兩種因素導(dǎo)致JW由3.72 L·m?2·h?1提高至 5.16 L·m?2·h?1，增加了 27.9%。Fh增大也使得熱料液在中空纖維膜管程的停留時(shí)間縮短，一部分熱量將以顯熱形式被帶出膜外，這意味著外界需要提供更多的熱量以保持T3的穩(wěn)定，雖然整個(gè)過程的膜通量增加，但是其主要靠削弱邊界層實(shí)現(xiàn)的增加幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于外界熱量增加幅度，結(jié)果是GOR由5.17下降至3.64。表觀上看，熱料液流量增加導(dǎo)致更多的熱量傳遞至冷凝側(cè)，但實(shí)際相當(dāng)一部分相變蒸發(fā)熱以顯熱形式散失，其結(jié)果是最終用于膜蒸餾過程的熱量很少，即熱效率很小。

3.2.4 冷凝液進(jìn)水流量Fc的影響 從圖 8可以看出，隨著冷凝液進(jìn)水流量Fc的增加，JW上升而GOR和η下降。其中，JW在Fc為20～30 L·h?1的范圍內(nèi)呈現(xiàn)明顯上升的趨勢(shì)，如圖8 (a)所示，在T3=90℃的情況下，JW由 3.96 L·m?2·h?1上升至 4.83 L·m?2·h?1。而在Fc為 30～50 L·h?1范圍內(nèi)則基本不再增加，即使在T3=70℃時(shí)，JW也僅提高了13.2%。這是由于冷凝液的傳熱阻力在膜蒸餾過程的整體傳熱阻力中所占比例很小，并且Fc的增加同樣會(huì)導(dǎo)致冷凝液主體與中空纖維冷凝管內(nèi)壁之間的熱邊界層厚度減小，傳熱系數(shù)增加，蒸氣冷凝潛熱在冷凝管壁兩側(cè)的傳遞過程得到有效增強(qiáng)，整個(gè)膜蒸餾過程的蒸氣傳質(zhì)也相應(yīng)增加，即JW上升。但是，由于中空纖維膜蒸發(fā)面積和Fh均保持不變，即透過中空纖維膜的蒸氣量一定，因此，當(dāng)中空纖維管的冷凝面積和Fc可滿足蒸氣全部冷凝時(shí)，F(xiàn)c將不再是膜通量的限制因素。這一結(jié)果表明，在熱料液流量保持30 L·h?1的情況下，冷凝液進(jìn)水流量可以降低至相同水平而不會(huì)引起膜通量的明顯變化。Fc增加的情況下，由于冷凝液在中空纖維冷凝管中的停留時(shí)間縮短，更多熱量以顯熱形式被帶出管外，導(dǎo)致冷凝液出口溫度下降，熱料液進(jìn)口溫度保持不變則溫差（T3?T2）增加，且其增加幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主要由削弱邊界層實(shí)現(xiàn)的膜通量增加幅度，最終造成GOR下降，最大降幅達(dá)50%。在熱料液總蒸發(fā)相變熱不變的情況下，隨冷凝液遷移出膜組件的蒸氣冷凝潛熱的增加必然導(dǎo)致膜蒸餾過程的熱效率下降，如圖8 (c)所示，在T3=90℃的情況下，η由最高水平的0.943下降至0.809。

圖8 冷凝液進(jìn)水流量Fc對(duì)膜組件性能的影響Fig.8 Effect of cold feed-in flow rate Fc (T1=30℃,Fh=30 L·h?1)

4 結(jié) 論

（1）本文設(shè)計(jì)的新型SW-AGMD-HF膜組件有效避免了傳統(tǒng)平行填充式AGMD-HF膜組件因空氣隙厚度不確定導(dǎo)致的性能參數(shù)測(cè)定誤差，螺旋纏繞結(jié)構(gòu)的引入則進(jìn)一步增強(qiáng)了跨膜蒸氣傳質(zhì),與平行排布結(jié)構(gòu)膜組件相比，螺旋纏繞結(jié)構(gòu)的膜通量、造水比和熱效率分別提升19.6%、26.4%和7.9%。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，熱料液進(jìn)水溫度、熱料液流量和冷凝液進(jìn)水溫度對(duì)基于SW-AGMD-HF膜組件的膜蒸餾過程性能影響顯著。熱料液進(jìn)水溫度增加，膜通量、造水比和熱效率隨之增加；冷凝液進(jìn)水溫度增加，膜通量下降而造水比和熱效率增加，且膜通量與后二者之間出現(xiàn)明顯的反向競(jìng)爭(zhēng)；熱料液流量增加，膜通量上升而造水比和熱效率明顯下降。冷凝液進(jìn)水流量對(duì)膜蒸餾過程性能影響較小，在冷側(cè)冷凝面積和冷凝液流量可滿足熱側(cè)蒸氣全部冷卻的情況下，冷凝液流量將不再是膜通量的限制因素。

（3）實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)水 TDS始終保持在 3.0 mg·L?1以下，相應(yīng)的離子去除率高于99.99%，以膜通量、造水比和熱效率表征的膜蒸餾過程性能得到明顯提升，分別達(dá)到 5.87 L·m?2·h?1、5.37 和0.943。

（4）基于新型SW-AGMD-HF膜組件的膜蒸餾過程熱能回收效率較傳統(tǒng)過程具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，雖然實(shí)驗(yàn)中顯示膜通量與造水比、熱效率存在反向競(jìng)爭(zhēng)，但是通過引入太陽能、地?zé)岬惹鍧嵞茉刺娲娂訜狎?qū)動(dòng)熱源，該技術(shù)將具有更突出的實(shí)際應(yīng)用潛力。

符 號(hào) 說 明

cp,l——比熱容，J·kg?1·℃?1

F——體積流量，L·h?1

Fc——冷凝液進(jìn)水體積流量，L·h?1

Fh——熱料液進(jìn)水體積流量，L·h?1

ΔH——水的蒸發(fā)焓，J·kg?1

JW——膜通量，L·m?2·h?1

t——時(shí)間，s

VD——淡水質(zhì)量流量，L·h?1

Vh——熱料液進(jìn)水質(zhì)量流量，L·h?1

ΔV——一段時(shí)間內(nèi)的淡水質(zhì)量，L

[1]Alkhudhiri A, Darwish N, Hilal N. Membrane distillation: a comprehensive review [J].Desalination,2012, 287: 2-18

[2]Bodeli B R. Silicone rubber vapor diffusion in saline water distillation [P]: US, 3361645. 1963-06-03

[3]El-Bourawi M S, Ding Z, Ma R, Khayet M. A framework for better understanding membrane distillation separation process [J].J.Membr.Sci., 2006, 285: 4-29

[4]Liu G L, Zhu C, Cheung C S, Leung C W. Theoretical and experimental studies on air gap membrane distillation [J].Heat Mass Transfer,1998, 34: 329-335

[5]Ettouney H M, El-Dessouky H T, Faibish R S, Gowin P J. Evaluating the economics of desalination [J].Chem.Eng.Prog., 2002, 98: 32-39

[6]Hanemaaijer J H, Edward J A, Jolanda V M, Hans D J, Eric V S,Koele, Jan E P J, Willem A J. Membrane distillation method for the purification of a liquid [P]: US, 8287735. 2012-10-16

[7]Guijt C M, Meindersma G W, Reith T, de Haan A B. Air gap membrane distillation (Ⅰ): Modelling and mass transfer properties for hollow fiber membranes [J].Sep.Purif.Technol., 2005, 43:233-244

[8]Yao K, Qin Y J, Yuan Y J, Liu L Q, He F, Wu Y. A continuous-effect membrane distillation process based on hollow fiber AGMD module with internal latent-heat recovery [J].AIChE J., 2012, 59: 1278-1297

[9]Geng H X, He Q F, Wu H Y, Li P L, Zhang C Y, Chang H Y.Experimental study of hollow fiber AGMD modules with energy recovery for high saline water desalination [J].Desalination, 2014,334: 55-63

[10]Cheng L H, Lin Y H, Chen J H. Enhanced air gap membrane desalination by novel finned tubular membrane modules [J].Journal of Membrane Science, 2011, 378: 398-406

[11]Geng H X, Wu H Y, Li P L, He Q F. Study on a new air-gap membrane distillation module for desalination [J].Desalination, 2014,334: 29-38

[12]Banat F, Jwaied N, Rommel M, Koschikowski J, Wieghuas M.Desalination by a “compact SMADES” autonomous solar powered membrane distillation unit [J].Desalination, 2007, 217: 29-37

[13]Banat F, Jwaied N, Rommel M, Koschikowski J, Wieghaus M.Performance evaluation of the “l(fā)arge SMADES” autonomous desalination solar-driven membrane distillation plant in Aqaba,Jordan [J].Desalination, 2007, 217: 17-28

[14]Raluy R G, Schwantes R, Subiela V J, Pe?ate B, Melián G, Betancort J R. Operational experience of a solar membrane distillation demonstration plant in PozoIzquierdo-Gran Canaria Island (Spain)[J].Desalination, 2012, 290: 1-13

[15]Wang X Y, Zhang L, Yang H J, Chen H L. Feasibility research of potable water productionviasolar-heated hollow fiber membrane distillation system [J].Desalination, 2009, 247: 403-411

[16]Zhang L, Wang Y F, Cheng L H, Xu X H, Chen H L. Concentration of lignocellulosichydrolyzates by solar membrane distillation [J].Bioresource Technology, 2012, 123: 382-385

[17]Li X J, Qin Y J, Liu R L, Zhang Y P, Yao K. Study on concentration of aqueous sulfuric acid solution by multiple-effect membrane distillation [J].Desalination, 2012, 307: 34-41