膜蒸餾過程強(qiáng)化及優(yōu)化技術(shù)研究進(jìn)展

郭智，張新妙，章晨林，欒金義（中國(guó)石油化工股份有限公司北京化工研究院環(huán)保所，北京100013）

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膜蒸餾過程強(qiáng)化及優(yōu)化技術(shù)研究進(jìn)展

郭智，張新妙，章晨林，欒金義
（中國(guó)石油化工股份有限公司北京化工研究院環(huán)保所，北京100013）

摘要：膜蒸餾作為一種新型的膜分離技術(shù)，具有脫鹽率高、可處理高濃度原料液等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，近年來引起學(xué)術(shù)界及工業(yè)界的廣泛關(guān)注。膜蒸餾技術(shù)可被應(yīng)用于海水淡化，工業(yè)廢水/苦鹽水脫鹽及糖、鹽、果汁、有機(jī)/無機(jī)酸、堿液等的濃縮過程。但由于當(dāng)前膜蒸餾能耗及成本較高，一定程度上限制了該技術(shù)的工業(yè)化。本文重點(diǎn)介紹了可用于強(qiáng)化膜蒸餾過程和優(yōu)化該過程能量利用的方法及研究進(jìn)展，主要包括膜材料和膜制備方法/工藝的進(jìn)展、膜蒸餾過程操作條件的優(yōu)化、改進(jìn)膜組件和輔助裝置的應(yīng)用、太陽能和低品位熱源的使用、蒸發(fā)冷凝潛熱的回收以及耦合其他分離過程的復(fù)合膜蒸餾系統(tǒng)，同時(shí)分析了膜蒸餾技術(shù)處理高鹽工業(yè)廢水的應(yīng)用前景，最后探討和總結(jié)了膜蒸餾過程強(qiáng)化及優(yōu)化的研究方向，為該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了科學(xué)性指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：膜蒸餾；過程強(qiáng)化；優(yōu)化技術(shù)

第一作者：郭智（1985—），男，博士，工程師，主要從事膜分離技術(shù)和污水深度處理回用研究。E-mail guoz.bjhy@sinopec.com。聯(lián)系人：欒金義，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事環(huán)保技術(shù)研究。E-mail luanjy.bjhy @sinopec.com。

膜蒸餾（MD）是一種基于熱力學(xué)，使用微孔疏水膜作為分隔介質(zhì)，以膜兩側(cè)的蒸氣壓差作為驅(qū)動(dòng)力，僅允許溶劑/揮發(fā)性溶質(zhì)的氣態(tài)分子透過分離膜的新型膜分離過程。膜蒸餾的技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括：①可低溫操作，不需要將原料液加熱至沸點(diǎn)；②常壓操作；③理論脫鹽率達(dá)100％；④產(chǎn)水水質(zhì)好；⑤可處理高濃度原料液，分離性能不受滲透壓限制。除脫鹽制備純水和處理高濃度工業(yè)廢水外，膜蒸餾技術(shù)還可廣泛應(yīng)用于分離溶液中的揮發(fā)性有機(jī)物、濃縮熱敏性物質(zhì)和獲取收集結(jié)晶產(chǎn)品等。發(fā)展至今，膜蒸餾主要有4種形式（圖1），即直接接觸膜蒸餾（DCMD）、吹掃氣膜蒸餾（SGMD）、氣隙膜蒸餾（AGMD）和真空膜蒸餾（VMD）。膜蒸餾最初是作為一種能夠提供潔凈水的新方法于四十多年前被發(fā)明。第一篇關(guān)于膜蒸餾的論文發(fā)表于1967年，而膜蒸餾技術(shù)真正引起科研人員的研究興趣則始于20世紀(jì)80年代。迄今為止，世界上很多國(guó)家已發(fā)表了相當(dāng)數(shù)量關(guān)于膜蒸餾的科技論文與專利，表明膜蒸餾理論和技術(shù)基礎(chǔ)已發(fā)展得相對(duì)成熟。目前制約膜蒸餾技術(shù)商業(yè)化的主要因素有：①需要有適用于膜蒸餾過程，且生產(chǎn)成本低廉的分離膜；②膜蒸餾過程的能耗過大，提高了其運(yùn)行成本；③膜蒸餾運(yùn)行過程中的膜污染與結(jié)垢，導(dǎo)致膜通量下降；④膜蒸餾過程缺少相關(guān)配套的工藝流程，優(yōu)化集成技術(shù)研究不深。然而，利用過程強(qiáng)化/優(yōu)化技術(shù)（即通過技術(shù)創(chuàng)新，改進(jìn)流程，提高生產(chǎn)效率，降低過程能耗），通過發(fā)展新型膜材料、膜及膜組件制備工藝，強(qiáng)化膜蒸餾過程以及太陽能和工業(yè)廢熱等低品位熱源在膜蒸餾中的成功應(yīng)用，可有效提高膜通量，使得該技術(shù)的成本與能耗大大降低，經(jīng)濟(jì)性顯著改善，使工業(yè)化前景更加光明。因此，本文將就膜蒸餾過程強(qiáng)化/優(yōu)化的研究和技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行介紹。

圖1　膜蒸餾的4種主要形式

1　膜材料優(yōu)化及膜制備

膜是膜蒸餾技術(shù)的核心。膜材料的發(fā)展和膜制備方法及工藝的進(jìn)步可改善膜的性能，對(duì)于膜蒸餾過程強(qiáng)化具有十分重要的意義。膜蒸餾過程使用的微孔膜，要求制備膜的材料應(yīng)具備以下主要性質(zhì)：較好的化學(xué)及熱力學(xué)穩(wěn)定性、高疏水性和高孔隙率。常用的膜材料有聚丙烯（PP）、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚四氟乙烯（PTFE）等。現(xiàn)階段，膜材料的研究集中在使用PP、PVDF等作為基膜，對(duì)其表面進(jìn)行改性[1-2]，以提高膜的疏水性及減少污染物在膜表面的附著；或?qū)⒉煌木酆衔镞M(jìn)行混合制成膜[3]，改變膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)（膜孔徑、孔隙率等）。除此以外，一些無機(jī)材料也被用于制備膜蒸餾的分離膜，如氧化鋯、二氧化鈦和氧化鋁等[4-5]。膜材料最新的研究進(jìn)展來自混合基質(zhì)膜：利用聚合物作為連續(xù)介質(zhì)，加入無機(jī)顆粒，比如石墨烯、碳納米管等[6]，可改變混合基質(zhì)膜的微觀結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì)，并使其表面粗糙度增加，提高膜的疏水性[7]。膜蒸餾使用的疏水膜的制備方法主要包括非溶劑相轉(zhuǎn)化法、熱致相分離法、熔融擠出-拉伸法以及電紡絲法等。在膜制備過程中，需要控制諸如聚合物/溶劑/非溶劑的配伍關(guān)系、添加劑的使用以及成膜條件等。只有對(duì)這些參數(shù)條件進(jìn)行合理的優(yōu)化組合后，才能制備出適合膜蒸餾過程的分離膜。

2　膜蒸餾過程操作參數(shù)優(yōu)化

影響膜蒸餾分離過程的主要操作參數(shù)包括進(jìn)料溫度、濃度、流量（流速）及溫差、真空度、操作時(shí)間等。

進(jìn)料溫度是影響膜蒸餾過程最重要的因素。一般情況下，膜蒸餾產(chǎn)水量會(huì)隨著進(jìn)料溫度的升高而增加。這是因?yàn)楦鶕?jù)Antoine’s方程，溫度升高會(huì)使水的蒸氣壓上升，從而增加膜兩側(cè)的壓差（驅(qū)動(dòng)力），讓更多的水蒸氣分子穿過分離膜。

進(jìn)料濃度（非揮發(fā)性組分）的升高，使得膜兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)力下降，造成膜蒸餾產(chǎn)水量衰減。此外，進(jìn)料濃度升高還會(huì)影響水的活度系數(shù)[8]。

進(jìn)料流量（流速）對(duì)膜蒸餾過程的影響已經(jīng)被廣泛研究。研究發(fā)現(xiàn)，增加進(jìn)料流速能夠有效減少溫度極化和濃差極化[9]帶來的負(fù)面影響。另一方面，由于提高流速可使流體湍動(dòng)程度增加，流動(dòng)形式由平流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，有利于獲得更高的產(chǎn)水量。

溫差指的是進(jìn)料端和產(chǎn)水端的溫度差，主要影響水在膜兩側(cè)的蒸氣壓差。溫差越大，則越有利于氣相水分子穿過分離膜。

在真空膜蒸餾過程中，真空度對(duì)其產(chǎn)水量和操作都有很大影響。產(chǎn)水端真空度的提高可使膜兩側(cè)壓差變大，將會(huì)增大膜蒸餾的產(chǎn)水量。但與此同時(shí)，較高的壓差也會(huì)使得膜孔被潤(rùn)濕的概率顯著提高。

膜蒸餾的分離性能隨操作時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸變差。這是由于長(zhǎng)時(shí)間的操作使得膜表面和內(nèi)部被污染，部分污染物堵塞膜孔，進(jìn)而造成膜孔潤(rùn)濕，導(dǎo)致產(chǎn)水量和產(chǎn)水水質(zhì)雙雙下降。

影響膜蒸餾性能的操作參數(shù)很多，如何基于現(xiàn)有設(shè)備和分離要求選擇合適的操作參數(shù)以及將各個(gè)參數(shù)進(jìn)行組合，優(yōu)化操作條件變得尤為重要。傳統(tǒng)的優(yōu)化方法是通過只改變其中一個(gè)參數(shù)，固定其他參數(shù)，從而找到這個(gè)參數(shù)的最優(yōu)值；隨后再固定該參數(shù)，使用同樣的方法確定下一個(gè)參數(shù)的取值。這樣的實(shí)驗(yàn)方法不僅消耗大量的人力、物力，并且忽略了參數(shù)之間的相互作用。研究人員發(fā)現(xiàn)，各參數(shù)的相互作用有時(shí)會(huì)非常復(fù)雜，且對(duì)于結(jié)果的影響較大。另一方面，傳統(tǒng)方法只能優(yōu)化已經(jīng)做過實(shí)驗(yàn)的參數(shù)數(shù)值，限制性很大。由此，設(shè)計(jì)試驗(yàn)法（DOE）被引入操作參數(shù)優(yōu)化過程。該方法是一種安排實(shí)驗(yàn)和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，主要針對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行合理安排，以較小的試驗(yàn)規(guī)模（試驗(yàn)次數(shù)）、較短的試驗(yàn)周期和較低的試驗(yàn)成本，獲得理想的試驗(yàn)結(jié)果以及得出科學(xué)的結(jié)論。田口方法（Taguchi）是目前應(yīng)用最為廣泛的一種設(shè)計(jì)試驗(yàn)法。MOHAMMADI[10]和WINTER[11]等已經(jīng)先后使用田口方法優(yōu)化真空膜蒸餾和直接接觸膜蒸餾過程的操作參數(shù)，并得到優(yōu)化后的操作條件。田口方法極大地提高了試驗(yàn)效率，但是存在的問題是：該方法只能在預(yù)先設(shè)置的參數(shù)取值范圍內(nèi)對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)該問題，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）開始被引入[12]，通過使用設(shè)計(jì)試驗(yàn)法得到的初步優(yōu)化結(jié)果，對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，使之具備“自學(xué)”能力。當(dāng)參數(shù)取值超出預(yù)定的取值范圍時(shí)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)進(jìn)行判斷，并給出合理的預(yù)測(cè)。該方法和設(shè)計(jì)試驗(yàn)法相結(jié)合，極大地拓展了設(shè)計(jì)試驗(yàn)法的應(yīng)用范圍，使設(shè)計(jì)試驗(yàn)法變得更加高效。除此以外，析因設(shè)計(jì)（factorial design）[13]也能應(yīng)用于設(shè)計(jì)試驗(yàn)法中，幫助確定各參數(shù)對(duì)于結(jié)果的影響及其權(quán)重值，判斷出對(duì)結(jié)果影響較小的參數(shù)。之后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)精確程度，合理對(duì)這些非重要參數(shù)進(jìn)行取舍，可大幅降低試驗(yàn)次數(shù)和試驗(yàn)難度。

3　過程強(qiáng)化

膜蒸餾的過程強(qiáng)化主要從加強(qiáng)傳質(zhì)、減少熱傳遞和控制膜污染等幾個(gè)方面來進(jìn)行。具體的強(qiáng)化過程可以通過兩種方式來實(shí)現(xiàn)，即對(duì)膜組件優(yōu)化以達(dá)到過程強(qiáng)化的效果和外部輔助裝置的加入強(qiáng)化膜蒸餾過程。

3.1膜組件的優(yōu)化

YANG[14]和TEOH[15]等通過對(duì)中空纖維膜進(jìn)行熱處理，改變其形態(tài)；并對(duì)膜絲在膜殼內(nèi)的填充和排列方式進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示膜表面的流體湍動(dòng)程度得到加強(qiáng)，有效提高了產(chǎn)水量和減少污染物在膜表面的附著。HO等[16]則通過改變直接接觸膜蒸餾組件中膜兩側(cè)流體的相對(duì)流動(dòng)方式和增加膜表面的粗糙程度，使膜通量提升了42.1％。TIAN等[17]為氣隙膜蒸餾設(shè)計(jì)了新型的平板式組件：在膜組件進(jìn)水側(cè)使用內(nèi)嵌的具有特定角度的彎曲細(xì)管提供切向水流與膜表面接觸；在產(chǎn)水端，組件內(nèi)氣隙大小由向外彎曲的平板膜與冷凝板間的距離決定。膜由于受彎曲形成的弧面與冷凝板直接接觸，氣隙從接觸點(diǎn)開始向兩側(cè)逐漸增大?；谠撔滦湍そM件的氣隙膜蒸餾過程得到顯著強(qiáng)化，膜通量較普通氣隙膜蒸餾提高了2.5倍。氣隙膜蒸餾由于氣隙層的存在，使得其傳質(zhì)阻力較大，膜通量較其他幾種膜蒸餾方式小。為了減小氣隙存在帶來的不利影響，F(xiàn)RANCIS等[18]設(shè)計(jì)了一種新型膜組件：材料間隙式膜蒸餾組件。他們將傳統(tǒng)氣隙式膜組件中的氣隙用不同的材料進(jìn)行填充，比如沙子、海綿等，使得膜通量增加了200％～800％。同樣，為改善氣隙式膜蒸餾的性能，BAHAR等[19]制備了包含有表面具有流道的冷凝板的膜蒸餾組件，其產(chǎn)水量比普通氣隙式膜蒸餾組件高出50％。在沒有循環(huán)的情況下，一級(jí)膜蒸餾的水回收率只能達(dá)到4％～8％，因此科研人員設(shè)計(jì)了多級(jí)膜蒸餾組件以提高水回收率。GENG等[20]采用4級(jí)膜蒸餾得到的水回收率為24.7％，并且通過分析后推斷：當(dāng)使用14級(jí)膜蒸餾時(shí)，水的回收率可以達(dá)到88.2％。曝氣是較早應(yīng)用于污水生化處理過程的一種方法，該方法為水中的微生物提供氧氣，使其消耗污水中的有機(jī)物，從而降低污水中有機(jī)物含量。曝氣在膜處理污水中的應(yīng)用常見于超濾過程，而該技術(shù)在膜蒸餾中的使用最近才開始有報(bào)道。來自天津工業(yè)大學(xué)的呂曉龍研究團(tuán)隊(duì)于2009年起在真空膜蒸餾中引入曝氣（圖2），強(qiáng)化膜蒸餾過程[21-23]。將曝氣應(yīng)用于膜蒸餾后，生成的微小氣泡通過沖刷分離膜表面，可有效減少膜表面結(jié)垢以及弱化濃差極化和溫度極化現(xiàn)象；另一方面，膜可在水平方向上發(fā)生振動(dòng)，增強(qiáng)擾流效果，提高氣態(tài)水分子透過率，加大產(chǎn)水量。DING等[24]利用膜蒸餾濃縮中藥提取液，證實(shí)在濃縮過程中間歇鼓入空氣，可以減少膜表面污染，推后膜通量開始衰減的時(shí)間點(diǎn)。CHEN等[25]通過鼓氣，強(qiáng)化直接接觸膜蒸餾過程，并發(fā)現(xiàn)產(chǎn)水量平均增加了26％，膜表面結(jié)垢也有所減少。在此基礎(chǔ)上，他們繼續(xù)研究了鼓氣式膜蒸餾過程的熱傳遞效應(yīng)和鼓氣氣泡的大小對(duì)強(qiáng)化過程的影響[26]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，具有較小體積及體積分布較為狹窄的氣泡更有利于加強(qiáng)混合效果和提高膜表面剪切應(yīng)力；而與之相對(duì)應(yīng)的熱傳遞系數(shù)能達(dá)到普通直接接觸膜蒸餾的2.3倍。

圖2　鼓氣式膜蒸餾組件示意圖

3.2輔助裝置強(qiáng)化膜蒸餾

一些外部裝置也被用于輔助和強(qiáng)化膜蒸餾過程，比如超聲裝置、電場(chǎng)等。超聲裝置可發(fā)出頻率在20kHz～10MHz的聲波，當(dāng)聲波作用于媒介時(shí)會(huì)產(chǎn)生力學(xué)、熱學(xué)以及氣蝕效應(yīng)。對(duì)于膜分離過程，超聲技術(shù)主要用于膜污染的檢測(cè)和控制、膜的清洗以及膜通量的強(qiáng)化。HOU等[27]首次在直接接觸膜蒸餾中使用超聲裝置，使得膜通量最高提升60％，并且在長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)中沒有發(fā)現(xiàn)超聲對(duì)膜的強(qiáng)度、孔徑及疏水性產(chǎn)生明顯影響。水是具有極性的分子，當(dāng)處在不對(duì)稱電場(chǎng)中時(shí)，水分子受到的介電泳力不為零，使得水分子發(fā)生移動(dòng)?；谠摤F(xiàn)象，研究人員受到啟發(fā)，在膜蒸餾過程中加入非對(duì)稱電場(chǎng)，同時(shí)利用蒸氣壓差和電勢(shì)梯度作為膜蒸餾的推動(dòng)力，不僅能夠有效強(qiáng)化膜通量，而且不會(huì)影響產(chǎn)水水質(zhì)和分離膜[28]。

4　能量?jī)?yōu)化

4.1太陽能及低品位熱源的使用

限制膜蒸餾商業(yè)化應(yīng)用的主要原因是該技術(shù)能耗及產(chǎn)水成本過高。在膜蒸餾過程中，90％的能耗來自于對(duì)原水的加熱，這導(dǎo)致膜蒸餾所需的熱量達(dá)到628 kW/m3，產(chǎn)水價(jià)格高于2.2美元/t[29]。另外，由于碳排放稅和能源價(jià)格的逐年上升，以燃燒化石燃料（煤、石油等）提供的電能/熱量驅(qū)動(dòng)膜蒸餾過程顯得沒有實(shí)用意義，其產(chǎn)水成本也會(huì)進(jìn)一步提高。然而，隨著太陽能技術(shù)的發(fā)展和低品位熱源（工廠排放煙氣廢熱、發(fā)電機(jī)廢熱及地?zé)岬龋┑幕厥绽?，使得膜蒸餾的商業(yè)化前景再一次變得光明起來。SCHWANTES等[30]在2013年發(fā)表的論文中詳細(xì)介紹了幾種利用太陽能與廢熱的示范性膜蒸餾裝置。位于意大利的Pantelleria的膜蒸餾裝置使用的熱源是柴油發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的廢熱。而在西班牙的Gran Canary和納米比亞北部的Etosha盆地建立的兩套裝置則利用太陽能板提供的熱量作為熱源。根據(jù)KESIEME提供的計(jì)算公式，合理利用低品位熱源（<50℃），可以使膜蒸餾的產(chǎn)水價(jià)格下降至0.57美元/t[29]，低于目前反滲透技術(shù)的產(chǎn)水價(jià)格。此外，驅(qū)動(dòng)膜蒸餾過程包含的附屬設(shè)備，如真空泵、流體泵等，需要提供額外電能。使用太陽能光伏發(fā)電板或風(fēng)電設(shè)備可以有效解決這一問題。

4.2冷凝潛熱的回收利用

膜蒸餾是一個(gè)有相變的過程，汽化/冷凝潛熱流失降低了熱能的利用率。因此可以在膜組件的設(shè)計(jì)中考慮回收潛熱，盡可能減少熱能損耗。多效膜蒸餾過程可以有效回收冷凝潛熱，提高造水比（gain-out ratio，GOR）。多效膜蒸餾過程的原理大致為：原料液（冷）被輸送至實(shí)壁管，在流動(dòng)過程中吸收水蒸氣在實(shí)壁管外壁上冷凝所釋放的熱量而被逐漸加熱；經(jīng)過換熱器進(jìn)一步提升溫度后，原料液（熱）返回膜組件，以與原料液（冷）逆流的方式進(jìn)入中空纖維疏水微孔膜；蒸發(fā)的水蒸氣穿過疏水微孔膜，擴(kuò)散到組件殼程的間隙，隨后到達(dá)實(shí)壁管的外表面處被冷凝；冷凝水在實(shí)壁管外壁處聚集，最終從殼程出口流出膜組件被收集為產(chǎn)水（圖3）。秦英杰的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)多效膜蒸餾過程進(jìn)行了系統(tǒng)研究，開發(fā)出多效膜蒸餾組件及其工藝過程[31]，并將該技術(shù)應(yīng)用到硫酸溶液[32]、海水/濃海水[33]和氫氧化鈉溶液[34]等的濃縮過程中。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，多效膜蒸餾過程濃縮效果顯著，可在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)連續(xù)運(yùn)行，鹽截留率維持在99％以上，造水比可超過5，有較好的節(jié)能效果。

圖3　多效膜蒸餾過程示意圖

熱泵是一種使熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體的能量利用裝置，在余熱回收及低品位熱源利用等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此可以將熱泵技術(shù)應(yīng)用于膜蒸餾過程，回用膜蒸餾產(chǎn)生的蒸氣潛熱。韓懷遠(yuǎn)等[35]將熱泵技術(shù)及真空膜蒸餾過程進(jìn)行結(jié)合，利用壓縮式熱泵回收真空膜蒸餾過程的相變熱，用于加熱原料液，有效降低了能耗。劉超等[36]則進(jìn)一步將熱泵與多效膜蒸餾過程相結(jié)合，設(shè)計(jì)了耦合熱泵技術(shù)的減壓多效膜蒸餾工藝（HP-VMEMD）。相比未耦合熱泵的減壓多效膜蒸餾，該工藝能夠有效提高造水比，并實(shí)現(xiàn)冷卻水的循環(huán)利用。

5　結(jié)合其他分離過程的復(fù)合膜蒸餾系統(tǒng)

圖4　正滲透-膜蒸餾復(fù)合系統(tǒng)示意圖

膜蒸餾與其他分離過程的有機(jī)結(jié)合能夠使膜蒸餾過程得以強(qiáng)化，提高膜通量。目前的研究熱點(diǎn)是正滲透-膜蒸餾（FO-MD）復(fù)合系統(tǒng)（圖4）。在該系統(tǒng)的正滲透端，由于膜兩側(cè)溶液滲透壓差的存在，原料液中的水會(huì)自動(dòng)從原料液側(cè)流向驅(qū)動(dòng)液（汲取液）側(cè)；驅(qū)動(dòng)液在吸收水后經(jīng)過加熱升溫，在膜蒸餾端將水以氣態(tài)水分子的形式釋放出來，水分子透過分離膜最終被收集為產(chǎn)水，而驅(qū)動(dòng)液也在釋放水后得到重整[37]。該復(fù)合系統(tǒng)可在正滲透端將許多污染物完全截留，使得膜蒸餾端的原料液側(cè)為較干凈的驅(qū)動(dòng)液，減少膜蒸餾端的膜污染，從而提高膜通量和延長(zhǎng)膜蒸餾的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間。在正滲透端，當(dāng)對(duì)滲透壓高的一側(cè)溶液施加一個(gè)小于滲透壓差的外加壓力時(shí)，水仍然會(huì)從原料液側(cè)流向驅(qū)動(dòng)液側(cè)，該過程叫作壓力阻尼滲透（PRO）。壓力阻尼滲透本質(zhì)上也是一種正滲透過程，該過程可獲取淡水與海水混合時(shí)所釋放的能量。在壓力阻尼滲透系統(tǒng)中，水分子從低濃度溶液滲透到加壓的高濃度溶液，使得加壓高濃度溶液的體積變大，從而做功推動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。全球每年河流入海口處淡水與海水混合所產(chǎn)生的總能量大約是2000太千瓦時(shí)，基于壓力阻尼滲透技術(shù)，有望將這部分能量利用起來，作為可再生能源的重要來源。HAN等[38]設(shè)計(jì)了壓力阻尼滲透-膜蒸餾復(fù)合系統(tǒng)，得到的膜通量最高為63.1L/(m2?h)，產(chǎn)生的能量密度為31W/m2。該系統(tǒng)在處理水的同時(shí)還能產(chǎn)生能量被利用，在未來具有很大的應(yīng)用潛力。

6　應(yīng)用領(lǐng)域

目前，膜蒸餾技術(shù)在多數(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用還處在實(shí)驗(yàn)室小試階段，而該技術(shù)在脫鹽過程中的應(yīng)用發(fā)展較快，已有海水/苦咸水脫鹽中試示范裝置建成并運(yùn)行；另外，其在高鹽工業(yè)廢水的處理上也有著良好的應(yīng)用前景。

6.1反滲透濃水

反滲透技術(shù)的實(shí)際產(chǎn)水率目前不足70％，有超過30％的濃鹽水被直接排放，不僅加劇環(huán)境污染，還造成水資源的大量浪費(fèi)。近年來，膜蒸餾在反滲透濃水回用領(lǐng)域得到極大關(guān)注。陳利等[39]采用聚乙烯、聚丙烯微孔膜對(duì)反滲透海水淡化過程產(chǎn)生的濃鹽水進(jìn)行真空膜蒸餾的研究，實(shí)驗(yàn)表明該過程的最大鹽截留率可達(dá)99.99％。在ZHANG等[40]的實(shí)驗(yàn)中，使用直接接觸式膜蒸餾處理海水反滲透濃水，得到的膜通量高于20L/(m2?h)，產(chǎn)水電導(dǎo)率低于5μS/cm。通過構(gòu)建反滲透/膜蒸餾集成系統(tǒng)，可大幅減少反滲透過程產(chǎn)生的濃水，顯著提高水資源的利用率，具有較好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

6.2油田高鹽廢水

現(xiàn)階段，我國(guó)大部分油田已進(jìn)入中后期開采階段，采出液含水量逐年遞增，由此導(dǎo)致油田廢水的排放量快速增加，處理難度加大。膜處理法是一種處理油田廢水的新工藝，目前使用較多的是微濾和超濾[41]。利用該方法可以除去廢水中的懸浮固體顆粒及油層，對(duì)廢水的高含鹽量卻無能為力。油田廢水溫度通常較高，因此可采用膜蒸餾技術(shù)對(duì)油田廢水進(jìn)行脫鹽，基本無需對(duì)原水進(jìn)行額外加熱即可滿足膜蒸餾的工藝要求，有效利用廢水余熱的同時(shí)，還能達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

6.3煙氣脫硫廢水

電廠和煉化企業(yè)產(chǎn)生的煙氣脫硫廢水含鹽量和懸浮物含量較高，成分復(fù)雜，對(duì)環(huán)境危害性大，一直難以處理。一般情況下，煙氣脫硫廢水基本上是經(jīng)過簡(jiǎn)單處理，與其他污水進(jìn)行混和稀釋后被直接排放。近年來，由于更加嚴(yán)格的國(guó)家環(huán)保政策法規(guī)的出臺(tái)，使得該股廢水無法再進(jìn)行稀釋排放，亟需開發(fā)更為有效的方法進(jìn)行處理。國(guó)內(nèi)外較常用的脫硫廢水處理方法包括混凝-沉淀法、流化床法、人工濕地法、單質(zhì)鐵法、生化法、膜法、蒸發(fā)濃縮法等[42]。使用微濾膜處理法，對(duì)脫硫廢水處理效果較好，操作方便，但該方法同樣無法解決廢水中的高含鹽問題。因此，基于膜蒸餾技術(shù)對(duì)高鹽廢水深度濃縮的優(yōu)勢(shì)，在技術(shù)優(yōu)化集成基礎(chǔ)上，將該技術(shù)用于煙氣脫硫廢水深度處理，有望基本實(shí)現(xiàn)該股廢水的近零排放。

7　結(jié)語

膜蒸餾具有脫鹽率高、產(chǎn)水水質(zhì)好、水回收率高、可低溫常壓操作等優(yōu)勢(shì)，是一項(xiàng)極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦途G色膜分離技術(shù)。通過對(duì)膜蒸餾過程進(jìn)行強(qiáng)化及優(yōu)化可以有效降低其成本和能耗，同時(shí)提升膜通量，減少膜污染，延長(zhǎng)裝置使用壽命。膜蒸餾技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展可以從以下幾個(gè)方面開展研究工作。

（1）開發(fā)成本低廉，且具有較高強(qiáng)度、通量較大、分離效果好、使用時(shí)間長(zhǎng)、不易污染和潤(rùn)濕的膜。

（2）設(shè)計(jì)新型膜組件，對(duì)現(xiàn)有膜組件進(jìn)行優(yōu)化，加強(qiáng)傳質(zhì)過程和減少膜表面結(jié)垢。比如，控制填充率、加入擋板、制造錯(cuò)流、增加擾動(dòng)和湍流、對(duì)膜進(jìn)行預(yù)處理等。

（3）針對(duì)不同形式膜蒸餾的特點(diǎn)，對(duì)其操作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。引入設(shè)計(jì)試驗(yàn)法和析因設(shè)計(jì)等方法分析各參數(shù)對(duì)膜蒸餾性能的影響及找到合適的操作條件。

（4）強(qiáng)化膜蒸餾過程，如曝氣，可以減少濃差極化和溫度極化現(xiàn)象，提高水蒸氣分子透過率，加大膜通量。

（5）使用太陽能或低品位熱源加熱原水，降低產(chǎn)水成本?；厥绽谜舭l(fā)/冷凝潛熱，提高膜蒸餾過程的熱效率。

（6）將膜蒸餾與其他分離技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，如正滲透-膜蒸餾復(fù)合系統(tǒng)，強(qiáng)化膜蒸餾性能，擴(kuò)展該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

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Current research and technical progress in membrane distillation process intensification and optimization

GUO Zhi，ZHANG Xinmiao，ZHANG Chenlin，LUAN Jinyi
（Environmental Protection Research Institute，Beijing Research Institute of Chemical Industry，SINOPEC，Beijing 100013，China）

Abstract：Membrane distillation（MD） is an emerging membrane separation process，and has started to receive more research concern recently due to its several attractive and unique features，such as high salt rejection rate，being capable of treating high concentration feed etc. MD can be applied for different applications，including seawater desalination，wastewater treatment and various solutions concentrating process. However，the industrialization of MD is limited to some extent because of its relatively higher energy consumption and process cost. The current status of MD intensification and optimization research has been highlighted in this paper. It has reviewed the research progress of membrane material and fabrication methods，optimization of MD operating parameters，membrane module improvement and auxiliary equipment integration，utilization of solar and low-grade thermal energy，recycling the evaporation/condensation latent heat as well as hybrid MD system with other separation process. Meanwhile，the application of MD in the treatment of industrial high concentration saline wastewater was proposed and analyzed. Moreover，the research directions of MD process intensification and optimization were discussed and summarized，which would provide insightful guidelines for the further development of MD technique.

Key words：membrane distillation；process intensification；optimization

中圖分類號(hào)：TQ 028.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000–6613（2016）04–0981–07

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.002

收稿日期：2015-10-29；修改稿日期：2015-12-08。

基金項(xiàng)目：中石化項(xiàng)目（15-14ZS0409）。