國內(nèi)膜蒸餾技術(shù)研究應(yīng)用進展

王眾眾，劉宇堅，胡永健，程方琳，王為民，谷維梁，張松建

（北京賽諾膜技術(shù)有限公司，北京 100083）

國內(nèi)膜蒸餾技術(shù)研究應(yīng)用進展

王眾眾，劉宇堅，胡永健，程方琳，王為民，谷維梁，張松建

（北京賽諾膜技術(shù)有限公司，北京 100083）

膜蒸餾是一種以疏水性微孔膜為核心的新型膜分離技術(shù)。本 文綜述分析了國內(nèi)膜蒸餾的相關(guān)應(yīng)用研究進展，包括 ：膜過程的操作參數(shù)研究；過程優(yōu)化研究；膜蒸餾用膜研制；膜污染研究；強化膜蒸餾過程研究等。并對膜蒸餾在不同領(lǐng)域的應(yīng)用研究進行了概述。

膜蒸餾；濃鹽水；膜分離；膜污染

0 引言

膜蒸餾（MD，MembraneDistillation）是一種以疏水性微孔膜為核心的膜分離技術(shù)。與反滲透技術(shù)以及傳統(tǒng)的蒸餾技術(shù)相比，膜蒸餾作為一種新型高效的膜分離技術(shù)，具有整體設(shè)備體積小，操作溫度及運行壓力低，理論分離效能高，不易堵塞，同其他分離過程的兼容性好，可用于處理特殊高濃度廢水等優(yōu)點[1]。

自20世紀(jì)60年代“膜蒸餾”技術(shù)首次被提出來后，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，MD的研究取得了巨大的進展。MD相關(guān)的理論研究也較為廣泛與深入，但MD技術(shù)從理論研究到技術(shù)產(chǎn)業(yè)化需要經(jīng)過不斷地嘗試與技術(shù)應(yīng)用研究，同時技術(shù)應(yīng)用需要跟進不斷更新的研究成果。本文主要通過調(diào)研近幾年MD技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用研究文獻，針對目前MD在國內(nèi)的應(yīng)用研究的情況進行總結(jié)和概述，以期為同行業(yè)關(guān)于MD的應(yīng)用提供有效的參考與借鑒。

1　膜蒸餾原理

1.1膜蒸餾原理概述

膜蒸餾（MD，MembraneDistillation）是一種采用疏水微孔膜作為分離基礎(chǔ)的新型膜分離技術(shù)。溫度較高的待處理液體位于疏水膜的進水一側(cè)，該側(cè)液體中較容易揮發(fā)的組分在膜表面發(fā)生汽化，通過擴散穿過疏水膜而進入另一側(cè)，這側(cè)溫度相對較低，屬于較為冷的一側(cè)；兩側(cè)的蒸汽壓差驅(qū)動蒸汽不斷從進水側(cè)不斷向另一側(cè)擴散，而正由于疏水膜的阻擋，其他組分無法透過疏水膜，從而實現(xiàn)液體的分離、濃縮或提純的目的。

膜蒸餾技術(shù)的過程示意圖如圖1所示。

1.2膜蒸餾分類

膜蒸餾過程的分類，主要根據(jù)熱側(cè)蒸汽透過疏水膜后，冷側(cè)所采用冷凝回收組分的方式分為以下四種形式[2]，具體見1所示。

2　應(yīng)用研究進展

2.1膜蒸餾技術(shù)研究方向

2.1.1膜蒸餾過程的操作參數(shù)

圖1　膜蒸餾技術(shù)的過程示意圖

諸多的研究結(jié)果說明，膜蒸餾的性能受到多種操作參數(shù)的影響，例如進料溫度、進料濃度、進料流量、氣體流速以及真空度等因素。但如何基于現(xiàn)有設(shè)備和分離要求選擇合適的操作參數(shù)以及將各個參數(shù)進行組合，優(yōu)化操作條件成為技術(shù)應(yīng)用的重要研究課題。

傳統(tǒng)的優(yōu)化方法，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，而且受到了應(yīng)用上的限制。因此很多學(xué)者在研究更為高效、更“智能”的優(yōu)化方法。Mohammadi[3]和Winter[4]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)，并得到獲得最優(yōu)的操作條件。

隨后，更為“智能”的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）開始被引入[5]。膜蒸餾過程操作參數(shù)的優(yōu)化過程，充分利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)“自學(xué)”的訓(xùn)練能力，僅需外界提供一組最初的參數(shù)優(yōu)化值即可開啟“自學(xué)”訓(xùn)練能力，且參數(shù)取值超出預(yù)定的取值范圍時，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以給出合理的預(yù)測。除此以外，析因設(shè)計方法[6]可以幫助確定各參數(shù)對于結(jié)果的影響及其權(quán)重值，判斷出對結(jié)果影響較小的參數(shù)，間接地在通過剔除非重要的參數(shù)而大幅降低試驗次數(shù)和試驗難度。

從工業(yè)應(yīng)用角度考慮，受多參數(shù)影響的膜蒸餾效率的提高需要對操作參數(shù)進行多重優(yōu)化過程，多參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性需要進一步研究，引用科學(xué)的研究理念或優(yōu)化工具，在具有可實際應(yīng)用性的前提下，可獲得較好的操作參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，以便為工藝運行提供高效的指導(dǎo)。

表1　膜蒸餾分類

2.1.2膜蒸餾過程優(yōu)化研究

膜蒸餾過程的關(guān)鍵在于傳熱與傳質(zhì)過程，因此通過優(yōu)化傳熱與傳質(zhì)過程的效率將會大大的提升膜蒸餾過程的效率。研究發(fā)現(xiàn)，通過提升膜組件外部的效率相比單純提高膜組件內(nèi)部的效率而言，對膜蒸餾過程的效率的提升效果更為顯著[7]。近些年出現(xiàn)了滲透通量更大、效能比更高以及穩(wěn)定性更強的多效蒸餾技術(shù)，該技術(shù)在實際應(yīng)用中由于更為節(jié)能，因此具有更強的競爭力或應(yīng)用潛力[8,9]。

Zhao等[10]在研究真空多效膜蒸餾裝置時，引入太陽能作為膜蒸餾過程的能量輸入，同時優(yōu)化相關(guān)的操作參數(shù)及蒸餾級數(shù)，不僅降低了設(shè)備成本與運行成本，同時提升了熱利用效率。其實，除了太陽能，微波照射的方式也可用于膜蒸餾過程，由于微波照射的均勻加熱方式可提高傳質(zhì)的效果，對膜的性能不會造成影響，同時可以提高效率[11]。Y ang等[12]研究了膜組件的結(jié)構(gòu)對膜蒸餾性能的影響。實驗是通過采用幾種不同膜外形的膜組件，并分別考察了其性能的狀況。結(jié)果表明：通過改變膜的幾何形狀及其形式，在一定程度上可以優(yōu)化液體的流動；相比于常規(guī)的規(guī)整組件，優(yōu)化膜的形狀及形式后可提升熱效率。

2.1.3膜蒸餾用膜研制

由膜蒸餾技術(shù)的原理可知，膜蒸餾用膜必須擁有兩個特性：疏水性和微孔性。因此，為了獲得較高的膜通量和較高的溶質(zhì)截留系數(shù)，所使用的膜就必須滿足一定的疏水特性和孔徑要求。研究表明，膜孔徑的范圍應(yīng)控制在0.1～0.5 μ m之間，孔隙率應(yīng)控制在60%～80%之間[1]。近些年來，許多學(xué)者都致力于膜的制備和改性研究方面。關(guān)于膜的研制主要從以下幾個方面：修飾或復(fù)合傳統(tǒng)膜材料；引入納米技術(shù)開發(fā)優(yōu)良的膜材料；膜整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

Fang等[13]采用相轉(zhuǎn)化燒結(jié)的方法用于膜的開發(fā)研制，并研制出一種特殊的疏水多孔氧化鋁中空纖維膜，該種膜主要適用于減壓膜蒸餾過程。Zhang等[14]利用修飾的方式制備了一種超疏水膜，研制方法是在PVDF疏水多孔膜表面上噴涂了疏水的SiO2納米粒子；經(jīng)過修飾之后的膜，各方面的性能均得到可有效的提升，包括膜穩(wěn)定性、鹽去除率膜抗污染能力。Wang等[15]通過研究膜整體結(jié)構(gòu)，研制出一種多孔中空纖維膜，其結(jié)構(gòu)類似于蓮藕結(jié)構(gòu)；這種膜的顯著特點是：壁層較薄但機械強度高；同時這種膜在實際應(yīng)用中也展現(xiàn)了其良好的性能：連續(xù)操作時的穩(wěn)定性，以及可獲得高于99.99%的去除效率。當(dāng)前膜材料的研制（研發(fā)或改性），一定程度上局限于單一類型或較小型的MD過程；為了促進膜蒸餾的工業(yè)化應(yīng)用，集中研制膜或優(yōu)化膜特性的同時，需要考慮：利用新技術(shù)高效開發(fā)高通量MD膜；不同膜過程或膜組件結(jié)構(gòu)對膜材料的特定要求；膜蒸餾過程如膜污染從膜材料研制過程考慮抑制等。

2.1.4膜污染的研究

與超濾膜、反滲透膜等大部分的應(yīng)用過程類似，膜蒸餾過程也無法避免膜受污染的問題。膜污染的發(fā)生直接導(dǎo)致了膜通量和膜處理效率的降低。因此，近年來有很有學(xué)者對膜蒸餾過程的污染進行了廣泛的研究。

閻建民等[16]在研究膜蒸餾技術(shù)用于脫鹽過程時，發(fā)現(xiàn)了濃差極化和無機鹽溶解度隨溫度的變化會導(dǎo)致膜表面會出現(xiàn)沉積物，直接引起膜通量的降低。代婷等[17]研究了腐殖質(zhì)聚集體對膜蒸餾過程的污染作用機理，結(jié)果表明：膜蒸餾通量的衰減大致可分為由濾餅層的形成造成的不可恢復(fù)部分以及由濃差極化、膜孔“半潤濕”而造成的可部分恢復(fù)的通量降低；且可通過控制污水中腐殖質(zhì)類污染物含量，能有效地緩解膜蒸餾過程中疏水膜的污染狀況。馬方偉等[18]研究表明，料液溫度、膜兩側(cè)蒸汽壓差和料液流速直接影響膜污染的程度，溫度越高、蒸汽壓差越大，膜污染越嚴(yán)重。

對于膜蒸餾處理不同類型（或水質(zhì)差別較大）的待處理液體，膜污染形成的主要原因會有所不同，膜污染類型主要有以下幾種原因：膜表面的無機鹽結(jié)垢污染；生物吸附所引起的生物污染；有機物的堆積；固體粒子物（或膠體物）的沉積[19]。

張琳等[20]研究表明：在膜蒸餾技術(shù)用于脫鹽過程中加入阻垢劑，其產(chǎn)水率得到了十分顯著的提升。除了可以通過減緩膜受污染的速率，維持膜的高性能還依賴于運行過程中所采用的膜清洗方式。除了傳統(tǒng)的水沖洗方式，還可以采用氣反沖洗的方式，李會等[21]研究表明，氣體反沖洗能夠緩解膜污染的程度，且反沖洗時間持續(xù)越久、氣量越大、沖洗頻率越高，則其效果越好。

劉楊等[22]研究工業(yè)循環(huán)水膜蒸餾過程膜污染控制方法表明，化學(xué)處理及鼓氣強化方法可有效緩解膜蒸餾過程的膜污染。結(jié)合上述論述可見，膜污染在膜蒸餾過程中是不可避免的，且膜污染的形成原因與影響因素是較為復(fù)雜的。膜污染的形成與料液中的污染物類型及濃度水平息息相關(guān)，膜污染同時受到工藝條件及操作參數(shù)等因素的影響。因此，要解決或減輕膜污染問題，一方面要對膜本身進行改良，增加污染抗性；另一方面，考慮增加預(yù)處理工藝或優(yōu)化過程工藝條件和操作參數(shù)。

2.1.5強化膜蒸餾過程研究

為了提高膜蒸餾過程的運行效率或效果，很多學(xué)者進行了強化膜蒸餾過程研究。

毛洪娜等[23]利用超聲技術(shù)對VMD工藝進行強化研究，研究表明，輔助超聲技術(shù)可以提高膜通量，并且隨超聲功率的增大而增加。苗成朋等[24]考察了不對稱靜電場對膜蒸餾過程的強化效果，在膜兩側(cè)附加不對稱靜電場，滲透側(cè)場強較大時，可以促進水分子傳質(zhì)；不對稱靜電場強化膜蒸餾過程不僅可提高通量，還可提高分離性能。熊玉琴等[25]考察了氣泡大小及相對濕度對鼓泡強化膜蒸餾的影響，結(jié)果表明：采用氣液兩相流技術(shù)強化高濃度NaCl溶液氣掃式膜蒸餾（SGMD）系統(tǒng)，間歇鼓泡比連續(xù)鼓泡更利于強化SGMD過程。

2.2不同領(lǐng)域的應(yīng)用研究

2.2.1海水淡化領(lǐng)域

膜蒸餾過程的開發(fā)最初完全是源于海水淡化的目的。經(jīng)過MD過程的產(chǎn)水，水質(zhì)遠遠高于其他膜過程。

唐娜等[26]研究了膜蒸餾用于濃海水的淡化，該研究是以反滲透法海水淡化的高濃鹽水作為進水。研究結(jié)果表明：在濃鹽水進水流量為120 L/h，真空側(cè)的壓力為2 KPa，進水側(cè)高濃鹽水溫度為67℃時，試驗中自制平板膜組件的通量可達到24.8 kg/(m2·h)。

劉東等[27]研究了減壓膜蒸餾法處理反滲透濃水，試驗結(jié)果表明：在真空度0.095 MPa，進水溫度70℃，流速0.66 m/s的條件下，系統(tǒng)的脫鹽率高達99.99%，可見膜蒸餾過程產(chǎn)水具有超優(yōu)的出水水質(zhì)。

在Zhang等[28]的實驗中，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20 L/(m2·h)，產(chǎn)水電導(dǎo)率低于5 μ s/cm。通過構(gòu)建“R O+MD”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)濟效應(yīng)。

膜蒸餾技術(shù)是一個能耗相對較高的膜分離技術(shù)，能耗會成為技術(shù)應(yīng)用的一個限制因素，該技術(shù)用于海水淡化領(lǐng)域時，只有獲取可利用的低成本能源的情況下，才會具有實用意義。因此，膜蒸餾應(yīng)用于海水淡化領(lǐng)域研究應(yīng)考慮能源問題，力求實現(xiàn)操作成本的降低和熱回收效率的提高。

2.2.2工業(yè)廢水處理領(lǐng)域

膜蒸餾技術(shù)在工業(yè)廢水領(lǐng)域具有較多的應(yīng)用研究，主要由于膜蒸餾技術(shù)具有無需高壓條件、可獲得高的去除率、對進水濃度無嚴(yán)格限制等特點。特別，在處理高濃度的含鹽廢水[29]、高濃度的氨氮廢水[30]，具有巨大的應(yīng)用潛力。武警等[31]考察了直接接觸膜蒸餾法處理焦化廢水生化出水的污染物去除效率，結(jié)果表明：膜初始通量為11.28 kg/(m2·h)，熱效率達到19.9%，出水水質(zhì)較好；且各污染物指標(biāo)去除率較高：色度和鹽度約99.5%，CODCr約97.8%，NH3-N為82.1%。劉乾亮等[32]采用直接接觸式膜蒸餾工藝濃縮尿素溶液，在實驗條件下，尿素的截留率保持在99.82%～100%。

膜蒸餾技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)廢水的處理具有突出的優(yōu)勢：設(shè)備體積小；操作溫度及壓力低；超高的污染物去除率等，在特殊的工業(yè)廢水處理方面具有較大的應(yīng)用潛力。

2.2.3化學(xué)物質(zhì)濃縮分離

膜蒸餾技術(shù)由于自身的優(yōu)點：可處理高濃度的溶液，因此在實際應(yīng)用中常被用于溶液的濃縮。同時，它可以有效地從復(fù)雜的液體體系中，分離出揮發(fā)性物質(zhì)[1,33]。Li等[34]研究了空氣氣隙膜蒸餾與外部熱交換器相結(jié)合的直接接觸膜蒸餾過程的方式，研究是利用膜蒸餾濃縮稀硫酸溶液，研究結(jié)果表明：這種方式可將2%的硫酸溶液濃縮至40%，且剩下的餾分可視為純水，具有十分顯著的效果。

3　結(jié)語及展望

膜蒸餾技術(shù)作為一種新型的膜分離技術(shù)，在近些年的發(fā)展過程顯示了巨大的應(yīng)用潛力。以實現(xiàn)膜蒸餾的實際大規(guī)模應(yīng)用為目標(biāo)，以下有諸多的瓶頸需要突破。主要有以下兩個大方面：更深入的基礎(chǔ)性課題的研究；工業(yè)化應(yīng)用研究。對于基礎(chǔ)性課題研究，主要包括：完善膜蒸餾的機理；研究建立基于機理數(shù)學(xué)預(yù)測模型，以研究各種相關(guān)參數(shù)對膜過程的影響；高效能、穩(wěn)定的膜蒸餾用膜的研制等方面。對于工業(yè)化應(yīng)用研究，主要有：解決膜蒸餾過程的高能耗與低熱效問題；優(yōu)化工藝流程與操作參數(shù)及膜污染的控制；優(yōu)化大型膜組件結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備；膜蒸餾技術(shù)應(yīng)用的適用性研究。目前，實現(xiàn)膜蒸餾技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的工業(yè)化道路仍需有一個較長的過程，但該技術(shù)是具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

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TQ 028.8

A

1671-0711（2016）09（下）-0112-04

科技部中小企業(yè)發(fā)展專項資金（對歐合作部分）：反滲透濃鹽水處理創(chuàng)新技術(shù)研究項目（項目序號SQ2013ZOA000006）。