復(fù)合膜在水蒸氣回收過(guò)程中的利用

節(jié)能與環(huán)保已成為當(dāng)今時(shí)代的主題，在水資源日益稀缺的當(dāng)代，仍有大量水資源浪費(fèi)的現(xiàn)象發(fā)生在我們身邊。如果你曾見(jiàn)過(guò)電廠的煙囪，那你將會(huì)發(fā)現(xiàn)，電廠的煙囪，常年向外排放著大量的白色煙霧。為此，不少周邊居民抱怨，電廠整天向外排放污染物，污染了他們的生活環(huán)境。但是，事實(shí)上，電廠煙囪排放的，根本就不是居民口中的污染物，而是大量的水蒸氣和極少量的硫化物，氮化物，還有一些灰渣等等。以一個(gè)600MW的火力發(fā)電機(jī)組為例，該機(jī)組每小時(shí)大約需要30t的補(bǔ)水，每小時(shí)燃煤產(chǎn)生的煙氣中含有150t的水分，如果回收20%的水分，該電廠可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水自足；如果超過(guò)20%的水蒸氣被回收，該電廠還可為外界提供一定的水，因此，研發(fā)一種裝置來(lái)回收電廠煙氣中的水分變得非常的有意義！

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究回收電廠排煙水分的技術(shù)，主要有低溫冷凝、固態(tài)吸附、靜電脫水等，但都各有其局限性，煙氣低溫冷凝技術(shù)是利用換熱器來(lái)冷凝并且捕集煙氣水分，其捕集的水分水質(zhì)較差，呈酸性，甚至可能具有強(qiáng)腐蝕性；通過(guò)干燥劑回收水分技術(shù)捕集煙氣水分的水質(zhì)不好，而且干燥劑不能循環(huán)使用；煙氣靜電脫水技術(shù)目前處于初始研究階段，沒(méi)有成熟的商業(yè)化經(jīng)驗(yàn)[1]；但是隨著科技的發(fā)展，一種新的水分回收技術(shù)逐漸被人們所重視，它的原理是在復(fù)合膜膜絲內(nèi)部形成負(fù)壓，水蒸氣通過(guò)滲透、擴(kuò)散作用進(jìn)入膜絲內(nèi)部，再通過(guò)引流裝置將水引出，達(dá)到回收潔凈水資源的目的。

目前回收效果比較好的復(fù)合膜主要由PES和SPEEK兩種成分組成。支撐層采用聚醚砜（PES）高分子多孔膜制成，分離層則采用磺化聚醚醚酮（SPEEK）。PES與SPEEK的分子間具有良好的相容性，因?yàn)镻ES中O=S=O基團(tuán)上的氧原子與SPEEK中-SO3H基團(tuán)上的氫原子相互作用，較為可能形成O-H-O，使得二者分子間的結(jié)合更為緊密，因此PES是理想的中空纖維復(fù)合膜支撐層材料。而且在PES中空纖維膜表面凃敷SPEEK后，膜的親水能力明顯增強(qiáng)，且在一定范圍內(nèi)，隨著SPEEK磺化度的增大，膜的親水能力也會(huì)越來(lái)越強(qiáng)[1]。

由于復(fù)合膜在煙道內(nèi)會(huì)受到煙氣的沖擊，因此，提高其強(qiáng)度和韌性變得非常重要。在PES膜絲表面凃敷上溶解了SPEEK的甲醇溶液后形成的復(fù)合膜，強(qiáng)度和韌性都會(huì)有所提升，在實(shí)驗(yàn)中，復(fù)合膜絲大都承受住了煙氣的沖擊而沒(méi)有發(fā)生損壞，但是，實(shí)驗(yàn)過(guò)程往往處于一個(gè)比較理想的環(huán)境，并且實(shí)驗(yàn)都是在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)就完成了，真正應(yīng)用在電廠煙囪中時(shí)，其所處的環(huán)境要相對(duì)惡劣許多，煙氣中的固體灰渣顆粒還有可能會(huì)堵塞PES支撐層的膜孔，由此可見(jiàn)，復(fù)合膜水分捕集裝置還將要面臨很多的實(shí)際問(wèn)題。

有學(xué)者按照火力發(fā)電廠實(shí)際煙氣各成分比例進(jìn)行配氣，構(gòu)建了PES-SPEEK復(fù)合膜捕集煙氣水分的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)控制變量的方法，以模擬煙氣溫度、模擬煙氣速度、復(fù)合膜內(nèi)外側(cè)壓差，以及模擬煙氣水分比例等作為自變量，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，得出了捕集煙氣水分的最優(yōu)化配置。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，我們發(fā)現(xiàn)，隨著煙氣流動(dòng)速度的增加，膜內(nèi)外側(cè)壓差的提高，煙氣水分占比的提升，復(fù)合膜的水分傳質(zhì)系數(shù)也會(huì)相應(yīng)的提升，但大體上提升到一定程度后便會(huì)趨于平緩，另一方面，隨著煙氣溫度的提升，復(fù)合膜的水分傳質(zhì)系數(shù)會(huì)降低而其他組分的傳質(zhì)系數(shù)則會(huì)略有升高，因此，對(duì)煙氣溫度的控制則顯得尤其重要，溫度過(guò)高，可能會(huì)導(dǎo)致吸水效率的下降，而溫度過(guò)低，又有蒸氣在煙道發(fā)生冷凝而腐蝕煙道的危險(xiǎn)，可見(jiàn)，關(guān)于復(fù)合膜最優(yōu)化配置的研究，未來(lái)還有很長(zhǎng)的路要走。

復(fù)合膜裝置，是由很多的膜組件組成，每個(gè)膜組件上面都安裝有大量的中空纖維膜絲，這些膜組件在煙道中的排列方式，對(duì)煙氣的流動(dòng)阻力，水分回收效率，膜組件的壽命，都將會(huì)有很大的影響。假設(shè)膜組件只采用順排和叉排兩種排列方式（事實(shí)上可還以有前順排后叉排、前叉排后順排、不規(guī)則排列等多種排列組合，此處為了研究方便，只列出順排和叉排兩種較為規(guī)則的排列方式）。如果采用順排，煙氣在煙道中流動(dòng)阻力會(huì)相對(duì)較小，這一方面可以減少風(fēng)機(jī)等的用電量，另一方面，由于后排的膜絲收到的沖擊較小，因此，膜組件整體壽命會(huì)更長(zhǎng)，但是順排有一個(gè)缺點(diǎn)，就是吸水效率低，因?yàn)槟そz收到煙氣正面沖擊，吸水量才能提升，后排膜絲由于收到前排膜絲的阻擋，導(dǎo)致了吸水量的下降，不過(guò)另一方面，這也延長(zhǎng)了后排膜絲的使用壽命。如果在未來(lái)可以降低膜絲的生產(chǎn)成本，或者大幅度提高膜絲的強(qiáng)度，我相信，采用叉排將會(huì)是更為理想的排列方式，因?yàn)檫@會(huì)達(dá)到更好的水分回收效果。

目前，復(fù)合膜回收水分面臨的一個(gè)實(shí)際問(wèn)題是濃差極化。復(fù)合膜使用了一段時(shí)間后會(huì)發(fā)生濃差極化。濃差極化是膜分離過(guò)程的一種現(xiàn)象，會(huì)降低透水率，是一個(gè)可逆的過(guò)程。濃差極化發(fā)生的原因是水透過(guò)膜后使得膜表面的雜質(zhì)濃度增加，形成一層雜質(zhì)氣體膜覆蓋在膜表面，將膜絲與外部的水隔絕開(kāi)來(lái)，使得吸水量大幅度下降，可見(jiàn)，濃差極化是復(fù)合膜捕水技術(shù)不得不面對(duì)的一個(gè)重大難題，在目前，由于復(fù)合膜的研究仍處于初期階段，所以該問(wèn)題仍未得到較好的解決方案。我認(rèn)為，解決濃差極化，可以通過(guò)對(duì)煙氣進(jìn)行擾動(dòng)，使得其紊流效果增強(qiáng)，這樣就可以破壞覆蓋在膜絲表面的氣體膜從而減輕濃差極化的影響，進(jìn)而提高吸水效率。要擾亂煙道內(nèi)部的的煙氣，我認(rèn)為有兩個(gè)比較可行的方案：①在復(fù)合膜組件上安裝一個(gè)微型震動(dòng)器，通過(guò)震動(dòng)來(lái)破壞覆蓋在其表面的氣體膜。②在膜組件前方安裝一個(gè)微型風(fēng)向可調(diào)的風(fēng)機(jī)，通過(guò)時(shí)刻改變風(fēng)機(jī)的風(fēng)向來(lái)擾亂煙氣的的流動(dòng)，進(jìn)而破壞氣體膜?；蛘甙堰@兩種方案結(jié)合起來(lái)，也許會(huì)達(dá)到更好的效果。安裝風(fēng)機(jī)還有一個(gè)好處，就是降低了煙氣在復(fù)合膜裝置內(nèi)發(fā)生流動(dòng)堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)的存在可以促進(jìn)氣體的流動(dòng)。

以上是我對(duì)復(fù)合膜吸水原理、化學(xué)組成、影響吸水效果的因素、膜使用過(guò)程將面臨的實(shí)際問(wèn)題以及可能的解決方法進(jìn)行的概述，從中，我們可以看出復(fù)合膜獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)以及其自身的缺陷，但是從整體上來(lái)說(shuō)，復(fù)合膜還是有很大的發(fā)展空間的，我相信在不久的將來(lái)，科學(xué)家們將找出解決濃差極化，膜絲壽命短，粉塵堵塞等問(wèn)題的方法，那時(shí)候，也許煙囪將不再冒出白色的煙氣，電廠也可能會(huì)實(shí)現(xiàn)供水自足，我們的天空，也許會(huì)更加的蔚藍(lán)！

參考文獻(xiàn)

[1]仲雅娟.復(fù)合膜法捕集煙氣中水蒸氣及其滲透機(jī)理研究[D].華北電力大學(xué)（北京），2016.

收稿日期：2018-10-19