膜蒸餾技術(shù)在工業(yè)廢水處理中的研究進(jìn)展

汪 瑤，李天祥，朱 靜

(貴州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，貴陽(yáng) 550025)

近年來(lái)，隨著冶金、化工等企業(yè)排放污水的增加，出現(xiàn)了越來(lái)越多新型水處理方式，污水處理技術(shù)得到極大發(fā)展。工業(yè)廢水中大多含酸、含堿，且含有鎘、汞和鉛等對(duì)人體和環(huán)境有害的重金屬物質(zhì)，因此未達(dá)標(biāo)污水的排放在破壞生態(tài)環(huán)境的同時(shí)還造成某些可回收資源的浪費(fèi)，但傳統(tǒng)的污水處理方式存在著設(shè)備費(fèi)用高、能耗高、操作過(guò)程繁瑣等缺點(diǎn)。膜蒸餾技術(shù)(MD)是一種熱驅(qū)動(dòng)的分離(微濾)過(guò)程，只有蒸汽分子能夠通過(guò)多孔疏水膜[1]。由于膜分離設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，集成性高，可在常壓下進(jìn)行[2]，膜蒸餾技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水的分離研究中，但膜蒸餾滲透通量較低以及膜組件的成本較高，這成為膜蒸餾工業(yè)化的一大阻礙。因此，如何強(qiáng)化膜蒸餾傳質(zhì)過(guò)程，提高滲透通量和制備超強(qiáng)疏水膜被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛研究。本論文擬對(duì)膜蒸餾技術(shù)在工業(yè)廢水處理方面的進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)。

1 膜蒸餾技術(shù)簡(jiǎn)介

膜蒸餾原理如圖1所示，在膜組件內(nèi)，進(jìn)料側(cè)與出料側(cè)中間設(shè)置分離膜，滲透?jìng)?cè)和滲余側(cè)溫度不同，從而造成膜兩側(cè)的蒸汽壓差并以此為傳質(zhì)推動(dòng)力使易揮發(fā)組分通過(guò)膜孔從高溫側(cè)向低溫側(cè)擴(kuò)散。膜蒸餾的原理決定了膜分離過(guò)程的2個(gè)必要條件：1)膜蒸餾過(guò)程所用的分離膜必須是疏水性微孔膜以防止料液主體通過(guò)膜孔擴(kuò)散。目前常用的疏水膜材料有聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯(PP)等有機(jī)材料，以及一些改性的無(wú)機(jī)陶瓷膜如氧化鋯、氧化鈦等。其中PTFE被認(rèn)為是目前膜蒸餾用膜最好的材料，它不僅耐酸耐堿耐高鹽，并且它與水的接觸角一般在108～115°之間，因此疏水性性極強(qiáng)。2)滲透?jìng)?cè)與滲余側(cè)的溫度必須不同，否則無(wú)法提供傳質(zhì)所需的推動(dòng)力[3]。

圖1 膜蒸餾原理圖Fig.1 Schematic diagram of membrane distillation

根據(jù)對(duì)透過(guò)側(cè)蒸汽冷凝方式的不同，如圖2所示，膜蒸餾方式可分為直接接觸式膜蒸餾(DCMD)、真空式膜蒸餾(VMD)、氣隙式膜蒸餾(AGMD)和吹掃式膜蒸餾(SGMD)。其中，DCMD是最簡(jiǎn)單的膜蒸餾工藝，但熱效率較低，蒸汽直接與冷凝水在透過(guò)側(cè)接觸而冷凝。AGMD是在膜組件的冷凝側(cè)加裝冷凝板，膜和冷凝板之間存在一段空氣，蒸汽在冷凝板上冷凝，該法減小了熱損失但傳質(zhì)阻力大。SGMD因其投資設(shè)備高、電能消耗高等因素可供查閱的資料較少，SGMD通過(guò)在透過(guò)側(cè)增加載氣裝置的方式將蒸汽分子帶出膜組件，使蒸汽在組件外冷凝。VMD則是利用真空裝置將透過(guò)膜孔的蒸汽抽出膜組件，并在組件外設(shè)置冷凝裝置。AGMD與VMD通過(guò)外加設(shè)備可獲得更大的傳質(zhì)推動(dòng)力，且傳質(zhì)阻力與熱損失較小。

根據(jù)進(jìn)料側(cè)對(duì)流體流動(dòng)的強(qiáng)化方式的不同，膜蒸餾方式又可分鼓氣膜蒸餾、透氣膜蒸餾[4]和曝氣膜蒸餾[5]等。以上3種膜蒸餾方式都是通過(guò)壓縮空氣對(duì)進(jìn)料側(cè)進(jìn)行鼓氣強(qiáng)化，而透氣膜蒸餾過(guò)程中通入的壓縮空氣可直接進(jìn)入滲透?jìng)?cè)，將蒸汽分子吹出膜組件；曝氣膜蒸餾則是利用微泡曝氣增加蒸發(fā)面積，同時(shí)吹掃氣還可直接吹出液體表面的蒸汽，從而增加傳質(zhì)通量。

圖2 不同方式膜蒸餾示意圖Fig.2 Schematic diagram of different modes of membrane distillation

2 膜蒸餾技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

常用的膜蒸餾技術(shù)有膜蒸餾-膜結(jié)晶耦合技術(shù)(MDC)、熱泵-膜蒸餾耦合技術(shù)[6]、多能源耦合驅(qū)動(dòng)膜蒸餾技術(shù)[7]以及多效膜蒸餾技術(shù)等。膜蒸餾集成過(guò)程極大提高了水處理過(guò)程的分離效率和能量利用率。目前，MD主要應(yīng)用于工業(yè)廢水的處理、高純水的制備、海水或苦咸水的淡化、共沸混合物的分離以及熱敏性物質(zhì)的回收和處理等方面。尤其在對(duì)工業(yè)廢水的處理方面，MD分離效果好、集成性高、操作容易。利用 MD分離含易揮發(fā)組分的廢水，如含有易揮發(fā)有機(jī)物、鹽酸、氟硅酸、氨氣等，其滲透?jìng)?cè)多為含較高濃度易揮發(fā)組分的溶液；分離不含易揮發(fā)組分的廢水如高鹽廢水、低放廢水、某些重金屬?gòu)U水等，通常只有水分子能透過(guò)膜孔，其滲透?jìng)?cè)物質(zhì)只有溶劑水(理論上非揮發(fā)性物質(zhì)的截留率可達(dá)到100%)。根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物在滲透?jìng)?cè)還是滲余側(cè)來(lái)調(diào)節(jié)料液的pH值、組分的濃度和流速等參數(shù)，因此MD處理工業(yè)廢水的過(guò)程研究可獲得廢水回收利用的最適宜的操作條件。

2.1 廢水中揮發(fā)性溶質(zhì)的回收

工業(yè)廢水中含有的易揮發(fā)組分一般可分為易揮發(fā)有機(jī)物如丙烯腈、苯酚等與揮發(fā)性無(wú)機(jī)物如鹽酸、氟硅酸和氨氣等。將工業(yè)廢水中揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行回收不僅保護(hù)環(huán)境，而且可以實(shí)現(xiàn)資源回收，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。這類(lèi)廢水不同于其他廢水之處在于易揮發(fā)的溶質(zhì)比溶劑更容易通過(guò)膜孔擴(kuò)散，因此，當(dāng)易揮發(fā)組分為目標(biāo)產(chǎn)物時(shí)，增大料液中易揮發(fā)組分的組成可有效增大滲透?jìng)?cè)中此組分的濃度，以此達(dá)到回收的目的。

2.1.1 有機(jī)廢水中易揮發(fā)組分的回收

傳統(tǒng)處理有機(jī)廢水的方法有萃取法[8]、吸附法[9]和超聲波降解法[10]等，對(duì)有機(jī)廢水的處理均能達(dá)到較理想的效果且投資小。但這些方法幾乎都需要對(duì)脫除液進(jìn)行處理，容易造成二次污染。膜蒸餾技術(shù)可解決多環(huán)芳烴等有機(jī)物質(zhì)在傳統(tǒng)處理過(guò)程中存在的高能耗與繁瑣性等缺點(diǎn)。MD對(duì)含腈、含酚和含醇等含易揮發(fā)有機(jī)物質(zhì)的廢水都能實(shí)現(xiàn)有效的分離濃縮和回收。

Ji等[11]用疏水性PTFE膜和PVDF膜處理紡織廢水中的苯酚、苯胺、磺胺酸等，結(jié)果表明，PTFE對(duì)廢水的處理性能始終高于PVDF膜，提高進(jìn)料溫度和加快錯(cuò)流速度都能提高膜通量。此外，在相同條件下，苯酚和苯胺由于沸點(diǎn)相對(duì)較低，其截留率低于磺胺酸(截留率大于99%)。張鳳君等[12]采用聚偏氟乙烯中空纖維膜對(duì)含酚廢水進(jìn)行MD實(shí)驗(yàn)研究，其結(jié)果表明，MD可將濃度為5 000 μg·mL-1的苯酚料液處理至50 μg·mL-1以下，在滲透?jìng)?cè)苯酚的收率可達(dá)到90%以上，膜通量受pH值影響較大且與濃度成正比。Gryta等[13]采用納濾法結(jié)合真空膜蒸餾法對(duì)主要含1,3-丙二醇、乙醇和羧酸的有機(jī)溶液進(jìn)行濃縮，上述有機(jī)混合液可被濃縮至5倍以上。

2.1.2 無(wú)機(jī)廢水中易揮發(fā)組分的回收

氨氣、鹽酸等作為常見(jiàn)的揮發(fā)性工業(yè)原料，是化工、冶金過(guò)程產(chǎn)出廢水中的常見(jiàn)物質(zhì)。工業(yè)上的處理方法大多使用中和法，操作簡(jiǎn)單且除雜效果顯著，但其在造成資源浪費(fèi)的同時(shí)還容易引入其他雜質(zhì)。利用MD處理含易揮發(fā)組分的無(wú)機(jī)廢水，料液的進(jìn)口溫度、pH值以及進(jìn)口濃度對(duì)膜通量有著顯著影響。

段明星等[14]進(jìn)行了MD與MA(膜吸收)過(guò)程以及上述2種方法集成工藝的脫氨實(shí)驗(yàn)，在分離膜可承受的范圍內(nèi)，料液pH值、進(jìn)口溫度與脫氨效率呈正相關(guān)。其中VMD和MA對(duì)料液中氨氮化合物的脫除率分別達(dá)85%和99%以上，集成工藝可去除料液中99.96%以上的氨。雖然MA過(guò)程的脫氨效率比VMD更高，但MA過(guò)程產(chǎn)生的吸收廢液還需要進(jìn)一步處理。

Madhumala[15]采用MD技術(shù)從氯堿工業(yè)廢水中回收鹽酸，以2 m3·h-1的速率進(jìn)料可在滲透?jìng)?cè)回收32%～33%的含水HCl。當(dāng)原料液中HCl濃度大于30%時(shí)有利于HCl的滲透，此時(shí)酸通量顯著上升。此外，進(jìn)料溫度由298 K升至333 K，滲透通量由0.9 kg·(m2·h)-1上升至4.4 kg·(m2·h)-1，提高進(jìn)料溫度可增大HCl與其他組分的相對(duì)揮發(fā)度，從而在不影響分離性能的情況下產(chǎn)生更高的通量。

廢水中鹽類(lèi)離子(鹽析劑)的增加會(huì)導(dǎo)致易揮發(fā)組分截留率的降低。Tomaszewska等[16]研究了MD、MD與OMD(滲透膜蒸餾)耦合濃縮氟硅酸(H2SiF6)的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)隨著料液中磷酸含量的增大，滲透?jìng)?cè)H2SiF6的濃度也會(huì)增加，當(dāng)原料酸濃度高于20%時(shí)，MD對(duì)H2SiF6的截留率較低。在相同條件下，耦合過(guò)程相較于單獨(dú)MD處理過(guò)程具有更大的滲透通量，當(dāng)溫度為333 K時(shí)，進(jìn)料為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的酸，其體積滲透通量從268.8 L·(m2·d)-1增加到302.4 L·(m2·d)-1，但在OMD過(guò)程中，由于滲透?jìng)?cè)的流動(dòng)相是高濃度飽和鹽水，揮發(fā)性氟化合物通過(guò)膜與NaCl反應(yīng)生成Na2SiF6會(huì)在膜面結(jié)晶，造成膜污染，所以O(shè)MD不適用于濃縮含有易與鹽類(lèi)離子生成沉淀的物質(zhì)的料液。

2.2 不含揮發(fā)性溶質(zhì)廢水的處理

2.2.1 無(wú)機(jī)酸性廢水的處理

無(wú)機(jī)酸性廢水的主要來(lái)源有煉礦煙氣、鈦白工藝、稀土冶金過(guò)程、磷石膏硫酸萃取過(guò)程等，這類(lèi)混酸廢水中硫酸、硝酸、磷酸含量較高，且大多含有易結(jié)垢離子和重金屬離子，對(duì)人體的危害較大。

MD過(guò)程的分離機(jī)理是基于液體混合物的汽液平衡，故對(duì)于含非揮發(fā)性化合物的水溶液，滲透液中的溶質(zhì)分離程度非常高。Tomaszewska等[17]利用DCMD濃縮磷石膏制備磷灰石產(chǎn)生的硫酸廢水，原料酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)從16%增加到44%，酸的截留系數(shù)均接近100%，還可進(jìn)一步從濃縮液的沉淀物中回收鑭系化合物。王鶴等[18]在對(duì)煉礦煙氣酸性廢水(含大量硫酸根離子與氯離子)的分離研究中發(fā)現(xiàn)，使用MDC處理經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的料液，其中硫酸鈣和氯化鈣等物質(zhì)的截留率均接近100%。運(yùn)行18 h后，濃縮液開(kāi)始出現(xiàn)結(jié)晶，且結(jié)晶效果較好。

文獻(xiàn)表明，非揮發(fā)性組分的進(jìn)口濃度對(duì)截留率的影響不大，Tomaszewska[19]考察了磷酸、硝酸和硫酸等非揮發(fā)性酸的MD過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在非揮發(fā)性溶質(zhì)溶液的分子動(dòng)力學(xué)過(guò)程中，只有水蒸氣通過(guò)膜孔傳遞，滲透液中酸的含量與進(jìn)料中的酸濃度無(wú)關(guān)。

酸性廢水中的雜質(zhì)金屬離子(特別是鐵離子和亞鐵離子)是導(dǎo)致膜潤(rùn)濕程度劇增的主要原因。周根康等[20]通過(guò)MDC過(guò)程回收鈦白廢酸中的硫酸，其滲透?jìng)?cè)硫酸濃度不足60%，通過(guò)擴(kuò)散滲析法去除廢酸中易結(jié)晶的硫酸亞鐵后，再進(jìn)行二次膜蒸餾濃縮實(shí)驗(yàn)可將鈦白廢酸中的硫酸濃縮到65%。

2.2.2 含高鹽組分廢水的回收

堿渣廢水、焦化廢水中含大量的無(wú)機(jī)鹽離子，同時(shí)含有少量的有機(jī)物質(zhì)。高鹽廢水的排放量大、對(duì)環(huán)境破壞性強(qiáng)而且處理過(guò)程十分復(fù)雜。這類(lèi)廢水的傳統(tǒng)處理方式存在著濃縮過(guò)程能耗高、回收處理復(fù)雜、鹽類(lèi)晶型調(diào)控困難等缺點(diǎn)。

Alkhudhiri[21]采用4種不同高濃度鹽(NaCl、MgCl2、Na2CO3和Na2SO4)在氣隙膜中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。分析了料液濃度對(duì)滲透通量的影響，隨著鹽溶液濃度的增加，水蒸氣的分壓下降，滲透通量下降，在相同條件下，Na2CO3的截留率相對(duì)其他鹽要低。劉東等[22]采用PVDF中空纖維膜組件通過(guò)MDC過(guò)程處理堿渣廢水，該堿渣廢水中的雜質(zhì)主要由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%左右的硫酸鈉等無(wú)機(jī)鹽類(lèi)以及酚類(lèi)、油脂等有機(jī)物質(zhì)組成。該工藝采用連續(xù)進(jìn)料方式處理廢水，使?jié)B透?jìng)?cè)純水的穩(wěn)定通量達(dá)9.0 kg·(m2·h)-1，硫酸鈉晶體鹽也可被連續(xù)采出，實(shí)現(xiàn)了廢水的零排放。

岳崇峰[23]同樣通過(guò)MDC工藝處理焦化廠脫硫過(guò)程產(chǎn)生的高鹽廢水，該工藝對(duì)脫硫液中硫氰酸銨、硫代硫酸銨等物質(zhì)的截留率達(dá)99% 以上。李文等[24]對(duì)經(jīng)過(guò)反滲透(RO)處理后的焦化廢水進(jìn)行濃縮減量處理，產(chǎn)水通量約2.0 kg·(m2·h)-1，說(shuō)明膜蒸餾技術(shù)還可對(duì)RO廢水進(jìn)一步濃縮。

MD處理高鹽廢水可以取得較好的效果，特別是MDC過(guò)程，可以更好地調(diào)控鹽類(lèi)結(jié)晶過(guò)程，從而達(dá)到回收的目的。

2.2.3 含油廢水的處理

含油廢水在許多行業(yè)的產(chǎn)生是無(wú)法避免的，尤其是在油氣開(kāi)采與機(jī)械加工。含油廢水中污染物主要有脂肪酸類(lèi)有機(jī)物、鹽類(lèi)物質(zhì)、放射性物質(zhì)等，對(duì)于含油廢水的處理，采用MD操作簡(jiǎn)單，出水質(zhì)量較高，易于實(shí)施。

由于MD處理含油廢水的性能較差，為探究含油廢水中組分相互作用的影響，Han[25]通過(guò)系統(tǒng)研究含油廢水中關(guān)鍵組分[油、十二烷基苯磺酸鈉(SDS)和鹽]對(duì)膜蒸餾過(guò)程的影響，結(jié)果表明，3種組分單獨(dú)存在均不會(huì)使?jié)B透通量明顯下降，但NaCl和SDS同時(shí)存在會(huì)嚴(yán)重影響膜的性能，在使用MD之前，需要對(duì)含油廢水進(jìn)行預(yù)處理，除去或稀釋含油廢水中的NaCl或SDS。

Gryta等[26]對(duì)含油廢水的分離過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)料溫度為353 K，進(jìn)料中油類(lèi)物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1時(shí)，滲透通量為118.2 L·(m2·d)-1。隨著料液中油濃度的增加，滲透通量顯著降低。此外，當(dāng)料液中的油類(lèi)物質(zhì)的含量高于0.2%時(shí)，在滲透液中同樣可檢測(cè)到油類(lèi)物質(zhì)，說(shuō)明其截留率下降。針對(duì)這種情況，由于乳液并未對(duì)所用膜的傳輸特性的變化產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響，所以廢水在進(jìn)料之前可先對(duì)含油廢水進(jìn)行破乳，以此減小油類(lèi)物質(zhì)對(duì)膜的損傷。

2.2.4 放射性廢水的處理

放射性廢水的來(lái)源主要有核動(dòng)力反應(yīng)堆、生產(chǎn)放射性同位素及其醫(yī)療用途的核工業(yè)、核武器工業(yè)、鈾濃縮廠等[27]。傳統(tǒng)處理方法如沉淀、吸附、離子交換等無(wú)法一步去除所有污染物，不僅操作成本高，還會(huì)產(chǎn)生二次液體或固體廢物。MD同樣在處理低濃度放射性廢水方面展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

MD對(duì)放射性廢水中的核素以及其他物質(zhì)同樣具有超高的截留率。Chen等[28]通過(guò)陶瓷納濾-膜蒸餾復(fù)合膜法回收模擬放射性廢水中的硼酸，在整個(gè)富集過(guò)程中，滲透通量保持在20 L·(m2·d)-1以上，硼酸的截留率也保持在較高水平。Wen等[29]同樣發(fā)現(xiàn)，DCMD對(duì)含硼物質(zhì)的截留率高達(dá)99.97%，其中硫酸鈣在膜表面的沉積對(duì)含硼物質(zhì)的截留率影響較大但對(duì)核素的截留率沒(méi)有影響。

在VMD處理放射性廢水過(guò)程中可能存在壓力積聚效應(yīng)，這種影響對(duì)滲透通量有負(fù)面影響。Jia 等[30]發(fā)現(xiàn)隨著滲透真空度的增加，這種影響更加明顯。操作因素對(duì)滲透通量的影響順序?yàn)椋簼B透真空>進(jìn)料溫度>進(jìn)料速度。目前DCMD方式在低放廢水的處理方面運(yùn)用的較多,且有較好的分離效果。Hayet[31]研究通過(guò)DCMD處理含鈷、銫和鍶放射性物質(zhì)的廢水過(guò)程，其中放射性物質(zhì)可得到較大程度的去除。這表明DCMD技術(shù)為放射性廢液的處理提供了一條新的途徑。

3 膜蒸餾處理廢水過(guò)程強(qiáng)化

產(chǎn)水通量低成為膜蒸餾技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的一個(gè)重要原因。所以十分有必要對(duì)膜蒸餾傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行強(qiáng)化，影響膜蒸餾傳質(zhì)過(guò)程的因素主要有操作條件、膜材料的性質(zhì)、膜組件的結(jié)構(gòu)以及膜蒸餾方式等。根據(jù)膜蒸餾傳質(zhì)過(guò)程分析，強(qiáng)化傳質(zhì)可從進(jìn)料、出料以及跨膜3個(gè)方面進(jìn)行。改變進(jìn)料側(cè)的操作條件主要對(duì)熱料液-膜界面?zhèn)髻|(zhì)過(guò)程進(jìn)行強(qiáng)化，通過(guò)增加流體的湍流程度來(lái)降低濃度極化并以此增加傳質(zhì)推動(dòng)力。出料側(cè)的傳質(zhì)強(qiáng)化則主要集中在優(yōu)化氣隙側(cè)工藝膜組件和改變滲透?jìng)?cè)真空度。同時(shí)跨膜過(guò)程中分離膜的孔徑、孔隙率以及厚度等參數(shù)與膜材料也對(duì)傳質(zhì)起到了至關(guān)重要的作用[28]。

3.1 進(jìn)料側(cè)的過(guò)程強(qiáng)化

進(jìn)料側(cè)的強(qiáng)化方式主要有改變進(jìn)料側(cè)的操作條件與料液的擾動(dòng)方式。然而進(jìn)料操作條件的改變并不會(huì)顯著地提高傳質(zhì)通量，膜蒸餾過(guò)程常用在進(jìn)料側(cè)加裝折流擋板、對(duì)流體進(jìn)行超聲處理等方式以及使用納米流體和兩相流技術(shù)來(lái)增加流體的湍流程度。

樊華等[32]利用超聲強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程，構(gòu)建了超聲場(chǎng)強(qiáng)化膜蒸餾耦合工藝，使聚四氟乙烯的膜通量提高到了30%以上。Zhang等[33]利用納米流體強(qiáng)化太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)膜蒸餾過(guò)程，通量由0.47 kg·(m2·h)-1增加到0.74 kg·(m2·h)-1，能量利用率由32.1%提高到50.5%。李花等[34]利用SGMD進(jìn)行氯化鈉溶液氣液兩相流強(qiáng)化實(shí)驗(yàn),當(dāng)?shù)獨(dú)獾牧髁繉?duì)應(yīng)為團(tuán)狀流，此時(shí)強(qiáng)化傳質(zhì)效果最好。Chen等[35]利用鼓泡強(qiáng)化膜蒸餾過(guò)程發(fā)現(xiàn)平均氣泡尺寸小、粒徑分布窄的氣泡不僅有利于獲得均勻的流動(dòng)分布，而且可以有效地提高表面剪切速率。上述方法通過(guò)外加設(shè)備增加進(jìn)料側(cè)流體擾動(dòng)，加大流體湍流程度，強(qiáng)化膜的傳質(zhì)過(guò)程，是提高滲透通量行之有效的途徑。

3.2 出料側(cè)的過(guò)程強(qiáng)化

出料側(cè)的強(qiáng)化過(guò)程一般為優(yōu)化滲透?jìng)?cè)膜組件結(jié)構(gòu)，增大氣隙側(cè)冷凝壁的接觸面積，以此來(lái)減小傳質(zhì)阻力。李偉等[36]發(fā)現(xiàn)冷凝面積的大小對(duì)膜蒸餾系統(tǒng)的膜通量有顯著的影響，較小的冷凝面積的改變對(duì)膜通量的影響比較大。當(dāng)冷凝面積與膜有效工作面積比值分別為1.00∶1.48和1.00∶1.24時(shí)，冷凝表面積的相對(duì)增幅分別為19.10%和42.70%。Bahar等[37]在氣隙側(cè)采用帶有多個(gè)凹槽的鋁制冷凝板來(lái)增大冷凝面積，將透過(guò)水通量提高了一半。宋金柱等[38]將中空纖維膜置于銅制套管中且中間有氣隙，蒸汽直接在套管壁冷凝，極大地提高了膜通量和熱效率。同樣，Aryapratama[39]也設(shè)計(jì)了多冷卻通道中空纖維氣隙式膜蒸餾組件，這些冷卻通道包括外部和內(nèi)部通道，它們由多個(gè)通道連接器連接，氣隙式膜蒸餾組件的冷壁同樣采用中空不銹鋼管，極大地增加了冷凝面積，該組件的滲透通量和熱效率分別達(dá)到12.5 kg·(m2·h)-1和81.7%，高于以往大多數(shù)采用聚合物纖維作為冷卻通道的研究。上述膜組件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化均為在滲透?jìng)?cè)通過(guò)增加氣-固接觸面積，雖然能夠在一定程度上提高膜通量，但氣隙側(cè)的構(gòu)造較復(fù)雜，成本較高。

3.3 跨膜過(guò)程的強(qiáng)化

膜蒸餾傳質(zhì)阻力一般認(rèn)為主要存在于跨膜傳質(zhì)過(guò)程，跨膜傳質(zhì)過(guò)程的影響因素有很多：膜的曲折因子、孔徑、孔隙率和膜厚度等以及膜材料的選擇。

一方面，孔的曲折因子越小，蒸汽越容易通過(guò)膜孔擴(kuò)散。同時(shí)孔徑與孔隙率的增加、膜厚度的減少均可以增加膜的滲透通量，Alkhudhiri 等[21]證實(shí)了在對(duì)含高鹽組分的研究中采用孔徑較大的分離膜可明顯增加滲透通量，然而孔徑與孔隙率過(guò)大、膜厚度過(guò)小又很容易造成膜的支撐性能差且易破損，通過(guò)查閱文獻(xiàn)可知，膜蒸餾用膜孔隙率選擇一般為55%～77%，孔徑的選擇為0.1～1.0 μm，膜的厚徑比在0.25～0.60較好[40]。這樣既保證膜的傳質(zhì)通量，又不至于使膜的機(jī)械性能過(guò)低。

另一方面，分離膜在長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中容易出現(xiàn)親水化，故對(duì)膜表面進(jìn)行疏水改性就顯得尤為重要， Guo等[41]利用靜電紡絲技術(shù)結(jié)合化學(xué)氣相沉積法制備聚酰胺纖維表面氟化膜，其對(duì)鹽類(lèi)離子的截留率超過(guò)99.98%，其滲透通量最高可達(dá)11 kg·(m2·h)-1，進(jìn)一步證明了親水材料經(jīng)表面改性后，也可以變?yōu)橥亢芨叩氖杷阅ふ麴s用膜。隨著研究過(guò)程的不斷深入，越來(lái)越多膜材料改性技術(shù)得到發(fā)展。通過(guò)疏水改性后的膜材料可以獲得更好的分離性能。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，可以看出膜蒸餾技術(shù)具有低能耗、裝置集成性高，產(chǎn)水純度高等優(yōu)點(diǎn)，是一項(xiàng)極具應(yīng)用前景的廢水分離技術(shù)。近些年，該技術(shù)在工業(yè)余熱、廢熱的應(yīng)用，膜的改性，膜組件的優(yōu)化方面也有了大量的研究并取得了突破性的成績(jī)。

1)對(duì)膜過(guò)程進(jìn)行節(jié)能減耗。由于許多工業(yè)廢水具有低溫余熱，同時(shí)膜蒸餾具有熱源驅(qū)動(dòng)特性，相對(duì)于許多傳統(tǒng)成熟的凈水技術(shù)，膜蒸餾技術(shù)可以更好地利用這一部分熱量。多效膜蒸餾與采用熱泵單元的膜蒸餾等技術(shù)的出現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)能量的循環(huán)利用，此外廉價(jià)能源如太陽(yáng)能[42]和地?zé)醄43]作為膜蒸餾熱源均可減少膜過(guò)程的能耗。綜合利用新型能源，盡可能回收汽化潛熱, 提高能量利用率，使膜蒸餾技術(shù)在處理工業(yè)廢水方面更具有競(jìng)爭(zhēng)力。

2)對(duì)膜材料進(jìn)行疏水改性，制備高通量、不易污染的分離膜。石墨烯由于其對(duì)各種組分具有優(yōu)異的選擇透過(guò)性而為膜材料的選擇提供了新的方向[44]。生物膜對(duì)水分子有較高的選擇透過(guò)性而在膜蒸餾用膜方面呈現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價(jià)值；碳納米管基膜具有較高的孔隙率和較強(qiáng)的疏水性，可極大提高膜的滲透通量，同樣具有十分優(yōu)良的應(yīng)用前景[45]。研究具有高疏水性與高機(jī)械強(qiáng)度的膜材料是未來(lái)膜蒸餾材料發(fā)展的趨勢(shì)。

3)對(duì)膜組件進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計(jì)和優(yōu)化膜組件以提高膜蒸餾過(guò)程的截留率和滲透通量，雖已有大量研究對(duì)膜組件結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，但大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在工業(yè)上的應(yīng)用難以實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于拆卸和清洗的膜組件是膜蒸餾技術(shù)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

膜蒸餾技術(shù)仍然存在著設(shè)備費(fèi)用高、膜易污染且制膜成本高等問(wèn)題，在今后的研究中仍有進(jìn)一步改進(jìn)和提高的余地。