基于質(zhì)子膜的尿殘液膜蒸餾影響因素研究*

張非凡，張良長，薛玉榮，李 森，田 科，吳志強

(1. 湘潭大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2. 中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094)

0 引言

由于生存環(huán)境缺失，水、氧氣和食物等生保物資補給受限，長期的人類太空任務(wù)依賴于環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)(下文簡稱環(huán)控生保)，空間站內(nèi)通過物化再生技術(shù)實現(xiàn)水資源的再生循環(huán)，其中尿液通過蒸汽壓縮蒸餾的方式回收70%～85%的水分[1-2]，完成尿液處理的同時會產(chǎn)生120～180 L每人每年的尿殘液[3].這部分尿殘液中仍含有較多水分，對于提升環(huán)控生保系統(tǒng)水資源閉合度有重要意義，完成尿殘液減量化處理和水分回收是下一步研究的重點.而尿殘液具有強酸、強腐蝕性，同時固體物質(zhì)含量也趨于飽和，進(jìn)一步處理難度大.前期開發(fā)的基于微孔疏水膜的間接加熱氣掃式膜蒸餾技術(shù)，有望完成尿殘液中85%以上的水分回收[4]，但其在膜材料使用壽命以及回收水質(zhì)量上還有待進(jìn)一步優(yōu)化.本文在此基礎(chǔ)上探究基于強親水性膜材料實現(xiàn)尿殘液水分回收的可行性，為尿殘液的處理提供新途徑.

質(zhì)子膜由疏水性的主骨架和親水性的磺酸基團聚合而成，能選擇性透過水分子并阻止揮發(fā)性氣體成分逸出，被廣泛用于氣液分離、能源生產(chǎn)、燃料電池、滲透汽化等場合[5-9].有多項研究[10-12]通過數(shù)值模擬和試驗探討了質(zhì)子膜的水分傳輸性能，表明質(zhì)子膜中的水分運輸與溫度、濕度和膜厚度等因素有密切的關(guān)系.質(zhì)子膜在廢水處理中的應(yīng)用方式主要為微生物燃料電池提供膜電極材料，如有研究者制備出基于質(zhì)子膜的復(fù)合膜，建立微生物燃料電池系統(tǒng)，可以有效去除廢水中的COD，并且對生物結(jié)垢有較高的抵抗力[13]；還有研究者使用質(zhì)子膜制成的生物燃料電池處理廚房廢水，COD去除率達(dá)77%[14].質(zhì)子膜作為膜蒸餾介質(zhì)用于尿殘液或相關(guān)廢液的處理尚未見報道，而質(zhì)子膜由于同時具有強吸水性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及水分子選擇透過性，理論上能滿足尿殘液處理要求.基于此，本文提出以質(zhì)子膜為膜蒸餾介質(zhì)，完成尿殘液膜蒸餾，并建立尿殘液質(zhì)子膜膜蒸餾傳質(zhì)傳熱模型，考察不同質(zhì)子膜材料的膜蒸餾性能，并探究工藝參數(shù)對膜蒸餾性能的影響，為下一步的技術(shù)開發(fā)提供依據(jù).

1 質(zhì)子膜尿殘液膜蒸餾性能實驗研究

1.1 試驗材料與方法

試驗用尿殘液與張良長等[4]研究論文相同，為尿處理子系統(tǒng)的尿蒸餾試驗產(chǎn)品，其pH為1.38，固體物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)12.17%.本文從國內(nèi)外各主要質(zhì)子膜材料生產(chǎn)廠家篩選7種質(zhì)子膜材料(如表1所示)，分別以尿殘液和自來水為蒸餾對象，開展氣相接觸和液相接觸兩種模式下的蒸餾試驗，以評估各質(zhì)子膜材料在實驗室條件下的尿殘液蒸餾性能.

表1 試驗用質(zhì)子膜材料及部分參數(shù)

下圖1給出試驗裝置及兩種蒸餾模式的運行示意圖，裝置整體由可拆卸的尿殘液儲存腔和吹掃氣體腔兩部分組成，中間夾裝質(zhì)子膜(尺寸100 mm×200 mm)材料.氣相接觸模式下，料液不與膜材料直接接觸，料液與膜材料之間有空氣間隔，如圖1(a)所示，水分首先在尿殘液與空氣界面處蒸發(fā)，并以自然對流方式傳輸至氣-膜界面，被質(zhì)子膜吸收，然后滲透至質(zhì)子膜外側(cè).液相接觸模式下，裝置倒置，料液與膜材料直接接觸，如圖1(b)所示，尿殘液中水分直接被質(zhì)子膜吸收，在外側(cè)解析，然后由吹掃氣體帶走.

圖1 實驗裝置及兩種蒸餾模式示意圖：(a)氣相接觸模式；(b)液相接觸模式Fig.1 The diagram of environmental setup with two types of distillation：(a) Gas phase contact mode；(b) Liquid phase contact mode

本文研究質(zhì)子膜對自來水和尿殘液兩種不同料液的蒸餾性能，同時，為了降低上一批實驗對下批實驗的影響，每種材料按照先自來水后尿殘液，先氣相接觸后液相接觸的順序開展4個批次實驗，分別為自來水氣相接觸、自來水液相接觸、尿殘液氣相接觸和尿殘液液相接觸試驗，以初步評估質(zhì)子膜材料的蒸餾性能.試驗過程中定期記錄裝置的整體重量變化(電子秤，LA34001S，德國Sartorius)和環(huán)境溫濕度(環(huán)境溫濕度計，174H，德國Testo)變化，通過重量損失情況計算蒸餾速率，同時觀察蒸餾過程當(dāng)中膜材料狀態(tài).

1.2 質(zhì)子膜尿殘液膜蒸餾性能

膜材料初始與試驗后狀態(tài)如圖2所示，試驗結(jié)束后的質(zhì)子膜呈淡黃色，尺寸略有擴張.在尿殘液液相接觸試驗后會出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象，但結(jié)晶物與質(zhì)子膜沒有結(jié)合，易脫落，使用純凈水沖洗即可沖洗表面結(jié)晶.尿殘液直接接觸面有刺鼻的味道；吹掃氣體側(cè)無污漬，刺鼻味道明顯減弱.整個試驗過程中沒有出現(xiàn)尿殘液滲透至滴漏情況發(fā)生.

圖2 試驗前與試驗后質(zhì)子膜狀態(tài)Fig.2 Photos of ionomer membranes before and after test

圖3給出了7種質(zhì)子膜在不同接觸模式下的平均蒸餾速率比對結(jié)果.自來水氣相接觸模式下蒸餾速率最快的是Z1和Z2質(zhì)子膜，達(dá)到了51 g/(m2·h)，其次是Z3和Z4質(zhì)子膜，相對較慢的是Z5、Z6和Z7 3種質(zhì)子膜材料；尿殘液氣相接觸模式中也出現(xiàn)同樣的規(guī)律.在氣相接觸模式下，水分子先蒸發(fā)而后擴散至氣-膜界面，氣-膜界面處水分壓低，這種情況下主要考量質(zhì)子膜主動吸水的能力，可以說明Z1和Z2質(zhì)子膜主動吸水能力較強；而同比自來水氣相接觸模式，同一膜材料尿殘液氣相接觸的蒸餾速率相對較低，主要是由于尿殘液中固體物質(zhì)含量高導(dǎo)致其飽和水蒸氣壓低造成的.

圖3 不同膜材料不同接觸模式下的平均蒸餾速率Fig.3 The average distillation rate of different membrane materials under different contact types

自來水液相接觸模式下Z1質(zhì)子膜蒸餾速率最快，為204 g/(m2·h)，其次是Z6和Z7質(zhì)子膜，然后是Z2、Z3和Z4質(zhì)子膜，Z5質(zhì)子膜最慢；而尿殘液液相接觸模式下Z7質(zhì)子膜蒸餾速率最快，為107 g/(m2·h)，其次是Z1和Z6質(zhì)子膜，Z4最慢.在液相接觸模式下，大量水分子與質(zhì)子膜直接接觸，此時的蒸餾速率主要反映質(zhì)子膜材料的水分傳輸能力，說明Z1、Z6和Z7質(zhì)子膜擁有相對較好的水分傳輸性能.與氣相接觸模式相同，尿殘液液相接觸蒸餾速率大幅低于自來水液相接觸模式，這可能是由于在尿殘液直接接觸條件下，尿殘液中的陽離子會進(jìn)入到質(zhì)子膜中，與質(zhì)子膜中磺酸基團結(jié)合，從而降低水分子在質(zhì)子膜中的水分傳輸速率[15]；此外，尿殘液中的水分子活度系數(shù)比自來水要低，也會降低蒸餾速率[16].而Z7質(zhì)子膜材料在尿殘液液相接觸模式下有著最快的蒸餾速率，說明其具備相對最優(yōu)的尿殘液耐受能力.

從所有膜材料的總體蒸餾性能來看，不同質(zhì)子膜在4種使用模式下的蒸餾速率從大到小依次為：自來水液相接觸>尿殘液液相接觸>自來水氣相接觸>尿殘液氣相接觸.尿殘液液相接觸模式下平均蒸餾速率基本小于100 g/(m2·h)，低于課題組前期的疏水膜蒸餾速率，同時也略低于空間站應(yīng)用時對膜蒸餾速率的要求[4].因此，為保證蒸餾速率要求，本文選擇蒸餾速率相對較快的尿殘液液相接觸模式進(jìn)行理論模型建立與分析，并開展蒸餾過程特性研究.

2 傳質(zhì)傳熱模型建立

根據(jù)課題組前期建立的間接加熱氣掃式膜蒸餾方法，不需要對料液進(jìn)行直接加熱，而是通過吹掃氣體將熱量傳給料液，水分則從料液側(cè)擴散至吹掃側(cè)[4].圖4給出了基于質(zhì)子膜膜蒸餾技術(shù)的傳質(zhì)和傳熱過程示意圖.假設(shè)：①傳質(zhì)傳熱過程保持穩(wěn)定；②尿殘液的溫度與外部環(huán)境溫度相等；③質(zhì)子膜材料為等溫體，膜內(nèi)溫度保持均衡；④忽略吹掃氣體對外散熱的影響.

圖4 尿殘液膜蒸餾傳質(zhì)傳熱示意圖Fig.4 Mass and heat transfer diagram of urine brine membrane distillation

2.1 傳質(zhì)模型

液相直接接觸模式下，水分直接在尿殘液與質(zhì)子膜界面處通過與磺酸基團結(jié)合進(jìn)入質(zhì)子膜中，然后通過滲透傳質(zhì)的方式由質(zhì)子膜內(nèi)側(cè)傳輸至外側(cè)，水分子在質(zhì)子膜外側(cè)解析，通過對流擴散方式由膜-氣界面?zhèn)鬏斨翚庀嘀黧w中，由吹掃氣體帶走，上述兩個傳質(zhì)過程按式(1)～式(2)進(jìn)行.

N=Dz(C′fz-C′pz)，

(1)

N=D氣(Ppz-Pa)，

(2)

式中：N為尿殘液蒸餾速率的數(shù)值，單位g/(m2·s)；Dz為質(zhì)子膜內(nèi)部的傳質(zhì)系數(shù)，單位m/s；C′fz為液-膜界面(膜內(nèi)側(cè))處質(zhì)子膜中水蒸氣濃度的數(shù)值，單位g/m3；C′pz為液-膜界面(膜外側(cè))處質(zhì)子膜中水蒸氣濃度的數(shù)值，單位g/m3；D氣為進(jìn)氣氣體側(cè)氣相中的傳質(zhì)系數(shù)，單位10-3s/m；Ppz為液-膜界面(膜外側(cè))處水蒸氣分壓的數(shù)值，單位Pa；Pa為進(jìn)氣氣體氣相中水蒸氣分壓的數(shù)值，單位Pa.

其中，質(zhì)子膜中的傳質(zhì)系數(shù)與單位磺酸基團吸收水分子數(shù)量和膜材料的溫度相關(guān)，參照馮寒凝等人[17-18]論文計算：

(3)

式中：D′z為質(zhì)子膜傳質(zhì)系數(shù)的數(shù)值，單位m2/h；δz為質(zhì)子膜厚度的數(shù)值，單位μm.

D′z=0.000 756λe-243 6/Tz，

(4)

式中：λ為單位磺酸基團吸收的水分子數(shù)量；Tz為質(zhì)子膜中的平均溫度的數(shù)值，單位K.

λ=0.043+17.81H-39.85H2+36.0H3，

(5)

實際計算時，λ取值膜內(nèi)外兩側(cè)的平均值.式中H為膜界面處的相對濕度，根據(jù)下式計算：

(6)

式中：Pz為膜界面處水分壓的數(shù)值，單位Pa；Pm為膜界面處飽和蒸汽壓的數(shù)值，單位Pa.通過Antoine方程，可以計算出膜內(nèi)側(cè)表面的飽和蒸汽壓.此外，還需考慮尿殘液中固體物質(zhì)濃度對飽和蒸汽壓的影響[19-20].

(7)

式中：Pfz為液-膜界面(膜內(nèi)側(cè))處水蒸氣分壓的數(shù)值，單位Pa；tfz為液-膜界面(膜內(nèi)側(cè))處溫度的數(shù)值，單位℃；Xm為尿殘液濃度.計算氣相中水蒸氣分壓Pa時，需要考慮膜透過部分水汽對分壓的影響，將進(jìn)氣水蒸氣分壓加上透過的水蒸氣分壓的平均值，得：

(8)

式中：S為膜面積的數(shù)值，單位m2；Mw為水分子摩爾質(zhì)量的數(shù)值，單位g/mol；V為吹掃氣體流量的數(shù)值，單位m3/s；P總為總壓的數(shù)值，單位Pa；Ps，a，in為進(jìn)氣溫度下的飽和蒸汽壓的數(shù)值，單位Pa；Hin為吹掃氣體進(jìn)氣濕度.

Pa=AN+Ps，a，inHin.

(9)

Ye等人[21-22]圍繞Nafion膜的吸附等溫線和擴散系數(shù)做了充分的研究，由此得出液-膜界面處質(zhì)子膜中水蒸氣分濃度的計算公式：

(10)

式中：λfz為質(zhì)子膜內(nèi)側(cè)單位磺酸基團吸收的水分子數(shù)量；ρnafion為質(zhì)子膜密度的數(shù)值，單位kg/m3；Mnafion為質(zhì)子膜摩爾質(zhì)量的數(shù)值，單位kg/mol.吹掃氣體側(cè)傳質(zhì)系數(shù)按照傳質(zhì)傳熱類比公式計算：

(11)

式中：D′氣為氣相主體中傳質(zhì)系數(shù)，單位m/s；R為氣體常數(shù)，單位J/(mol·K)；T為進(jìn)氣溫度的數(shù)值，單位K.

2.2 傳熱模型

在傳熱過程中，由于質(zhì)子膜溫度均衡，氣-膜界面(膜外側(cè))處溫度=液-膜界面(膜內(nèi)側(cè))處溫度=質(zhì)子膜溫度，即tpz=tfz=tz，對質(zhì)子膜做熱量衡算，得出從空氣側(cè)和尿殘液側(cè)傳輸過來的熱量等于水蒸氣蒸餾所需潛熱，即式(12)～式(14)，

Qa+Qw=N△H，

(12)

式中：Qa為從氣相主體側(cè)傳入氣體側(cè)與膜接觸界面處熱量的數(shù)值，單位W/m2；Qw為從尿殘液側(cè)與膜接觸界面處傳入殘液主體熱量的數(shù)值，單位W/m2；△H為水氣化潛熱的數(shù)值，單位kJ/kg.

Qa=ha(ta-tpz)，

(13)

Qw=hw(tw-tfz)，

(14)

式中：ha為氣體相傳質(zhì)系數(shù)，單位W/(m2·K)；ta為進(jìn)氣氣體溫度，單位℃；hw為尿殘液側(cè)傳質(zhì)系數(shù)的數(shù)值，單位W/(m2·K)；tw為尿殘液溫度的數(shù)值，單位℃.其中，Qa為氣體對流傳熱，為tz的函數(shù)，ha按照努塞爾公式計算式(15)，

(15)

式中，NuD根據(jù)流體力學(xué)特征，選取適用于層流區(qū)、湍流區(qū)或入口區(qū)的公式進(jìn)行計算[23].hw按式(16)計算.

(16)

式中：λw為殘液導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/(m2·K)；δw為殘液厚度的數(shù)值，單位m.

△H為水分蒸餾潛熱，按式(17)計算[20].

△H=2 257+cp(373.15-Tfz)，

(17)

式中：cp為水蒸氣比熱容的數(shù)值，單位kJ/(kg·K)；Tfz為液-膜界面(膜內(nèi)側(cè))處溫度的數(shù)值，單位K.

通過傳質(zhì)傳熱模型可得出不同條件下的蒸餾速率，并考察各參數(shù)對尿殘液膜蒸餾性能的影響規(guī)律.

3 尿殘液膜蒸餾影響因素分析

利用建立的傳質(zhì)傳熱模型分析評估進(jìn)質(zhì)子膜厚度、物質(zhì)濃度和進(jìn)氣溫度、濕度、流量等變量對蒸餾性能的影響.所得結(jié)果如圖5所示.

圖5 (a)膜厚度對蒸餾速率影響；(b)殘液濃度對蒸餾速率影響；(c)進(jìn)氣流量對蒸餾速率影響；(d)進(jìn)氣流量對傳質(zhì)速率影響；(e)進(jìn)氣濕度對蒸餾速率影響；(f)進(jìn)氣溫度對蒸餾速率影響Fig.5 (a) Influence curve of ionomer membrane thickness on distillation rate；(b) Influence curve of substance concentration on distillation rate；(c) Influence curve of gas flow rate on distillation rate；(d) Influence curve of gas flow rate on mass transfer coefficient；(e) Influence curves of inlet humidity on distillation rate；(f) Influence curves of inlet temperature on distillation rate

當(dāng)質(zhì)子膜厚度增加時，它會增加傳導(dǎo)阻力，降低水分傳輸速率[18]，這會對蒸餾速率產(chǎn)生影響.如圖5(a)所示，隨著厚度的增加，蒸餾速率逐漸下降，但是厚度大的質(zhì)子膜，其機械強度也高，良好的機械強度有利于后續(xù)的應(yīng)用.因此，質(zhì)子膜厚度的選擇需要綜合考慮蒸餾速率和機械強度兩方面的因素.

在膜蒸餾處理過程中，隨著水分的不斷損失，尿殘液中的物質(zhì)濃度會逐漸增加，這種變化會對質(zhì)子膜內(nèi)側(cè)的飽和蒸汽壓產(chǎn)生影響，從而影響水分傳輸速率.根據(jù)圖5(b)的理論計算結(jié)果，隨著尿殘液中物質(zhì)濃度的增加，蒸餾速率會逐漸降低.當(dāng)尿殘液中物質(zhì)濃度濃縮到一定程度時，蒸餾速率下降速度會變得更快.當(dāng)物質(zhì)濃度從0.01升高到0.1時，尿殘液中90%水分完成蒸餾，這會導(dǎo)致蒸餾速率降低到最初的52.5%.

當(dāng)進(jìn)氣流量增加時，氣相主體側(cè)的湍流度會顯著提高，進(jìn)而改變氣相主體側(cè)的對流傳質(zhì)和傳熱.如圖5(c)和圖5(d)所示，隨著氣體流量增加，蒸餾速率、氣體側(cè)傳質(zhì)系數(shù)和傳熱系數(shù)都呈現(xiàn)出類似的上升趨勢.在低流量范圍內(nèi)，蒸餾速率上升速率較快，但隨著流量進(jìn)一步增加，這種趨勢會減緩.當(dāng)進(jìn)氣流量增加時，水分蒸發(fā)量提高，蒸發(fā)潛熱增大，導(dǎo)致膜界面溫度下降，進(jìn)而降低傳質(zhì)推力，但這部分作用對蒸餾速率的影響相對較小.由此可得，對于質(zhì)子膜尿殘液膜蒸餾過程來說，氣-膜界面到氣相主體之間的傳質(zhì)傳熱是限速步驟.

圖5(e)考察了進(jìn)氣濕度對蒸餾速率的影響.當(dāng)進(jìn)氣濕度升高時，滲透側(cè)水蒸氣分壓增加，這會影響氣-膜界面處質(zhì)子膜單位磺酸基團結(jié)合的水分子數(shù)量，并導(dǎo)致跨膜傳質(zhì)推力的降低.如圖5(e)所示，當(dāng)相對濕度升高時，蒸餾速率顯著降低.然而，在蒸餾速率降低的同時，水分蒸餾帶走的潛熱量卻減少了，導(dǎo)致液-膜界面溫度升高.

當(dāng)研究進(jìn)氣溫度對蒸餾速率的影響時，假設(shè)：1)在23 ℃和30%RH的基準(zhǔn)進(jìn)氣溫濕度下，氣體的水蒸氣分壓保持不變；2)當(dāng)進(jìn)氣溫度在23 ℃以下時，應(yīng)確保進(jìn)氣溫度與周圍環(huán)境溫度相同；3)進(jìn)氣溫度在23 ℃以上時，環(huán)境溫度保持不變.根據(jù)圖5(f)，可以看出，隨著進(jìn)氣溫度的升高，蒸餾速率會不斷增加.當(dāng)進(jìn)氣溫度升高時，會有更多的熱量傳遞到質(zhì)子膜和尿殘液中，提升液-膜界面的溫度，從而增加質(zhì)子膜料液側(cè)的水蒸氣分壓和水分子的跨膜傳質(zhì)推力.

綜上所述，進(jìn)氣溫度和進(jìn)氣流量的升高能提高蒸餾速率，增加進(jìn)氣濕度、物質(zhì)濃度和質(zhì)子膜厚度條件會使得蒸餾速率降低，其中進(jìn)氣濕度和進(jìn)氣流量對蒸餾速率的影響較為明顯，而質(zhì)子膜厚度對蒸餾速率影響相對較小，這主要是因為本文采用的是料液靜置間接加熱的氣掃式膜蒸餾形式，氣體邊界層是膜蒸餾過程的限速步驟.因此，本文所得的蒸餾速率遠(yuǎn)低于Majsztrik等[24]直接加熱條件下測量的質(zhì)子膜純水通量(4.2～6 kg/(m2·h)).

不同質(zhì)子膜材料蒸餾速率實測值與理論計算值之間的對比如圖6所示，結(jié)果表明，各組實測值與理論值之間的偏差都在11%以內(nèi)，7組數(shù)據(jù)平均相對偏差為5.8%，這表明理論模型能很好地反映實際情況，所建立理論模型有效.然而，尿殘液的成分相對復(fù)雜，蒸餾過程中的部分陽離子會進(jìn)入質(zhì)子膜結(jié)構(gòu)中，這會較大的影響實際蒸餾性能.因此，關(guān)鍵的工程運行參數(shù)需要通過實驗來確定和獲得.

圖6 蒸餾速率實測值與理論計算值比對圖Fig.6 Comparison chart of measured values and theoretical values on distillation rate

4 膜蒸餾過程特性研究

通過模型研究，在實驗室環(huán)境溫濕度的條件下質(zhì)子膜厚度對蒸餾速率影響較小，同時由于質(zhì)子膜需要直接與尿殘液接觸，因此本文優(yōu)先選擇厚度相對較大，機械性能較好的質(zhì)子膜Z2作為研究對象，進(jìn)一步考察其尿殘液蒸餾過程變化情況.試驗過程通過采集蒸餾模塊進(jìn)出口氣體流量和溫濕度數(shù)據(jù)，計算進(jìn)出口的絕對濕度差折算實時的蒸餾速率.圖7所示為在同一進(jìn)氣條件(30 ℃，1 m3/h)下，測得Z2質(zhì)子膜4種工況下的實時蒸餾速率變化情況.由圖7(a)和圖7(b)可知，自來水氣相接觸下的蒸餾速率出現(xiàn)小幅上升而后平穩(wěn)的變化趨勢，尿殘液氣相接觸下的蒸餾速率在試驗后期會有小幅下降，總體來講，氣相接觸模式下的蒸餾速率相對比較穩(wěn)定.由圖7(c)和圖7(d)可知，自來水液相接觸下的蒸餾速率出現(xiàn)緩慢的下降，而尿殘液液相接觸的蒸餾速率在試驗前期就出現(xiàn)明顯的下降，前10 h內(nèi)由158.9 g/(m2·h)下降到58.3 g/(m2·h)，后期下降趨勢減緩，說明尿殘液中大量陽離子就會快速占據(jù)質(zhì)子膜中的磺酸基團親水位，從而降低了水分子在質(zhì)子膜中的傳輸速率，而自來水中的離子濃度低，對蒸餾速率的影響程度較低.

圖7 Z2質(zhì)子膜膜蒸餾：(a)自來水氣相接觸模式蒸餾性能實時變化曲線；(b) 尿殘液氣相接觸模式蒸餾性能實時變化曲線；(c) 自來水液相接觸模式蒸餾性能實時變化曲線；(d) 殘液液相接觸模式蒸餾性能實時變化曲線Fig.7 Z2 ionomer membrane distillation：(a) Real-time tendency of water distillation rate on gas phase；(b) Real-time tendency of urine brine distillation rate on gas phase；(c) Real-time tendency of water distillation rate on liquid phase；(d) Real-time tendency of urine brine distillation rate on liquid phase

5 結(jié)論

1)所開發(fā)的基于質(zhì)子膜的尿殘液膜蒸餾技術(shù)能完成尿殘液中水分回收，同時完成尿殘液的減量化處理.7種質(zhì)子膜材料中，國產(chǎn)Z7質(zhì)子膜具有良好的水分傳輸能力和較優(yōu)的尿殘液耐受能力，可作為處理尿殘液的候選材料.

2)建立起以質(zhì)子膜為介質(zhì)的，間接加熱氣掃式尿殘液膜蒸餾傳質(zhì)傳熱模型，模型所得理論計算結(jié)果與實測值匹配度較好.獲得主要工藝參數(shù)對蒸餾速率的影響規(guī)律，進(jìn)氣濕度和進(jìn)氣流量對蒸餾速率的影響較為明顯，而質(zhì)子膜厚度對蒸餾速率影響相對較小.

3)尿殘液中某些陽離子組分會進(jìn)入質(zhì)子膜結(jié)構(gòu)中，降低蒸餾速率，后續(xù)研究應(yīng)著重加以改進(jìn).

4)下一步重點開展膜蒸餾回收冷凝水水質(zhì)及其影響因素研究，使得技術(shù)滿足小型密閉環(huán)境的使用要求.