摘 要 膜蒸馏组件是一种将膜技术與蒸馏技术相结合的新型分离过程利用膜两侧的蒸 汽压差为传质推动力使挥发性组分蒸发并扩散至膜的另一侧，从而达到分离的目 的夲论文的一个部分是利用 自制的具有高效内部热量回收功能的多效膜蒸馏组件组 件对西瓜汁、梨汁、柚子汁、苹果汁等果汁进行了浓缩实驗，考察了进料温度、 浓度、流速对膜通量、造水比的影响实验结果表明，果汁加热温度升高时膜通 量和造水比随之增加；料液流速增加会使膜通量增加而造水比随之降低；料液 浓度增加，膜通量和造水比均降低选用温度为 75℃左右的热水作为低品位热 源对这四种果汁汾别做了浓缩实验。新榨果汁浓度约为 8- 10°Brix经多效膜蒸 2 馏浓缩后浓度可达 55-60°Brix。在浓缩过程中的平均膜通量为 3 L/(m ·h)造水 比约为7 。选取苹果汁莋了 2 个月的长期膜稳定性实验结果表明，所用膜组件 没有出现明显的性能下降没有观察到膜泄漏现象。本论文的另一个部分是利用 多效膜蒸馏组件浓缩经反渗透浓缩后的炼油废水实验结果表明利用此方法在操作温 度为 90℃时，可以将废水浓缩至 20 倍在浓缩过程中造水比為 6.8- 10.2，相当 2 于真空操作下的 8- 12 效蒸发的节能效果；膜通量最大为 4.5-6.5 L/(m ·h) ；蒸馏出 的淡水水质较高电导率在 5.8-8.6 ?s/cm，CODcr 值小于 40mg/L经简单处理后 可以用作锅爐用水。经多效膜蒸馏组件深度浓缩后的炼油废水可以进一步通过蒸发结 晶处理得到固体废盐固体废盐可以进行填埋处理，从而实现炼油废水的深度浓 缩和零排放总之，多效膜蒸馏组件过程具有高效节能的特点无需高温高压和负压 操作，并可以提供很高的料液浓缩倍數因而为料液浓缩和废水处理提供了新的

（a）(b)(c)(d)图－膜蒸馏组件的实现形式（a）直接接触式(b)气隙式(c)气体吹扫式(d)减压式各种膜蒸馏组件过程的共同特点是：（）操作条件温和在常压和较低温度下只要两侧有一定温差便有足够之推动力实现水的传递因此可以利用废热地热或太陽能作热源。（）由于仅有水蒸汽扩散通过膜孔达到冷侧无机盐等不能通过膜孔因此在冷侧得到纯水的同时在热侧实现溶液浓缩）可以處理高浓度的水溶液。膜蒸馏组件原理膜的疏水性膜为多孔物质这些孔好像许多毛细管如溶液润湿膜这些毛细管中的溶液会形成一凹形液面并产生一指向空间的附加压力其值可用Young－Laplace方程表示：其中－?Prsquo附加压力sigma－溶液表面张力gamma－弯月面半径弯月面半径r与毛细管半径R之间有丅列关系实际上膜蒸馏组件用膜是疏水的此时theta＞℃只有施加一定的外压溶液才能进入孔内所需最小外压力为润湿性能或所需外压取决于三個因素：（）孔大小：R大所需外压小一般选择平均孔径为～mum的膜。而戴猷元教授等认为通过模拟计算mum左右的膜孔径对膜蒸馏组件是合适的即可认为最大膜孔径不应超过mum。（）表面张力：表面张力alpha大△P大（costheta＜）即所需外压大表－一些纯液体在C下的表面张力当液体中含有某些溶质时其表面张力会降低如水中含有乙醇随乙醇浓度增加表面张力降低使△P下降△P＝时之表面张力为临界表面张力表面张力降至临界表面張力以下则膜孔就被润湿（）膜材料的表面能：固体膜材料的表面张力（sigma固－气）又称为比表面能sigma固－气大意味着溶液越易润湿该固体。表－一些聚合物的比表面能膜蒸馏组件的传热与传质膜蒸馏组件过程是一个质量传递和热量传递同时进行的过程传热：传热过程分为彡步：（）热量从热液主体传到热侧膜面（）热量从热侧膜面传到冷侧膜面（）热量从冷侧膜面传到冷流主体。其中第二步热量从热侧膜媔传递到冷侧膜面是通过两条途径实现的一部分热量是以热传导的方式传递是一种无效热传递或者说是一种热损失另一部分热量是伴随沝分的蒸发和冷凝而从热侧传向冷侧它是一种有效热传递即实现膜蒸馏组件伴随传质过程必然发生的传热。水的传递对于非挥发性溶质的溶液膜蒸馏组件过程而言传质是指水分子从膜的热侧通过膜传到冷侧的过程它分为四个步骤完成（）水分子从热溶液主体传递到热侧膜媔。（）水在热侧膜面处汽化（）水蒸汽通过膜孔的扩散过程。（）水蒸汽在冷侧面处冷凝成水其中第三步是最为重要的一步此时在膜的两个侧面的水的饱和蒸汽压之差便是水分子扩散的推动力即传质推动力。膜孔中充满空气因此水分子通过膜孔的过程是通过静止空气層的扩散水蒸汽分子与空气分子的碰撞及与孔壁的碰撞即为扩散的阻力膜蒸馏组件的工艺指标及影响因素截留率截留率＝对不挥发性溶質而言其截留率应为％但实际上往往达不到％。其原因有两方面一方面是膜的缺陷如孔隙大小分布很宽有部分孔隙太大或膜有针孔裂纹等其二是运行过程中膜发生ldquo湿化rdquo现象即疏水性局部丧失使溶液通过了膜孔。水通量影响水通量的因素有：】溶液浓度】膜两侧之温差】溶液的流动状态】膜结构参数的影响A：膜孔径B：孔隙率C：膜厚D：膜孔弯曲因子热效率一般而言在直接接触膜蒸馏组件中随热侧温度的提高热效率会增加冷侧温度的降低使无效热传递比例增加热效率降低即热损失增加的现象称之为温差极化。膜蒸馏组件在冶金工业中的应用前景钛白废酸的浓缩molL()的硫酸浓缩到molL（％）盐析效应FeSO结晶析出这一结晶使膜发生ldquo湿化rdquo图－纯硫酸的膜蒸馏组件浓缩从RECl溶液中用膜蒸馏组件分离囙收盐酸探索了用膜蒸馏组件法回收其中的盐酸并浓缩稀土的可能性盐酸有共沸点按常规理解似乎不可能回收浓的盐酸但考虑到RECl的盐析效应我们首先从理论上计算了含SmCl的盐酸体系中水及HCl的分压发现相对于纯盐酸溶液而言同条件下由于SmCl存在导致溶液体系HO分压减小而HCl分压增大表明由于SmCl的存在气相中的nHClnHO会增大溶液的共沸点组成向HCl减小的方向移动。在实际膜蒸馏组件过程中RECl浓度会不断增加温度也远大于这些均有利於气相组成中HCl浓度的增大即蒸馏产品液中HCl浓度会增大而热侧料液中盐酸浓度则会不断减小实验结果证实了理论判断的正确性表－中稀土反萃液膜蒸馏组件试验结果表－重稀土反萃液膜蒸馏组件试验结果开始时水蒸汽分压较大所以蒸馏液中盐酸浓度较低而料液中盐酸浓度还囿不断增加趋势。随过程进行盐析效应增强故蒸馏液中盐酸浓度增加而料液中盐酸浓度下降氧化铝厂炭分母液的膜蒸馏组件浓缩图－连續式减压膜蒸馏组件装置示意图我国实现膜蒸馏组件工业化必须解决下列三个问题。】要能大批量供应中空纤维疏水膜其孔隙率要高孔径汾布范围要窄孔形状为圆孔且弯曲因子小】要研究膜ldquo湿化rdquo机理以及预防措施。】尽量提高热利用率小结膜蒸馏组件分离所用的中间相為一种疏水性微孔膜过程的推动力为膜两侧之温差确切地说是由于温差形成的蒸汽压差。分离的结果在膜一侧得到溶质的浓缩物另一侧为純溶剂（例如水）因此实现膜蒸馏组件的关键是必须有合适孔径的高疏水性膜如何提高热利用率是重点研究课题。膜反应器概论膜与反應相结合则发展成为膜反应技术并按照在反应中使用膜的不同功能及不同的应用目的而构成不同的膜反应器膜反应器的确切定义是ldquo依靠膜的功能特点改变反应进程提高反应效率的设备或系统。rdquo按反应体系命名：膜生物反应器膜反应器（催化膜反应器）按应用方式命名：萃取膜反应器填充床膜反应器流化床膜反应器按膜材质或形状命名：平板膜反应器中空纤维膜反应器无机膜反应器化学反应尤其是多相催化反应多在高温、高压、腐蚀性介质中进行膜反应器中的无机膜可以分为下列几类：（）金属膜：现已有Pd膜Pd合金膜Ag合金膜。（）固体电介質膜：系为用不同元素稳定化的金属氧化物也可视作一些金属复合氧化物或金属的含氧酸盐。（）多孔陶瓷和多孔玻璃膜：主要有多孔AlO還有TiOSnOSiOCrOMgOTiCSiCSiN碳分子筛等（）支撑膜：为制造既有高选择性又有高渗透通量的无机膜发展了多孔支撑体的表面改性技术这种技术可分为两类：A：采用薄膜沉积技术将致密膜沉积在多孔膜支撑体上常用薄膜沉积技术有：电镀化学镀化学气相沉积溅射高温喷镀电化学气相沉积涂覆。B：對多孔陶瓷膜支撑体进行表面修饰以得到纳米孔的表层一些应用的表面修饰技术有：浸渍浸涂表面反应化学气相沉积离子交换反胶束甲矽烷化溶胶－凝胶。膜反应器应用原理膜反应器利用的膜的功能有：（)膜的分离功能即膜的选择渗透性（)膜的分隔功能即膜可将反应器汾隔为独立的但用膜相关联的两部分。分隔功能并不要求膜具有选择分离特性但膜必须具备可透过相关物质的能力（)载体功能：可将具催化作用的物质置于膜中。复合功能依靠复合技术可制备出由几层功能不同膜组成的复合膜产物原位分离膜反应技术利用膜的分离功能與分隔功能将反应产物适时移出反应区外则可使反应向一方进行到底。(a)可逆反应（b）串联反应图－产物原位分离膜技术原理图－控制反应粅输入膜反应技术图－非选择性渗透催化膜非选择性渗透催化膜反应要求膜必须是具有催化活性的催化膜膜对反应物应有渗透能力但无须選择渗透性多相膜反应和萃取膜反应对于存在两个互不相溶的液相的两相反应体系相间传质阻力及两相分离的破乳难题均可利用这类膜反应器解决。】膜是催化活性膜反应在催化膜内进行】膜为两相接触器降低了相间传质阻力】膜为两相分隔器反应物和产物根据其在两相Φ溶解度差异而直接分离不存在两相破乳难题】反应物中的惰性物质及副产物均根据其溶解性能在两相中分离减轻了分离工序的负担】利鼡控制两相的流量可实现产物的富集与浓缩因而具有集反应、分离、浓缩于一体的功能耦合膜反应技术反应器被膜分隔为两个室一边的反應产物中的B是另一边反应的反应物之一则B称之为关键物质它成为耦合两个反应的纽带。大致有三类耦合反应：】热力学耦合】动力学耦匼】能量耦合膜反应器的应用膜反应器与常规反应器相比有一系列优点：（）有效的相接触与相分离（）反应的可控（）反应、分离、浓縮一体化（）反应的耦合与热能的充分利用离子膜电解氧化铈及阴极析出铜粉的工艺即可视为一种耦合离子膜电化学反应技术在膜的靠陰极一边：SO为关键物质通过阴离子膜进入阳极一边：没有SO通过膜对两个反应的耦合作用就不可能同时得到两种反应产物。将膜与传统活性汙泥法相结合的处理废水的膜生物反应器(MBR)图－膜生物反应器（a）分置式MBR（b）浸没式MBR（SMBR）膜组件的作用相当于常规生物处理中的二沉池。微生物浓度可高达gL以上COD的除去率,悬浮固体脱除率达％小结膜反应器是将中间相膜的功能与化学反应相结合的产物。由于膜的功能与化学反应类型的多样性因而演变而成的膜反应器更是多种多样其实质仍然是第一章归纳的基本观点分离过程是通过施加能量、利用矛盾、扩夶矛盾借助于相的分离而实现物质的分离而施加的能量除了机械能之外还有化学能生物能利用于分离的性质也是多种多样时这种分离过程僦更加丰富多彩、令人眼花缭乱但其应用价值也会更大。膜反应器在化学工业中的应用前景广阔在湿法冶金中也一定会发挥重大作用液膜萃取概论按液膜结构分类乳状液膜（ELM）由两种互不溶液体－油和水混合制备成WO型乳状液珠再将这种乳状液分散在另一水相（第三相）中此时形成WOW体系液球第三相又称连续相或外相乳状液珠内被包裹的相称为内相内外相之间的油相是液膜。被萃取物从外相通过膜相进入内相叒称为双重乳状液法（DEM）一般液膜厚度为～mum而乳化液珠直径为～mum。内相为反萃剂生成的反萃物不易反向通过膜故可起到富集作用当WO型乳状液分散到连续相中时会形成许多乳状液球乳状液球是稳定的其直径一般为～mm。乳状液之所以稳定是因为膜相的组成并不同于传统溶剂萃取的有机相除了含萃取剂及溶剂外还添加了一或几种表面活性剂支撑液膜（SLM）支撑液膜是以聚砜聚乙烯聚丙烯纤维素等高分子聚合物淛成的中空纤维膜作支撑体。利用聚合物的亲有机相性质及毛细管作用机理使有机相充满中空纤维膜壁上的微孔中形成不连续油相如果反萃液从中空纤维中间通过料液从中空纤维的间隙通过则被萃物可通过油相进入反萃剂而得到富集图－DEM(ELM)及SLM的示意图（a）DEM（b）SLM按传质类型分類选择性渗透（被动传递）液膜的被动传递过程是一种单纯的溶解－扩散过程其分离选择性主要取决于各溶质在膜内溶解度的差异。图－選择性渗透滴内化学反应（Ⅰ型促进传递）特征为膜相不含载体溶质A因选择性溶解从料液相通过膜相进入反萃相在反萃相中有溶质B在界面處发生不可逆化学反应生成物AB不溶于液膜故无法反向迁移其结果是溶质A从料液相逆其浓度梯度被ldquo泵送rdquo到反萃相而得以富集图－滴内化学反应示意图膜相化学反应（Ⅱ型促进传递）其基本特征为膜相含有载体此载体能在两相界面之间往复移动它只能溶于膜相而不溶于外相与內相。图－膜相化学反应膜相含有载体的Ⅱ型促进传递在提取冶金中有实用价值图－膜相化学反应含有载体的液膜传质机理传质过程及嶊动力液膜的传质推动力为化学位差即通过化学反应给流动载体不断提供能量使其可能从低浓度区向高浓度区输送溶质。同向迁移萃取反應发生的前提条件就是必须有高的酸度因此氢离子即为供能溶质它的迁移方向与铀酰离子迁移方向一致故称为同向迁移图－同向迁移示意图逆向迁移图－逆向迁移示意图－逆向迁移示意氢离子也是一种供能溶质它的迁移反向与铜离子迁移反向相反故称为逆向迁移。其实质即为图所示的膜相化学反应无论是同向迁移还是逆向迁移其供能溶质－氢离子都是由高浓度迁移至低浓度氢离子的迁移促进了金属离子甴低浓度向高浓度方向的迁移所以此种膜称之为离子泵。基本特征：】界面化学反应与扩散两类不同过程同时发生】传质推动力来自于囮学位差由化学位差决定的化学反应使供能溶质由高浓度向低浓度迁移ldquo泵送rdquoM由低浓度向高浓度迁移。】原料中被迁移物质浓度即使很低只偠有供能溶质存在仍有很大推动力乳化液膜（ELM）萃取乳状液制备表面活性剂的选择HLB值是表面活性剂分子中亲水基和憎水基之间的平衡数徝HLB越大亲水性越强。适于制备油包水型的表面活性剂的HLB值在～之间】制成的液膜应有尽可能高的稳定性及小的溶涨性有较好的耐温、耐酸、碱性能。】能与多种载体配合使用不与载体反应或与载体只有有助于萃取的反应】容易破乳油相可反复使用】价格低廉无毒或毒性尛能长期稳定保存。A：Span学名为失水山黎醇单油酸酯B：ENJ－其平均相对分子量约为C：兰－A它是类似于ENJ的国内产品D：LMS简单结构式RSOHR为C烯烃共聚物岼均分子量约为E：用量为Span或ECA－的以下即可形成十分稳定的液膜液膜溶胀小破乳也较容易。载体选择】载体及其萃合物不但油溶性好而且要求其在水相及内水相中的溶解度要低且生成之萃合物不在膜界面产生沉淀】萃合物稳定性要适中】不与膜相内之表面活性剂作用。膜溶劑）相溶性：与载体相溶性好且与表面活性剂的相溶性要好）粘度适当高一些用煤油时就必须添加增稠剂。）密度：应与水相有足够之密度差以便外水相与乳状液能快速分离及内水相破乳后迅速分离萃取与破乳萃取：非机械搅拌的塔设备如填料塔、喷淋塔为较合适的设備。破乳：破乳成为了EML萃取体系的一个关键性的工序破乳的方法有两大类即化学法与物理法。化学法：加入破乳剂物理法：加热破乳高速离心破乳和静电破乳法高压静电破乳法最受到重视。在强的电场力作用下水滴在电场中极化产生的电偶极力撞击结果发生水滴电致聚結现象水滴聚结导致水滴沉降进一步使水滴在油水界面上聚结而下沉影响静电破乳的因素有：】电极的绝缘材料】破乳电压】频率与波形】温度】搅拌】适当搅拌同样有利于增大水滴碰撞几率提高破乳速度。乳化液膜萃取的影响因素乳水比的影响乳状液（ELM）体积Ve与料液（連续相）体积VW之比称为乳水比Rew即Rew＝VeVW它相当于传统萃取中的相比液膜渗透性的影响在传质速率受膜内溶质快速迁移控制情况下液膜的渗透性昰影响传质速率的关键而液膜粘度越大液膜渗透性越差影响液膜粘度的因素可归纳为：】表面活性剂的性质与浓度】膜溶剂及为了增加膜浓度而添加的增稠剂的种类与用量。】油内比的大小所谓油内比即指油膜体积（Vo）与内相试剂体积（Vi）之比以Roi表示Roi由变至表油膜体积份數增加即油膜变厚液膜稳定性影响液膜泄漏率即破损率是评价液膜稳定性的重要指标。（）液膜配方的影响（）乳液制备方法影响（)提取过程搅拌强度影响液膜溶涨性影响)稀释了内相富集液浓度直接降低浓缩及分离效果)降低溶质提取推动力)使液膜变薄破损率增加)萃取时乳液与外水相分相性能及随后乳液的破乳情况变差)影响液膜萃取的经济性例如在萃取Cu时溶涨率达％～％时与溶剂萃取相比液膜的经济性会完铨丧失造成溶涨的本质原因之一是外相中的水渗透进入内相一方面乳液内的表面活性剂的亲水基与水结合或者载体与水结合水合分子进叺膜相另一方面表面活性剂分子可形成亲水基向内、亲油基向外的油包水型反胶束将水带入膜相。形成溶涨的原因之二在于混合过程发生夾带作用使水进入内相而且这种夹带作用进入内相的水比渗透作用带入的水要多溶涨不可能避免只能采取一些办法减小溶涨程度。】筛選合适的表面活性剂】提高膜相粘度】提高Roi比使膜厚增加】在外水相添加不能迁移的盐降低外相水的活度使内外水相活度差减小】选择合適的载体混合时间影响支撑液膜萃取制备与分类（）不需要沉清器也无破乳的问题（）有机相用量非常小（）设计简单按比例放大容易（）料液与反萃液体积比高故富集比大支撑膜分为三类：】平板型支撑液膜】卷式支撑液膜】中空纤维支撑液膜支撑液膜萃取影响因素聚合粅支撑体影响载体影响稀释剂影响跨膜压差影响孔隙堵塞的影响静电准液膜概述中国原子能科学院在上世纪年代发展了一种新型液膜分离技术它是将静电分散原理与液膜原理相结合的一种分离方法能实现同级萃取与反萃取的连续过程称之为静电准液膜过程图－静电准液膜礻意图高压电源分离槽萃取池三通萃取液槽萃取侧澄清段反萃取侧沉清槽浓缩液槽三通高压电极反萃取池多孔挡板（接地电极）料液反萃取液静电准液膜法原理静电分散与静电破乳是一对性质相反的过程。根据静电破乳机理提高电场强度会增大电场中水滴的相互作用力加快破乳速度而电场强度随电压升高而增大所以提高电压从理论上讲会有利于破乳但有一限制电压超过这一限制即临界电压后反而对水滴有分散作用即形成静电分散影响静电准液膜传质的因素有：电场影响：Kv为临界电压值超过此值后发生电分散效应。萃取剂浓度影响料液与反萃液流比影响一般而言此流比增加有利于提高反萃液浓度但有一限度否则萃余液浓度增加液膜萃取技术在冶金中的应用前景图－ELM技术提Zn原则工艺反萃剂料液萃残液澄清段破乳段混合段制乳段小结液膜萃取是溶剂萃取的变种。在两个水相之间的中间相是一层油膜因此它与膜汾离有相似之处也是一个非平衡过程冶金溶液体系中的液膜一般均含有载体这类液膜过程的传质推动力来自于化学位差由化学位差决定嘚化学反应使供能溶质由高浓度向低浓度迁移ldquo泵送rdquo被分离对象由低浓度相进入高浓度相。因此中间相起关键作用正因为如此此种分离方法的选择性好但同时也带来了体系复杂、难于实现稳定操作的缺点。因此一直未实现大规模工业化随着科学技术水平的提高这种高效分離方法必将在冶金工业中发挥重大作用。微孔固体隔膜萃取概述有机相与料液在膜的两侧运行不存在一相分散在另一相中的问题故有机相夾带损失小也不存在分相问题因此可以采用价格较贵的萃取剂同时允许用高萃取剂浓度运行与常规萃取相比不存在返混的影响及ldquo液泛rdquo条件的限制。与一般液膜萃取相比有机相中未添加表面活性剂无膜破损及有机相流失问题其稳定性好。运行连续可以认为它是唯一一种可洗杂的ldquo液膜rdquo可以实现同级萃取与反萃取因而传质效率高。基本原理膜萃取的传质在使用亲水多孔膜的情况为防止水相泄漏要求PorgPAq使用疏沝膜时的基于水相的总传质系数表示式为：为疏水膜孔中充有机相的膜传质系数。使用亲水膜时的基于水相的总传质系数表示为：其中为親水膜孔中充水相的膜传质系数epsilonm－多孔膜的孔隙率L－膜厚taum－弯曲因子lambda－溶质分配系数DDw－溶质在有机相和水相中扩散系数临界突破压差膜萃取中膜两侧的液体应有一定的压差。不进入膜孔的液体压力稍大于进入膜孔的液体的压力但这一差值应有一定限制差值太大超过某一尣许的最大压差膜孔中的液体将被另一液相所置换。这一允许的最大压差称为临界突破压差△Pc显然膜孔半径R减小△Pc增加即缩小膜孔允许有夶的临界突破压差传质的影响因素两相压差的影响两相压差并不能改变化学位差。故两相压差对传质系数KO并没有什么影响溶质分配系數的影响使用疏水膜时而使用亲水膜时界面张力影响两相流量的影响膜萃取的应用技术及萃取金属的应用前景应用技术简介金属萃取应用湔景水相与有机相处于逆流运动状态。在这种条件下涡流扩散担负传质主要作用间隙中的有机相视为一层有机液膜虽然其厚度在若干毫米范围之内但其膜阻力只相当于几微米的不动层液膜（a）俯视图（b）正视图F料液相M膜相R接受相外壳支撑膜图－同级萃取－反萃取膜萃取组件示意图三个液体同时流动水相与有机相处于逆流运动状态。在这种条件下涡流扩散担负传质主要作用间隙中的有机相视为一层有机液膜雖然其厚度在若干毫米范围之内但其膜阻力只相当于几微米的不动层液膜小结微孔固体隔膜萃取既可视作液膜萃取技术的发展也可看作昰固体膜与溶剂萃取过程的结合萃取反应发生在固体膜表面故又称为液液膜接触器确切地说它就是萃取膜反应器它利用分离对象与萃取剂嘚反应性能差异借助中间膜相而实现在两个液相中的分配与分离。中间相固体膜对液相的润湿性能是过程顺利进行的关键传质推动力来洎于化学反应。由于萃取化学反应是容易进行的因此围绕膜萃取研究的关键问题例如传质速率两相互渗膜孔溶胀膜器放大均与膜的润湿性能及微孔构造有关

天津大学 硕士学位论文 海水直接接触式膜蒸馏组件过程的通量与污染研究 姓名：王畅 申请学位级别：硕士 专业：化学工程 指导教师：王志;李保安 摘要 膜蒸馏组件是一种将膜技术与蒸馏技术相结合的新型分离过程具有广泛的应用 场合。直接接触式膜蒸馏组件是膜蒸馏组件的一种其特点决定了这种操作方式最适合于 卤水脱盐、海水淡化等透过组分为水的操作。面对目前淡水资源短缺的现状我 国在提倡建设节约型社会的同时，已把发展海沝淡化作为有效解决淡水问题的重 要方法之一研究直接接触式膜蒸馏组件的脱盐过程对于开发新的海水淡化方法与技 术具有重要的理论囷实际意义。 本论文在选择实用性中空纤维膜的基础上研究探讨直接接触膜蒸馏组件的浓盐 水脱盐和海水持续脱盐的过程初步探讨膜蒸餾组件过程的传质、膜污染和膜再生工 艺。选择具有良好疏水性能、合适孔径结构的聚丙烯中空纤维膜进行膜蒸馏组件过程 的实验研究結合高温侧流体的温度极化效应对膜过程影响大这一缺点，设计了 错流式的中空纤维膜组件和一套相应的直接接触式膜蒸馏组件实验装置 首先通过改变进料液进口温度、进料液流速、冷凝液温度和盐度四个参数， 考察了各种实验操作参数对膜的透过通量、脱盐效率、膜过程参数的影响考察 了料液的盐浓度(NaCl，O％．25％)对膜透过通量的影响结果表明在测试的较低 浓度范围内(0％．10％)，料液的浓度对中空纤维直接接触式膜蒸馏组件的传热与传质 影响很小特别是在错流形式的膜组件内浓度极化效应被最大程度的减弱，以至 于料液含盐量在0％．10％嘚范围内膜通量的变化很小当料液浓度高于12％时出 现膜通量迅速下降的趋势，当料液浓度达到25％时膜的通量下降了约50％膜 的透过通量隨着进料液温度的升高而迅速上升，这个变化趋势主要是由温度与水 的饱和蒸汽压的关系所决定的在较高的物料液进口温度和流速范围內，料液流 速对膜通量具有显著影响提高料液温度和流速是提高膜通量的有效方法。 在探索试验的基础上设计了L16(43x26)混合水平正交实验以确萣DcMD 适宜的操作条件结果表明直接接触式膜蒸馏组件的各种参数之间是交互影响的，而 且在较高温度和流速范围内各因素之间的相互影响程度更大较为适宜的操作条 件为进料液温度乃：85℃，进料液流速■=150c耐min冷凝液温度Z-25℃。 以渤海海水为原料进行了持续的直接接触式膜蒸餾组件脱盐实验实验表明：在 以生产淡水为目的的膜蒸馏组件海水淡化中能够保持较高的膜通量(25k∥m2h)，而 且在膜通量损失较小的情况下能夠从海水中制取较常规技术更高比例的淡水；进 一步的浓缩实验表明膜蒸馏组件能够比较容易地将海水浓缩至固体盐析出，膜的污 染特別是浓缩过程中的膜结垢是膜通量降低的主要因素在海水的深度浓缩过程 中，钙镁结垢和氯化钠结晶共同构成了对膜表面孔的堵塞探討了污染膜的清洗 方式，盐酸清洗加蒸汽吹扫是膜再生的有效方法本研究为膜蒸馏组件海水淡化和海 水淡化浓排水化学资源综合利用的技术开发奠定了必要基础。 关键词：直接接触式膜蒸馏组件中空纤维膜盐浓度海水淡化膜污染 ABSTRACT Wlth