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膜蒸餾

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一、膜蒸餾的特征、優點和缺點

1、膜蒸餾的特征

膜蒸餾是一種新型的分離技術,是一種是以疏水性微孔膜兩側蒸汽壓差為傳質推動力的膜分離過程,例如當不同溫度的水溶液被疏水微孔膜分隔開時,由于膜的疏水性,兩側的水溶液均不能透過膜孔進入另一側,但由于暖側

水溶液與膜界面的水蒸汽壓高于冷側,水蒸汽就會透過膜孔從暖側進入冷側而冷凝,這與常規蒸餾中的蒸發、傳質、冷凝過程十分相似,所以稱其為膜蒸餾過程。膜蒸餾過程區別于其他膜過程的特征是:[6,7]

(1)所用的膜為微孔膜;

(2)膜不能被所處理的液體潤濕;

(3)膜不能被所處理的液體浸潤膜孔內無毛細管冷凝;

(4)現象發生只有蒸汽能通過膜孔傳質膜不能改變;

(5)所用膜不能改變所處理液體中所有組分的氣液平衡;

(6)操作液體中各組分的汽液平衡膜至少有一側要與操作液體直接接觸;

(7)對于任何組分該膜過程的推動力是該組分在氣相中的分壓梯度。

2、 膜蒸餾過程的優點

膜蒸餾過程具有以下優點:

(1)膜蒸餾過程幾乎是在常壓下進行,設備簡單、操作方便,在技術力量較薄弱的地區也有實現的可能性;

(2)在非揮發性溶質水溶液的膜蒸餾過程中,因為只有水蒸汽能透過膜孔,所以蒸餾液十分純凈,對離子、大分子、膠體、細胞及其他非揮發性物質能達到100%的截留,可望成為大規模、低成本制備超純水的有效手段;

(3)該過程能夠處理反滲透等不能處理的高濃度廢水溶液,如果溶質是容易結晶的物質,可以把溶液濃縮到過飽和狀態而出現膜蒸餾結晶現象,是目前唯一能從溶液中直接分離出結晶產物的膜過程;

(4)膜蒸餾組件很容易設計成潛熱回收形式,并具有以高效的小型膜組件構成大規模生產體系的靈活性;

(5)在該過程中無需把溶液加熱到沸點,只要膜兩側維持適當的溫差,該過程就可以進行,有可能利用太陽能、地熱、溫泉、工廠的余熱和溫熱的工業廢水等廉價能源, 降低能耗;

(6) 截留率高,若膜不被潤濕可達100%;

(7) 操作壓力較其他膜分離低;

(8)在膜蒸餾過程中蒸發區和冷凝區十分靠近,實際上只是膜的厚度,蒸餾液卻不會被料液污染,所以膜蒸餾與常規蒸餾相比具有較高的蒸餾效率,并且蒸餾液更為純凈;

(9)在膜蒸餾過程中,由于液體直接與膜接觸,最大限度地消除了不可冷凝氣體的干擾,無需復雜的蒸餾設備,如真空系統、耐壓容器等;

(10)蒸餾過程的效率與料液的蒸發面積直接相關,在膜蒸餾過程中很容易在有限的空間中增加膜面積,即增加蒸發面積,提高蒸餾效率;

3、膜蒸餾過程的缺點

膜蒸餾過程具有以下缺陷:

(1)膜蒸餾是一個有相變的膜過程,熱量主要通過熱傳導的形式傳遞因而效率較低(一般只有30%左右),汽化潛熱降低了熱能的利用率,所以在組件的設計上必需考慮到潛熱的回收,以盡可能減少熱能的損耗,與其他膜過程相比,膜蒸餾在有廉價能源可利用的情況下才更有實用意義。

(2)蒸餾通量小。膜蒸餾與制備純水的其他膜過程相比通量較小,所以目前尚未實現在工業生產中應用,如何提高膜蒸餾的通量也就成為一個重要的研究課題。

(3)膜蒸餾采用疏水微孔膜,與親水膜相比在膜材料和制備工藝的選擇方面局限性較大。

(4) 由于溫度極化和濃度極化的影響,運行狀態不穩定。

(5)膜成本高。

二、.膜蒸餾技術的應用

1、海水、苦咸水脫鹽制備飲用水

膜蒸餾過程的開發最初完全是以海水淡化為目的,雖然反滲透作為海水和苦咸水淡化的膜分離方法,從20世紀60年代就進入了實用階段,其設備和工藝條件也在實用中不斷得到改進和完善,但是反滲透過程需要較高的操作壓力,設備比較復雜,并且難以處理鹽分過高的水溶液[2]。Karakulski等[27]將不同的造水膜過程進行了對比:UF 能脫除懸浮物和膠體NF 可完全除掉水中的有機碳硬度可降低60%- 87%, RO 可將總固溶物截留99.7% ;質量最好的水是由膜蒸餾制備產水的電導可達到0.8 μS/cm 固溶物質量分率達0.6×106 但目前尚無性能良好的專門膜蒸餾用膜膜蒸餾在大規模海水脫鹽上仍難以與反滲透技術相媲美.[3]

2、非揮發性溶質水溶液濃縮[

膜蒸餾過程可在相對比較低的溫度下運行,并具有極高的脫水能力,特別是滲透蒸餾可以在室溫下運行,對果汁、食品的濃縮是其它任何膜過程都無法比擬的. 吳庸烈等[28]采用自制的不對稱聚偏氟乙烯膜開展了從?;撬釓U液中回收?;撬岬膶嶒炑芯慷跑姷萚29]使用聚偏氟乙烯微孔膜以減壓膜蒸餾法濃縮含鉻離子水溶液體系 Tomaszewska[30]利用直接接觸式膜蒸餾濃縮純化氟硅酸檸檬酸和硫酸等酸溶液對檸檬酸和硫酸的截留率接近100%對氟硅酸可將濃度從2%濃縮至35%且發現對非揮發性酸的膜蒸餾過程類似于鹽溶液的膜蒸餾過程Rincon 等用直接接觸式膜蒸餾濃縮甘醇類水溶液截留率亦接近100%膜蒸餾技術用于濃縮果汁等液體食品加工過程中具有保持食物原有的色香味營養不被破壞等突出優點但上述工作大多仍處在實驗室研究階段.

3、廢水處理

膜蒸餾與其他膜過程相比,其主要優點之一就是可以在極高的濃度條件下運行,即可以把非揮發性溶質的水溶液濃縮到極高的程度,甚至達到飽和狀態[7]。張鳳君[8]等人采用中空纖維膜蒸餾技術對含酚廢水進行了研究,結果使濃度高達5000mg/L的苯酚經處理后可降至50mg/L以下,苯酚的去除率可達95%以上。劉金生[9]等人采用自制中空纖維膜蒸餾組件對油田聯合站含甲醇污水進行膜蒸餾處理研究,質量濃度高達10mg/mL的甲醇水溶液經處理后可降至0.03mg/mL一下。和其它膜分離過程一樣,膜蒸餾是環境友好的分離技術,在工業廢水處理方面具有很好的應用前景)從工業廢酸液中回收HCL[23,23,25,26]是在處理含揮發性酸性物質廢水方面的典型應用。

4、共沸混合物的分離

膜蒸餾對某些共沸物也能起到分離效果??诅鳾10]等人研究了用膜蒸餾技術來分離甲酸-水共沸混合物的可能性,結果表明,采用膜蒸餾技術來分離甲酸-水溶液時不存在共沸現象,表明膜蒸餾在分離共沸物方面具有潛在的應用價值。

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