膜蒸馏介绍.doc

膜蒸馏(Membrane Distillation) 膜蒸馏是一种用于处理水溶液的新型膜分离过程。膜蒸馏中所用的膜是多孔的和不被料液润湿的疏水膜，膜的一侧是与膜直接接触的待处理的热水溶液，另一侧是低温的冷水或是其它气体。由于膜的疏水性，水不会从膜孔中通过，但膜两侧由于水蒸气压差的存在，而使水蒸气通过膜孔，从高蒸气压侧传递到低蒸气压侧。这种传递过程包括三个步骤： 水在料液（高温）侧膜表面汽化； 汽化的水蒸气通过疏水膜孔进行传递； 水蒸气在膜的低温侧冷凝为水。 图 膜蒸馏过程的推动力是膜两侧的水蒸气压差，一般是通过膜两侧的温度差来实现，所以膜蒸馏属于热推动膜过程。根据蒸气冷凝方式不同，膜蒸馏可分为直接接触式、气隙式、真空式和气扫式四种形式，如上图（图1）所示。直接接触式膜蒸馏(Direct contact membrane distillation,缩写为DCMD)是热料液和冷却水与膜两侧直接接触；气隙式膜蒸馏（Air gap membrane distillation, 缩写为AGMD）））—液平衡决定。这意味着蒸气分压最高的组分渗透速率也最快。例如：对于NaCl等无机盐溶液，只有水才有蒸气压，即NaCl等无机盐的蒸气压可忽略，这表明只有水才能通过膜，因此选择性非常高；乙醇/水混合物，当乙醇浓度低时膜不被湿润，两种组分均会通过膜传递，但乙醇的传递速率总比水快。 挥发性组分通过膜的传递可用通量正比于推动力的唯象方程描述，而推动力就是温度差，温差导致蒸气压差（温度与蒸气压之间的关系可由Antoine关联式表示）。 通量唯象方程可描述为： 可见通量与两个参数有关，即与膜有关的和与体系有关的。比例系数取决于膜参数，如材料（疏水/亲水）、孔结构、孔隙率和膜厚度。体系参数主要取决于温差。 其他的较重要的参数为流体力学条件和膜器设计。这些参数将影响温度极化，进而影响推动力。 1. 过程参数 膜蒸馏是建立在通过多孔膜进行蒸馏这一概念基础之上的，主要的要求就是膜不被湿润。如膜被润湿，则液体会自发进入到膜孔。润湿性取决于液体与膜材料之间的相互作用，在亲和性低时不会润湿。通过接触角机理可以获得有关润湿性的信息，即将一滴液体置于无孔（且光滑）的表面上，测定接触角。亲和性低时，接触角应大于90O，而亲和性高时，接触角小于90O。后一种情况下，液体会润湿固体表面，如图2所示。 图2. 滴液在固体（无孔）材料上的接触角 如材料是多孔的，润湿时（90O）液体会渗入孔内，可由Laplace方程描述： 当90O时，0，0,只有施加一定压力，液体才会渗入膜孔内。从Laplace方程可以看出，润湿性取决于3个因素： 孔尺寸（）； 液体表面张力（）； 膜材料表面能（或）。 润湿压力反比与膜孔径，孔径越大膜孔越易被湿润。 液体的表面张力与分子间的作用力有关，如色散力、极性力和氢键。烃类，如己烷，只存在很弱的色散力，所以表面张力很低。另一方面，当有氢键存在时，如水，分子间作用力很强，表面张力高。当液体与聚合物间相互作用力弱时，液体不湿润表面；当液体与聚合物之间具有强的相互作用力时，固体表面将被润湿。 另一个重要的参数是聚合物的表面能，固体聚合物的表面能越高，越容易发生润湿。表1给出了一些聚合物的表面能数值。所以，为避免膜的润湿现象，膜的最大孔径必须小，液体的表面张力应当高，而膜材料的表面能应该低。 表1.一些聚合物的表面能数值 聚合物 表面能,103N/m 聚合物 表面能,103N/m 聚四氟乙烯 聚三氟乙烯 聚偏二氟乙烯 聚氯乙烯 19.1 23.9 30.3 36.7 聚乙烯 聚丙烯 聚苯乙烯 33.2 30.0 42.0 2．膜 膜蒸馏过程要求能够成功运用于该过程的膜必须是非亲水的和多孔的。能过满足该条件的聚合物膜材料应具有低的表面能即良好的疏水性如聚碳酸酯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、卤化聚乙烯、含氟高分子等。普遍认为聚四氟乙烯最好。性—液平衡所决定的，所以不可能对膜进一步优化来改善其选择性。然而通量可以优化，这方面最关键的参数是孔隙率（表面孔隙率和总孔隙率）。但是孔隙率提高，通常伴随着孔径变大，但这有利于润湿。在此需特别指出的是在制膜时控制膜的最大孔径是十分关键的，因为润湿性与此有关，最大孔径不应比平均孔径大太多。在选择膜的孔径时应考虑两个方面的因素：适宜的膜孔径范围为100?-1(m，一定条件下膜的孔隙率越高越好。 3．膜蒸馏的优缺点 膜蒸馏是近些年来发展起来新型膜技术，它有机地结合在膜蒸馏过程中既有常规蒸馏中的蒸汽传质冷凝过程，又有分离物质扩散透过膜的膜分离过程。它避免了蒸馏法易结垢、怕腐蚀和反渗透法需要高压操作的缺点。膜蒸馏技术在海水方面 （1）理论上膜蒸馏可以达到100%脱盐率