（化学工程与技术专业论文）膜蒸馏过程中的膜污染及其抑制技术研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t q 0 2 8 8 学科分类号 5 3 0 2 1 5 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 0 3 1 密级 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名李会学号 2 0 0 8 0 0 0 0 3 1 获学位专业名称 化学工程获学位专业代码 0 8 1 7 课题来源自选课题研究方向 膜分离技术 论文题目膜蒸馏过程中的膜污染及其抑制技术研究 关键词膜蒸馏，膜污染，腐植酸，中药提取液，气体反冲洗，优化 论文答辩日期 2 0 1l 一5 2 7论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师丁忠伟 教授北京化工大学化学工程 评阅人1刘伟教授 北京化工大学化学工程 评阅人2刘丽英教授 北京化工大学化学工程 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员纵陈晓春教授北京化工大学化学工程 答辩委员l 刘伟教授北京化工大学化学工程 答辩委员2孙建军副教授北京化工大学化学工程 答辩委员3 刘丽英副教授北京化工大学化学工程 答辩委员4 杜俊琪 副教授 北京化工大学化学工程 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中 查询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 膜蒸馏过程中的膜污染及其抑制技术研究 摘要 膜蒸馏是一项新型膜分离技术，可用于海水和苦咸水淡化，在水溶液 的浓缩方面也具有良好的应用前景。然而，溶液中的污染物在膜表面的沉 积，即膜污染，是膜蒸馏过程中亟待解决的问题，它极大地限制了膜蒸馏 技术的进一步广泛应用。对膜污染及其抑制技术的研究是近几年膜蒸馏领 域新兴的研究专题。 本文第一部分以腐植酸+ 水体系为研究对象，对直接接触式膜蒸馏的 膜污染情况进行研究。基于对膜污染过程的分析，并结合膜蒸馏过程的传 热传质机理，将膜蒸馏过程的“总传质阻力 分解为四部分：热侧边界层 阻力、污染层阻力、膜相阻力和冷侧边界层阻力，推导出了污染层阻力的 表达式。同时，在不同操作条件和不同膜材质下，实验测定了腐植酸悬浮 液直接接触式膜蒸馏过程的膜通量变化，并利用导出污染层阻力表达式计 算确定了污染层阻力随时问的增长情况。实验和计算结果表明：随着温度、 浓度的升高和流量的增大，通量的下降会加快，污染层阻力增长速度加快。 另外，溶液中钙离子浓度的提高会引起膜通量下降加快，即污染层阻力增 长加快；p t f e 平板膜要比p v d f 膜的通量大。另外，利用清水对受污 染的膜表面进行清洗，实验结果表明，这种方法能够有效去除膜表面的污 染物，使跨膜通量得到较大程度的恢复，且清洗时间越长、用水量越大， 清洗效果越好。 本文第二部分重点研究了气体反冲洗对膜蒸馏浓缩中药提取液过程 i 北京化工大学硕士学位论文 中膜污染的抑制作用，考察了反冲洗气量、反冲洗时间、反冲洗时间间隔 对膜污染的抑制效果。结果表明，气体反冲洗能够明显抑制由料液中的各 种污染物引起的膜污染；气体反冲洗时间越长、反冲洗气量越大、反冲洗 时间间隔越小，则气体反冲洗抑制膜污染的效果越好；在反冲洗时间2 m i n 、反冲洗气量为2l - m i n - 1 和反冲洗时间间隔为2 0m i n 的条件下，实验 进行2 5 0m i n 时气体反冲洗能够维持膜通量在膜清水通量的8 0 以上。 另外，通过对渗透液产量和反冲洗效率两个评价指标进行分析，推导出了 最佳反冲洗时间间隔的理论表达式，并利用反冲洗效率的计算结果，分别 讨论了各种因素反冲洗效果的影响。 关键词：膜蒸馏，膜污染，腐植酸，中药提取液，气体反冲洗，优化 i i s t u d yo nt h em e m b ra n ef o u l i n ga n df o u l i n g c o n t r o l l i n gi nt h ed i r e c tc o n t a c tm e m b ra n e d i s t i l l a t i o n a bs t r a c t m e m b 啪ed i s t i l l a t i o n ( m d ) i sar e l a t i v e l yn e ws e p a r a t i o nt e c h n i q u e w h i c hh a sb e i n gd e v e l o p e df o rd e s a l i n a t i o na n dc o n c e n t i a t i o no ft h e n n a l l y l i a b l es u b s t a n c e s i th a sag o o dp r o s p e c ti nw a t e rt r e a t m e n t t h ef o m a t i o no f d 印o s i to nt h em e n l b r a n es u r f a c e ( f o u l i n g ) i sap r o b l e m t ob es o l v e du 玛e m l y i nm e m b r a n ed i s t i l l a t i o n ，b u ti ti sr e s t r i c t e dw i t h i nn a 丌o wl i m i t s r e c e n t l y ，i n t h i sf i e l d ，m e m b r a n ef o u l i n ga i l df o u l i n gc o n t r o l l i n gi st h eh o tr e s e a r c h t h ef i r s tp 撕o ft h i ss t u d yc h o s eh u m i ca c i dm o l e c u l ea so b j e c to f a n a l y z i n g ， a n dt h em e m b r a 【n ef o u l i n gw a sa n a l y z e d b yd i r e c t c o n t a c t m e m b r a n ed i s t i l l a t i o n ( d c m d ) t h ec o n c 印to f “t h et o t a l t r a n s f e rr e s i s t a n c e ” w a si 1 1 t r o d u c e dt ot h ed e v e l o p e dm o d e l c o m b i n i n gw i t hh e a tt r a n s f e ra n d m a s st r a n s f e ri nd i r e c tc o n t a c tm e m b m ed i s t i l l a t i o n ( d c m d ) ，“t h et o t a l t r a n s f e rr e s i s t a n c e w a sd i v i d e di n t of o u rp a r t s ，a n dt h e yw e r et h er e s i s t a n c ei n t h em e m a lb o u n c l a r yl a y e r ，t h ef o u l i n gr e s i s t a n c e ，t h em e m b r a n er e s i s t a l l c e a n dt h er e s i s t a n c ei nt h et h e m a lb o u n d a 巧l a y e rr e s p e c t i v e l y m o r e o v e r t h e r e w a sae ) 【p r e s s i o na b o u tt h e 氙) u l i n gr e s i s t a n c e t h ef l u xd e c l i n ew i t ht i m ew a s s t u d i e da st h ek e y s t o n ei nt h ec o n c e n t r a t i o no ft h eh u m i ca c i ds u s p e n s i o nb y i i i d i r e c tc o n t a c tm e m b r a n e d i s t i l l a t i o n ( d c m d ) a td i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s a n dd i 伟珧n tm e m b r a n em a t e r i a l a tt h es 锄e t i m e ，b a s e do nt h ee x p e r i m e n t s ， t h ea n a l y s i so ff o u l i n gr e s i s t a n c ew i t ht i m ew a sc a 币e do u t t h eo b t a i n e d r e s u l t si n d i c a t em eg r o 叭ho f f o u l i n gr e s i s t a n c ed u 曲gc o n c e n t r a t i n gi sg r e a t l y a f r e c t e db yt h ef e e dt e m p e r a t u r e ，t h ef e e d f l o wr a t e ，t h ei n i t i a lp a r t i c l e c o n c e n t r a t i o no ft h ea n dc a l c i u mi o n s b e s i d e s ， i no r d e rt ol i m i tm e m e m b r a n e f o u l i n g ，w a s h i n go ft h eb 啪c hw a t e ra r e rd c m dw a s i n v e s t i g a t e d i tw a sf o u n dt h a tl o n g e rw a s h i n gt i m ea n d l a 玛e rw a s h i n gf l o wr a t ec o n t r i b u t e t og r e a t e rm e m b r a n ef l u xr e c o v e t h es e c o n dp a r to ft h i ss t u d yi n v e s t i g a t e st h ee f j 陪c to f g a s - b a c k w a s h i n g o n f o u l i n gc o n t r o li nc o n c e n t r a t i n gt h ee x t r a c to f 仃a d i t i o n a lc h i n e s em e d i c i n e ( t c m ) b y d i r e c tc o n t a c tm e m b r a n ed i s t i l l a t i o n ( d c m d ) a n dt h ei n n u e n c e s o fg a sn o wr a t e ， g a s - b a c k w a s h i n gd u r a t i o na i l dt h ei n t e m i s s i o nt i m eo f g a s - b a c k w a s h i n go nf o u l i n gl i m i t a t i o nw e r eo b s e r v e d t h er e s u l t sr e v e a l e d t h a tt h eg a s - b a c k w a s h i n gc a nc o n t r o lt h em e m b r a n ef o u l i n gw h a t e v e rt h e p 甜i c l e sd 印o s i t i o nc a u s e do b v i o u s l y l o n g e rg a s - b a c k w a s h i n gd u r a t i o n ， h i g h e rg a sn o w r a t ea n ds h o r t e ri n t e 衄i s s i o nt i m ec a u s eb 甜e re 虢c ti nf o u l i n g c o n t r o l ；t h eg a sb a c k w a s h i n gc o u l dm a i n t a i nt h em e m b r a n en u x u p8 0 o f t 印w a t e rm e m b r a n ef l u ) 【a tg a s - b a c k w a s h i n gd u r a t i o n2m i n ，g a sn o w r a t e2 l 。m i n 1a n dt h ei n t e r m i s s i o nt i m eo fg a s - b a c k w a s h i n ga s2 0m i no v e rt h e c o n c e n t r a t i n gp r o c e s sl a s t i n g2 5 0m i n b e s i d e s ，a c c o r d i n gt ot h ep r o d u c t i o n c 印a c 埘a n de 衔c i e n c yo fm e m b r a n eb yb a c k w a s h i n g ，t h eo p t i m i z a t i o no f l v a b s t r a c t g a s - b a c k w a s h i n gd u r a t i o nw a s r e n s o n e d t h ee f j e i c i e n c yo fm e m b r a n eb y g a s b a c k w a s h i n gw 2 l sc a l c u l a t e d t h ed i 伍玎e n ti n n u e n c ef a c t o r so nr e s u l tw a s d i s c u s s e d k e yw o r d s ：m e m b r a n ed i s t i l l a t i o n ，m e m b r a n ef o u l i n g ， h u m i ca c i d ， e x t r a c to ft r a d i t i o n a lc h i n e s em e d i c i n e ， g a s - b a c k w a s h i n g ， o p t i m i z a t i o n v 一一 ! ! 塞些三奎堂堡主堂垡丝奎 一 _ _ i - _ _ - _ _ _ - - - 。一 v l 目录 目录 第一章文献综述l 1 1 腐植酸悬浮液的膜蒸馏过程。l 1 1 1 膜蒸馏介绍1 1 1 2 直接接触式膜蒸馏中传热传质2 1 1 3 膜污染过程机理5 1 1 4 膜污染机理研究进展6 1 1 5 腐植酸介绍8 1 2 膜过程中膜污染的抑制技术研究9 1 2 1 膜污染的清洗抑制作用。9 1 2 2 膜蒸馏浓缩中药提取液过程膜污染的气体反冲洗抑制1 0 1 3 气体反冲洗抑制膜蒸馏膜污染过程的条件优化研究1 l 1 4 本论文工作的提出1 3 1 5 本论文创新点1 3 第二章腐植酸悬浮液膜蒸馏过程的膜污染研究二。1 5 2 1 理论推导15 2 1 1 传热区域的温度分布1 5 2 1 2 跨膜传质阻力分析16 2 2 实验部分_ 1 7 2 2 1 实验装置流程图1 7 2 2 2 实验仪器18 2 2 3 实验材料2 0 2 2 4 实验内容及步骤一2 l 2 3 实验结果与讨论2 2 2 3 1 温度对膜污染程度的影响2 2 2 3 2 浓度对膜污染程度的影响2 4 2 3 3 流量对膜污染程度的影响2 5 2 3 4 无机盐对膜污染程度的影响2 7 v i i 北京化工大学硕士学位论文 2 3 5 膜材质对膜污染程度的影响2 8 2 4 膜清洗2 9 2 4 1 不同清洗时间下的膜清洗3 0 2 4 2 不同清洗流量下的膜清洗3 0 2 5 膜的形态及结果分析3 1 2 6 本章小结3 4 第三章膜蒸馏浓缩中药提取液过程膜污染的气体反冲洗抑制3 5 3 1 实验部分。3 5 3 1 1 实验装置流程图及原理图3 5 3 1 2 实验仪器及药品3 6 3 1 3 实验内容3 7 3 2 实验结果与讨论。3 7 3 2 1 气体反冲洗对膜污染的抑制作用3 7 3 2 2 反冲洗气量对膜污染的影响3 9 3 2 3 反冲洗时间对膜污染的影响4 0 3 2 4 反冲洗时间间隔对膜污染的影响4 3 3 3 本章小结4 5 第四章气体反冲洗过程的优化研究4 7 4 1 气体反冲洗条件及评价4 7 4 1 1 反冲洗操作条件4 7 4 1 2 反冲洗的评价指标4 8 4 2 反冲洗方程的推导4 8 4 2 1 膜组件生产能力4 8 4 2 2 膜的反冲洗效率5 0 4 3 气体反冲洗结果优化分析。5 0 4 3 1 膜组件生产能力结果分析5 0 4 3 2 膜的反冲洗效率结果分析5 2 4 4 本章小结5 3 第五章结论。5 5 v i l i 目录 参考文献5 7 致 谢。6 1 研究成果及发表的学术论文6 3 作者和导师简介。6 5 北京化工大学硕士学位论文 x c m t c 砸t s c 0 n t e n t s c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 。1 1 1t r e a 乜：n e n to f h u i i l i ca c i ds u s p 伽s i o nb yd c m d 1 1 1 1m e i i 】【b m ed i s t i u a t i o n 。l 1 1 2h e a t 衄n s 向锄dm a s s 仃孤s f 打i nd c m d 2 1 1 3m e c h 跚i c so f m 锄b r 锄ef o u l i n g 5 1 1 4d e v e l o p m e n to f m 锄b r a 咀e f o u l i n g 6 1 1 5h u m i ca c i d 一8 1 2s t u d yo nm 即曲r a n ef o u l i n gc o i l 臼的1 i nm 锄b m ep r o c e s s 9 1 2 1c o n 仃o lo f m c i ：n b 姗ef o u l i n gb yw a t e r w 嬲h i n g 9 1 2 2u s i n gg a s - b a c k w a s h i n gt 01 i m i tm 锄b 姗ef o u l i n gi nc o n c e n t r a t i n gt c m e x 仃a c tb yd c m d 1o 1 3 s t u d yo nn l eo p t i m i z a t i o no fc 0 1 1 d i t i o 邶a b o u tm 锄b m ef o u l i n g c o n t r o lw i m g a s - b a c k w a s h i n g 11 1 4o b j e c tf o r “sw o r k l3 1 5n l e p o i n to f i 珊i o v a t i o n 1 3 c h a p t e r 2s t u d yo nm e m b r a n ef o u l i n gc o n t r o l i nt r e a t m e n to fh u m i ca c i d s u s p e n s i o nb yd c m d 。l5 2 1t h e o r v 1 5 2 1 1t h et 锄叩e r a n 脱p r o f i l eo f h e a t 仃趾s f 打i 1 1d c m d 15 2 1 2r e s i s t a l l c ea i l a l v s i so f m a s s 仃a i l s f 打i nd c m d 1 6 2 2e ) 【p e r i m e n t a l 17 2 2 1e x p 舐m e n t a ls e t u pn o ws h e e t 17 2 2 2e x p 耐m 饥t a la p p a r a t u s 18 2 2 3e x p 耐m 饥t a lm a t 甜a l 一2 0 2 2 4e x p 甜m e n tc o n t a l t sm l dp r o c e d u r c 2 1 2 3r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 2 2 x i 北京化工大学硕士学位论文 2 3 1n ee 彘c to f t e i i 】p 咖t om 锄- b r a n ef o u l i n g 2 2 2 3 2t h ee 仃e c to f c 0 n c e n 妇t i o nt om 钮l b 胁ef 0 u l i n g 2 4 2 3 3t h ee 疏c to f n o wr a t et 0m 豇n b m e 如u l i n g 2 5 2 3 4n ee 彘c to f 劬r g a i l i cs a l tt 0m 锄b m e f o u l i n g 。2 7 2 3 5t h ee f f e c to f m 锄b 瑚em 酏e r i a lt 0m e i 】d b 舢ef o u l i n g 2 8 2 4c l e a n i n go ft l l em 伽b 瑚1 1 1 e 2 9 2 4 1t h ee 虢c to fd i 伍e r e n tc l e a i l i n gt i m e 3 0 2 4 1t h ee 任e c to fd i f f 醯e n tc l e 锄i n gn o w r a t e 3 0 2 5c 0 n f i g l l r a t i o no f l em 嘶b r a n ea n dr e s u l ta l l a l y s i s 3l 2 6s u m m a r y 3 4 c h a p t e r 3u s i n gg a s - b a c k w a s h i n g t ol i m i tm e m b r a n e f o u l i n g i n c o n c e n t r a t i n gt c m e x t r a c tb yd c m d 。3 5 3 1e ) 币e r i m t a l 3 5 3 1 1e x p e r h i l e n t a ls e t u pn o ws h e e t 3 5 3 1 2e x p e r i m e n t a ja p p a r a t u s 锄dm e d i c i n e 3 6 3 1 3e x p 舐m e n tc o r l t e l l t s 3 7 3 2r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 3 7 3 2 1t h ec 0 1 1 仃d lo f m 锄b 啪e 内u l i n gw i t hg a s - b a c k w a s h i n g 3 7 3 2 21 h ei n n u e l l c eo fg a sn o w r a t e 3 9 3 3 3t h ei n f l u e n c eo fg a s - b a c k w a s h i n gd u r a t i o n 4 0 3 3 37 n l ei n n u e n c eo f m ei n t e n n i s s i o nt i m e 4 3 3 3s u m m a l v 4 5 c h a p t e r 4s t u d yo nt h eo p t i m i z a t i o no fc o n d i t i o n sa b o u tm e m b r a n e f l o u l i n gc o n t r o lw i t hg a s b a c k w a s h i n g 。4 7 4 1t h ec 0 n d i t i o n sa n d 蹈s e s s m e i l to f g 嬲- b a c k w a s h i r 培。4 7 4 1 1t h ec o n d i t i o n sfg a s - b a c k w a s h i n g 4 7 4 1 2t h ea s s e s s m e n tf g 嬲- b a c k w a s l l i n g 4 8 x i i 4 2b 孤k w 枷n ga 礓p a t i o n 4 8 4 2 1p 础c t i o nc a p a 西t ) ro fm 豇n t 嘲i 圮m o d l l l e 4 8 4 2 2t h ee 伍c i 吼c yo f m 钮妇锄eb yba c k w 嬲h i n g 5 0 4 - 3t h e 锄a l y s i so fg 嬲- b a c k w a s i l i n g 5 0 4 3 1t h e 肌a l y s i so f p r o d u c t i o nc 印a c i t ) ，5 0 4 ；3 2t h ea 1 1 a l y s i so fe 伍c i e l l c y 。5 2 4 4s u n 埘a r y 5 3 c h a p t e r 5c o n c l u s i o n 5 5 r e f b r e n c e s 。5 7 a c k n o w l e d g e m e n t 。61 r e s e a r c ha c h i e v e m e n ta n dp u b l i s h e da r t i c l e s 。6 3 l ；r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o ra n ds u p e r v i s o r 。6 5 北京化工大学硕士学位论文 x 符号说明 符号说明 传热速率，w 热侧的传热系数，w m - 2 k 冷侧的传热系数，w m 2 k 污染层的传热系数，w m 之k 膜的混合传热系数，w n l - 2 k 水的蒸发潜热，l 【j k 菩1 膜组件的传质系数，k g i n - 2 s p a 跨膜通量，k g m 之h - 1 l m 。2 h - 1 初始跨膜通量或清水实验通量，k g m 。2 h 1 l n 1 2 h - 1 清洗后的跨膜通量，k g n 1 2 h 1 l m 2 h - 1 实验结束时的跨膜通量，k g m 2 h 1 l m 2 h 1 温度，k 热侧料液主体温度，k 冷侧料液主体温度，k 热侧料液流体在膜表面处的温度，k 冷侧料液流体在膜表面处的温度，k 污染层表面处的温度，k 总的压力，p a 水的饱和蒸汽压，p a 料液主体中易挥发成分的饱和水蒸汽压，p a 渗透液主体中易挥发成分的饱和水蒸汽压，p a 易挥发组分在膜表面处的饱和蒸汽压，p a 易挥发组分在膜表面处的饱和蒸汽压，p a 易挥发组分在污染层表面处的饱和蒸汽压，p a 气体常数，j m o l 一k 总跨膜传质阻力 实验开始时的总跨膜传质阻力 热边界层传质阻力 冷边界层传质阻力 c 矿参锄锄 所见 ， q砂b助址峨k肌够r驰驰私眦勿p p班耻i跏肋r如母昂 膜相阻力 污染层阻力 雷诺数 努赛尔数 普兰德数 水力学直径，m 孔径，m 膜的厚度，m 空隙率 曲率因子 膜面积，m 2 膜蒸馏常数 反冲洗前污染层阻力 反冲洗后污染层阻力 反冲洗效率 渗透液体积，d m 3 反冲洗时间间隔，m i n 反冲洗时间，m i n 渗透液产量，d m 3 m i n 1 枷 坳 助趣虬b磊j万 8 f彳后耽航刁矿如缈 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 腐植酸悬浮液的膜蒸馏过程 1 1 1 膜蒸馏介绍 用疏水微孔膜把不同温度的水溶液分隔开时，由于微孔膜的疏水性，膜孔均不能 被两侧的水溶液透过进入另一侧，但是由于热侧水溶液与膜界面的水蒸气压高于冷 侧，热侧的水蒸气就会透过膜孔进入冷侧而得到冷凝，这个过程就称为膜蒸馏过程 ( m e i l l b 砌ed i s t i l l a t i o n ，简称m d ) 。膜蒸馏是从2 0 世纪8 0 年代开始发展起来的， 根据定义可知，它的传质推动力是膜两侧温差而引起的水蒸气压力差【l 】，它是一种采 用疏水性微孔膜的新型分离技术【2 】。作为膜分离技术大家庭近年来出现的新成员，膜 蒸馏不仅具有一般膜分离技术相对于传统分离技术的优势，而且在实施过程中操作条 件温和( 常压，稍高于常温) ，不易改变溶液中组分的性质。这使得这个新型分离技 术逐渐推广起来，成为近年来的研究热点，这将会推动该技术的产业化。 区别于其它膜过程，膜蒸馏过程具有下面几个特征【3 】： ( 1 ) 所用膜必须为微孔疏水膜，并且所处理的液体也不能将膜润湿； ( 2 ) 毛细管冷凝现象在膜孔内不会发生； ( 3 ) 能通过膜孔介质的只有蒸气； ( 4 ) 所处理液体中所有组分的气液平衡不能被膜改变； ( 5 ) 至少有一面让膜与所处理的液体接触； ( 6 ) 对于任何组分，该组分在气相中的分压差是该膜过程的推动力。 由于膜下游侧冷凝方式的不同【3 1 ，膜蒸馏可以分为以下四种方式：直接接触式膜 蒸馏( d c m d ，d i r a c tc o n t a c tm 锄b r a l l ed i s 锄a t i o n ) 、气隙式膜蒸馏( a g m d ，缸g 印 m 锄b r 趾ed i s t i l l a t i o n ) 、气扫式膜蒸馏( s g m d ，s w e 印g a sm c i i l b r 锄ed i s t i l l a t i o n ) 和真 空膜蒸馏( v m d ，v a c u 啪m e n l b r 觚ed i s t i l l a t i o n ) 。 实验室中，直接接触式膜蒸馏是目前最为常用的一种膜蒸馏过程，在本论文中主 要对它进行研究，其主要特点有：与膜直接接触的分别是两种温度不同的流体，并且 这个膜组件的结构比较简单，而且渗透通量也非常大，最近很受实验室研究者的重视； 但这种膜蒸馏也有缺点：其中最重要的一点就是膜过程的热效率较低，主要原因是在 传质的同时，热流体的部分热能也同时进行热传导跨膜传热到达冷侧。 膜蒸馏的应用有海水淡化、超纯水制备、水溶液浓缩和含有挥发性物质水溶液的 处理【4 】( 如废水处理) 等等。随着人们对环境的要求提高，而作为万物之源的水的水 质要求当然也不能过低，膜蒸馏在这个废水处理的过程中恰恰能达到较高的要求，但 北京化工大学硕士学位论文 是由于膜材料的费用高昂、膜污染的严重使得膜蒸馏在废水处理的产业化还有一定的 距离。目前许多研究者正在大量开发研究新型廉价的膜材料，同时也有许多研究者在 膜污染机理上做了大量的研究，目的是寻找最佳且有效的膜污染抑制措施。膜蒸馏在 废水处理中更渴望成为一种廉价、高效的分离手段。膜蒸馏膜污染及其抑制技术的研 究将会推动膜蒸馏的进一步广泛应用。本论文针对这两项研究展开深入的讨论，提供 一定的基础理论依据。 目前大多数实验室规模的研究者都采用平板式平面膜，主要是因为平板式平面膜 比管式( 毛细) 或中空纤维膜的组建和使用更加方便，组件中平板膜的安装与拆卸、清 洗、检查和更新都更为容易。 1 1 2 直接接触式膜蒸馏中传热传质 图1 1 直接接触膜蒸馏过程中的传热 f 蟾1 - lh e a t 吮l s f 打i nd i r e c tc o n t a c tm 锄b i a n ed i s t i l l a t i o np r o c 懿s - 在我们所研究的直接接触式膜蒸馏过程中，传热和传质是耦合进行的。膜两侧的 温差不仅导致了传热，也导致了传质的进行。 这里主要讨论传热过程的情况，实验中无污染层形成、理想的直接接触式膜蒸馏 中的热量传递可以看做以下三个步骤【5 】，如图1 1 所示： 2 第一章文献综述 ( 1 ) 从热料液侧的边界层到膜表面的对流传热： q = j i i ，( 巧一互) ( 1 - 1 ) ( 2 ) 通过跨膜热传导的热量传递和膜孔内蒸汽流汇集热量： q = ：m 0 + 后。万( 互一正) ( 1 2 ) ( 3 ) 从渗透液侧膜表面到渗透液主体的边界层的对流传热： q = j i l p ( 互一引( 1 3 ) 膜蒸馏的跨膜传热是一个持续稳定的体系，通过热量平衡计算可以估计乃和乃 的值，结果如下： 正：坐生堕笠型垫生竺生( 1 - 4 ) 1 厅柳+ 厂( 1 + 办。 p ) 、7 l ：生! 堡塑型三! 些墨竺生( 1 5 ) 2 吒+ p ( 1 + k j j i p ) 、7 在以上公式中，知、砧分别是热物料侧和冷渗透侧的传热系数；乃、昂分别是热 物料侧和冷渗透侧的主体温度； 柳= 尼卅万是膜的混合传热系数；乃、乃分别是热物 料液侧和冷渗透侧的膜表面温度；凰是水的蒸发潜热( 相变焓) 。 边界层的热量传递系数可以通过经验模型计算【6 】 对于平板膜模型的层流( r p 2 0 0 0 ) ，努塞尔数可用下式计算： 舶旧玎3 m 6 ， 与此相反，对于湍流( 2 5 0 0 r 仄1 2 5 0 0 0 ，o 6 尸r 1 0 0 ) 巩的传热系数可以用下式计 算： 肌= 0 0 2 3 r e o 8 所”一( 1 7 ) 以是一个常数，当物料被加热时取o 4 ，当物料被冷却时取o 3 。 通过对跨膜传热过程的分析可以看出，对于一个特性的物系，如果可以测定相关 的物性参数，即