【精品优秀毕业论文】高通量空气隙膜蒸馏系统的机理及应用研究.pdf

题题 目 高通量空气隙膜蒸馏系统的机理及应用研究 英 文 题 目 目 高通量空气隙膜蒸馏系统的机理及应用研究 英 文 题 目 mechanism and application study on high flux air gap membrane distillation system 研究生 田研究生 田 瑞瑞 学 科 名 称 化 学 工 艺学 科 名 称 化 学 工 艺 指 导 教 师 刘 进 荣指 导 教 师 刘 进 荣 教 授教 授 二 八 年 十 月二 八 年 十 月 博士学位论文博士学位论文 分类号 学校代码 10128 分类号 学校代码 10128 u d c 学 号 20040005 学 号 20040005 摘摘 要要 空气隙膜蒸馏是一种新型的膜蒸馏技术 它除了具有一般膜蒸馏具有的可用低 品位能源 常温常压操作 蒸馏液纯度极高 蒸馏液不发生化学反应等优点外 空 气隙膜蒸馏还由于热液蒸汽与冷却液不直接接触 而具有蒸馏液可单独收集及热效 率高的特有优点 应用领域更为广泛 特别适用于有腐蚀性溶质或溶剂的提取以及 对放射性废液处理 海水淡化 地下水处理和饮用水制备等 这是其它蒸馏或分离 技术无法替代的 膜蒸馏的主要缺点是蒸馏通量小 如能发展一种高通量的空气隙 膜蒸馏组件 其蒸馏通量能接近或超过直接接触式膜蒸馏通量 对空气隙膜蒸馏系 统的应用推广很有意义 提高膜蒸馏通量可从开发新膜和设计新的膜组件以提高传热传质效率两方面 共同解决 本文发展了一种新型高通量空气隙膜蒸馏组件 其特点是采用可调切向 旋流供液改善膜面温度和浓度极化 采用很小的空气间隙使膜面可与冷壁部分接触 以减小空气隙的传热传质阻力 提高传热传质效率 本文揭示了这种新型膜组件的 传热传质机理 建立了相应的传热传质模型及数值分析软件和优化设计方法 并有 实验考核 1 改进并完善了高通量空气隙膜蒸馏实验系统 该实验系统是在原第二代膜 蒸馏实验系统的基础上 增大了热溶液循环系统流量调节范围和多支路调节供给功 能 研制了制冷循环及其控制系统 解决了冷端工质温度不稳定问题 增设了可调 节的多点温度量测装置 并改用多通道智能数据测试仪及计算机数据采集和处理 系统以提高温度量测及整体的实验量测精度 2 发展了一种新型高通量空气隙膜蒸馏组件 设计并制作了旋转切向入流膜 组件 大大改善了温度和浓度极化现象 提高了传热传质效率 有利于提高膜蒸馏 通量 并在冷工质容腔的冷壁设计了三角形的沟槽 在加快水蒸汽冷凝的同时 使 冷凝液沿三角形沟槽迅速流出 并采用小间隙及膜与冷壁部分接触以减小空气隙的 传热传质阻力 从而显著提高了蒸馏通量 3 实验研究表明 在一定的切向入流条件下 膜面接触率为 70 80 左右时 得到较为理想的实验效果 采用这种新的膜组件的空气隙膜蒸馏系统 如用自来水 作为热溶液 间隙为 1mm 冷热水温差为 65 时蒸馏通量可高达 120kg m2h 而传 统的空气隙膜蒸馏系统 间隙为 4mm 的最大蒸馏通量仅为 28kg m2h 本文还做 了热溶液为 15 的浓盐水和苦咸水的膜蒸馏通量实验 得到类似结果 同时还进一 步考核了采用超声激励的方法 以达到膜蒸馏的过程强化 实现提高膜蒸馏通量的 目的 实验结果表明 具有超声激励的膜蒸馏方法仍有一定的研究应用价值 运用 fluent 软件对空气隙膜蒸馏热容腔内的流场情况进行了模拟计算 分析比较了无切 向入流管与有切向入流管及切向入流管位置的不同对膜面冲刷的不同影响 结果表 明 切向入流增大了流体对膜面的冲刷 从而有利于膜面热侧温度边界层和浓度边 界层的破坏 有利于提高膜通量 4 本文建立了高通量的空气隙膜蒸馏系统一种新的传热传质模型 所建立的 传热传质模型 其特点是考虑空气隙内蒸汽冷凝及膜面与冷壁部分接触对传热传质 的影响 用此模型对六个膜面与冷壁有不同间隙厚度和不同接触程度的膜组件系统 预测得到的膜蒸馏通量与实验值误差除个别点外均小于 10 预测得到的空气隙内 蒸汽冷凝程度也和实验观察符合 说明其传热传质模型是正确的 5 本文开展了太阳能膜蒸馏用于淡化水的预研工作 为使膜蒸馏逐步从实验 室走向实际应用 并主要针对解决我国西部无电地区淡水缺乏问题 提出综合利用 低品位能源作为膜蒸馏的驱动力 设计了太阳能膜蒸馏集成系统 将太阳能光伏发 电系统 太阳能热利用系统和太阳能制冷系统应用到膜蒸馏过程中 使其与膜蒸馏 构成一集成系统 并建立该集成系统各个部分的数学模型和相应的仿真模型 运用 labview 开发平台 编制了太阳能膜蒸馏集成仿真系统 模拟仿真膜通 量分析比较 结果表明 模拟仿真结果与实验结果的相对误差小于 10 说明该仿 真系统具有较好的预测性和通用性 通过搭建 太阳能膜蒸馏仿真系统 基本完善 了该系统的实际运行装置的设计思路及设计方法 为下一步工作进行了探索性研 究 关键词 空气隙膜蒸馏 膜组件 传热传质 超声激励 太阳能膜蒸馏 abstract air gap membrane distillation agmd is an innovative membrane distillation technique agmd separation process not only has the advantages common in membrane distillation system such as using low grade energy operating under low temperature and pressure yielding highly purified permeate and no chemical action in distillation solution but also has its own advantages that is distillation solution can be collected alone and its thermal efficiency is high because its permeate vapor is not direct contact with cooling liquid consequently its application is more widespread than other membrane distillation and separation technique especially in corroding solution extraction radiate wastewater treatment sea water desalination subterranean water treatment and drinking water production the main disadvantage of agmd is low membrane permeate if we can develop a new high flux air gap membrane distillation module in which membrane flux is close to or exceeds the flux of direct contact membrane distillation it will be more valuable to commercial application of agmd there are two methods to improve the flux one is to develop new membrane material the other is to design new membrane module which can provide high heat and mass transfer efficiency in this paper a new high flux air gap membrane distillation module is developed its characteristics are adopting a rotation and tangential inlet pipe in the module to improve the temperature and concentration polarization and lessening the air gap width to decrease the resistance of mass transfer in the air gap and improve the efficiency of heat transfer the mechanism of heat and mass transfer of the high flux membrane distillation module is studied in this paper and the mathematic model and optimum design methods for this new membrane distillation module are also researched with experiment demonstration 1 improve and perfect the high flux membrane distillation experiment system based on the former experiment system the flow regulation range is enlarged in this new experiment system at the same time the refrigeration cycle and control system for experiment system is developed to solve the problem of unstable temperature in cooling side the adjustable multipoint temperature test devices that install the intelligent measure instrument and computer system to collect and manage data are adopted to improve the temperature test and the whole experiment test precision 2 develop a new style high flux membrane distillation module the rotation and tangential inlet flow membrane module is designed and manufactured the temperature polarization and concentration polarization in this module are reduced thus the heat and mass transfer efficiency and flux are increased the v grooves are machined in the surface of cooling plate to make vapor condense rapidly and condensed water flow out alone grooves more rapidly lessen air gap width to make membrane contact partly with cooling plate so the mass transfer resistance is reduced and flux is improved distinctly 3 experiments proved that the ideal experiment result will be obtained when 70 80 membrane surface contact with cooling plate under some rotation and tangential inlet conditions the permeate flux of the new module was about 120kg m2 h with water as feed solution 1mm air gap width and temperature difference up to 65 however the maximum flux of conventional air gap membrane distillation system is 28 kg m2 h with air gap width 4mm in this paper the same results are obtained when using 15 wt salt solutions the ultrasonic technique is also adopted to enhance the membrane distillation process and improve membrane permeate flux the experiment results showed that ultrasonic technique is of research and application value to membrane distillation the flow field in hot solution cavity is simulated by software of fluent the influence of tangential inlet pipe and position of inlet pipe on flow field near the membrane are compared it indicated that tangential inlet flow increased the scour for membrane surface therefore the temperature and concentration boundary layer were destroyed and membrane flux was increased 4 a new heat and mass transfer model for high flux membrane is proposed in this paper the characteristic of this model is to taking the effect of vapor condenses in air gap and membrane contact with cooling plate on heat and mass transfer into consideration the error between flux predicted by this model and experiment results is less than 10 under six different air gap width and membrane and cooling plate contact degree the prediction of condensate in air gap agrees with the measurement data that indicates the heat and mass transfer model is correct 5 the solar driven membrane distillation system for desalination is also prepared beforehand in this paper in order to make membrane distillation technique enter the commercial market from laboratory and to solve the problem of freshwater shortage in western area where there is no electricity the solar driven membrane distillation system is proposed which can use low grade energy as driven power the assemble system applied solar photovoltaic system solar heating system and solar refrigeration system to membrane distillation system the mathematic model and simulation model of every system are also proposed in this paper the simulation system of solar driven membrane distillation is studied by software labview the comparison result showed that the error between simulation and experiment data is less than 10 it is proved that the simulation system has good prediction and generality the design idea and design method for the real assemble system are perfected through building the simulation software for solar driven membrane distillation system so the exploratory research was done for the future work key words key words air gap membrane distillation membrane module heat and mass transfer ultrasonic solar membrane distillation 目 录 目 录 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 1 概述 1 1 2 膜蒸馏原理及分类 2 1 2 1 膜分离及其分类 2 1 2 2 膜蒸馏原理及分类 3 1 3 国内外研究进展 4 1 3 1 膜蒸馏技术的早期研究 4 1 3 2 直接接触膜蒸馏技术研究 6 1 3 3 空气隙膜蒸馏技术研究 8 1 3 4 温度和浓度极化研究 9 1 4 本文的主要工作 13 第二章第二章 空气隙膜蒸馏实验系统与膜组件空气隙膜蒸馏实验系统与膜组件 15 2 1 实验系统与膜组件 15 2 1 1 膜组件 17 2 1 2 膜材料 19 2 1 3 热溶液循环系统和冷却水循环系统 20 2 2 系统主要参数测量 21 2 2 1 温度测量 21 2 2 2 流量测量 22 2 2 3 膜蒸馏水纯度的测量 24 2 3 超声激励系统主要设备 24 第三章第三章 空气隙膜蒸馏过程强化实验研究空气隙膜蒸馏过程强化实验研究 26 3 1 实验系统及实验条件 26 3 2 旋转切向入流对膜通量的影响 27 3 2 1 旋转入流结构及其流场可视化分析 27 3 2 2 实验结果分析 28 3 3 膜组件间隙对膜通量的影响 31 3 3 1 膜组件间隙状态分析 31 3 3 2 实验结果分析 33 3 3 3 盐水的实验结果分析 34 3 4 系统蒸馏通量增量分析 35 3 5 超声激励对膜蒸馏实验的影响 35 3 5 1 具有超声激励的膜蒸馏实验系统 36 3 5 2 超声激励对空气隙膜蒸馏过程的影响 37 3 6 膜蒸馏系统用于苦咸水淡化的应用研究 41 3 6 1 实验系统 41 3 6 2 水质分析 43 3 6 3 系统稳定性分析 43 3 7 膜蒸馏实验数据的复现性分析 46 第四章第四章 膜组件热容腔流场数值模拟膜组件热容腔流场数值模拟 47 4 1 数值模拟 47 4 1 1 热容腔切向入流管布置 47 4 1 2 网格划分 47 4 1 3 控制方程 48 4 1 4 边界条件 49 4 2 实验结果与数值模拟比较分析 51 4 2 1 第 代膜组件的模拟结果 51 4 2 2 第 代膜组件的模拟结果 54 第五章 空气隙膜蒸馏系统的传热传质模型第五章 空气隙膜蒸馏系统的传热传质模型 59 5 1 空气隙膜蒸馏的传热传质分析和建模 59 5 1 1 经典的膜蒸馏理论计算模型 59 5 1 2 空气隙膜蒸馏的传热传质分析和建模 61 5 2 实验确定的几个系数 64 5 2 1 对流换热系数 64 5 2 2 膜内质量传递修正系数 64 5 2 3 空气隙厚度修正系数 64 5 3 预测结果与实验比较和分析 65 5 3 1 预测结果与实验比较 65 5 3 2 空气隙中冷凝率 67 第六章第六章 太阳能膜蒸馏系统建模与仿真太阳能膜蒸馏系统建模与仿真 69 6 1 太阳能膜蒸馏系统的数学模型 69 6 1 1 倾斜面上太阳辐射强度的计算模型 69 6 1 2 真空管太阳能热水器数学模型 70 6 1 3 恒温水浴内部的数学模型 71 6 1 4 膜蒸馏传热传质过程数学模型 71 6 1 5 太阳能喷射式制冷数学模型 72 6 1 6 太阳能光伏发电系统数学模型 73 6 2 太阳能膜蒸馏系统仿真模拟 74 6 2 1 太阳能膜蒸馏系统仿真程序框图 74 6 2 2 太阳能膜蒸馏系统装置示意图 75 6 3 labview 软件模拟结果与结论 76 6 3 1 太阳能光伏发电系统的模拟 76 6 3 2 膜通量的理论模拟与实验的比较 77 第七章第七章 结论与展望结论与展望 80 7 1 论文的主要工作进展 80 7 2 论文工作展望 82 参参 考考 文文 献献 83 致致 谢谢 94 在读期间取得的科研成果在读期间取得的科研成果 95 1 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 概述概述 空气隙膜蒸馏是一种新型的膜蒸馏技术 它除了具有一般膜蒸馏具有的可用廉 价能源 工业废热 太阳能和地热等 常温常压操作 蒸馏液纯度极高 蒸馏液 不发生化学反应等优点外 空气隙膜蒸馏还由于热液蒸汽与冷却液不直接接触 而 具有蒸馏液可单独收集及热效率很高的特有优点 1 因而其应用领域更为广泛 特 别适用于有腐蚀性溶质或溶剂的提取以及对放射性废液处理 2 3 工业 食品和药物 等废液中有用或有害物质提取 4 5 6 海水淡化 地下水处理和饮用水制备 7 8 等 这是其它蒸馏或分离技术无法替代的 膜蒸馏的主要缺点是蒸馏通量小 一般的空 气隙膜蒸馏系统的蒸馏通量比直接接触式膜蒸馏 蒸馏通量在 2 8 129kg m2h 而 空气隙膜蒸馏最大通量为 28kg m2h 更小 这是阻碍空气隙膜蒸馏推向工业应用的 主要问题 如能发展一种高通量的空气隙膜蒸馏组件 使其蒸馏通量能接近或超过 直接接触式膜蒸馏通量 对空气隙膜蒸馏系统的应用推广很有意义 膜蒸馏的传质传热涉及到膜的多孔结构 相变等因素 机理研究难度大 尚待 完善 特别是现有空气隙膜蒸馏传质传热模型均作空气隙中无冷凝假定 13 15 但在 我们的实验中可以明显的看到蒸气在空气隙中凝结的现象 空气隙中的冷凝程度对 传质传热影响很大 所以深入的机理研究必须考虑空气隙中的冷凝问题 膜蒸馏技术发展的主要方向是开发新的膜材料和开发新的膜组件 提高系统的 蒸馏通量和热效率 1 5 6 13 前者属于高分子材料和化学工程 后者属于传质传热和 机械工程 两方面应共同解决 相互促进 如何提高蒸馏通量是空气隙膜蒸馏的重 要研究方向 为此许多学者采用各种手段和方法来提高系统的蒸馏通量 主要有机 械与电磁搅拌 1 超声激励 12 17 等 但这些手段对蒸馏通量的改善有限 而且还需 昂贵的附加设备 难以推广 本文发展了一种新的空气隙膜蒸馏膜组件 其特点是采用可调切向旋流供液改 善膜面温度极化和浓度极化 并采用很小的空气间隙使膜面与冷壁部分接触提高传 热传质效率 在 20cm2工作膜面积的空气隙膜蒸馏系统中 在冷热自来水温差为 2 55oc 的条件下 蒸馏通量可达 110kg m2h 是文献 12 13 给出蒸馏通量的三倍 目前在已积累大量实验数据基础上 开展理论分析并推广到大膜面组件和工程实际 应用 本文探索了这种新型膜组件的传热传质机理 建立相应的传热传质模型及数 值分析软件和优化设计方法 并有实验考核 其特色是考虑空气隙内蒸汽冷凝 膜 面变形及膜面与冷壁接触对蒸馏通量的影响 为发展新型高通量膜蒸馏系统奠定理 论基础 本文研究工作的主要应用背景是利用西部地区苦咸水解决饮用水问题 处 理苦咸水提取饮用水的要求是可用低价能源 常温常压操作 成本低 蒸馏通量大 等 这正是高通量空气隙膜蒸馏的应用领域 以及工业废液 特别是腐蚀性和放 射性废液 处理 1 2 膜蒸馏原理及分类膜蒸馏原理及分类 1 2 1 膜分离及其分类膜分离及其分类 表 1 1 几种膜分离过程一览表 tab 1 1 list of several membrane separation processes 过程过程 膜类型膜类型 推动力推动力 透过物质透过物质 被截留物质被截留物质 反渗透 ro 多孔膜 0 7 8nm 压力差 0 1 2kg cm2 水 全部悬浮物 溶解 物 和胶体 超过滤 uf 多孔膜 6 70nm 压力差 1 10kg cm2 溶剂和离子及 小分子 胶体 各类 大分子 微过滤 mf 多孔膜 0 07 5 m 压力差 10 70kg cm2 水 溶剂 溶 解成分 胶体 悬浮物和 各种微粒 透析 di 离子交换膜 0 8 9nm 浓度差 离子 低分子 量 有机质 酸 碱 分子量大于 1000 的 溶解物和悬浮物 渗透蒸发 pp 均质膜 0 1 0 7nm 浓度差 蒸汽 液体 电渗析 ed 离子交换膜 0 8 9nm 电位差 离子 所有非电解离子和 大分子颗粒 膜蒸馏 md 多孔膜 0 1 5 m 温度差 蒸汽 液体 所有悬浮物和 微粒 早在 200 多年以前 人们就揭示了膜分离现象 然而直到 20 世纪 60 年代 膜 蒸馏技术才进入工程技术领域 70 年代 随着膜分离装置的工业化生产 膜分离技 3 术 在 各 个 工 业 领 域 及 科 学 研 究 中 得 到 广 泛 应 用 首 先 出 现 的 是 超 过 滤 ultrafiltration 简称 uf 和微孔过滤 microfiltration 简称 mf 然后才出现反 渗透 reverse osmosis 简称 ro 这些膜分离技术已日趋成熟 且被成功用于水 处理 工业分离 废水处理和实验室分离等领域 新的应用领域包括生物工程 食 品处理 环境技术和气体分离等 且伴随着膜技术的进步而迅速发展 由于水资源 和低品位原材料回收与再利用 以及环境保护 如废水处理 都与膜分离过程紧密 相关 膜技术的重要性日趋显著 在不同的工业领域确立了自身的地位 9 10 随着科学技术的发展 膜蒸馏技术作为一种廉价 高效的分离手段 受到普遍 关注和迅速发展 特别到了 20 世纪 80 年代 发展要求节约能源 利用低品位能源 采用新的环保技术 同时制膜技术的发展 膜蒸馏日益受到重视 1 2 2 膜蒸馏原理及分类膜蒸馏原理及分类 膜蒸馏是一种新的净化水和浓缩水溶液的膜分离方法 它利用微孔疏水的有机 膜进行分离 膜将冷热两股水溶液分开 由于膜两侧水溶液温度不同 膜两侧水蒸 汽的分压就不同 于是水便汽化并以气体扩散的形式通过微孔内静止空气层由膜的 热侧传递到冷侧 传递到冷侧的水蒸汽重新冷凝成水 从而达到液相水与气相水分 离的目的 因而 膜蒸馏是一个蒸发过程 但和减压蒸发相比 不需要真空系统即 可达到低温蒸发水的目的 膜蒸馏冷侧除用冷却水外 还可以是空气隙 真空或扫 气 根据膜组件的不同结构和透过膜的蒸气的不同冷凝方式 膜蒸馏过程有四种常 用的结构形式 10 11 见下图 1 1 图 1 1 膜蒸馏结构类型图 fig 1 1 the structure of the type of membrane distillation 4 1 直接接触式 direct contact membrane distillation 简称 dcmd 膜的冷 侧直接与冷却水接触 蒸气透过膜孔后立即在膜冷侧冷凝下来 这种方式所需设备 简单 操作最简便 但由于渗透蒸气直接与冷凝介质相遇 通常只适用于主要成分 是水蒸汽的膜蒸馏过程 如脱盐和水溶液浓缩 此外 在这种结构中 由于汽化面 和冷凝面相距很近 伴随很高的传导热 热效率很低 2 空气隙式 air gap membrane distillation 简称 agmd 冷凝面与膜通过 一个空气隙 一般大约为 1 4mm 隔开 增加的空气隙提高了热传导阻力 大幅 度减少膜的热传导损失 得到较高的传热效率 但这样其传质阻力也增加了 除非 系统去除气体 导致 agmd 的通量一般小于其它 md 结构 16 然而 agmd 比 dcmd 用途更加广泛 既可用于 dcmd 适用的场合 还可去除水溶液中的痕量挥 发性成份 另外 在 agmd 中不用考虑渗透物浸润膜的现象 因为浓缩的冷凝渗 透物不与膜接触 3 扫气式 sweeping gas membrane distillation 简称 sgmd 透过膜的蒸 气在膜冷侧被空气带走 冷凝在附加的冷凝设备中进行 其工作量很大 因为在大 量扫气中只有一点气化的渗透物 因此 有关 sgmd 的使用研究很少 88 89 尽管它 将 agmd 的低热传导损失和 dcmd 的低传质阻力结合于一身 4 真空式 vacuum membrane distillation 简称 vmd 将膜的冷侧减压抽成 真空 使得渗透侧的压力低于蒸气的饱和蒸气压 而冷凝在组件外进行 vmd 相 对于其它 md 结构的优点之一是通过膜的热传导损失可忽略不计 18 19 80 89 sgmd 和 vmd 与 dcmd 和 agmd 相比有较高的通量 不过需要附加复杂的 冷凝设备 它们一般用于在溶液中提取易挥发有机物或溶于溶液中的气体 需要指 出的是 在真空膜蒸馏中 由于膜两侧的压差较大 应该注意保持膜的疏水性 以 防膜浸润 1 3 国内外研究进展国内外研究进展 1 3 1 膜蒸馏技术的早期研究膜蒸馏技术的早期研究 膜蒸馏技术的发展可追溯到 60 年代 人们便开始膜蒸馏技术的研究 1963 年 美国的 bodell 首次在他的专利申请中对膜蒸馏的初步成果进行了介绍 bodell 使用 一种管式硅橡胶膜 膜管外径 0 64mm 内径 0 30mm 该膜可渗透气体而液体不能 5 渗透 渗透的气体被吹过平行放置的硅膜之间的空气冷凝 再集中于一外部冷凝器 1967 年 weyl 54 在美国专利中就发现了 一种含空气的多孔疏水性膜 能在压 力系统中将盐水转变为软化水 他提出的改进脱盐效率的新装置通量很小 仅有 1kg m2 h 据 weyl 称 它 在最小的外部能量 最低的资金和最少的装置占地下操 作 虽有这些优点 但比较起反渗透 通量 15 75 kg m2 h 来通量太低 所以 60 年代末期 人们用膜蒸馏脱盐的兴趣仅持续了几年 60 年代末 findley 55 公布了多种膜材料进行膜蒸馏试验的原始数据 膜材料包 括纸 胶合板 玻璃纤维 赛珞玢 尼龙和硅藻土 其中大部分用硅树脂 特氟龙 或防水剂处理以得到所需要的憎水性 findley 设法就膜中空气截留 膜厚 传导热 耗和孔隙率造成的影响进行了定性分析 findley 的结论为 如果可以得到低成本 高温 长寿命和有其它所需特征的膜 这种方法可以成为一种经济的蒸发方法 同 时也是转化海水的一个重要的可能方案 直到 80 年代 随着新的制膜技术的涌现和低价位的能源的利用 膜蒸馏的优 点才引起了人们的注意 并激发了研究此项技术的兴趣 64 80 年代早期 制膜技术 可以得到高达 80 孔隙率和 50 m 厚的膜 与在 60 年代 weyl 和 findley 用的膜相 比 渗透率 流量除以压差 提高了 100 倍 膜组件设计的改进及进一步认识温度 和浓差极化对膜蒸馏性能的影响 也促使人们恢复了研究膜蒸馏的兴趣 而膜蒸馏 技术发展为一种富有挑战性的分离过程 80 年代初 美国 gore 和 associates 公司 瑞士国家发展公司及德国 enka ag 公司开始在膜蒸馏组件中测试他们的自己膜 并希望它们能商品化 gore 开发了一 种卷式膜组件 命名为 gore tex membrane distillation 的系统 由于其热效率低 在商业化前这个项目被放弃了 瑞士国家发展公司采用平板框架结构的 su 膜蒸 馏 系统 enka ag 开发了中空纤维做的传递膜蒸馏 transmembrane distillation 组件 他们在各自的系统开发上进行了大量学术研究 并发表了一些理论模型和实验 结果 80 年代末 enka 推出了用于商业化生产的膜蒸馏系统 但反映冷淡 1985 年 hanbury 等用实验验证用 gore 的系统制造超纯水的可行性 指出此系统的传热效率 低 因而对该技术的实用性提出了质疑 然而他们特殊的组件设计并不能适应别的 系统 6 1 3 2 直接接触膜蒸馏技术研究直接接触膜蒸馏技术研究 膜蒸馏技术的发展开始于直接接触式膜蒸馏 因此回顾其发展历史有助于更好 地了解膜蒸馏过程的研究 这方面研究的理论和试验比较多 并取得了很多有价值 的成果 澳大利亚的 schofield 等人的研究工作比较系统 20 22 得到了多数研究者的 认可 1985年意大利的德里奥里和中国的吴庸烈利用此技术处理盐水溶液和葡萄糖溶 液 31 研究了通量与温差 溶液均温 压差 浓度的关系 同年 sarti 等也对直接 接触膜蒸馏在处理盐水的用方面进行了研究 主要考虑膜两侧温差对通量的影响 1987 年 王英 57 等人进行了直接接触膜蒸馏技术分离提纯天然盐水中食盐和芒 硝的研究 试验结果对 nacl na2so4具有 95 1 至 98 8 的脱盐率 1989 年 吴庸烈 56 等利用膜蒸馏技术对人参露和洗参水进行浓缩处理 回收人 参加工过程产生的废水中所含的人参皂甙 氨基酸和其它微量元素 并用气相色谱 法分析挥发组分的变化情况 试验中人参皂甙的截留率达到 90 1990 年 schofield 20 21 等通过降低液体压力来测试膜孔中空气分压的降低对蒸 流通量的影响 发现气相的渗透性大大加强 但因此也加大了温度极化 结果蒸馏 通量变化不大 他们基于努森扩散和泊肃叶流动传质机理 考虑到温度极化 得到 了计算蒸馏通量的半经验公式 同年 schoield 21 等用直接接触式膜蒸馏系统处理 高浓度盐水溶液和蔗糖溶液时 发现其蒸馏通量较低 他们认为这是因为系统中蒸 汽压降低和溶液粘性变大造成的 1991 年 余立新 58 等人用直接接触膜蒸馏法初步研究了古龙酸水溶液的浓缩问 题 文章根据过程机理对实验结果进行了分析讨论 在考虑温度边界层影响时 理 论计算值和试验值相差不大 但水通量值都较低 计算值和试验值分别为 5 24kg m2 h 和 4 91kg m2 h 试验中得到的热效率在 20 30 之间 是比较低的 bandini 22 等为了研究膜蒸馏通量与膜两侧温度差的关系 提出了一个简单的检验膜 蒸馏现象的灵敏度标准 1992 年 刘茂林 59 等人根据直接接触膜蒸馏过程的传热传质机理 对其热效率 进行了系统的理论分析和实验研究 研究指出热效率和选用的膜有关 孔径大 孔 隙率大的膜热效率高 同时还得出 热效率随热液入口温度上升而增大 随热液浓 度增大而下降 在实验条件下 对于孔径 1 0 m 孔隙率为 0 65 的膜 热效率在 35 45 的范围内 试验中热侧为 cacl2水溶液时的最大水通量为 10 73kg m2 h 蒋维 7 钧等人针对前人理论模型的不足 对直接接触膜蒸馏的过程机理进行了深入研究 建立了较为完善的数学模型 51 在计算模型中 考虑了温度极化和浓度极化的影响 其所有参数中仅有膜器内传热系数需经试验给出 蒋维钧等指出 如不考虑温度极 化 则水通量的计算值将比实验值大 70 220 而对溶液浓缩进行计算时 必须 考虑浓度极化的影响 1993 年 刘家祺 60 等提出了直接接触膜蒸馏法确定膜结构参数的试验和模拟方 法 与直接测试方法相比 它能同时提供较准确的全部膜结构参数值 这些结构参 数是膜厚 孔隙度 公称微孔尺寸 弯曲因子等 俄罗斯 agashichev 和 sivakov 24 基于质量和热量平衡方程 利用水动力 温度和浓度边界层理论 在考虑温度 浓 度极化影响的前提下提出了一个直接接触膜蒸馏的复杂数学模型 并建议用迭代的 方法计算在平板框架膜组件中膜面处的温度和浓度 1996 年 齐跃 61 等应用膜蒸馏原理结晶酞菁化合物 试验中制得的 2 型酞菁氧 钛具有比其它晶型酞菁氧钛更为优越的光导性能 他们提出了膜蒸馏的一种新的应 用思路 根据其最基本原理通过调节膜孔径和温度等参数来追求小的水蒸汽通量 以满足缓慢结晶的需要 这与通常在膜蒸馏中希望获得高的水通量相反 akrzewska trznadel 等用膜蒸馏技术处理放射性水溶液 指出在膜孔中分子扩散模 型和努森扩散模型预测的结果与实验数据比较符合 同年 lawson 15 等基于气体通 过多孔介质的尘气 dusty gas 模型提出了一个新的直接接触膜蒸馏理论模型 在 此模型中努森扩散是主要的膜孔传质机理 并设计了一种新的实验组件 指出此组 件的蒸馏通量可与反渗透的通量媲美 不过其有效面积很小 只有 9 7cm2 1997 年 冯文来 105 等利用自制的 pvdf 管式复合微孔膜组件进行了生物酶制 剂 腹蛇抗栓酶的膜蒸馏浓缩试验 在透过侧压力为 13 33kpa 温度为 20 时 其 通量可以达到 7 11 kg m2 h 酶的回收率达 84 1999 年 李凭力 106 等运用直接接触膜蒸馏技术以纯水和 nacl 水溶液为实验物 系 采用聚丙烯中空纤维微孔膜分别进行了渗透膜蒸馏 纯水介质膜蒸馏和盐水强 化膜蒸馏实验研究 考察了盐水浓度和操作温度对膜蒸馏传质通量和热效率的影 响 并对三种形式膜蒸馏的实验数据进行了对比 结果表明 盐水强化措施可以有 效地提高膜蒸馏传质通量 并使过程的热效率显著提高 2001 年 丁忠伟 42 等以纯水为介质 用直接接触式膜蒸馏测定了材料或性能参 数不同的三种多孔疏水膜在不同温度下的渗透通量 根据测量结果计算出了各种膜 8 在不同温度下的渗透系数 发现渗透系数均随着温度的升高而升高 这一结果说明 poiseuille 流动在跨膜传质中起着非常重要的作用 据此提出了 knudsen 扩散 poiseuille 流动两参数跨膜传质模型 即 tpkpt 模型 此模型为膜蒸馏的跨膜传质 过程模型提供了新的思路 1 3 3 空气隙膜蒸馏技术研究空气隙膜蒸馏技术研究 空气隙膜蒸馏的理论和试验研究起步较晚 80 年代中期才开始空气隙膜蒸馏技 术的理论研究 1985 年 jonsson 26 等首先在膜蒸馏的理论模型中引入一层空气隙 它把此模型中的传热传质过程分为六步 并作出便于分析的假设 这些假设没有考 虑温度和浓度极化的 因而理论结果得到的蒸馏通量较高 在热液温度为 80 和冷 侧温度为 20 空气间隙是 0 5mm 时 通量达 70kg m2 h 空气间隙厚度在 0 1mm 之间时 蒸馏通量变化很快 当空气间隙为 5mm 时 膜厚和孔隙率对通量的影响 可以忽略不计 1987 年 日本的 kimura 等利用平板 ptfe 膜做了多种水溶液实验 其中包括 醋酸 acetic acid 蚁酸 formic acid 中国柑桔果汁 mandarin orange juice 和牛奶液 在他们的实验中发现高浓度粘性溶液会降低渗透通量 且在处理牛奶液 时 由于油的粘结膜容易发生阻塞 文中还指出膜蒸馏技术具有膜耐腐蚀和不容易 阻塞的特点 1990 年 kurokawa 41 等用浓的 libr 和 h2so4 溶液研究了浓度极化对蒸馏通量 的影响 认为由于温度和浓度极化的影响 随着浓度的增加 通量下降 试验中溶 质截留因子超过 99 9 同时考虑传热传质机理和浓度极化的作用 kurokawa 研 究了空气隙膜蒸馏系统的渗透特性 据 kurokawa 的模型 渗透流量 f 与膜面热侧 和冷凝壁面水蒸汽的饱和压力差 p 成正比 即 f k p k 是膜特性系数 不过 在实验中这种压力差很难直接测得 1998 年 banat 15 等利用 pvdf 平板膜进行了人造海水的脱盐试验 考察了温 度 热溶液和冷却水流量以及空气间隙等对蒸馏通量的影响 运用 stefan 扩散理论 来讨论传质问题 利用汽 液平衡方程来讨论冷凝处的传热问题 并考虑温度和浓 度极化的影响 得到求解蒸馏通量的方程组 该公式在溶液温度较低时 30 40 与实验结果符合较好 但误差随着溶液温度的上升而增大 而且其公式涉及的参数 太多 实际运用时很难确定 最后他们还对系统进行了 10 天的长时间运行测试 9 发现通量减小不大 1 2kg m2 h 1 3kg m2 h 姚鹏等对固定化酿酒酵母细胞发酵与 膜蒸馏耦合生产乙醇进行了实验研究 他们采用气隙式膜蒸馏装置得到与耦合发酵 实验相同条件下乙醇 水体系的渗透通量和分离因数分别为 1500g m2 h 及 2 0 左 右 而实际耦合发酵过程中渗透通量平均值为 1000g m2 h 左右 渗透通量下降了约 33 而分离因数基本稳定 指出 这种下降主要是由于发酵液中酵母细胞 无机 盐 糖类 各种有机物的存在和积累所引起的膜污染造成的 1999 年 刘光良 12 13 等采用一维定常流动及空气间隙层中不冷凝的假定 对空 气隙膜蒸馏系统的传质传热机理进行了理论研究 数学推导中采用量阶分析法 提 出小量假设 导出了计算蒸馏通量的理论公式 还通过膜蒸馏实验测定自来水 盐 水 染色水和碱溶液等 4 种不同溶液