直接接触式膜蒸馏脱盐的实验研究

1、直接接触式膜蒸馏脱盐的实验研究1张珊珊1， 王军2，何绪文1，栾兆坤21. 中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京 (1000832. 中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室，北京 (100085E-mail ：uptsuny摘 要： 本文采用孔径为0.6m 的PVDF 中空纤维疏水膜，分别对0.6mol/L和1.0mol/L的氯化钠溶液进行直接接触式膜蒸馏实验(简称DCMD ，并与去离子水的膜蒸馏实验进行对比，研究了在膜蒸馏运行过程中热侧运行温度、热侧溶液浓度以及冷热两侧运行流速对直接接触式膜组件通量的影响，以确定直接接触式膜蒸馏脱盐的最佳运行条件，为实际的工业应用提供实验

2、依据。结果表明：对于氯化钠溶液来说，其浓度越低相应的膜通量越高，但差异不显著；从经济性的角度分析，维持冷侧温度在25，热侧温度控制在50，冷热侧流速分别控制在0.1m/s 和0.8m/s时的膜蒸馏运行情况最佳。关键词：PVDF 中空纤维疏水膜；膜蒸馏；脱盐中图分类号：1. 引 言一直以来，在(热 电场、石化、钢铁、造纸等工业领域均存在着巨大的除盐需求。目前，脱盐技术主要指：（1）蒸馏法 其中包括，单级蒸发（F ）、多级闪蒸（MSF ）、浸管蒸发（ST ）、压缩蒸发（VC ），水平管蒸发（HTE ）、垂直管蒸发（VTE ）；（2）选择渗透膜法 其中包括，电渗析（ED ）、反渗碳透（RO ）、超滤

3、（UF ）；（3）混合法（HYB ）。可用于脱盐的工业化方法主要有蒸馏法、离子交换法、反渗透法和电渗析法等1。蒸馏法不受处理水中含盐量的限制，但设备需国外引进，且管道结垢和腐蚀严重1，2；离子交换技术虽然设备造价不高，但需要大量的酸、碱用于再生，运行费用高，而且再生废液无法消化，易造成二次污染；反渗透和电渗析等膜分离技术虽然具有设备简单、体积小、操作程序单一、分离系数较大、节能、高效和无二次污染等优点，但设备投资较大。近些年来，随着膜材料的发展，膜蒸馏技术得到了世界各国广泛的关注。膜蒸馏技术已经被用于苦咸水和海水处理生产纯水3,4，在果汁的浓缩方面也得到了应用5,6。膜蒸馏技术是利用多孔疏水膜

4、，以膜两侧的蒸汽压力差为驱动力的膜分离过程。膜的两侧是温度不同的两种溶液，由于膜的疏水性，两侧溶液均不能透过膜。由于高温侧水溶液与膜界面的水蒸汽压高于低温侧，因而，水蒸汽会从高温侧透过膜孔进入到低温侧并冷凝下来，而高温侧的溶液会不断被浓缩，所以出水的水质很高。理论上通过膜蒸馏除盐的产水率可以达到100，这是现有几种工业除盐技术根本达不到的。在（热）电厂、石化、钢铁、造纸、等工业领域不仅存在巨大的除盐需求，而且存在大量的低品质废热。为膜蒸馏技术的应用提供了得天独厚的条件。通过膜蒸馏技术，恰恰具有将工业系统中存在的废热资源与工业除盐需求相结合的可能。本文通过对两种不同浓度氯化钠溶液的膜蒸馏实验，研

5、究膜蒸馏运行过程中热侧运行温度、热侧溶液浓度以及冷热侧运行流速对直接接触式膜组件通量的影响，以确定直接接触式膜蒸馏脱盐的最佳运行条件，为实际的工业应用提供实验依据。 1 基金项目：十一五国家科技支撑计划项目（小城镇饮用水处理药剂、材料与设备研制）2. 实验装置与方法实验装置为自制的直接接触式膜蒸馏实验装置，如图1所示。热侧溶液经过恒温水浴加热后泵入到自制的膜蒸馏组件中膜丝的内侧。同样冷侧溶液也经过冷却后泵入到膜组件中膜丝的外侧。热侧和冷侧溶液逆流运行。热侧循环和冷侧循环均是通过磁力泵实现的。膜组件的进出口处均安装有温度计，以便随时观察并记录温度变化。维持冷侧进水温度25不变，改变热侧进水温度以

6、及冷热侧的循环流速进行实验，记录不同条件下的膜通量及出水电导率。通过测量低温循环水槽的溢流量来计算膜蒸馏产水量。电导率变化则通过电导率测控仪(CM-230型，石家庄科达仪器仪表有限公司 读出。热侧的测试温度分别为：30, 40, 50 和 60；热侧的测试流速分别为：0.3、0.5 和0.8m/s；冷侧的测试流速分别为：0.1、0.2和0.3m/s。整个实验过程中冷侧出水的电导率始终低于4s/cm。热侧恒温槽 热侧循环泵 膜组件冷侧恒温槽 图1：直接接触式膜蒸馏试验装置流程图. Figure 1: schematics of the experimental setup used for th

7、e DCMD experiments 实验过程中，冷侧溶液为去离子水，热侧溶液分别为去离子水(作为对照 、0.6mol/L和1.0mol/L的氯化钠溶液。所用的膜丝为天津膜天膜公司生产的PVDF 中空纤维疏水膜，膜丝的性能参数见表1。 表1：膜丝性能参数 Table1：Information of PVDF hollow fiber membrane employed in experiments 膜丝材料 PVDF 平均孔径 0.6m 壁厚 0.2m 孔隙率 0.85 3. 结果与分析 3.1 热侧循环流速对膜通量的影响 图2为热侧温度为30、冷侧循环流速为0.3m/s时热侧循环流速与膜通量

8、的关系图。从图中可以很容易看出：随着热侧循环流速的增加，膜通量增加很明显。这表明热侧循化流速的提高能显著提高膜通量。这是由于热侧循环流速越高，导致热传导系数越高，从而降低了温度极化作用的影响7。3.2 冷侧循环流速对膜通量的影响冷侧流速对膜通量无明显影响，这一点可以从图3中看出。因而，调整冷侧的循环流速对提高膜通量没有明显的效果。3.3 热侧溶液温度对膜通量的影响热侧溶液温度对膜通量的影响也很明显，如图2和图4所示。随着热侧溶液温度的升高，膜通量亦升高。图4中曲线的斜率随着温度的增加也呈增加的趋势，这说明膜两侧的蒸汽驱动压随着温度升高明显升高。但是没有热测流速对膜通量的影响明显。从经济的角度考

9、虑，利用低品废热在热侧溶液温度为50的条件下进行膜蒸馏实验是完全可行的。 膜通量（k g /m 2. h ）热侧循环流速 (m/s图2：膜蒸馏过程中热侧循环流速及热测溶液浓度对膜通量的影响关系图.Figure 2: the effect of hot-side flow rate and hot-side solution concentration on membrane flux in membranedistillation. 膜通量（k g /m 2. h ）冷侧循环流速 (m/s 图3：膜蒸馏过程中冷侧循环流速及热测溶液温度对膜通量的影响关系图. Figure 3: the effe

10、ct of cold-side flow rate and hot-side solution temperature on membrane flux in membrane distillation. 膜通量（k g /m 2. h ）热侧循环温度 (图4：膜蒸馏过程中热侧溶液温度及热测溶液浓度对膜通量的影响关系图. Figure 4: the effect of hot-side solution temperature and hot-side solution concentration on membrane flux in membrane distillation. 3.4 热

11、侧溶液浓度对膜通量的影响 如图2和图4所示，热测溶液浓度对膜蒸馏通量有一定的影响。从图中可以看出，随着热侧溶液浓度的增加，膜通量降低了。这是因为热测溶液浓度越大，膜两侧的蒸汽驱动压越低，从而降低了膜通量。这与渗透蒸馏过程刚好相反，在渗透蒸馏过程中，通过减小蒸汽压力可以提高通量8,9。但总的来说，相对于其它影响因素而言，氯化钠浓度对膜通量的影响非常小，可以不考虑。0.6mol/L的氯化钠溶液的盐度相当于海水的盐度，而有除盐需求的实际工业废水的含盐量基本上都不高，所以就这一点而言，膜蒸馏用于工业水脱盐是可行的。 4. 结论 1. 热侧循环流速对膜蒸馏通量的影响是最为显著的。提高热测的循环流速能够显

12、著提高直接接触式膜蒸馏的通量。热侧循环流速选择为0.8m/s，即不会带来过多的能耗，还能够确保得到最佳的膜通量。 2. 对于实验中所选定三个冷侧循环流速而言， 其对膜蒸馏通量基本无影响，因而从经济的角度考虑，选择最低流速0.1m/s即可。 3. 热侧温度对膜蒸馏通量的影响也很明显，但没有热侧循环流速对其的影响显著。对于实验中测定的四个温度来说，60时的能耗相对很高。在保证膜蒸馏通量的前提下，热测温度选择50比较合适。 4. 采用直接接触式膜蒸馏技术对氯化钠溶液进行处理，氯化钠浓度越高则相应的膜通量越低，但差异并不显著，可以忽略不考虑。 5. 综上所述，从经济性的角度分析，当冷侧温度维持在25时

13、，热侧温度控制在50，冷热侧流速分别控制在0.1m/s 和0.8m/s时的膜蒸馏运行效果最佳。 参考文献 1 董辅祥，董欣东，宋序彤节约用水原理及方法指南M，北京：中国建筑工业出版社，1995121-123。2 谢长血火力发电厂循环水排污回收工艺的探讨电力设计水处理技术，2001(75：44-483 P.A. Hogan, A.G. Fane and G.L. Morrison, Desalination, 81 (1991 814 A.G. Fane, R.W. Schofield and C.J.D. Fell, Desalination, 64 (1987 2315 V. Calabr&

14、#210;, B.L. Jiao and E. Drioli, Ind. Eng. Chem. Res., 33 (1994 1036 J. Mansouri and A.G. Fane, J. Membr. Sci., 153 (1999 1037 Ping Peng. A.G. Fane, Li, Xiaodong, Desalination, 173 (2005 45-548 Z. Wang, F. Zheng, S. Wang, Empirical study of membrane distillation with brine circulated in the cold side

15、,J. Membr. Sci. 188 (2001 1719 Z.Wang, F. Zheng, Y. Wu, S. Wang, Membrane osmotic distillation and its mathematical simulation,Desalination 139 (2001 423The Study of Desalting by Direct Contact MembraneDistillationZhang Shan-shan1, Wang Jun2, He Xu-wen1, Luan Zhao-kun21. School of Chemical and Envir

16、onmental Engineering, China University of Mining & Technology(Beijing, Beijing, (1000832. SLKEAC, Research Center for Eco-Environment Sciences, Chinese Academy of Sciences,Beijing, (100085AbstractThe membrane distillation experiments were carried out by using PVDF hollow fiber hydrophobic membra

17、ne of pore size 0.6m in this paper. Both 0.6mol/L and 1.0mol/L NaCl solution and deionized water were used as the feed of membrane distillation to investigate the effects of hot-side temperature, hot-side solution concentration and cold- and hot-side flow rates on the membrane permeate flux in a dir

18、ect contact-type membrane module, to find out the optimum operation condition of desalination by direct contact membrane distillation (DCMD and to provide experimental evidence for actual industrial applications. The results showed that for NaCl solution the lower the hot-side solution concentration, the higher the membrane flux, but the effect of the NaCl concentration on the membrane is minimal; it is analyzed from economic perspective that the operational condition of membrane distillation was best when hot-side temperature