膜蒸馏技术研究现状_环国兰

第28卷第4期2009年8月

天津工业大学学报

JOURNALOFTIANJINPOLYTECHNICUNIVERSITY

Vol.28No.4August2009

膜蒸馏技术研究现状

环国兰，杜启云，王薇

（天津工业大学中空纤维膜材料与膜过程教育部重点实验室，天津300160）

摘要：膜蒸馏是一种以蒸汽压差为推动力的新型分离技术，与传统蒸馏方法和其他膜分离技术相比，具有运行压

运行温度低、分离效率高等优点，可充分利用太阳能、废热和余热等热源.综合论述了膜蒸馏技术的分力低、

类、膜材质及其优缺点，从传质传热机理、影响因素、提高通量和选择性的措施、膜污染情况及其应用等方面，对膜蒸馏技术的研究现状进行归纳总结.在此基础上，提出了今后需要研究和解决的问题.

关键词：膜蒸馏；膜分离；膜通量中图分类号：TS102.528.1

文献标识码：A

文章编号：1671－024X（2009）04－0012－07

Researchprogressofmembranedistillation

HUANGuo-lan，DUQi-yun，WANGWei

（KeyLaboratoryofHollowFiberMembraneMaterialandMembraneProcessofMinistryofEducation，TianjinPolytech－nicUniversity，Tianjin300160，China）

Abstract：Membranedistillationisanewseparationprocesswhichpropelledbythesteamdifferentialpressure.

Comparedwithtraditionaldistillationtechnologyandothermembraneseparationtechnologies，theexcellentcharacteristicsofmembranedistillationarelowrunningpressure、lowrunningtemperatureandhighlyeffective.Solarpowerandotherwasteheatcanbeusedinmembranedistillationprocess.Theclassification，membranematerials，advantagesanddisadvantagesofmembranedistillationarediscussed.Itsresearchstatusisconcludedfromtheaspectsofheatandmasstransfermechaismprocess，influencingfactors，measuresofimprovingthefluxandselectivity，aswellasmembranefoulingandapplication.Thentheexistingproblemsarepointedout．

Keywords：membranedistillation；membraneseparation；membraneflux

膜蒸馏（membranedistillation，简称MD）是膜技术与蒸馏过程相结合的分离过程.膜的一侧与热的待

处理溶液直接接触（称为热侧），另一侧直接或间接地与冷的水溶液接触（称为冷侧），热侧溶液中易挥发的组分在膜面处汽化通过膜进入冷侧并被冷凝成液相，其他组分则被疏水膜阻挡在热侧，从而实现混合物分离或提纯的目的[1].1986年5月，来自意大利、荷兰、日本、德国和澳大利亚等国的膜蒸馏专家在罗马举行了膜蒸馏专题讨论会，会议确定了膜蒸馏过程的技术概念，并由Smolders和Franken编写《膜蒸馏专用术语》.此次会议确认了膜蒸馏过程必须具备以下特征以区别于其它膜过程[2]：①所用的膜为微孔膜；②膜不能被

收稿日期：2009-05-18

所处理的液体润湿；③在膜孔内没有毛细管冷凝现象发生；④只有蒸汽能通过膜孔传质；⑤所用膜不能改

变所处理液体中所有组分的气液平衡；⑥膜至少有一面与所处理的液体接触；⑦对于任何组分该膜过程的推动力是该组分在气相中的分压差.早在20世纪60年代，膜蒸馏技术就已经在国际上开始了较系统的研究，但由于受到技术条件的限制，膜蒸馏的效率不高.在随后的一段时间里出现一些专利对该技术进行改进，但在20世纪60、70年代膜分离研究者致力于采用反渗透、超滤、微滤等膜技术来解决水处理问题，膜蒸馏一直没有引起人们的足够重视，直到20世纪80年代初由于高分子材料和制膜工艺技术的迅速发展，

作者简介：环国兰（1977—），女，助理研究员，博士研究生；杜启云（1940—），男，研究员，博士生导师.E-mail：jenniferhuan@motimo.com.cn

第4期

环国兰，等：膜蒸馏技术研究现状

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膜蒸馏才显示出其实用潜力.20多年来对这一新型膜分离过程的研究不断深入，虽然至今还未见大规模工业生产应用的报道，但无论在传质、传热机理方面还是在应用方面的研究都取得了巨大的进步，一些与膜蒸馏相关的膜过程相继出现并同样引起人们的重视.

）、聚丙烯（PP）和聚偏氟乙烯（PVDF）四氟乙烯（PTFE

等[14]，且一般都是用于微滤过程的商品膜，而尚未开发出专为膜蒸馏过程研制的膜.1.3膜蒸馏技术的优缺点1.3.1

膜蒸馏技术的优点

膜蒸馏的操作压力低于传统的压力驱动膜分离过程，且对膜与原料液之间的相互作用和机械性能要求不高.

（l）与常规蒸馏相比膜蒸馏的优点包括：①在膜蒸馏过程中蒸发区和冷凝区十分靠近，实际上只是膜的厚度，蒸馏液却不会被料液污染，所以膜蒸馏与常规蒸馏相比具有较高的蒸馏效率，并且蒸馏液更为纯净；②在膜蒸馏过程中，由于液体直接与膜接触，最大限度地消除了不可冷凝气体的干扰，无需复杂的蒸馏设备，如真空系统、耐压容器等；③蒸馏过程的效率与料液的蒸发面积直接相关，在膜蒸馏过程中很容易在有限的空间中增加膜面积，即增加蒸发面积，提高蒸馏效率；④在该过程中无需把溶液加热到沸点，只要膜两侧维持适当的温差，该过程就可以进行，有可能利用太阳能、地热、温泉、工厂的余热和温热的工业废水等廉价能源.

（2）与其他膜过程相比膜蒸馏的优点包括：①膜蒸馏过程是在常压下进行，设备简单、操作方便，在技术力量较薄弱的地区也有实现的可能.②在非挥发性溶质水溶液的膜蒸馏过程中，因为只有水蒸汽能透过

大分子、胶体、细膜孔，所以蒸馏液十分纯净，对离子、胞及其他非挥发性物质能达到100%的截留，可望成

为大规模、低成本制备超纯水的有效手段.③该过程可以处理极高浓度的水溶液，如果溶质是容易结晶的物质，可以把溶液浓缩到过饱和状态而出现膜蒸馏结晶现象，是目前唯一能从溶液中直接分离出结晶产物的膜过程.④膜蒸馏组件很容易设计成潜热回收形式，并具有以高效的小型组件构成大规模生产体系的灵活性.1.3.2

膜蒸馏技术的缺点

通过目前对膜蒸馏过程的研究发现，这一技术尚存在以下缺点：①膜成本高、蒸馏通量小；②由于温度极化和浓度极化的影响，运行状态不稳定；③膜蒸馏是一个有相变的膜过程，热量主要通过热传导的形式传递因而效率较低（一般只有30%左右），所以在组件的设计上必须考虑到潜热的回收，以尽可能减少热能的损耗.与其他膜过程相比，膜蒸馏在有廉价能源可利用的情况下才更有实用意义；④膜蒸馏采用疏水微孔膜，与亲水膜相比在膜材料和制备工艺的选择方面

1膜蒸馏技术概述

1.1膜蒸馏技术分类

根据膜下游侧冷凝方式的不同，膜蒸馏可分为直接

接触式、空气隙式、气扫式和真空膜蒸馏4种形式[3，：

[5，6]

（1）直接接触膜蒸馏（DCMD）DCMD结构简单，通量较大，膜的两侧分别与热的水溶液及冷却水直接接触.这种形式膜蒸馏的缺点是大量热量从热侧直接进入冷侧，热效率低，在运行时，除膜组件外，还需有回收热量的装置.

[7，8]

（2）空气隙式膜蒸馏（AGMD）AGMD透过侧不直接与冷溶液相接触，而保持一定的间隙，透过蒸

汽在冷却的固体表面（即冷凝壁，如金属板）上进行冷凝，降低透过侧的压力，其传质推动力大小与直接接冷触膜蒸馏相当，均为水的饱和蒸汽压.其热效率高，凝产品可以准确计量，特别适合于实验室研究使用.其缺点是通量低，结构复杂，且不适用于中空纤维膜，限制了其商业推广.

[9，10]

（3）吹扫气膜蒸馏（SGMD）与吹扫渗透汽化一样，SGMD用载气吹扫膜的透过侧，以带走透过的蒸汽，其传质推动力除了蒸汽的饱和蒸汽压外，还有由于载气的吹扫而形成的负压，因此传质推动力比直接接触膜蒸馏和空气隙式膜蒸馏大.

[11，12]

（4）真空膜蒸馏（VMD）VMD透过侧用真空泵抽真空，以造成膜两侧更大的蒸汽压差，挥发组份从冷侧引出后冷凝，是恒温的膜过程，目前主要用于去除溶液中的易挥发组份.这种膜蒸馏的热传导损失可以忽略，因而可用来测定温度边界层的传热效率.但这种方式的膜蒸馏两侧的料液压差大，为防止料液进入膜孔，需采用较小孔径的膜.真空膜蒸馏比其他膜蒸馏过程具有更大的传质通量，所以近几年来受到比较大的关注.

1.2膜蒸馏功能材料

膜的疏水性和微孔性是膜蒸馏用膜的选择关键.而足够的机械强度、高热稳定性、高化学稳定性以及较低的导热系数也是MD用膜材料所必需的.通常认为孔隙率为60%~80%，平均孔径为0.1～0.5μm的膜最适合于膜蒸馏[13].目前，常用的膜蒸馏用膜主要有聚

—14—局限性较大.

天津工业大学学报第28卷

学合作研究了基于Knudsen扩散、Poiseuille流动两参数的跨膜传质模型，即TPKPT模型，用这种模型参数计算膜在不同温度下的渗透系数，其值与实验值吻合较好，能比较好地描述膜蒸馏的跨膜传质过程，但只是对渗透系数有较好的计算[22].2003年，北京化工大学丁忠伟等[6]又提出基于Knudsen-分子扩散-Poiseuille流动的三参数模型KMPT来预测膜蒸馏系数和通量，也得到较好的结果.

2.2膜蒸馏的传热机理研究

膜蒸馏过程中的热量传递主要是汽化潜热和跨膜热传导两部分.2003年，泰国国王Mongkut科技大学Phattaranawik等[23]建立传热模型时将传热过程看作非等焓且膜内温度分布呈非线性的，通过模拟证明了假设蒸汽流等焓和膜内的温度呈线性分布的合理性.实验结果表明，在层流状态下传质对传热和边界层内传热系数的影响可以忽略，通过比较蒸汽流传热和膜导热分别在总热量中所占的比重，得出当料液温度低于50℃时膜导热比重高于蒸汽流传热比重，所以，为了减少膜导热引起的温差损失，需要较高的料温和导热性差的膜材料.2005年，西班牙马拉加大学Ro－driguez-Maroto等[24]针对直接接触式膜蒸馏组件给出了流道内的速度和温度分布曲线，将流道内的温度分布表示为由膜组件入口和出口处测得的温度的函数.通过对计算值和实验值的比较指出，当工作流体温度较高且做层流流动的情况下，用分别测得的组件进、出口处的温度来表示膜两侧的主体温度存在着较大的误差.

2.3膜蒸馏过程影响因素

就膜蒸馏的工艺过程而言，截留率、通量和热利用率是膜蒸馏的主要性能参数.随着膜蒸馏工艺和用途的进一步开发，对其影响因素有了进一步的研究.2.3.1截留率