膜蒸馏
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膜蒸馏技术是以疏水性膜为分离介质,通过对热侧溶液进行加热升温,使料液中的水挥发成水蒸气并进入膜孔,水蒸气在膜两侧蒸气压差的推动下穿过膜孔到达膜的另一侧,然后经过一定的冷却方式将水蒸气重新冷凝为液态水。由于膜的疏水性,溶液中的液态水和其他水溶性物质被截留,从而实现料液的浓缩过程。采用膜蒸馏浓缩除盐时,对绝大多数盐类和其他非挥发性物质都有接近截留效率,而且膜蒸馏操作条件温和,不需要将溶液加热至沸腾。此外,溶液中含盐量的变化对膜通量影响较小,膜蒸馏可以在极高含盐量时正常运行(含盐量可大于25%),而且膜蒸馏可以在常压下运行,不需要高压条件。由于膜蒸馏的分离特性及众多优点,该技术在废水处理、海水淡化、化工分离、果汁浓缩等方面具有广泛的研究应用。
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膜蒸馏按照冷却侧的运行方式不同,可以将膜蒸馏分为直接接触式膜蒸馏、气扫式膜蒸馏、气隙式膜蒸馏和真空膜蒸馏,这四种膜蒸馏方式各有优缺点。
真空膜蒸馏(VMD)是采用抽真空的方式使膜组件的冷凝侧保持一定负压,热侧溶液中的水以蒸气形式进入膜的另一侧后,通过真空栗的作用将其抽出膜组件,并在膜组件以外的冷凝器中冷凝为液态水。由于VMD中膜两侧蒸气压差更大,具有更大的推动力,因此VMD相比其他的膜蒸馏形式具有更大的膜通量。由于传统的真空膜蒸馏蒸气冷凝过程中需要提供额外的冷却工质,不制其应用前景,同时也造成能耗较高。因此,开发出具有更高通量的膜蒸馏工艺对于膜蒸馏技术的工业化应用具有重要意义。
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膜蒸馏技术的研究始于20世纪60年代的美国。1963年美国的Sodell首先在其专利申请中对膜蒸馏的初步成果进行了介绍。1967~1969年,Findley在美国、Hendergcky在欧洲同时进行了试验。Findley尝试了多种膜材料,然而膜通量却非常小,但他预言只要找到合适的膜材料,这种技术是很有前途的。进入90年代以后对膜蒸馏的研究逐渐增多,但多数还是处于实验研究阶段。P.AHogan与Sudjito等在澳大利亚利用作为热量来源进行了直接接触膜蒸馏,实验证明膜蒸馏在技术上是可行的,可以进行实际应用。机理研究方面,1995年俄罗斯的Agashichcv和Sivakov基于质量和热量平衡方程,考虑温度和浓度极化提出直接接触式膜蒸馏的数学模型,但因其过于复杂而没有被广泛接受。1998年,Gryta等考虑在温度极化影响的情况下对毛细管状物膜组件层流问题进行了研究,并得出了一些理论依据。
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