直接接觸式膜蒸餾脫鹽的實驗研究

1、直接接觸式膜蒸餾脫鹽的實驗研究1張珊珊1， 王軍2，何緒文1，欒兆坤21. 中國礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 (1000832. 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境水質(zhì)學(xué)國家重點實驗室，北京 (100085E-mail ：uptsuny摘 要： 本文采用孔徑為0.6m 的PVDF 中空纖維疏水膜，分別對0.6mol/L和1.0mol/L的氯化鈉溶液進行直接接觸式膜蒸餾實驗(簡稱DCMD ，并與去離子水的膜蒸餾實驗進行對比，研究了在膜蒸餾運行過程中熱側(cè)運行溫度、熱側(cè)溶液濃度以及冷熱兩側(cè)運行流速對直接接觸式膜組件通量的影響，以確定直接接觸式膜蒸餾脫鹽的最佳運行條件，為實際的工業(yè)應(yīng)用提供實驗

2、依據(jù)。結(jié)果表明：對于氯化鈉溶液來說，其濃度越低相應(yīng)的膜通量越高，但差異不顯著；從經(jīng)濟性的角度分析，維持冷側(cè)溫度在25，熱側(cè)溫度控制在50，冷熱側(cè)流速分別控制在0.1m/s 和0.8m/s時的膜蒸餾運行情況最佳。關(guān)鍵詞：PVDF 中空纖維疏水膜；膜蒸餾；脫鹽中圖分類號：1. 引 言一直以來，在(熱 電場、石化、鋼鐵、造紙等工業(yè)領(lǐng)域均存在著巨大的除鹽需求。目前，脫鹽技術(shù)主要指：（1）蒸餾法 其中包括，單級蒸發(fā)（F ）、多級閃蒸（MSF ）、浸管蒸發(fā)（ST ）、壓縮蒸發(fā)（VC ），水平管蒸發(fā)（HTE ）、垂直管蒸發(fā)（VTE ）；（2）選擇滲透膜法 其中包括，電滲析（ED ）、反滲碳透（RO ）、超濾

3、（UF ）；（3）混合法（HYB ）?？捎糜诿擕}的工業(yè)化方法主要有蒸餾法、離子交換法、反滲透法和電滲析法等1。蒸餾法不受處理水中含鹽量的限制，但設(shè)備需國外引進，且管道結(jié)垢和腐蝕嚴重1，2；離子交換技術(shù)雖然設(shè)備造價不高，但需要大量的酸、堿用于再生，運行費用高，而且再生廢液無法消化，易造成二次污染；反滲透和電滲析等膜分離技術(shù)雖然具有設(shè)備簡單、體積小、操作程序單一、分離系數(shù)較大、節(jié)能、高效和無二次污染等優(yōu)點，但設(shè)備投資較大。近些年來，隨著膜材料的發(fā)展，膜蒸餾技術(shù)得到了世界各國廣泛的關(guān)注。膜蒸餾技術(shù)已經(jīng)被用于苦咸水和海水處理生產(chǎn)純水3,4，在果汁的濃縮方面也得到了應(yīng)用5,6。膜蒸餾技術(shù)是利用多孔疏水膜

4、，以膜兩側(cè)的蒸汽壓力差為驅(qū)動力的膜分離過程。膜的兩側(cè)是溫度不同的兩種溶液，由于膜的疏水性，兩側(cè)溶液均不能透過膜。由于高溫側(cè)水溶液與膜界面的水蒸汽壓高于低溫側(cè)，因而，水蒸汽會從高溫側(cè)透過膜孔進入到低溫側(cè)并冷凝下來，而高溫側(cè)的溶液會不斷被濃縮，所以出水的水質(zhì)很高。理論上通過膜蒸餾除鹽的產(chǎn)水率可以達到100，這是現(xiàn)有幾種工業(yè)除鹽技術(shù)根本達不到的。在（熱）電廠、石化、鋼鐵、造紙、等工業(yè)領(lǐng)域不僅存在巨大的除鹽需求，而且存在大量的低品質(zhì)廢熱。為膜蒸餾技術(shù)的應(yīng)用提供了得天獨厚的條件。通過膜蒸餾技術(shù)，恰恰具有將工業(yè)系統(tǒng)中存在的廢熱資源與工業(yè)除鹽需求相結(jié)合的可能。本文通過對兩種不同濃度氯化鈉溶液的膜蒸餾實驗，研

5、究膜蒸餾運行過程中熱側(cè)運行溫度、熱側(cè)溶液濃度以及冷熱側(cè)運行流速對直接接觸式膜組件通量的影響，以確定直接接觸式膜蒸餾脫鹽的最佳運行條件，為實際的工業(yè)應(yīng)用提供實驗依據(jù)。 1 基金項目：十一五國家科技支撐計劃項目（小城鎮(zhèn)飲用水處理藥劑、材料與設(shè)備研制）2. 實驗裝置與方法實驗裝置為自制的直接接觸式膜蒸餾實驗裝置，如圖1所示。熱側(cè)溶液經(jīng)過恒溫水浴加熱后泵入到自制的膜蒸餾組件中膜絲的內(nèi)側(cè)。同樣冷側(cè)溶液也經(jīng)過冷卻后泵入到膜組件中膜絲的外側(cè)。熱側(cè)和冷側(cè)溶液逆流運行。熱側(cè)循環(huán)和冷側(cè)循環(huán)均是通過磁力泵實現(xiàn)的。膜組件的進出口處均安裝有溫度計，以便隨時觀察并記錄溫度變化。維持冷側(cè)進水溫度25不變，改變熱側(cè)進水溫度以

6、及冷熱側(cè)的循環(huán)流速進行實驗，記錄不同條件下的膜通量及出水電導(dǎo)率。通過測量低溫循環(huán)水槽的溢流量來計算膜蒸餾產(chǎn)水量。電導(dǎo)率變化則通過電導(dǎo)率測控儀(CM-230型，石家莊科達儀器儀表有限公司 讀出。熱側(cè)的測試溫度分別為：30, 40, 50 和 60；熱側(cè)的測試流速分別為：0.3、0.5 和0.8m/s；冷側(cè)的測試流速分別為：0.1、0.2和0.3m/s。整個實驗過程中冷側(cè)出水的電導(dǎo)率始終低于4s/cm。熱側(cè)恒溫槽 熱側(cè)循環(huán)泵 膜組件冷側(cè)恒溫槽 圖1：直接接觸式膜蒸餾試驗裝置流程圖. Figure 1: schematics of the experimental setup used for th

7、e DCMD experiments 實驗過程中，冷側(cè)溶液為去離子水，熱側(cè)溶液分別為去離子水(作為對照 、0.6mol/L和1.0mol/L的氯化鈉溶液。所用的膜絲為天津膜天膜公司生產(chǎn)的PVDF 中空纖維疏水膜，膜絲的性能參數(shù)見表1。 表1：膜絲性能參數(shù) Table1：Information of PVDF hollow fiber membrane employed in experiments 膜絲材料 PVDF 平均孔徑 0.6m 壁厚 0.2m 孔隙率 0.85 3. 結(jié)果與分析 3.1 熱側(cè)循環(huán)流速對膜通量的影響 圖2為熱側(cè)溫度為30、冷側(cè)循環(huán)流速為0.3m/s時熱側(cè)循環(huán)流速與膜通量

8、的關(guān)系圖。從圖中可以很容易看出：隨著熱側(cè)循環(huán)流速的增加，膜通量增加很明顯。這表明熱側(cè)循化流速的提高能顯著提高膜通量。這是由于熱側(cè)循環(huán)流速越高，導(dǎo)致熱傳導(dǎo)系數(shù)越高，從而降低了溫度極化作用的影響7。3.2 冷側(cè)循環(huán)流速對膜通量的影響冷側(cè)流速對膜通量無明顯影響，這一點可以從圖3中看出。因而，調(diào)整冷側(cè)的循環(huán)流速對提高膜通量沒有明顯的效果。3.3 熱側(cè)溶液溫度對膜通量的影響熱側(cè)溶液溫度對膜通量的影響也很明顯，如圖2和圖4所示。隨著熱側(cè)溶液溫度的升高，膜通量亦升高。圖4中曲線的斜率隨著溫度的增加也呈增加的趨勢，這說明膜兩側(cè)的蒸汽驅(qū)動壓隨著溫度升高明顯升高。但是沒有熱測流速對膜通量的影響明顯。從經(jīng)濟的角度考

9、慮，利用低品廢熱在熱側(cè)溶液溫度為50的條件下進行膜蒸餾實驗是完全可行的。 膜通量（k g /m 2. h ）熱側(cè)循環(huán)流速 (m/s圖2：膜蒸餾過程中熱側(cè)循環(huán)流速及熱測溶液濃度對膜通量的影響關(guān)系圖.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 ）冷側(cè)循環(huán)流速 (m/s 圖3：膜蒸餾過程中冷側(cè)循環(huán)流速及熱測溶液溫度對膜通量的影響關(guān)系圖. 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 ）熱側(cè)循環(huán)溫度 (圖4：膜蒸餾過程中熱側(cè)溶液溫度及熱測溶液濃度對膜通量的影響關(guān)系圖. Figure 4: the effect of hot-side solution temperature and hot-side solution concentration on membrane flux in membrane distillation. 3.4 熱

11、側(cè)溶液濃度對膜通量的影響 如圖2和圖4所示，熱測溶液濃度對膜蒸餾通量有一定的影響。從圖中可以看出，隨著熱側(cè)溶液濃度的增加，膜通量降低了。這是因為熱測溶液濃度越大，膜兩側(cè)的蒸汽驅(qū)動壓越低，從而降低了膜通量。這與滲透蒸餾過程剛好相反，在滲透蒸餾過程中，通過減小蒸汽壓力可以提高通量8,9。但總的來說，相對于其它影響因素而言，氯化鈉濃度對膜通量的影響非常小，可以不考慮。0.6mol/L的氯化鈉溶液的鹽度相當(dāng)于海水的鹽度，而有除鹽需求的實際工業(yè)廢水的含鹽量基本上都不高，所以就這一點而言，膜蒸餾用于工業(yè)水脫鹽是可行的。 4. 結(jié)論 1. 熱側(cè)循環(huán)流速對膜蒸餾通量的影響是最為顯著的。提高熱測的循環(huán)流速能夠顯

12、著提高直接接觸式膜蒸餾的通量。熱側(cè)循環(huán)流速選擇為0.8m/s，即不會帶來過多的能耗，還能夠確保得到最佳的膜通量。 2. 對于實驗中所選定三個冷側(cè)循環(huán)流速而言， 其對膜蒸餾通量基本無影響，因而從經(jīng)濟的角度考慮，選擇最低流速0.1m/s即可。 3. 熱側(cè)溫度對膜蒸餾通量的影響也很明顯，但沒有熱側(cè)循環(huán)流速對其的影響顯著。對于實驗中測定的四個溫度來說，60時的能耗相對很高。在保證膜蒸餾通量的前提下，熱測溫度選擇50比較合適。 4. 采用直接接觸式膜蒸餾技術(shù)對氯化鈉溶液進行處理，氯化鈉濃度越高則相應(yīng)的膜通量越低，但差異并不顯著，可以忽略不考慮。 5. 綜上所述，從經(jīng)濟性的角度分析，當(dāng)冷側(cè)溫度維持在25時

13、，熱側(cè)溫度控制在50，冷熱側(cè)流速分別控制在0.1m/s 和0.8m/s時的膜蒸餾運行效果最佳。 參考文獻 1 董輔祥，董欣東，宋序彤節(jié)約用水原理及方法指南M，北京：中國建筑工業(yè)出版社，1995121-123。2 謝長血火力發(fā)電廠循環(huán)水排污回收工藝的探討電力設(shè)計水處理技術(shù)，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&

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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