膜蒸餾技術(shù)培訓課件

1、膜蒸餾（membrane distillation）膜蒸餾技術(shù)第1頁 主要內(nèi)容膜蒸餾原理膜蒸餾操作方式膜蒸餾研究技術(shù)應用膜蒸餾研究發(fā)展趨勢膜蒸餾技術(shù)第2頁膜蒸餾原理部分膜蒸餾技術(shù)第3頁 膜蒸餾(membrane distillation，簡稱MD) 是膜技術(shù)與蒸餾過程相結(jié)合分離過程膜蒸餾技術(shù)第4頁膜一側(cè)與熱待處理溶液直接接觸(稱為熱側(cè))，另一側(cè)直接或間接地與冷水溶液接觸(稱為冷側(cè))，熱側(cè)溶液中易揮發(fā)組分在膜面處汽化經(jīng)過膜進入冷側(cè)并被冷凝成液相，其它組分則被疏水膜阻擋在熱側(cè)，從而實現(xiàn)混合物分離或提純目標。膜蒸餾技術(shù)第5頁20世紀60年代前20世紀60、70年代20世紀80年代至今20世紀60年代

2、前，膜蒸餾技術(shù)就已經(jīng)在國際上開始了較系統(tǒng)研究，但因為受到技術(shù)條件限制，膜蒸餾效率不高。20世紀60、70年代，膜分離研究者致力于采取反滲透、超濾、微濾等膜技術(shù)來處理水處理問題，膜蒸餾一直沒有引發(fā)人們足夠重視。20世紀80年代初因為高分子材料和制膜工藝技術(shù)快速發(fā)展，膜蒸餾才顯示出其實用潛力近幾十年來對這一新型膜分離過程研究不停深入，即使至今還未見大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)應用報道，但不論在傳質(zhì)、傳熱機理方面還是在應用方面研究都取得了巨大進步，一些與膜蒸餾相關(guān)膜過程相繼出現(xiàn)并一樣引發(fā)人們重視膜蒸餾技術(shù)第6頁膜蒸餾傳質(zhì)機理J=KmP (Km值預測)氣態(tài)分子經(jīng)過多孔介質(zhì)三種機理： Knudsen擴散，分子擴散，P

3、oiseuuille流動機理選擇取決于分子運動自由程（）和膜孔徑（dp）對比： dp時采取Knudsen擴散描述因為存在孔徑分布，需要不一樣機理組合，其中Knudsen擴散起主要作用采取適當數(shù)學模型預測通量膜蒸餾技術(shù)第7頁 100%地排斥溶液中不揮發(fā)性物質(zhì)，如 離子、大分子、固體顆粒； 操作溫度遠低于蒸餾可利用廢熱； 操作壓力比其它壓力驅(qū)動膜分離過程 （如反滲透）低很多； 適合處理高濃度料液； 對膜機械強度要求低常壓操作； 與傳統(tǒng)蒸餾過程相比，操作時所需 汽相分離空間很小。設(shè)備占地很小膜蒸餾技術(shù)優(yōu)勢膜蒸餾技術(shù)第8頁操作方式膜蒸餾技術(shù)第9頁膜蒸餾操作方式依據(jù)膜下游側(cè)冷凝方式不一樣，膜蒸餾可分為

4、直接接觸膜蒸餾(DCMD) 膜一側(cè)直接接觸熱料液，另一側(cè)直接接觸冷流體傳質(zhì)過程為：(1)水從被處理液體主體擴散到與疏水膜表面相接觸邊界層；(2)水在邊界層與疏水膜界面汽化；(3)汽化蒸汽擴散經(jīng)過疏水性膜孔；(4)蒸汽在疏水膜透過側(cè)直接與冷流體接觸而被冷凝空氣隙膜蒸餾(AGMD) 傳質(zhì)過程前三步與直接接觸膜蒸餾相同，從第四步開始，透過側(cè)蒸汽不直接與冷液體接觸，保持一定間隙，透過蒸汽擴散穿過空氣隔離層后在冷凝板上進行冷凝膜蒸餾技術(shù)第10頁真空膜蒸餾(VMD) 減壓膜蒸餾又稱真空膜蒸餾，是在膜透過側(cè)用真空泵抽真空，以造成膜兩側(cè)更大蒸汽壓差傳質(zhì)前三步與直接接觸膜蒸餾相同，第四步透過蒸汽被真空泵抽至外置

5、冷卻器中冷凝，見圖3減壓膜蒸餾比其它膜蒸餾過程含有更大傳質(zhì)通量，所以近幾年來受到比較大關(guān)注氣掃膜蒸餾（SGMD） 是用載氣吹掃膜透過側(cè)，從膜組件中夾帶走透過蒸汽，使蒸汽在外置冷卻器中冷凝傳質(zhì)過程也是在第四步發(fā)生改變，傳質(zhì)推進力除了蒸汽飽和蒸汽壓外，還有因為載氣吹掃夾帶作用，促進傳質(zhì)，所以傳質(zhì)推進力能夠比直接接觸膜蒸餾和空氣間隙式膜蒸餾大，載氣中水蒸汽分壓以及冷凝溫度控制對膜蒸餾產(chǎn)水量有主要影響工藝原理見圖4膜蒸餾技術(shù)第11頁膜蒸餾操作方式示意圖膜蒸餾技術(shù)第12頁 到底采取哪種形式膜蒸餾，這取決于透過物組成、流量和揮發(fā)性。普通來說DCMD:結(jié)構(gòu)要求最少且操作最易，他適于脫鹽或濃縮水溶液（橘汁等）

6、，水為主要滲透成份。SGMD和VMD：用于從水溶液中除去揮發(fā)性有機物或可溶氣體。AGMD：適合用于平板膜膜蒸餾過程。膜蒸餾技術(shù)第13頁膜蒸餾膜材料聚四氟乙烯（PTFE）聚偏氟乙烯（PVDF）聚丙烯（PP） 近年來,MD過程膜材料研究開發(fā)集中于三種膜材料.膜蒸餾技術(shù)第14頁 PTFE膜疏水性最好，而且其耐氧化性及化學穩(wěn)定性也優(yōu)于其它兩種膜，這使得PTFE膜所應用物系非常廣泛，PVDF膜次之。即使PP膜化學穩(wěn)定性及耐氧化性相對較差，但因為價格低廉，市場應用遼闊。膜蒸餾技術(shù)第15頁研究技術(shù)應用膜蒸餾技術(shù)第16頁1 高鹽度廢水處理RO廢水處理油田高鹽廢水處理循環(huán)水排污水處理環(huán)氧樹脂行業(yè)廢水處理2 含揮

7、發(fā)性有機物廢水處理含氰廢水處理含酚廢水處理含丙烯腈廢水處理低碳醇廢水處理脫除回收廢水中氨膜蒸餾技術(shù)第17頁高鹽度廢水處理：RO廢水處理： 當前RO實際產(chǎn)水率不足70，30多濃鹽水直接排放，不但加重了環(huán)境污染，而且還浪費了大量水資源。為降低RO濃水排放量，國內(nèi)外科研人員進行了大量研究，效果都不理想。近年來，MD在RO濃水回用領(lǐng)域得到極大關(guān)注。王軍等1在內(nèi)蒙古達拉特旗火電廠完成了MD中試研究，取得顯著效果。采取MD對火電廠RO濃水進行處理，當控制膜熱側(cè)RO濃水pH為5、濃縮倍數(shù)為10倍、連續(xù)180 h運行中，膜通量一直保持在8 L(m2h)左右，出水電導率穩(wěn)定在3 scm左右。這表明，采取MD處理

8、RO濃水在技術(shù)上是可行，經(jīng)過構(gòu)建ROMD集成系統(tǒng)，不但可大幅度降低RO濃水量，同時還顯著提升了水資源利用率，含有很好環(huán)境和經(jīng)濟效益。膜蒸餾技術(shù)第18頁高鹽度廢水處理:油田高鹽廢水處理: 當前，我國油田廢水排放量較大，廢水溫度和含鹽量普通較高。采取MD進行油田廢水脫鹽，基本無需額外加熱即可滿足工藝要求，有效利用了廢水余熱，到達節(jié)能降耗目標。王車禮等2開展了VMD處理江蘇油田高鹽廢水試驗室研究。試驗結(jié)果表明，VMD淡化油田廢水膜通量隨膜下游真空度增加而增大，當真空度超出某一臨界值后，膜通量會急劇增加。當廢水含鹽量大于220 gL時，產(chǎn)水電導率顯著增加，各次試驗脫鹽率均高于99。膜蒸餾技術(shù)第19頁高

9、鹽度廢水處理：循環(huán)水排污水處理： 我國石化企業(yè)循環(huán)冷卻水量約占石化總用水量7080。冷卻水在循環(huán)使用過程中，水質(zhì)不停劣化，致使設(shè)備結(jié)垢或腐蝕。為了預防結(jié)垢，當前方法是向循環(huán)水中加入大量緩蝕劑、阻垢劑等化學藥劑，不能從根本上處理鹽與有機物濃縮引發(fā)各種問題，而且投加各種藥劑處理費用高，輕易產(chǎn)生新污染。采取MD處理循環(huán)水排污水，可有效提升濃縮倍數(shù)，降低循環(huán)水新鮮水用量，降低污水排放。國內(nèi)就有了相關(guān)專利3,4。和RO等方法相比，采取MD可降低甚至取消緩蝕劑、阻垢劑使用，徹底改變現(xiàn)有工業(yè)循環(huán)冷卻水運行及處理方式。另外，還可回收工業(yè)余熱，實現(xiàn)水資源和能源高效利用。膜蒸餾技術(shù)第20頁高鹽度廢水處理：環(huán)氧樹脂

10、行業(yè)廢水處理： 環(huán)氧樹脂廢水難于處理，當前多數(shù)己建成二級生化處理裝置閑置或處理不達標。環(huán)氧樹脂行業(yè)基本上沒有開展廢水回用，水資源浪費嚴重。李盛姬等5依據(jù)清污分流標準，將環(huán)氧樹脂生產(chǎn)過程中洗滌廢水采取生化處理后達標排放，對高鹽度母液采取MD一蒸發(fā)一結(jié)晶集成技術(shù)進行試驗室研究，回收氯化鈉到達國家日曬鹽標準，MD與蒸發(fā)出來水回用于洗滌水。處理了傳統(tǒng)生化方法難題，利用蒸發(fā)過程蒸汽冷凝水余熱或環(huán)氧樹脂生產(chǎn)過程廢熱作為MD熱源，節(jié)約了能耗，回收了氯化鈉，不但降低污染程度，又有一定經(jīng)濟效益。膜蒸餾技術(shù)第21頁含揮發(fā)性有機物廢水處理：含氰廢水處理： 氰化物毒性極強，含氰廢水必須經(jīng)過達標處理后才能排放。采取傳統(tǒng)

11、方法(如焚燒法、氯堿法、臭氧法、生物法等)處理含氰廢水，氰化物通常會被分解破壞，有且造成二次污染(如焚燒過程中產(chǎn)生大量二氧化碳和氮氧化物，生物處理將氰化物轉(zhuǎn)化為二氧化碳、氨或甲酸、甲酰胺等)。為了處理傳統(tǒng)方法缺點，一個比較新奇處理方法化學吸收膜蒸餾(也稱膜吸收)，受到極大關(guān)注。柴曉利等6以NaOH溶液為吸收液，利用化學吸收膜蒸餾進行含氰廢水試驗室研究，對氰化物進行了回收利用，且不造成二次污染，能耗低，投資少，易于工業(yè)化。膜蒸餾技術(shù)第22頁含揮發(fā)性有機物廢水處理：含氰廢水處理： 張鳳君等7采取化學吸收膜蒸餾進行含酚廢水試驗室研究，以NaOH溶液為吸收液，45、pH0時，經(jīng)處理苯酚質(zhì)量濃度由5 0

12、00 gmL降 至50gmL以下，苯酚去除率達95以上。秦操8采取VMD處理含酚廢水，在較低進料濃度、pH=12、5060、進料流量60 Lh、冷側(cè)壓力 533 kPa時，膜通量超出30 kg(m2h)，離子截留率和苯酚去除率均在 90以上。膜蒸餾技術(shù)第23頁含揮發(fā)性有機物廢水處理：丙烯腈廢水處理： 沈志松等9叫開展了VMD分離凈化丙烯腈廢水試驗室研究，取得滿意結(jié)果。他們將冷凝液經(jīng)過二次MD濃縮，在冷側(cè)進行分步冷凝，先用溫度較高冷卻水冷凝分離掉氣相中水，然后用冷凍鹽水冷凝回收丙烯腈。在試驗室研究基礎(chǔ)上，又進行了中試研究，即使中試效果與試驗室有所差距，但經(jīng)過中試取得了許多經(jīng)驗和數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果表明

13、，VMD處理丙烯腈廢水技術(shù)上是可行，丙烯腈去除率達99，最低出水質(zhì)量濃度在5 mgL以下，到達排放要求。膜蒸餾技術(shù)第24頁含揮發(fā)性有機物廢水處理：低碳醇廢水處理： MD也可用于回收廢液中低碳醇類，當前尚處于試驗室研究階段。馬玖彤等10采取MD進行甲醇廢水試驗室研究，10.00g/L甲醇溶液經(jīng)處理后可降至003 gL以下，到達國家排放標準。Lee等11在試驗室用SGMD分離異丙醇-水溶液，以N2作為吹掃氣體，將異丙醇質(zhì)量分數(shù)從3提升到10，異丙醇最大分離系數(shù)為1025。膜蒸餾技術(shù)第25頁含揮發(fā)性有機物廢水處理：脫除回收廢水中氨： 近年來，控制或去除廢水中氨氮是環(huán)境領(lǐng)域研究熱點之一。膜分離技術(shù)發(fā)展

14、，為氨氮廢水處理提供了新思緒。唐建軍等12,13采取化學吸收膜蒸餾進行了脫除水溶液中氨試驗室研究，結(jié)果表明，化學吸收膜蒸餾可脫除水溶液中氨。郝卓莉等14采取化學吸收膜蒸餾在試驗室中處理焦化廠剩下氨水中氨氮及揮發(fā)性酚，取得良好效果，氨去除率高達997，回收率995，能源費用僅為蒸餾法436。盡管化學吸收膜蒸餾處理氨氮廢水研究取得了一些結(jié)果，但這方面研究報道還較少，一些問題還有待深入認識。膜蒸餾技術(shù)第26頁真空膜蒸餾工業(yè)應用：處理工業(yè)廢水中有機揮發(fā)性化合物(VOCs)：真空膜蒸餾過程由真空系統(tǒng)提供增強驅(qū)動力，而使其能夠在較低溫度下進行，從而在熱敏性物質(zhì)分離領(lǐng)域含有獨特優(yōu)越性。如從水溶液中分離丙酮和

15、乙醇、苯、異丙醇、甲基叔丁基醚、乙酸乙酯和乙酸甲酯、三氯甲烷、甲基異丁基甲酮等都有研究報道15。陳冰冰等16，對低濃度乙醇-水溶液分離進行了真空膜蒸餾試驗研究，結(jié)果表明：伴隨進口溫度、料液流量、濃度和真空度增加，膜通量將增加；分離因子隨進口溫度和真空度增加而降低，料液流量增加造成分離因子升高，濃度改變對分離因子影響不大。李憑力等17利用自制聚丙烯中空纖維膜，采取真空膜蒸餾法對1,2-丙二醇水溶液分離進行了研究。結(jié)果表明：膜通量隨料液入口溫度、冷側(cè)真空度及料液流量增加而增加，隨料液濃度升高而下降。截留率隨料液入口溫度、冷側(cè)真空度和料液濃度增加而下降，料液流量改變對截留率沒有明濕影響。試驗條中最正

16、確截留率可達100。陳冰冰等18還對低濃度乙醇水溶液二元體系下真空膜蒸餾過程展開了模擬分析，模擬結(jié)果表明：真空側(cè)流動形式對分離因子有一定影響，并流條件下，分離因子最大。膜蒸餾技術(shù)第27頁真空膜蒸餾工業(yè)應用：處理高鹽印染中間體廢水：高鹽印染廢水成份復雜，含有染料、漿料、油劑、助劑、無機鹽等物質(zhì)，廢水含有高濃度、高酸堿度、高COD 值特點，因為鹽度過高，無法進行生化處理，因而高鹽印染廢水處理一直是國內(nèi)外學術(shù)界關(guān)注正確熱點。當前這類廢水處理采取主要方法為納濾膜法，氧化法中化學氧化、光催化氧化和超聲波氧化法等。王婷等19 采取聚四氟乙烯平板微孔膜進行真空膜蒸餾深度處理高鹽印染中間體廢水研究?？疾榱藴囟?/p>

17、，流量，濃度對膜滲透通量和截留率影響，結(jié)果表明：隨溫度提升膜蒸餾滲透通量顯著增加；流量對廢水滲透通量影響不顯著；隨廢水不停濃縮，鹽度不停增大，尤其當鹽度高于22 時，膜蒸餾滲透通量顯著減小。廢水截留率均在99 以上。膜蒸餾技術(shù)第28頁真空膜蒸餾工業(yè)應用：濃縮回收高鹽有機廢水： 謝林20考查了廢水進料溫度、真空度、進料流速、廢水鹽度、廢水進料方式等原因?qū)δね亢徒亓袈视绊?。結(jié)果表明，在常壓循環(huán)方式進料，透過側(cè)真空度0.040.095 MPa，進料溫度為3080，進料流量為40160 L/h條件下，經(jīng)過試驗設(shè)計膜蒸餾過程，能夠?qū)①|(zhì)量分數(shù)為10% 鹽度有機廢水，COD7 50010-6，濃縮至質(zhì)量分數(shù)為30鹽度有機廢水，透過水鹽度0.01,COD2010-6，經(jīng)過鹽結(jié)晶方法去除對應有機物后，可取得純度較高工業(yè)鹽。膜蒸餾技術(shù)第29頁發(fā)展趨勢膜蒸餾技術(shù)第30頁 膜蒸餾應用前景： (1)膜蒸餾過程進行所需要能量主要用于揮發(fā)性組分汽化，從一點上講，膜蒸餾過程是一個能耗大戶。不過，因為過程所需要操作條件非常溫和(常壓、數(shù)十攝氏度