摘要:
真空膜蒸馏是以压力差为传质推动力的过程，因此下游侧压力对整个过程影响很大。膜下游真空度对膜通量及截留率的影响。分别采用聚乙烯、聚丙烯微孔膜对反渗透海水淡化浓盐水进行真空膜蒸馏的研究。本文就盐化工工艺中反渗透浓盐水蒸馏浓缩方法进行探讨。
关键词：真空膜蒸馏；聚乙烯；聚丙烯；反渗透海水淡化；浓盐水
1引言
目前，海水淡化产生的浓盐水的处理问题被社会广泛关注，因为浓盐水直接排放到大海必然会造成环境的污染和生态的破坏[1]，浓盐水的处理解决了这一顾虑，而且其较高的浓度和较稳定的性质为海水化学资源的综合利用提供了方便。膜蒸馏（MembraneDistil－lation,MD）是一种采用疏水微孔膜以膜两侧蒸气压差为传质驱动力的新型膜分离过程。膜蒸馏过程是热量和质量同时传递的过程，因此，实现膜蒸馏必须有两个条件：（1）膜蒸馏必须是疏水微孔膜；（2）膜两侧要有一定的温度差存在，以提供传质所需的推动力。根据下游侧挥发组分蒸汽冷凝方法或排除方法不同，膜蒸馏过程可分为：直接接触式膜蒸馏（DCMD）、空气隙式膜蒸馏（AGMD）、真空膜蒸馏（VMD）、气体吹扫式膜蒸馏（SGMD）。VMD具有可利用低品质热源（如太阳能、地热、废热）、截留率高、膜通量大、操作方便、占地面积小、对环境污染小等优点，被广泛应用于海水淡化、苦咸水淡化、水溶液浓缩以及环境保护领域。本文采用聚乙烯、聚丙烯疏水中空纤维膜作为实验用膜，真空膜蒸馏浓缩反渗透海水淡化浓盐水，并优化工艺参数，以利于海水化学资源的提取。考察了膜下游真空度、浓盐水温度、浓度、流速对膜通量及截留率的影响。结果表明，真空度增大，膜通量和截留率呈增长趋势。料液温度升高，膜通量增加，截留率呈减少趋势。料液流速增加会使通量增加，截留率呈减少趋势，但影响相对不大。随着料液浓度的增加，膜的通量下降，截留率基本保持不变。本实验条件下最大截留率可达99.99%，表明利用真空膜蒸馏技术可有效实现反渗透海水淡化浓盐水的浓缩[1]。
2实验
反渗透海水淡化浓盐水，电导率约为65000μs/cm。反渗透海水淡化浓盐水经加热恒温槽加热至一定温度后，用料液循环泵抽出，经过转子流量计，进入中空纤维膜组件，膜蒸馏浓缩的盐水由膜组件流出后进入料液储瓶，使原液增浓，透过膜蒸馏组件的水蒸气在膜两侧压差驱动下达到冷侧，经冷凝冷却后成为VMD产品水，进入淡水收集瓶中。膜通量膜通量是膜蒸馏过程中重要的工艺指标，影响膜通量的因素有料液浓度、温度（温度差）、冷侧真空度[2]。
3实验结果与讨论
3.1膜下游真空度对膜通量及截留率的影响
真空膜蒸馏是以压力差为传质推动力的过程，因此下游侧压力对整个过程影响很大。膜下游真空度对膜通量及截留率的影响。采用PP、PE中空纤维膜，在料液流量为60L/h，温度为50℃的操作条件下，跨膜通量随下游真空度的减小而降低，膜的截留率在99.9%以上，这可能是由于真空膜蒸馏的跨膜通量与膜两侧压差成正比，在料液侧蒸气压不变的情况下，下游侧压力增大导致传质推动力减小，跨膜通量下降。在实验过程中，当下游真空度小于0.08MPa时，膜通量很小。这种现象可能是由于随着下游真空度变化，水分子通过膜孔的传质阻力发生变化的缘故。
3.2料液温度对膜通量及截留率的影响
料液温度对真空膜蒸馏的跨膜通量也有很大的影响。料液温度对真空膜蒸馏的通量和截留率的影响。采用PP、PE中空纤维膜，在料液流量为58L/h，下游真空度为0.099MPa的操作条件下，料液温度越高，膜通量越大，截留率基本维持不变。这可能是因为热侧温度升高后，蒸气压增大，使膜两侧压差增大，传质推动力增加。但温度过高可能会使膜浸润，而且可能使封口处的粘结剂软化，引起膜泄漏，或膜表面起泡或脱落，影响分离效果，同时减少膜的使用寿命[3]。所以，一般比较合适的操作温度在60℃～80℃，这样既可以降低高温对膜结构的破坏，而且这个操作温度范围使真空膜蒸馏系统可以综合利用低品位的工业废热，以及太阳能等清洁能源。
3.3料液流量对膜通量及截留率的影响
反渗透海水淡化浓盐水，采用PP、PE中空纤维膜，在进口温度为48℃，料液流速在60L/h，膜下游真空度为0.1MPa的操作条件下进行真空膜蒸馏得到的料液浓度与膜通量的关系曲线。随着料液浓度增加，膜通量呈减小趋势。这可能是由于在VMD过程中，随着料液中盐浓度的升高，浓差极化现象变得严重而引起通量下降，也可能是随着料液中盐浓度的升高，料液中水的活度降低，从而在相同的温度下，膜表面水的蒸汽压降低而导致传质的推动力减小，从而引起通量的降低。另一方面，因粘度随溶液含盐量增高而增大，使温度边界层和浓度边界层增厚，膜面处溶液的温度降低、盐浓度增加，因而水蒸汽压下降，传质推动力减小，上述两方面使膜通量下降。
真空膜蒸馏过程存在温度边界层和浓度边界层，因而会使界面处水蒸汽的分压降低，膜通量降低。料液流量对膜通量及截留率的影响。采用PP、PE中空纤维膜在料液温度为50℃，下游真空度为0.1的操作条件下，料液流量增加，膜通量也会增加，截留率达到99.9%以上。这是因为料液流量增加，膜表面与流动主体间层流边界减小，传递阻力降低，膜面温度更接近热侧主体的温度，使膜表面液体气化速度加快。已有研究表明，传质系数与液相流速的立方根成正比因而料液流量增加造成膜通量增加。但相对于温度和下游真空度而言，料液流量对膜通量的影响较小。PP膜和PE膜对浓海水具有相似的盐截留率，但PE膜具有相对高的渗透通量，分析膜的性能参数发现，一般膜厚度太小，则膜蒸馏中导热损失会比较大，导致热效率降低。因为PP膜膜厚较小，热损失大，而且PE膜具有更大的孔隙率和平均孔径，这几方面的综合影响导致了PE膜具有比PP膜更大的渗透通量。
4结论
采用PP、PE微孔膜对反渗透海水淡化浓盐水进行真空膜蒸馏的研究。结果表明，真空度增大，膜通量和截留率呈增长趋势。料液温度升高，膜通量增加，截留率呈减少趋势。料液流速增加会使通量增加，截留率呈减少趋势，但影响相对不大。本实验条件下最大截留率可达99.99%，表明利用真空膜蒸馏技术可有效实现反渗透海水淡化浓盐水的浓缩。
参考文献
[1]王贵.高盐化工废水处理工艺分析[J].化工设计通讯,2020,46(04):100-101.
[2]卢长博,雷延贵.蒸汽机械再压缩工艺技术在盐化工生产中的应用[J].石化技术,2020,27(04):158-159.
[3]张经纬.MVR工艺技术在盐化工领域面临的机遇与挑战[J].盐科学与化工,2018,47(10):6-8.