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温度差作为驱动力的膜分离法处理废污水的可行性

温度差作为驱动力的膜分离技术

彭超

（重庆工商大学2012级环境工程专业硕士）

摘要：

膜分离技术以外界能量或化学位差为驱动力，对双组分或多组分体系进行分离、分级、提纯或富集的技术。

这些推动力可能是位于膜两侧间的压强差、浓度差、电位差、温度差或这些因素综合差异。

本文主要是描述运用温度差作为驱动力的膜蒸馏法来处理废污水的方法。

关键词：

膜分离法驱动力温度差膜蒸馏

Thedifferenttemperatureasthedrivingforceofthemembraneseparationtechnology

PengChao

（MastercandidateofEnvironmentalEngineering,ChongqingTechnologyandBusinessUniversity）

Abstract:

Membraneseparationtechnologyisatechnologywhichusingtheexternalenergyorchemicalpotentialdifferenceasthedrivingforcetoseparate,classify,purifyorenrichmentthetwo-componentormulti-componentsystem.Theseforcesmaybethedifferentialpressure,theconcentrationdifference,thepotentialdifference,temperaturedifferenceorthecombinationofthesefactorsdifferencewhichbetweenthetwosidesofthemembrane.Thispaperismainlydescribetheuseofthemembranedistillationtechnologywhichtemperaturedifferenceasadrivingforcetohandlewastewater.

Keywords:

Membraneseparationtechnology,Drivingforce,Temperaturedifference,Membranedistillation,Wastewater

∙引言

膜分离法是利用天然或人工合成膜，以外界能量或化学位差作推动力，对混合物进行分离、提纯和富集。

常见的膜分离法主要有微孔过滤、超滤、反渗透、渗析、电渗析、渗透气化、气体分离和液膜等。

近几十年来，作为一门新型的高分离、浓缩、提纯及净化技术，新的膜过程不断地得到研究开发，如膜蒸馏、膜生物反应器、控制释放膜、仿生膜及生物膜等；膜分离技术的应用领域也越来越广泛地渗透到人们生活和生产的各个方面，如环保、化工、电子、轻工、纺织、石油、食品、医药、生物工程、能源工程等。

国外有关专家甚至把膜分离技术的发展称为“第三次工业革命”，认为膜分离技术是20世纪末至2l世纪中期最有发展前途的高新技术之一[1]。

1、膜分离技术的概况：

膜分离技术是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，实现选择性分离的技术，半透膜又称分离膜或滤膜，膜壁布满小孔，根据孔径大小可以分为：

微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）、反渗透膜（RO）等，膜分离都采用错流过滤方式[1]。

膜分离是在20世纪初出现，20世纪60年代后迅速崛起的一门分离新技术。

膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，因此，已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。

[2]

1.1工艺原理

膜分离的基本工艺原理是较为简单的。

在过滤过程中料液通过泵的加压，料液以一定流速沿着滤膜的表面流过，大于膜截留分子量的物质分子不透过膜流回料罐，小于膜截留分子量的物质或分子透过膜，形成透析液[3]。

故膜系统都有两个出口，一是回流液（浓缩液）出口，另一是透析液出口。

在单位时间（Hr）单位膜面积（m2）透析液流出的量（L）称为膜通量（LMH），即过滤速度。

影响膜通量的因素有：

温度、压力、固含量（TDS）、离子浓度、黏度等。

由于膜分离过程是一种纯物理过程，具有无相变化，节能、体积小、可拆分等特点，使膜广泛应用在发酵、制药、植物提取、化工、水处理工艺过程及环保行业中。

对不同组成的有机物，根据有机物的分子量，选择不同的膜，选择合适的膜工艺，从而达到最好的膜通量和截留率，进而提高生产收率、减少投资规模和运行成本。

[4]

1.2工艺优点

（1）在常温下进行

有效成分损失极少，特别适用于热敏性物质，如抗生素等医药、果汁、酶、蛋白的分离与浓缩

（2）无相态变化

保持原有的风味，能耗极低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3-1/8

（3）无化学变化

典型的物理分离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染

（4）选择性好

可在分子级内进行物质分离，具有普遍滤材无法取代的卓越性能

（5）适应性强

处理规模可大可小，可以连续也可以间隙进行，工艺简单，操作方便，易于自动化

（6）能耗低　

只需电能驱动，能耗极低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3-1/8

1.3工艺流程

操作

①接通电源，确保泵在运行过程中是正转；

②参数设定，根据实验要求的温度和压力，设置最高的工作压力和温度；

③膜的准备工作，膜在投入使用前必须进行清洗，使膜达到最佳的工作状态；

④膜分离；

⑤膜清洗，膜在处理完物料后，受到一定污染，应进行一定清洗。

清洗

无机膜清洗：

用1%HNO3溶液循环清洗15min，打开滤液阀门，让滤液回到循环罐内，让其继续清洗15min，之后用自来水系统清洗至中性；

有机膜清洗：

用1%na5p3o10+0.5%edta+0.2%sds+naoh调PH11.0，清洗45min，之后用纯净水洗至中性。

保存

若膜不使用超过3天，要用1%甲醛溶液将膜封存，冬季用20%甘油将膜封存。

1.4系统应用

澄清纯化技术

——超/微滤膜系统

澄清纯化分离所采用的膜主要是超/微滤膜，由于其所能截留的物质直径大小分布范围广，被广泛应用于固液分离、大小分子物质的分离、脱除色素、产品提纯、油水分离等工艺过程中。

[5]

超/微滤膜分离可取代传统工艺中的自然沉降、板框过滤、真空转鼓、离心机分离、溶媒萃取、树脂提纯、活性炭脱色等工艺过程。

澄清纯化技术可采用的膜分离组件主要有：

陶瓷膜、平板膜、不锈钢膜、中空纤维膜、卷式膜、管式膜。

浓缩提纯技术

——纳滤膜系统

膜分离技术在浓缩提纯工艺上主要采用截留分子量在100～1000Dal的纳滤膜。

纳滤膜的主要特点是对二价离子、功能性糖类、小分子色素、多肽等物质的截留性能高于98%，而对一些单价离子、小分子酸碱、醇等有30～50%的透过性能，常被应用于溶质的分级、溶液中低分子物质的洗脱和离子组分的调整、溶液体系的浓缩等物质的分离、精制、浓缩工艺过程中。

[6]

纳滤膜分离技术常被用于取代传统工艺中的冷冻干燥、薄膜蒸发、离子交换除盐、树脂工艺浓缩、中和等工艺过程。

浓缩提纯技术可采用的膜组件主要有：

卷式膜、管式膜。

1.5历史与现状

1.5.1发展简史

膜分离现象广泛存在于自然界中，特别是生物体内，但人类对它的认识和研究却经过了漫长而曲折的道路。

膜分离技术的工程应用是从20世纪60年代海水淡化开始的-1960）年洛布和索里拉金教授制成了第一张高通量和高脱盐率的醋酸纤纸素膜，这种膜具有推对称结构，从此使反渗透从实验室走向工业应用。

[7]其后各种新型膜陆续问世，1967年美国杜邦公司首先研制出以尼龙-66为膜材料的中空纤维膜组件；1970年又研制出以芳香聚酰胺为膜材料的“PemiasepB-9”中空纤维膜组件，并获得1971年美国柯克帕特里克化学工程最高奖。

从此反渗透技术在美国得到迅猛的发展，随后在世界各地相继应用。

其间微滤和超滤技术也得到相应的发展。

[8]

膜在大自然中，特别是在生物体内是广泛存在的。

我国膜科学技术的发展是从1958年研究离子交换膜开始的。

60年代进入开创阶段。

1965年着手反渗透的探索，1967年开始的全国海水淡化会战，大大促进了我国膜科技的发展。

70年代进入开发阶段。

这时期，微滤、电渗析、反渗透和超滤等各种膜和组器件都相继研究开发出来，80年代跨入了推广应用阶段。

80年代又是气体分离和其他新膜开发阶段。

[9]

1.5.2现状

随着我国膜科学技术的发展，相应的学术、技术团体也相继成立。

她们的成立为规范膜行业的标准、促进膜行业的发展起着举足轻重的作用。

半个世纪以来，膜分离完成了从实验室到大规模工业应用的转变，成为一项高效节能的新型分离技术。

1925年以来，差不多每十年就有一项新的膜过程在工业上得到应用。

由于膜分离技术本身具有的优越性能，故膜过程已经得到世界各国的普遍重视。

在能源紧张、资源短缺、生态环境恶化的今天，产业界和科技界把膜过程视为二十一世纪工业技术改造中的一项极为重要的新技术。

曾有专家指出：

谁掌握了膜技术谁就掌握了化学工业的明天。

[10]

80年代以来我国膜技术跨入应用阶段，同时也是新膜过程的开发阶段。

在这一时期，膜技术在食品加工、海水淡化、纯水、超纯水制备、医药、生物、环保等领域得到了较大规模的开发和应用。

并且，在这一时期，国家重点科技攻关项目和自然科学基金中也都有了膜的课题。

这一潜力巨大的新兴行业正在以蓬勃的激情挑战市场，为众多的企业带来了较为显著的经济效益、社会效益和环境效益。

展望

当前，膜分离技术已获得巨大的进展，但它毕竟还是处于上升发展阶段，还有许多工作要我们去做。

21世纪的膜科学与技术将进一步改进、完善已有的膜过程，不断探索和开拓新的过程与材料，并不断扩充原有的应用领域，使膜技术发挥发挥更大的作用。

[11]

2、膜分离处理技术

2.1浓度差作为驱动力的膜分离处理技术

渗析原理

一种以浓度差为推动力的膜分离操作，利用膜对溶质的选择透过性,实现不同性质溶质的分离。

（图1）操作时,膜的一侧流过料液，另一侧流过接受液，料液中的渗析组力透过膜而进入接受液中。

部分地除去渗析组分的料液称为渗析液，接纳渗析组分的液体称为扩散液。

根据所用的膜，有两种类型的渗析；①中性膜渗析。

膜上不带电荷，按溶质粒径作选择，小分子能够透过膜上微孔而得到分离。

这是最早开发的膜分离操作，曾在粘胶纤维工业中用于回收碱液。

但中性膜渗析与超过滤相比，由于超过滤不仅能分离出小分子,且对料液有浓缩作用,所以中性膜渗析原有的工业应用都被超过滤替代。

渗析现在主要用于人工肾。

②离子交换膜渗析。

膜上带有电荷，按离子的电荷性质作选择，阳离子交换膜易透过碱、阴离子交换膜易透过酸（见电渗析）。

应用于废酸回收、溶液脱酸和碱液精制等方面。

[12]

图1

2.2电位差作为驱动力的膜分离处理技术

电渗析是一种成熟的膜分离水处理技术，这种设备是在外加电场作用下，利用阴阳离子交换膜对溶液中电解质离子的选择透过性，使溶液中的阴阳离子发生分离的一种理化过程。

（图7）这种设备由于其能耗低、产水量大、脱盐率高、稳定性强等特点，现已被广泛应用于医药、电子、化工、食品、硬水软化、海水淡化等方面。

电渗析电渗析器的关键部件是离子交换膜，离子交换膜分阳离子交换膜（简称阳膜，它只允许阳离子透过而阻挡阴离子）和阴离子交换膜（简称阴膜，它只允许阴离子透过而阻挡阳离子）两种。

电渗析器是利用离子交换膜的选择透过性，在直流电场的作用下使水中的离子有选择地定向迁移，使一部分水中的离子数量减少而另一部分水中的离子数量增多，从而达到分离、浓缩、除盐的目的。

[13]

图7

2.3压力差作为驱动力的膜分离处理技术

2.3.1微滤技术的主要特征及其分离过滤机理

微孔滤膜孔径一般在0.01～10μｍ之间，多为对称性多孔膜。

其特征主要表现为具有高度均匀的孔径分布，分离效率高；孔隙率高，一般可达到70%以上，有关资料报道约有107～1011个孔/cm2。

（图8）同时绝大多数微孔滤膜的厚度在90～105μｍ之间，较薄，使其过滤速度大大提高，同其它过滤过程相比微孔滤膜为均一的连续体，过滤时没有介质脱落，不会造成二次污染。

[14]

图8

膜分离机理十分复杂，影响因素多，基于已进行的研究，可认为流体通过膜的推动力主要是压力差、分压差、浓度差、电位差、化学位差等，选择性和通量

是膜分离的重要技术指标。

2.3.2反渗透膜分离法

反渗透膜分离法的基本特点是其推动力为压力差（1－10MPa），传质机理一般认为是溶剂的扩散传递，透过膜的物质是水溶剂，截留物为溶质、盐（悬浮物、大分子、离子），膜的类型为非对称膜或复合膜。

（图9）反渗透的选择透过性与组分在膜的溶解、吸附和扩散有关，因此除与膜孔大小结构有关外，还与膜的化学、物理性质有密切关系，即与组分和膜之间的相互作用密切相关。

[15]

图9

2.3.2超滤膜过滤的膜分离法

超滤膜筛分过程，以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，当原液流过膜表面时，超滤膜表面密布的许多细小的微孔只允许水及小分子物质通过而成为透过液，而原液中体积大于膜表面微孔径的物质则被截留在膜的进液侧，成为浓缩液，因而实现对原液的净化、分离和浓缩的目的。

（图10）每米长的超滤膜丝管壁上约有60亿个0.01微米的微孔，其孔径只允许水分子、水中的有益矿物质和微量元素通过，而最小细菌的体积都在0.02微米以上，因此细菌以及比细菌体积大得多的胶体、铁锈、悬浮物、泥沙、大分子有机物等都能被超滤膜截留下来，从而实现了净化过程。

[16]

图10

2.4温度差作为驱动力的膜分离处理技术

2.4.1膜蒸馏技术

膜蒸馏（membranedistillation，MD）是传统蒸馏工艺与膜分离技术相结合的一种液体分离技术，膜蒸馏过程是热侧液体的水分子蒸发汽化，穿过疏水膜的微孔，水相中非挥发性的离子和分子等溶质则不能透过疏水膜，从而实现溶液分离、浓缩或提纯的目的．膜蒸馏是有相变的膜过程，同时发生热量和质量的传递，传质的推动力为疏水膜两侧透过组分的蒸汽分压压差[17]。

MD蒸馏原理（直接接触式）如图2：

2.4.2直接接触膜蒸馏

如图3，直接接触膜蒸馏（directcontactmembranedistillation，DCMD）是膜的一侧直接接触热料液，另一侧直接接触冷流体．传质过程为：

（1）水从被处理液体主体扩散到与疏水膜表面相接触的边界层；

（2）水在边界层与疏水膜的界面汽化；（3）汽化的蒸汽扩散通过疏水性膜孔；（4）蒸汽在疏水膜的透过侧直接与冷流体接触而被冷凝．

2.4.3空气隙膜蒸馏

空气隙膜蒸馏（airgapmenbranedistillation，AGMD），如图4，传质过程的前三步与直接接触膜蒸馏相同，从第四步开始，透过侧的蒸汽不直接与冷液体接触，保持一定的间隙，透过蒸汽扩散穿过空气隔离层后在冷凝板上进行冷凝．

2.4.4减压膜蒸馏

减压膜蒸馏（vacuummembranedistillation，VMD）又称真空膜蒸馏，是在膜的透过侧用真空泵抽真空，以造成膜两侧更大的蒸汽压差．传质的前三步与直接接触膜蒸馏相同，第四步透过蒸汽被真空泵抽至外置的冷却器中冷凝，见图5．减压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。

[18]

3.4.5气扫膜蒸馏

气扫膜蒸馏（sweepinggasmenbranedistillation，SGMD）是用载气吹扫膜的透过侧，从膜组件中夹带走透过的蒸汽，使蒸汽在外置的冷却器中冷凝．传质过程也是在第四步发生变化，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夹带作用，促进传质，因此传质推动力可以比直接接触膜蒸馏和空气间隙式膜蒸馏大，载气中水蒸汽的分压以及冷凝温度控制对膜蒸馏产水量有重要影响．工艺原理见图6。

[19]

2.4.6膜蒸馏技术的发展方向及展望

（1）研制分离性能好，价格低廉的膜。

目前之所以膜蒸馏与其他分离技术相比较竞争力不强，一个很主要的原因是用于膜蒸馏的膜成本较高。

迫切需要研制出具有良好分离性能而且价格低廉的膜以适应膜蒸馏的发展。

（2）完善机理模型。

机理模型是进行过程优化及设计计算的理论指导。

虽然许多研究者已经从不同角度对膜蒸馏的机理进行了研究，但仍存在着不少缺陷，有必要加以进一步完善。

（3）提高热量利用率。

膜蒸馏是具有相变的、需要消耗热量的过程，热量利用率是它的一个重要技术经济指标。

膜蒸馏中不可避免地存在着因热传导造成的热量损失，如何减少这部分热量损失，是值得研究的重要课题。

（4）发挥常压低温脱水的优势，开展应用研究。

研究表明重点应用是热敏性物质水溶液的浓缩。

另外，膜蒸馏过程简单和设备技术要求不高等特点，很适合于小规模的盐水淡化，这对偏远地区及野外作业人员解决饮用水问题有着重要意义。

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