膜蒸馏-前沿脱盐技术研究概况(5)
膜蒸馏（membrane distillation, MD）是一个基于膜的热驱动工艺，它在一个单元中结合了膜技术和蒸发工艺。其涉及到水蒸气在跨膜温差下通过疏水膜孔进行传输。温差导致蒸汽压差，从而使产生的蒸汽通过疏水膜转移到冷凝表面。膜蒸馏的性能不受进水盐度的影响。然而，渗透通量受进水温度的影响强烈。
膜蒸馏工艺中使用的膜材料包括聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯，典型的孔隙率为0.06-0.85，孔隙大小为0.2-1.0μm，厚度为0.06-0.25mm。近三十年来，膜蒸馏被认为是多级闪蒸（MSF）、反渗透（RO）等传统脱盐技术的升级替代。多级闪蒸（MSF）、反渗透（RO）技术分别需要高能耗和高操作压力，从而导致过高的运营成本；而膜蒸馏技术吸引人的地方在于它能在常压和低温下操作，并且在理论上能实现100%的脱盐率。
膜蒸馏的典型应用形式包括直接接触膜蒸馏（DCMD）、气隙式膜蒸馏（AGMD）、真空膜蒸馏（VMD）和气扫式膜蒸馏（SGMD）。人们应用不同形式的膜蒸馏工艺来提高脱盐效率。直接接触膜蒸馏DCMD工艺膜直接与液体接触，是最简单的膜蒸馏形式，并且是各种形式膜蒸馏中通量最高的。气隙式膜蒸馏工艺（AGMD）膜和冷凝端之间存在气隙，其能源利用率是最高的，也最适合在低能量供给的情况下应用。真空膜蒸馏（VMD）工艺在渗透侧维持真空，最适合应用于去除进水中的挥发性物质。气扫式膜蒸馏工艺（SGMD）在膜的渗透侧引入了吹扫/剥离功能。研究人员分析了各种膜蒸馏工艺在苦咸水脱盐、海水淡化、小污染分子去除和贵重产品回收中的应用。在膜蒸馏工艺模块中，聚四氟乙烯（PTFE）膜由于其高疏水性和耐恶劣化学条件而占主导地位。然而，该膜在大规模应用中成本高昂，并且在模块设计，尤其是模块密封时也存在一些困难大型工厂使用时膜材料的成本昂贵，模块设计、特定模块密封仍存在困难。因此，膜蒸馏工艺必须要对膜材料作进一步改善。
膜材料的选择对膜蒸馏工艺至关重要。所选的膜应是多孔且必须具有疏水性，微孔内也不得有毛细凝聚，只能允许蒸汽允许通过微孔，膜不能改变工艺中液体的蒸汽平衡。这项技术的主要缺点之一是通量小（小于8.5 L/m2.h）。在一个提高通量的实验研究中，研究人员在湍流状态（turbulent flow regime）和进水温度为40℃的条件下，对直接接触膜蒸馏（DCMD）模式下的三种疏水膜进行了评估。在这个工艺中，高温进水接触膜的一侧，而冷水直接接触膜的另一侧。温差和溶质浓度引发了蒸汽压梯度，通过以下三个步骤产生质量传递：（1）从进水到膜表面的扩散传输；（2）蒸汽通过膜孔的扩散和对流传输；（3）蒸汽在膜的产水侧表面冷凝。对人工合成海水使用该工艺时除盐率达到99.9%，水通量达34 L/m2.h，是传统条件下直接接触膜蒸馏工艺（DCMD）的2倍。由于跨膜存在温度梯度，边界层的热传导通常限制了膜蒸馏系统的通量传输率。为了提高传质，研究人员使用间隔器和挡板改良了模块设计以提高湍流度。湍流促进器 （turbulence promoter）有助于增加传热、传质系数，从而增加通量传输。相比未改良的模块设计，使用挡板、外部螺旋、内部螺旋和筛网设计的模块的水通量在75℃时提高了11%-49%。
在一个提高RO工艺整体进水回收率的试验中，研究人员将直接接触膜蒸馏（DCMD）和加速沉淀软化相结合来处理RO工艺的浓水。浓水通过氢氧化钠调节pH后产生方解石（calcite），之后通过微滤避免晶体堵塞DCMD模块。整个脱盐工艺的进水回收率增加到了98.8%，并且DCMD的水通量在运行300 小时后只下降了20%。在相似的设置下，另有研究人员将膜蒸馏工艺与结晶工艺（MDC）相结合来处理气扫式膜蒸馏（SWRO）工艺的浓水。在这种方法中，蒸汽压力驱动使溶液浓缩至饱和状态，进而从RO浓水中获得纯晶体产品。
对于气扫式膜蒸馏（SWRO）工艺，研究人员评估了Celgard Liqui-Cel公司的Extra-Flow 2.5×8膜接触器和x-30、x-40型疏水中空纤维膜。结果表明，该系统能利用低热力梯度降低海水中TDS含量，出水中的TDS通常为10mg/L甚至更低。但是这一工艺为了获得高产水量需要较大气流，气流传输产生的成本非常高。为了克服这一障碍，还需要研究新型接触器构造，以实现在极低压强下获得有效接触；同时也需要提高膜的温度限制。如果没有这些改进，SGMD工艺将在价格成本上失去竞争力。
另有研究人员将膜蒸馏工艺与太阳能、地热能或废热进行结合，以降低能耗和成本。尽管理论上在膜蒸馏工艺中可以利用废热，但是相关的研究非常有限，而且缺少与RO工艺成本的对比数据。此外，由于产水量低、能源效率低、疏水微孔膜润湿导致长期性能数据缺失等原因，工业界还未能完全接受膜蒸馏工艺。膜表面润湿使有机物在膜表面加速沉积，这就加大了对预处理的要求，最终导致处理成本的增加。材料创新使微孔膜有了所需的孔隙度、疏水性、低导热系数和低污染性，这些都是膜蒸馏工艺接近商业化不可或缺的条件。因此，未来的研究方向应该关注如何提高膜蒸馏工艺的水通量，并通过制备高渗透的超级疏水膜或改良模块结构来提高膜的耐用性。
对于苦咸水处理和油气田废水处理的膜蒸馏工艺评估，目前已有几个中试项目和示范性工程。在一项由澳大利亚脱盐研究机构National Center for Excellence in Desalination Austrilia主导的研究中，一套膜蒸馏系统用于处理Tjuntjunjarra州的含盐地下水。该州位于澳大利亚西部的偏远地区，地下水中的主要污染物是硝酸盐。新加坡膜技术中心（Singapore Membrane Technology Center）评估了膜蒸馏在有废热源的情况下用于处理炼油厂含油废水的应用。在这两个研究中，都使用了真空多效膜蒸馏技术（V-MEMD）。在澳大利亚的研究中，使用的是一个1m3/day 的试验系统，该系统可在太阳能热源或废热源下运行。根据水质不同，预处理包括过滤工艺。进水电导率为28 000 μS/cm时，蒸馏产水电导率为1.8μS/cm。利用V-MEMD技术，温水通过一系列的膜蒸馏组件，使运行压力逐步降低。这个过程能够提高造水比（gain output ratio, GOR）,使大型单元的造水比达到10，可以与现行的商业化多效蒸馏系统相媲美。由于真空条件，水在温度较低时（50-80℃）就能沸腾。膜蒸馏系统的具体能耗约为为43kWh/m3，但当使用废热作为热源时，能耗会大大降低。
The prototype 1m3/day unit atNational Center for Excellence in Desalination Austrilia
膜蒸馏工艺研究需要重点关注膜材料的制备，以促进物质传输和提高通量。有研究人员利用碳纳米管来增强膜蒸馏工艺的脱盐性能。在这项研究中，碳纳米管被固化在多孔疏水膜上，改变了水-膜交互作用，促进了蒸汽穿过率同时阻止液体从膜微孔渗透。膜蒸馏与碳纳米管结合使海水的通量和脱盐率分别提高了1.85倍和15倍。
摘译自 Emerging desalination technologies for water treatment: A critical review。原文发表于国际水协会期刊 Water Research。Arun Subramani and Joseph G. Jacangelo, Emerging desalination technologies for water treatment: A critical review, Water Research 75 (2015 ) 164-187
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