膜蒸馏技术与应用

膜蒸馏技术与应用

膜蒸馏技术是一种以疏水性微孔膜两侧蒸汽压差为传质推动力的新型分离技术。它在海水淡化、溶液浓缩、废水处理等领域展现出独特优势，但同时也面临通量小、成本高等挑战。本文将详细介绍膜蒸馏技术的基本原理、特点及其在不同领域的应用。

膜蒸馏的特征、优点和缺点

特征

膜蒸馏是一种新型的分离技术，其基本原理是利用疏水性微孔膜两侧的蒸汽压差进行物质传输。当不同温度的水溶液被疏水微孔膜分隔时，由于膜的疏水性，两侧的水溶液均不能透过膜孔进入另一侧。但由于暖侧水溶液与膜界面的水蒸汽压高于冷侧，水蒸汽就会透过膜孔从暖侧进入冷侧并冷凝。这一过程与常规蒸馏中的蒸发、传质、冷凝过程相似，因此被称为膜蒸馏过程。膜蒸馏过程具有以下特征：

1. 所用的膜为微孔膜
2. 膜不能被所处理的液体润湿
3. 膜不能被所处理的液体浸润，膜孔内无毛细管冷凝现象
4. 只有蒸汽能通过膜孔传质，膜不能改变所处理液体中所有组分的气液平衡
5. 操作液体中各组分的汽液平衡膜至少有一侧要与操作液体直接接触
6. 该膜过程的推动力是该组分在气相中的分压梯度

优点

膜蒸馏过程具有以下优点：

1. 几乎在常压下进行，设备简单、操作方便
2. 蒸馏液十分纯净，对离子、大分子、胶体、细胞及其他非挥发性物质能达到100%的截留
3. 能处理高浓度废水溶液，甚至可以浓缩到过饱和状态
4. 组件设计灵活，易于实现潜热回收
5. 无需将溶液加热到沸点，可利用廉价能源
6. 截留率高，可达100%
7. 操作压力较其他膜分离低
8. 蒸馏效率高，蒸馏液更为纯净
9. 无需复杂的蒸馏设备
10. 易于增加蒸发面积，提高蒸馏效率

缺点

膜蒸馏过程也存在以下缺陷：

1. 热效率较低（一般只有30%左右），需要考虑潜热回收
2. 蒸馏通量小，尚未实现在工业生产中广泛应用
3. 疏水微孔膜的选择和制备工艺受限
4. 运行状态受温度极化和浓度极化影响
5. 膜成本较高

膜蒸馏技术的应用

海水、苦咸水脱盐制备饮用水

膜蒸馏技术最初开发目的是用于海水淡化。虽然反渗透技术在20世纪60年代就已进入实用阶段，但膜蒸馏在某些方面具有独特优势。研究表明，膜蒸馏制备的饮用水电导率可达到0.8 μS/cm，固溶物质量分率可达0.6×106，但目前尚无性能良好的专门膜蒸馏用膜，大规模海水脱盐仍难以与反渗透技术媲美。

非挥发性溶质水溶液浓缩

膜蒸馏可在相对较低的温度下运行，具有极高的脱水能力。特别是在果汁、食品浓缩方面，其效果优于其他膜过程。研究显示，膜蒸馏对柠檬酸和硫酸的截留率接近100%，对氟硅酸可将浓度从2%浓缩至35%。但这些工作大多仍处于实验室研究阶段。

废水处理

膜蒸馏技术在废水处理方面具有显著优势，特别是在处理高浓度废水时。研究表明，膜蒸馏技术可以有效去除废水中的苯酚和甲醇等污染物，去除率可达95%以上。此外，膜蒸馏技术在回收工业废酸液中的HCl等方面也有典型应用。

共沸混合物的分离

膜蒸馏技术在分离某些共沸物方面也展现出潜力。研究显示，膜蒸馏技术在分离甲酸-水共沸混合物时不存在共沸现象，表明其在共沸物分离方面具有潜在应用价值。