PVDF膜用于真空膜蒸餾淡化鹽水的實驗研究

顏學升， 王彩云

(江蘇大學 能源與動力工程學院， 江蘇 鎮江 212013)

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PVDF膜用于真空膜蒸餾淡化鹽水的實驗研究

顏學升， 王彩云

(江蘇大學 能源與動力工程學院， 江蘇 鎮江 212013)

采用聚偏氟乙烯(PVDF)中空纖維疏水多孔膜，配制NaCl溶液，搭建真空膜蒸餾鹽水淡化實驗臺，實驗中著重考察了料液溫度、料液流速、料液濃度、系統真空度等操作參數對真空膜蒸餾過程性能的影響.實驗結果表明：隨著真空度、料液溫度的提高，真空膜蒸餾膜通量明顯提高；隨著料液濃度的提高，真空膜蒸餾膜通量下降，其截留率基本不變；隨著料液流速的提高，真空膜蒸餾膜通量變化較緩慢(略微提高).系統在料液溫度為88 ℃、料液流速為240 cm/min、真空度為0.081 MPa、料液濃度為5%時，真空膜蒸餾膜通量為14.1 kg/(m2·h)，截留率為99.8%，產水的電導率保持在12 μs/cm.

聚偏氟乙烯(PVDF)；中空纖維膜；疏水多孔膜；真空膜蒸餾；淡化鹽水

0 引 言

膜蒸餾是膜技術與蒸餾過程相結合的膜分離過程，一般多以非揮發性物質的水溶液為蒸餾對象.當疏水的微孔高分子膜將不同溫度的水溶液分隔開時，由于表面張力的作用，膜兩側的水溶液都不能通過膜孔進入另一側，但是溫度高的水蒸汽在膜兩側水蒸汽壓力差的作用下，會通過膜孔進入溫度低的一側，然后冷凝，從而實現分離.該過程同常規蒸餾中的蒸發、傳質、冷凝過程十分相似，所以稱其為膜蒸餾過程[1].膜蒸餾采用疏水性多孔膜，并利用高、低溫溶液的蒸汽壓差使多種溶液得以濃縮.與熱法海水淡化相比，本方法無需將溶液加熱到沸點，只要將膜兩側維持適當的溫差即可進行.此外，膜蒸餾過程幾乎在常壓下進行，設備簡單、操作方便，同反滲透海水淡化相比無需高壓設備，便于實施.

目前，膜蒸餾主要有以下4種形式：直接接觸膜蒸餾、減壓膜蒸餾、吹掃氣膜蒸餾與空氣隙膜蒸餾[2].研究發現，在真空膜蒸餾中，膜的一側與進料液體直接接觸，另一側的壓力保持在低于進料平衡的蒸汽壓之下，透過的水蒸汽被抽出組件外冷凝，增大膜兩側的水蒸汽壓力差，可得到較大的透過通量.膜蒸餾雖然有很多優點，但是其熱效率低與膜通量低的問題直接影響其產業化[3-6].為了開發有潛力的海水淡化方法，降低海水淡化的成本，本研究擬采用疏水性聚偏氟乙烯(PVDF)中空纖維微孔膜，以NaCl水溶液為測試液，對減壓膜蒸餾淡化鹽水技術進行了實驗分析，著重探討了冷側真空度、料液溫度、料液流速和料液濃度等操作條件對膜蒸餾過程的影響.

1 材料與儀器

1.1 材 料

實驗所用的中空纖維真空膜蒸餾組件購自天津膜天膜科技有限公司.膜組件外殼材料為有機玻璃，尺寸為Φ 32 mm×1 300 mm，膜內徑為0.5 mm，壁厚0.25 mm，平均孔徑為0.18 μm，孔隙率為86%，有效面積為0.8 m2.實驗所用的NaCl溶液，由固體NaCl與去離子水配制而成.

1.2 儀 器

實驗所用儀器包括：C300型恒溫熱水浴(西安夏溪電子科技有限公司)，DJB-6510型低溫恒溫水浴(常州首創儀器設備有限公司)，CAL204-IC型電子天平(梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司)，DS5型電導率儀(杭州哈希環境科技有限公司)，MP20R型磁力循環泵、W-100L型射流真空泵(上海一環流體控制設備有限公司).

2 實驗裝置與過程

2.1 真空膜蒸餾實驗過程

真空膜蒸餾實驗裝置示意圖如圖1所示，其主要由熱側、真空側以及中空纖維膜組件構成.熱側包括恒溫熱水浴、磁力循環泵、轉子流量計、溫度計、壓力表及控制閥等；真空側包括水環真空泵、低溫恒溫水浴、產水罐、電子天平等.

1.進料罐；2.加熱器；3.熱水泵；4.流量計；5.平板膜組件；6.膜；7.透過液；8.純水箱；9.冷水箱；10.冷卻器；11.冷水泵；12.真空噴射泵

圖1 真空膜蒸餾實驗裝置示意圖

真空膜蒸餾實驗過程為：料液海水在恒溫熱水浴中加熱到預定溫度后，利用磁力循環泵，經過轉子流量計調節流量后進入中空纖維膜組件；熱側的水蒸汽在蒸汽壓差的推動下透過疏水性多孔膜通過真空噴射泵抽出，經過冷凝器冷凝收集；當膜組件兩側的進出口溫度穩定后，開始計量收集的淡水，通過電子天平稱量淡水的質量.在實驗過程中，真空噴射泵一方面可以抽取濃鹽水，一方面可以抽取冷側的不凝氣體，建立裝置所需要的真空.同時，抽取的料液經過冷凝器促使海水低溫蒸發，降低能耗.

2.2 計算參數

膜通量，是指單位膜面積、單位時間內的產生的蒸汽質量，計算公式為，

(1)

式中，J為膜通量，kg/(m2·h)；Q為一定時間內餾出液的量，kg；S為有效蒸發膜面積，m2；t為收集Q餾出液所需的時間，h.

截留率，是反映產水質量的評價指標，也是膜蒸餾單元操作的評價指標,其定義為，

(2)

式中，Cp為透過液濃度；CF為進料液濃度.

3 結果與討論

3.1 溫度的影響

當料液的配制濃度分別為0、6%、10%、13%，維持系統真空度為0.080 MPa，料液進口流速為250 cm/min，料液進口溫度對膜通量的影響如圖2所示；控制料液的濃度為10%，料液進口流速為250 cm/min，控制系統的真空度分別為0.054、0.063、0.072、0.084 MPa，料液進口溫度對膜通量的影響如圖3所示；控制料液的濃度為10%，維持系統真空度為0.080 MPa，料液進口流速分別為200、220、250、270 cm/min，料液進口溫度對膜通量的影響如圖4所示.

圖2 料液進口溫度對膜通量的影響(不同的濃度)

圖3 料液進口溫度對膜通量的影響(不同的真空度)

圖4 料液進口溫度對膜通量的影響(不同的流速)

從圖2可知，膜通量隨著溫度的升高而增大，隨著料液濃度的增大而減小；由圖3可知，膜通量隨著真空度的升高而增大，隨著溫度的升高而增大；由圖4可知，膜通量隨著料液流速的升高而增大，隨著溫度的升高而增大.據此可看出，不管何種操作條件，膜通量都隨著溫度的升高而增大，這主要是由于水的飽和蒸汽壓隨著溫度上升而升高.而在真空膜蒸餾過程中，驅動力是由料液側的水蒸汽壓差所決定的，提高熱側的蒸汽分壓或者提高冷側的真空度而使兩側的蒸汽壓差增大，使膜蒸餾過程的驅動力增大，膜通量亦提高.

3.2 真空度的影響

由于膜通量隨著系統真空的增大而增大，基于此，配制濃度為10%的料液，設定料液進口流速為250 cm/min，當料液溫度分別為68、73、80、88 ℃時，真空度對膜通量的影響如圖5所示；配制濃度為10%的料液，當料液進口流速為200、220、250、270 cm/min，料液溫度為80 ℃時，真空度對膜通量的影響如圖6所示.

圖5 真空度對膜通量的影響(不同的溫度)

圖6 真空度對膜通量的影響(不同的流速)

從圖5、圖6可知，真空度對膜通量的影響與溫度對膜通量的影響一致，都是通過提高膜組件兩側的蒸汽驅動力來提高膜蒸餾過程的效率.

本技術在產業化應用中，提高料液的溫度與提高冷側的真空度相比，實驗設備較為簡單，成本也較低廉.同時，本系統中利用了冷凝蒸汽放出的熱量來預熱料液，回收利用了汽化蒸汽的潛熱，從而減少了加熱料液的熱量輸入.

3.3 流速的影響

在進料溫度為80 ℃，料液濃度為10%，真空度分別為0.054、0.063、0.072、0.084 MPa的條件下，膜通量隨進料液流速的變化規律如圖7所示；在真空度為0.080 MPa，溫度分別為68、73、80、88℃的條件下，膜通量隨進料流速的變化規律如圖8所示.

從圖7、圖8可知，膜通量均隨著流速的增大而增大，但是整體曲線變化較平緩，即料液流速對膜通量的影響很小.其原因是，料液流速越大，其對熱邊界層的擾動越強，越有利于傳熱傳質，但是一旦流體形成溫度的流動形態，流速的影響就可忽略不計.同時，考慮到膜組件的機械性能、構造等的影響，也不可能無限制地提高料液流速.

圖7 料液流速對膜通量的影響(不同的真空度)

圖8 料液流速對膜通量的影響(不同的溫度)

3.4 料液濃度的影響

固定料液的溫度為80 ℃，真空度為0.080 MPa，進料流速為250 cm/min，料液濃度對膜通量及截留率的影響如圖9、圖10所示.

圖9 料液濃度對膜通量的影響

圖10 料液濃度對截留率的影響

由圖9、圖10可知，隨著料液濃度的提高，膜蒸餾呈整體降低趨勢，膜通量減小.這是因為料液濃度越大，熱側水蒸汽分壓越小，膜兩側蒸汽壓差降低，導致膜蒸餾過程推動力下降.隨著料液的濃度的增加，膜通量降低的幅度變大，這主要是由于料液的濃度增加到一定值時，會在膜分離界面出現濃度極化現象，造成膜通量急速下降.此外，實驗還發現，料液濃度對截留率的影響很小，如果出現大的波動可考慮是否膜組件受到污染.

4 結 論

本研究采用PVDF中空纖維疏水多孔膜對真空膜蒸餾過程開展實驗探討，著重考察了料液溫度、料液流速、真空度、料液濃度對減壓膜蒸餾過程中膜通量與截留率的影響.實驗結果表明，可以通過適當地提高料液的溫度、流速及系統的真空度，提高膜蒸餾過程的驅動力(膜兩側的蒸汽壓差)，進而提高減壓膜蒸餾過程的效率.實際操作中具體采用哪種方法要根據處理的料液、膜組件的材料等因素來綜合考慮.同時，本實驗中，真空膜蒸餾所達到的最大膜通量為14.1 kg/(m2·h).

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Experimental Study on Vacuum Membrane Distillation Based on Brine Desalination by PVDF

YANXuesheng，WANGCaiyun

(School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013， China)

Based on polyvinylidene fluoride(PVDF) hollow fiber hydrophobic porous membrane,vacuum membrane distillation desalination test bench is built to prepare NaCl solutions and to study the effects of operating parameters such as liquid temperature,flow rate,feed concentration and system vacuum degree on the performance of vacuum membrane distillation process.The experimental results show that with the increase of vacuum degree,feed liquid temperature,the vacuum distillation membrane flux increases;with the increase of feed concentration and the decrease of membrane flux,the retention rate is essentially the same;with the increase of the feed flow rate, membrane flux changes slowly(slight increase).When the material liquid temperature is 88 ℃,the material liquid flow rate is 240 cm/min,the vacuum degree is 0.081 MPa,the material liquid concentration is 5%,the membrane flux is 14.1 kg/(m2·h),the retention rate is 99.8%,the conductivity of water is maintained at 12 μs/cm.

Polyvinylidene Fluoride(PVDF);hollow fiber membrane;hydrophobic porous membrane;vacuum membrane distillation;brine desalination

1004-5422(2017)02-0221-04

2017-03-16.

顏學升(1976 — )， 男， 博士， 副教授， 從事鍋爐換熱與海水淡化關鍵技術研究.

TQ028.8

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