真空膜蒸餾技術淡化鹽堿水試驗研究

王閃，葉文升，胡雪菲,2，尤永軍,2*

（1塔里木大學水利與建筑工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

（2新疆維吾爾自治區教育廳普通高等學校現代農業工程重點試驗室，新疆 阿拉爾 843300）

從全球范圍來看，高礦化度的海水、鹽堿水或苦咸水在沙漠、草原、沿海地區、內陸干旱地區廣泛分布。我國的北方、西北干旱地區也分布著大量鹽堿水或苦咸水，僅新疆生產建設兵團第一師阿拉爾市地下苦咸水分布面積就有2 163.45 km2，占當地地下水總面積的77.26%，淡水與苦咸水交替分布，自西向東呈現苦咸水分布面積逐漸增加、淡水分布面積逐漸減少的特征［1］，對人們的生產生活造成一定影響。隨著新疆南疆地區經濟社會的發展，對水資源的需求呈現逐年遞增的趨勢，更加劇了淡水資源的短缺，因此合理開發鹽堿水資源、緩解用水矛盾逐漸受到關注［2］。

目前國內外對于鹽堿水或苦咸水的淡水回收技術比較成熟，常用的脫鹽工藝有反滲透、多級蒸發、多效蒸餾等，隨著廢水處理規模擴大和集成化程度提高，熱膜耦合、水電聯產等綜合技術也得到了快速發展［3］。膜蒸餾技術作為一種新型的氣液分離手段，具有操作溫度相對較低、壓力低、理論淡化效果好、適應性廣、膜污染程度低等特點［4-5］，在海水淡化［6］、廢水處理［7-8］等方面取得了一定的研究成果，但在低濃度鹽堿水的應用方面還缺乏研究。本研究采用聚丙烯管式膜組件處理鹽堿水，研究了真空膜蒸餾在不同操作條件下的脫鹽效果，探究了影響膜通量的主要因素，為拓展鹽堿水處理思路，實現鹽堿水資源化利用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗用水為鹽堿水，取自新疆生產建設兵團第一師阿拉爾市十二團排堿干渠，礦化度約10.20 g/L。試驗所用膜為PP管式膜（MD3126，天津沃馳科技有限公司），其主要性能參數如表1所示。

表1 PP管式膜元件主要性能指標

1.2 試驗原理及裝置運行

真空膜蒸餾是膜蒸餾的一種，其原理如圖1所示。待處理的熱料液從膜的一側通過，另一側抽真空，由于膜的疏水性和微孔性［9］，熱料液不會直接透過膜孔進入真空側，而是在膜孔一側形成彎曲界面。在加熱與表面張力的共同作用下，進水側與真空側形成一定的壓差，進水側汽化的水蒸氣透過膜孔進入到真空側，然后被抽離到膜外冷凝，形成產水；由于膜的疏水作用，水中不能變成氣態的離子會被阻隔在進水側內，不隨水蒸氣進入真空側，產水中幾乎不含有離子，從而達到污廢水脫鹽的目的。

圖1 真空膜蒸餾原理示意圖

在真空膜蒸餾中，由于透過膜的氣態物質分子平均自由程遠大于膜的平均孔徑，而且真空側壓力較低，膜內只有少量氣體，因此膜內的傳質為努森擴散［10-11］，蒸汽傳質通量可表述為下式。

式（1）中，J為膜通量，kg/(m2·h)；ε為膜的孔隙率，%；dp為膜的直徑，m；χ為曲折因子；δ為膜的厚度，m；R為氣體常數，8.314 J/(mol·K)；T為熱力學溫度，K；M為透過物質的分子量，kg/mol；ph為進水側界面的蒸氣壓，Pa；pc為真空側的壓力，Pa。

基于上述機理，設計試驗裝置如圖2所示。鹽堿水置于恒溫水浴鍋中，通過水浴鍋控制鹽堿水達到設定溫度。加熱后的鹽堿水用蠕動泵打入膜組件的膜內側，熱水形成的水蒸氣透過膜孔，在真空泵負壓下進入膜組件殼程，與冷凝水換熱后形成水珠，被淡水瓶收集，濃縮后的濃水回流至鹽堿水燒杯內繼續循環。

圖2 真空膜蒸餾試驗裝置示意圖

試驗過程中，通過設定單因素，分別考察熱側溫度（40℃、50℃、60℃）、冷側真空度（0.025 MPa、0.052 MPa、0.070 MPa）、鹽堿水濃度（5.30 g/L、7.00 g/L、9.60 g/L）對膜通量及脫鹽率的影響。每個試驗條件下系統運行6 h，結束后分別用稀鹽酸、蒸餾水沖洗膜組件，防止膜污染，然后進行下一組試驗。

1.3 數據分析方法

試驗過程中淡水質量用天平稱量得到，鹽堿水（濃水）及淡水電導率通過電導率儀測定，膜通量（J）與脫鹽率（η）分別用式（2）、式（3）計算。

式（2）中，W為淡水質量，g；S為膜有效面積，m2；t為運行時間，h。

式（3）中，ρh為鹽堿水（濃水）電導率，μS/cm；ρc為淡水電導率，μS/cm。

2 結果與討論

2.1 熱側溫度對膜蒸餾特性的影響

在冷側真空度為0.052 MPa、鹽堿水濃度為9.60 g/L的操作條件下，研究熱側溫度對淡水電導率及膜通量的影響，結果如圖3所示。在系統運行6 h內，三種操作溫度下的淡水電導率雖波動較大，但均低于25 μS/cm（與蒸餾水電導率相近），平均脫鹽率（ηavg）均接近100%，幾乎沒有差異，這說明熱側溫度對VMD的脫鹽性能影響較小。溫度主要影響水蒸氣分壓，對離子在熱側及膜表面的遷移行為影響不大。膜通量在系統運行期間基本維持在200～250 g/（m2·h）之間，且隨著熱側溫度的升高而不斷增大，這是因為膜蒸餾的傳質動力主要源于膜兩側的蒸汽壓差，當熱側的鹽堿水溫度升高時，水的飽和蒸氣壓隨之增大，即式（1）中熱側蒸氣壓增大，而冷側真空度不變，溫度越高傳質動力越大，膜通量隨之增加。理論上，熱側溫度越高，膜通量越大，但是較高的溫度會引起膜表面發生嚴重的溫差極化現象［12］。同時原水加熱對膜絲材料的耐溫性提出了更高要求，為防止膜絲在高溫下發生結構破壞及兩端樹脂脫落，一般真空膜蒸餾熱側溫度不宜過高，應控制在60～70℃之間［13-14］。膜蒸餾的運行需要對原水進行加熱，將增加能耗，因此在具有可利用廢熱或太陽能資源的地區，該技術更具優勢［15］。

圖3 不同熱側溫度下的淡水電導率及膜通量變化

2.2 冷側真空度對膜蒸餾特性的影響

圖4 不同冷側真空度下的淡水電導率及膜通量變化

2.3 鹽堿水濃度對膜蒸餾特性的影響

在熱側溫度為60℃、冷側真空度為0.052 MPa的操作條件下，將鹽堿水稀釋，控制水樣礦化度為5.30 g/L、7.00 g/L、9.60 g/L三個水平，考察鹽堿水濃度對淡水電導率及膜通量的影響，結果如圖5所示。不同鹽堿水濃度下，淡水電導率均低于30 μS/cm，平均脫鹽率（ηavg）接近100%，說明膜蒸餾對不同濃度的鹽堿水處理效果基本相同。雖然鹽堿水濃度越高，水中離子強度越大，但膜材料的疏水特性并不會在短期改變，可以在一定時間內維持較好的脫鹽性能。系統膜通量也較穩定，維持在255 g/（m2·h）左右，且基本不受鹽堿水濃度的影響。而有研究表明，溶液的離子濃度升高會降低水的蒸氣壓，膜通量會隨鹽度增加而逐漸降低［17］，當原水礦化度超過200 g/L時，膜通量比離子含量為50 g/L時降低約26.8%［18］。結合本試驗結果可知，熱側鹽堿水濃度對膜通量的不利影響只有在原水礦化度較高時才顯現。新疆南疆地區的鹽堿水礦化度均值為4.19 g/L，整個西北地區80%的地表水含鹽量低于10 g/L，含鹽量低于10 g/L的地下水約占總地下水量的90%［1］，對比本試驗的研究結果，認為采用膜蒸餾工藝處理南疆地區的低濃度鹽堿水，具有較好的適應性及應用價值。

圖5 不同鹽堿水濃度下淡水電導率及膜通量變化

2.4 影響因素顯著性分析

冷側真空度與膜通量呈正相關，溫度與膜通量呈指數關系，對試驗數據采用多元線性方程進行擬合，可以探究冷側真空度、熱側溫度及鹽堿水濃度對膜通量影響的重要程度。應用SPSS 24.0進行多元線性擬合，結果如表2所示。表中標準化系數表示自變量對因變量的重要性，標準化系數越大，越不能忽略自變量的影響；P＜0.05表明自變量對因變量有顯著影響，反之無顯著影響。冷側真空度對膜通量的影響最大，其次為熱側溫度，而鹽堿水濃度由于P＞0.05被認為對膜通量的影響并不顯著。

表2 多元線性回歸分析結果

3 結論

本試驗通過探究真空膜蒸餾過程中熱側溫度、冷側真空度與鹽堿水濃度對脫鹽率與膜蒸餾的影響，結合多元線性回歸擬合，得出以下主要結論：

1）在不同的熱側溫度、冷側真空度和鹽堿水濃度下，淡水電導率低于30 μS/cm，系統脫鹽率接近100%，淡水水質接近蒸餾水水質，說明采用真空膜蒸餾技術處理鹽堿水的脫鹽效果較好。

2）單因素試驗結果表明，熱側溫度、冷側真空度與膜通量呈正相關。當溫度為60℃、冷側真空度為0.070 MPa、鹽堿水濃度約5.30 g/L時，膜通量最大值為292.44 g/（m2·h）。而在不同鹽堿水濃度下，系統膜通量較為穩定，始終維持在235.33～258.33 g/（m2·h）之間。結合多元線性擬合結果表明，冷側真空度對膜通量的影響最大，溫度次之，鹽堿水濃度對膜通量的影響不顯著。

3）系統膜通量及脫鹽率均較為穩定，沒有發生膜污染現象，說明真空膜蒸餾處理低濃度鹽堿水的過程穩定性高，在南疆地區鹽堿水處理方面具有一定潛力。