膜蒸餾技術處理低放射性廢水研究現狀與應用

朱維韜

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

受工業快速擴張、農業生產、人員活動等因素的影響，我國的淡水資源日漸短缺，這種情況給人們的正常生產生活以及社會經濟的健康發展都帶來了極為不利的影響。現階段，為切實解決上述問題，采用膜蒸餾技術對低放射性廢水進行凈化再利用，已經成為節約水資源、滿足人們生產生活需要的有效方式之一。

1 低放射性廢水的處理現狀

在當前的社會發展過程中，在核燃料生產、使用、處理等多個環節都會產生一定量的廢水，并且這些廢水中往往會存在一定量的放射性污染物，如果直接將這類廢水排放到自然環境當中，就會對自然環境以及人們的身體健康產生極為不利的影響。因此，相關研究人員制定了一系列的廢水處理工藝流程，以進一步提升廢水的安全性，并且在實際應用這些工藝的過程中，盡管采取廢水處理措施能夠有效降低廢水中的有害物質含量，但因其工作流程較為復雜、處理效率也比較低，大大延長了廢水處理工作所消耗的時間。以低放射性廢水為例，當前我國處理這類廢水的方法主要為三段式廢水處理工藝。三段式處理工藝在使用過程中的主要工作內容可以被分成絮凝沉降、蒸發與離子交換三部分，在實際應用過程中，這種工藝方法具有工藝技術較為成熟、應用范圍較為廣泛等優點，但由于在對污水進行凝絮沉淀操作時，會產生大量的二次廢物，因而增加了廢棄物的管理成本。現階段，為切實解決上述問題，膜分離技術的應用范圍也在不斷擴大[1]。

2 膜蒸餾技術概述

膜蒸餾技術是一種熱驅動分離技術，在實際應用過程中，這一技術主要是通過在疏水微孔膜兩側產生的蒸汽壓差，使廢水中的雜質與水以水蒸汽的形式分離，并將水蒸汽凝結成水的一種污水處理方式。由于這一操作過程與常規蒸餾操作相似度較高，因此，這一技術又被稱作膜蒸餾技術。

2.1 膜蒸餾技術的原理

在利用膜蒸餾技術進行廢水處理的過程中，通過蒸汽壓差為進料溶液（熱側）與滲透溶液（冷側）提供蒸汽壓差所產生的驅動力，使合成膜上產生溫度梯度，并且傳質與傳熱現象能夠從熱側到冷側沿一個方向同時進行。具體來說，在廢水處理過程中，第一，熱側的溶液在膜表面邊界的界面處出現蒸發現象，從而引起該區域內氣液之間的傳遞轉化；第二，冷側出現蒸汽冷凝情況后，蒸汽壓可以加快蒸汽分子通過膜的速度，從而加快廢水凈化的速度。在膜蒸餾技術的實際應用過程中，現階段較為常用的膜為非潤濕膜，這種膜具有疏水性的特點，并且隨著化學材料合成技術研究的不斷發展，現階段，非潤濕膜的制作材料不斷增加，當前較為常用的材料包括聚偏氟乙烯、聚丙烯等[2]。

2.2 膜蒸餾技術分類

在當前社會發展過程中，膜蒸餾技術屬于一種新型的廢水處理技術，并且這一技術因具有較高的雜質分離效率得到了有效推廣。現階段，隨著膜分離技術研究的不斷深入，依據不同膜的選擇透過性的不同，這一技術可以被分成直接接觸膜蒸餾、氣隙膜蒸餾、真空膜蒸餾、膜蒸餾等不同類型。

2.2.1 直接接觸膜蒸餾

在當前的膜蒸餾技術研發應用過程中，直接接觸膜蒸餾被認為是一種最為可靠的廢水處理技術，在實際應用過程中，這一技術主要被應用于食品制造業、酸工業等行業的脫鹽工作中。在應用直接接觸膜蒸餾進行雜質分離時，熱側的溶液與疏水膜表面直接接觸，滲透液與膜的背面直接接觸，這種情況使膜的進料側發生蒸發，在分離過程中，膜兩側的溫度梯度將會驅動蒸汽壓差，然后熱側廢水中的水將以水蒸汽的形式通過膜的表面，然后在冷側出現冷凝現象。相比較而言，由于直接接觸膜蒸餾技術在應用過程中是熱進料、膜與滲透冷側連續接觸，使得這一技術在使用過程中會損失較多的傳導熱，進而降低廢水處理工作的熱效率。

2.2.2 氣隙膜蒸餾

相較于直接接觸膜技術，氣隙膜蒸餾在蒸餾液側與膜之間存在一個單獨的氣隙（停滯空氣），在實際應用過程中，氣隙膜蒸餾技術可以使廢水中的水以水蒸汽的形式通過膜孔與氣隙，然后在膜組件內部表面上冷凝成水滴，匯聚成水流。盡管相較于直接接觸膜技術，氣隙膜蒸餾水汽輸送阻力相對較大，但在實際使用過程中，由于氣隙膜蒸餾熱損耗相對較小、熱阻較高，因此，為降低廢水處理工作過程中對能源的消耗，可以使用氣隙膜蒸餾技術。需要注意的是，偶遇氣隙膜蒸餾滲透側并沒有膜濕潤的危險，因此，在分離過程中，醇也可以分離出來。

2.2.3 真空膜蒸餾

真空膜蒸餾技術更多地被用于真空泵在膜組件冷滲透側產生吸力，加快雜質分離的一種廢水處理技術。在實際應用過程中，為了更好地給廢水中水蒸汽的滲透提供動力，可以通過控制揮發性分子在熱溶液中的保護壓力比而施加更大真空壓力的方式，加速滲透冷凝過程。需要注意的是，真空膜蒸餾在實際應用過程中，跨膜通量較高、導熱熱損較小，但相較于其他膜分離技術，真空膜蒸餾受污染的程度更高，并且空隙濕潤阻力更低。在實際應用過程中，真空膜蒸餾更多地被用于海水淡化、水溶液中揮發性有機物分離等工作中。舉例來說，在分離水溶液中的乙醇、丁醇等物質的過程中，就可以利用真空膜蒸餾技術將醇類物質同時脫除。

2.2.4 膜蒸餾

膜蒸餾是一種在冷側直接用流動氣體掃去水蒸汽，使其直接冷凝成水的一種技術。在實際應用過程中，水蒸汽分子大多在膜組件外冷凝。相較于其他膜分離技術，膜蒸餾有一個非固定的氣體屏障，用于減少廢水處理過程中損耗的熱量，提升其轉化效率。現階段，這一技術被廣泛應用于稀、濃水溶液中氨的去除。

2.3 膜蒸餾技術應用的優缺點

2.3.1 優點

相較于常規的廢水蒸餾處理技術，首先，膜蒸餾技術在使用過程中，并不需要增設較為復雜的蒸餾設備，以去除不可冷凝氣體對廢水凈化產生的干擾，這種情況的出現不僅降低了廢水處理的成本，還提高了技術應用的安全性。其次，在使用過程中，膜蒸餾技術主要使用疏水微孔膜對氣體與液體界面進行分隔，盡管蒸發區與冷凝區之間的距離較近，但蒸餾液更為純凈，不會被原廢水所污染。再次，膜蒸餾技術在使用過程中，廢水的凈化效率與料液的蒸發面積之間存在著直接的聯系。現階段，為了進一步加快廢水的處理速度，可以通過擴大膜面積的方式，增加廢水的蒸發面積，相對而言，盡管膜面積得到了增加，但膜蒸餾技術整體設備的體積還是比較小。最后，在應用膜蒸餾技術時，并不需要給廢水加熱到極高的溫度，只需要保證膜兩側存在一定的溫差，這種情況的存在大大降低了熱能的提供，降低了廢水處理的成本[3]。

2.3.2 缺點

在實際應用過程中，盡管膜蒸餾技術具有較多優點，但相較于反滲透類廢水處理技術，膜蒸餾在廢水處理過程中，容易出現膜污染、膜孔濕潤等問題，這些問題的存在會嚴重降低廢水處理質量。同時，由于膜蒸餾所使用的膜主要為疏水微孔膜，相較于親水膜在社會發展過程中的應用范圍較為局限，再加上市面上這種膜的產量較少，生產成本相對較高，這就使得膜蒸餾技術的大范圍推廣受到了限制。

3 用膜蒸餾技術處理低放射性廢水的情況

3.1 用膜蒸餾技術處理低放射性廢水的現狀

在當前的社會發展過程中，研究并使用膜蒸餾技術處理低放射性廢水的主要單位仍為各高校或者科研單位實驗室的冷卻實驗研究，熱試驗研究相對較少，并且這一技術尚未大規模地被應用到工業污水處理中，但膜蒸餾技術的優勢仍受到了人們的廣泛關注。具體來說，當前依據原材料的不同，膜蒸餾技術所應用的膜可以被分為有機膜和無機膜兩種，其中有機膜的原材料主要包括纖維素衍生物、聚烯烴等物質。在實際應用過程中，有機膜具有疏水性良好、制備難度較低、原材料獲取難度小、能耗偏低、生產成本較低的特點，這些優點的存在為有機膜的大規模生產創造了良好的條件。需要注意的是，在實際應用過程中，受有機膜耐熱性、氧化性等性質偏低的影響，在發現有機膜存在污染時，無法對其進行頻繁地清理，同時，有機膜適用廢水的pH值相對較小。無機膜在實際使用過程中，具有表面易于親水、化學性質穩定、耐腐蝕、機械強度大、分離系數高等優點，但相較于有機膜，在生產過程中，無機膜的原材料價格較為昂貴、操作要求較高，上述情況的存在在一定程度上限制了無機膜的應用發展。同時，相較于國外從上個世紀就開始研究這一污水處理技術，我國利用膜蒸餾技術處理污水的研究時間相對較短，并且這一技術的研究應用主要在實驗室進行。舉例來說南華大學相關研究人員通過自制氣隙式膜蒸餾凈化裝置的方式，對混合模擬放射性廢水進行了凈化處理，實驗結果表明，這一技術在實際應用過程中，可以截留廢水中99.99%的離子，并且膜通量可達到3.88 kg/m2·h。段小林等研究人員利用聚丙烯膜對含鈾廢水進行了凈化試驗，實驗結果表明在進水溫度為55 ℃，廢水的進水流速控制在0.5 m/s，真空側壓力為2.66 kPa的條件下，對于含鈾量為1～9 mg/L的廢水，膜通量為3.5 kg/m2·h，鈾的截留率高達99.1%。從上述數據中可以了解到，在當前的低放射性廢水處理過程中，膜蒸餾技術具有極高的可行性與使用優勢，因此，其應用前景被人們廣泛看好[4]。

3.2 膜蒸餾技術應用過程中膜污染的控制方法

在當前的社會發展過程中，膜蒸餾技術在廢水處理中呈現出了極大的發展潛力，但需要注意的是，受低放射性廢水中雜質成分較為復雜的影響，膜污染已經成為膜蒸餾技術使用過程中的最大障礙之一。

3.2.1 膜污染出現的原因

從根本上說，利用膜蒸餾技術對低放射性廢水進行凈化處理，是對廢水中的有害物質進行不斷濃縮的一個過程，在此過程中，滲透側產生純凈水的同時，隨著溶液的不斷蒸發，進料側的雜質將會隨著水蒸汽匯聚到膜的表面，并且在進料側水壓的影響下，膜將會受到污染，影響凈化工作的整體質量。現階段，導致膜污染產生的主要原因可以分成廢水、膜材料性能、操作條件這三部分內容。首先，在進行廢水凈化過程中，受污水中雜質組分存在差異的影響，膜污染依據不同的物理、化學性質進行劃分，可以分為無機污染、有機污染、生物污染這三種類型，并且在廢水處理過程中，不同類型的污水將會使雜質產生化學親和力、靜電等性質，使其吸附在膜的表面，并產生更為嚴重的混合污染，進而影響廢水處理效果。其次，在膜蒸餾技術的應用過程中，膜作為蒸餾裝置中的重要組成部分，其材料性能與污染形成之間存在著極為密切的聯系，尤其是膜的孔徑與膜原材料的不同，將會使膜在使用過程中產生不同的污染。最后，經試驗調查顯示，在利用膜蒸餾技術進行低放射性廢水處理的過程中，進料溫度、進料流速等操作內容的不同，將會導致膜通量產生一定的變化，并且操作條件的不同會使膜污染性能產生極大地變化。舉例來說，在利用吹掃式膜蒸餾技術進行垃圾滲濾液的凈化處理過程中，滲濾液進料溫度越高，膜通量在增大的同時，會使膜污染更加嚴重，出現這種情況的主要原因是進料側蒸汽壓力隨著溫度的升高而升高，進而導致污染物顆粒在膜的表面大量富集，影響水蒸汽的正常通過，降低滲濾液凈化的效率[5]。

3.2.2 膜污染的處理辦法

經調查分析可以了解到，膜污染是影響膜蒸餾技術應用的關鍵點之一。現階段，為進一步加快膜蒸餾技術的推廣速度，需要盡可能降低膜污染對其使用性能的影響。當前較為可行的膜污染處理方法包括物理清洗、化學清洗、膜材料改性等。物理清洗控制膜污染的技術可以被應用于低壓膜的水垢處理，通過該技術的應用可以有效提升膜的水通量。現階段，較為常用的物理清洗控制方法包括水力反沖洗、超聲波清洗、機械清洗等方法，其中物理清洗方法是一種可重復、穩定性較高的膜污染處理方法，可以在規模工業中有效實施，并且這一技術具有較高的環保性。化學清洗控制膜污染技術可用于處理膜上污垢較為堅韌的部分，在實際應用過程中，主要是利用化學試劑與污染物中的一些成分發生化學反應，使污染物從膜表面脫離，從而達到提升膜滲透量的目的。現階段，化學清洗是一種極為常用的方法，在使用過程中，既可以用化學清洗液替代進料廢水，對膜表面的污染物進行處理，也可以將膜從設備中取出，在場外通過化學藥劑浸泡的方式，清除其表面的污染物。由于物理、化學清理方法主要是對膜表面附著的污染物進行清理，多次使用還可能損害膜的性能。為切實提升膜的抗污染性，可以通過優化膜材料的性質，降低廢水中雜質在膜表面凝結的可能性。具體來說，在進行膜材料改性的過程中，可以通過適當優化膜表面的親水性、疏水性、電荷排布情況，并適當在膜表面添加一些抗菌功能團的方式，在不影響膜本身性質的同時，降低污染物在膜表面匯集的可能性。

3.3 膜蒸餾技術在低放射廢水處理中的發展趨勢

近年來，膜蒸餾技術的優勢已經在低放射性廢水研究工作中得到了人們的廣泛關注，在廢水的實際處理過程中，若膜蒸餾技術能夠得到有效應用，那么就可以大大縮小廢水處理工藝末端設備的體積，有效實現廢水中有害物質的最小化處理。在現階段，為了進一步擴大膜蒸餾技術的應用范圍，膜蒸餾技術的主要研究方向可以分成兩方面，一方面是將膜蒸餾技術與其他膜技術以及傳統廢水處理技術流程進行融合，進一步提高廢水中雜質的截留率，提升濃縮倍數；另一方面則是要進一步加強對膜蒸餾技術的研發，使膜蒸餾技術的機械性能、化學穩定性、抗污染性、抗潤濕性等方面的性能得到有效提升。

4 結論

總之，相較于傳統的污水處理方法，膜分離技術具有出水水質好、去污系數大等優點。近年來，隨著膜分離技術的不斷發展，膜蒸餾技術已成為處理污水的有效方式之一。目前，合理應用膜蒸餾技術已成為低放射性廢水處理中一項極為重要的工作。