气隙式膜蒸馏技术研究现状和应用

在低碳经济的发展背景下,膜蒸馏技术作为一种兼具优异分离性能和节能潜力的新型分离技术而备受重视。气隙式膜蒸馏作为一种高热效率的膜蒸馏形式,其节能优势更为显著。本文总结了国内外与气隙式膜蒸馏技术相关的研究进展,从传质传热模型、数值模拟和膜组件结构几个方面指出了膜蒸馏技术的主要研究方向。重点介绍了膜蒸馏过程优化的研究和技术应用现状。膜蒸馏过程优化包括通过膜组件结构设计优化、使用改性膜、外加物理场等方式以提高膜通量或减小膜污染。在应用方面,气隙式膜蒸馏技术主要应用于海水淡化、高浓度工业废水处理和浓缩加工等领域。

气隙式膜蒸馏处理模拟放射性废水

对采用自制气隙式膜蒸馏装置净化处理质量浓度为1g/L Sr2+和离子质量浓度均为10g/L的Co2+、Sr2+、Na+、Ca2+四种离子混合模拟放射性废水进行了研究。结果表明:膜蒸馏技术对1g/L Sr2+料液中Sr2+截留率可以达到99.999%以上,去污系数(DF)在105以上;处理离子质量浓度均为10g/L的Co2+、Sr2+、Na+、Ca2+四种离子混合料液时,膜蒸馏对Sr2+、Co2+截留率均接近100%,DF(Sr2+)达1×106,DF(Co2+)达1×107;料液温度和料液流速对膜通量有一定影响,无论是提高料液温度,还是增加料液流速,均可以有效提高膜通量。在保证净化效果的情况下,在料液温度75℃,料液流速7L/min时,处理1g/L Sr2+膜通量可以达到4.15kg/(m2·h)。对离子质量浓度均为10g/L的Co2+、Sr2+、Na+、Ca2+四种离子混合料液进行处理时,膜通量也达到3.88kg/(m2·h)。

气隙式膜蒸馏传递过程的研究

本文用气隙式膜蒸馏装置测定了膜两侧流体的温度、流量及料液浓度对膜蒸馏通量的影响，并从理论上描述了传热、传质过程，建立了可以预测膜蒸馏过程渗透通量的数学模型。实验结果与模型预测吻合较好。

气隙式膜蒸馏技术研究进展

介绍了当前气隙式膜蒸馏技术的最新研究进展,着重对气隙式膜蒸馏使用的膜材料和膜组件、太阳能气隙式膜蒸馏系统以及计算机模拟技术辅助气隙式膜蒸馏过程进行了介绍。列举了气隙式膜蒸馏在不同领域的应用现状。认为气隙式膜蒸馏具有热效率高和技术适应性较强等优势,但同时存在膜通量较低的问题。可以从设计新型膜组件、回收产水中的潜热、提升热效率、结合太阳能集热器及太阳能光伏发电模块等方面进行改进,有望在不久的将来使气隙式膜蒸馏过程成功放大并实现其工业化应用。

膜蒸馏过程传递机理研究进展(Ⅱ)气隙式膜蒸馏

在国内外近十多年研究成果的基础上,综述气隙式膜蒸馏在传递方面的研究进展.主要阐述气隙式膜蒸馏过程的传热、传质机理,分析了温度、流速、气隙宽度、膜结构参数等因素对传质、传热过程的影响,对未来的研究提出了一些建议.

套管型气隙式膜蒸馏组件性能模拟及优化

提出了一种结构简单、制作方便的套管型气隙式膜蒸馏组件,给出了膜组件的特性方程组,编制了膜组件性能模拟软件,对套管内直径、中空纤维疏水膜内直径、膜孔直径、膜孔隙率、料液流量、料液进膜组件温度6个关键参数对膜组件性能的影响进行了分析.以某热敏料液浓缩为背景,给出了膜组件的优化设计参数:中空纤维疏水膜内直径为0.700 mm,外直径为1.00 mm,套管内直径为5.00 mm,外直径为6.00 mm,长度为500 mm,膜孔直径为0.300μm,膜孔隙率为0.800,膜组件壳体内直径为50.0 mm.在此设计参数下,当膜组件料液流量为70.0 g/s、被预热液流量为70.0 g/s、料液进膜组件温度为80.0℃、被预热液进膜组件温度为50.0℃时,膜组件膜通量为11.2 kg/(m^2·h),产水速率为3.56 kg/h,热负荷为2.39 kW,热效率为0.955,非挥发性组分截留率可达99.9%.

新型气隙式膜蒸馏组件盐水浓缩的试验研究

利用新型气隙式膜蒸馏组件对氯化钠溶液进行膜蒸馏试验研究。考察了进料温度、流速、浓度对膜通量、造水比和截留率的影响。结果表明,膜通量和造水比随着进料温度T3升高而增大,随着进料浓度的增加而减小;料液流量增加时膜通量增大,造水比降低;试验过程中截留率基本保持不变,稳定在99.8%以上。当料液浓度为3.0%,进料温度T1为30.0℃,T3为95.0℃、流量为7.0 L/h时,膜通量为4.1 L/(m2·h),造水比为7.0,截留率可达99.8%,经过60 d浓缩试验后,膜通量、造水比和截留率均保持稳定。

新型卷式气隙式膜蒸馏组件制备及脱盐过程

气隙式膜蒸馏具有热效率高和技术适应性强等优势,但其特有的气隙层也会使得传质阻力增加,导致过程膜通量较低.真空膜蒸馏则由于渗透侧为负压环境而具有较大的膜通量.结合聚四氟乙烯(PTFE)平板膜和改性后的聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维换热管的性能特点设计出一种新型卷式气隙式膜蒸馏(SW-AGMD)组件,并在料液的渗透侧引入负压环境,以质量分数3.5%,的氯化钠溶液为研究对象,系统考察了膜组件参数和实验操作条件对膜组件脱盐产水性能的影响.实验结果表明:提高膜孔径可有效提高膜通量和造水比;组件有效长度增加,膜通量减小而造水比增加;进料流量、热料液和冷料液进料温度的改变对组件膜通量和造水比的影响显著;渗透侧真空度在一定范围(0~0.04,MPa)内升高,膜通量和造水比均随之增大,超过这一范围后,继续增大真空度,膜通量仍增大,造水比则出现下降趋势.实验过程中产水电导率始终保持在30,μs/cm以下,得到的最大膜通量和造水比分别为16.38,kg/(m^2·h)和3.22,远高于同类型的其他气隙式膜组件.

气隙式膜蒸馏过程的实验研究

通过在超声激励气隙式膜蒸馏系统上进行实验,研究了膜蒸馏通量的影响因素,结果表明:超声激励会使膜通量显著增大,最大膜通量达到110kg/(m2·h);提高料液流量可增大膜通量;减小间隙、增大温差,膜通量增加;随着盐溶液浓度增大,膜通量减小.

反渗透浓水预处理对气隙式膜蒸馏性能的影响

针对含有Ca2＋、Mg2＋及SiO32-的反渗透（RO）浓水,提出了化学除硬→絮凝沉淀→离子交换→超滤处理的新型预处理流程.研究了该预处理方法对RO浓水中易结垢离子的去除效果,及其对气隙式膜蒸馏（AGMD）性能的影响.实验结果表明,经过该预处理过程后Ca2＋、Mg2＋和SiO32-的含量均低于5 mg/L.与常规的除硬处理不同,经过该预处理过程后,RO浓水中的难溶盐CaCO3、Mg （OH）2均未达到饱和,进行膜蒸馏浓缩时,不会立即在膜表面沉积.经预处理后,原RO浓水中的主要成分为NaCl,其可在膜蒸馏浓缩得到结晶固体.未经预处理的RO浓水浓缩7倍时,产水通量衰减了40.55％,电导率增大了22.71％,CODCr含量为40～60mg/L;对于预处理后的浓水,该衰减程度减小24.02％,且产水电导率保持相对稳定,COD含量低于10 mg/L,产水可以用作工业循环冷却水和工业洗涤水,经活性炭吸附后可用作锅炉用水.预处理后的RO浓水进入AGMD装置浓缩168 h,产水通量衰减缓慢,产水电导率一直维持在5 μS/cm以下,整个过程中COD均小于10mg/L.

气隙式膜蒸馏处理低放废液

低放废液在放射性废液里占有很大的比例,我国制定了严格的排放标准,尤其是对内陆核电站,需要选择更高效的处理技术,有必要研究膜蒸馏处理低放废液后的净化效果。基于气隙式膜蒸馏装置研究对模拟低放废水中微量的Sr^(2+)和Cs+的净化效果,以及温差和流速对净化效果的影响,对某乏燃料后处理厂里的低放废液进行处理。结果表明:膜蒸馏装置对微量的Sr^(2+)和Cs+平均截留率均大于99.99%,去污因子可以达到104量级以上;流速和温差对膜蒸馏装置的净化效果基本没有影响;对没有进行任何预处理后处理厂的低放废液,膜蒸馏装置连续处理4天多,处理后的馏出液的平均总α活度浓度为0.04Bq/L,平均总β活度浓度为15.13Bq/L,远低于该厂的排放标准。

气隙式膜蒸馏法浓缩氢氧化钠溶液的实验研究

利用能量回收气隙式膜蒸馏组件浓缩氢氧化钠溶液,研究了进料温度、流速、浓度对膜通量、造水比和截留率的影响.结果表明,膜通量和造水比随着进料温度T_3升高而增大,随着进料浓度的增加而减小;料液流量增加时膜通量增大,造水比降低.当料液浓度为110g/L,进料温度T_1为40.0℃,T_3为95.0℃、流量为15L/h时,膜通量为6.3kg/(m^2·h),造水比为5.1,截留率可达99.9%.

气隙式膜蒸馏处理模拟放射性废液

采用气隙式膜蒸馏对模拟放射性废液的处理进行了工艺实验研究,以膜通量和Cs^(+)、Sr^(2+)、Co^(2+)、UO_(2)^(2+)的截留率为评价指标,对聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯(PP)疏水膜进行了性能比较分析,并重点讨论了料液温度、料液流速、气隙厚度等因素的影响规律。结果表明:料液温度的变化对膜通量的影响最为明显,升高料液温度可以显著提高膜通量,料液温度从60℃升高到90℃,孔径为0.22μm的PTFE膜通量从4.79 kg/(m^(2)·h)提升到了16.24 kg/(m^(2)·h);增大料液流速可在一定范围内快速提高膜通量,但随着流速的增大,膜通量的提高速率减慢;加大气隙厚度会使膜通量下降;在实验考察的条件范围内,改变工艺条件参数对离子的截留率没有明显的影响。在上述三种疏水膜中,孔径为0.22μm的PTFE膜对离子的截留性能最佳,对上述离子的截留率均在99.97%以上,是更适合应用到膜蒸馏处理放射性废液过程的膜材料。

中空纤维束-套管型气隙式膜蒸馏组件研制与测试

研制了一种结构简单、制作方便的中空纤维束-套管型气隙式膜蒸馏组件,介绍了其结构及工作过程,并制作了膜蒸馏组件的性能测试装置。采用自来水、11Brix苹果汁、50%LiBr水溶液三种料液对膜蒸馏组件的性能进行了测试,得到了该组件在典型运行工况下的膜通量、热效率、截留率等性能数据。

用气隙式膜蒸馏进行膜渗透性能影响因素研究

利用气隙式膜蒸馏实验对料液温度、流率及气隙宽度等操作条件对膜渗透性能的影响进行了测试和分析。结果表明,提高料液温度,可使膜通量有所提高,但温度极化现象会随之加重。冷液流率的提高引起的膜通量变化明显小于热侧液流率提高对膜通量的影响。另外,小的气隙宽度可得到大的膜通量。

超疏水金属基膜的制备及其在气隙式膜蒸馏中的应用

通过铜电沉积+原位氧化+化学修饰的方法在2 000目不锈钢网基体上制备了超疏水不锈钢基膜(SH-SSM),并应用于气隙式膜蒸馏(AGMD)。采用扫描电镜、接触角测量仪、X射线衍射仪和X射线能谱仪对所制备的疏水表面进行表征。探究了最佳的化学修饰条件及所制备的SH-SSM在气隙式膜蒸馏中的运行情况。结果表明,当正十二硫醇用量为2μL/cm~2时能够制备出水接触角为164°、滚动角为1.7°的超疏水表面。SH-SSM在气隙式膜蒸馏组件处理30 g/L NaCl溶液的过程中显示出良好的稳定性和耐用性,运行10 h内的膜通量维持在4.5 kg/(m~2·h)左右,盐的截留率大于98.5%。

新型板框气隙式膜蒸馏组件流场的CFD数值模拟

利用计算流体力学(CFD)软件,构造三维计算模型,对新型的热量回收板框气隙式膜蒸馏组件内部热质传递过程进行研究.分别考察了不同进料温度、流速和操作真空度条件下模型内部流体温度分布情况.模拟结果表明:提高进料侧料液流速或者减小渗透侧真空度,在同一位置的膜表面温度均增加;渗透侧换热中空纤维从下至上壁面温度呈现递增的趋势,各层中空纤维外表面温度均存在差异,距离膜侧位置越近,中空纤维表面温度越高.研究发现,在不同条件下渗透侧底部区域的蒸汽温度大于热料液主体温度,不利于膜蒸馏过程和热量回收利用;当增加料液温度或者下游侧真空度时,有效膜蒸馏面积增大.结果揭示了新型组件内部直观的参数分布规律,为内部结构进一步优化奠定了基础.

太阳能气隙式膜蒸馏脱盐实验研究

将太阳能加热器与气隙式膜蒸馏耦合,以质量分数3%的NaCl水溶液作为测试料液,进行太阳能气隙式膜蒸馏脱盐实验,研究热料液进口温度和流量、冷料液进口温度以及不同天气条件等对膜蒸馏产水通量和电导率的影响。结果表明,随着热料液进口温度和流量的增加,产水通量显著增大;而冷料液温度的升高则会使产水通量下降。不同天气条件下膜蒸馏产水通量差异较大,光照条件较好的晴天通量较高,阴天产水较少。当太阳能的集热面积为1.85 m^2、有效膜面积为1 m^2、进料体积流量为150 L/h时,该系统的最大产水通量为2.7 L/(m^2·h),日产水总量最大可达11.7 kg,产水电导率稳定在5~15μS/cm,脱盐率达到99.99%。实验结果对解决我国偏远岛礁的饮水问题具有一定的参考意义。

基于气隙式膜蒸馏的溴化锂吸收式制冷系统COP的优化

针对传统的溴化锂吸收式制冷系统难以利用低品位热源的问题,将气隙式膜蒸馏(AGMD)技术引入到溴化锂吸收式制冷系统中,是使其能够利用低品位热源的一种新的工艺流程。本文根据已有的1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷(FAS)-Al2O3管式复合膜的膜蒸馏性能数据,对典型的基于AGMD的溴化锂吸收式制冷系统进行了热力计算。结果发现制冷系统的性能系数(COP)值较小,仅为0.280,因而需要对其工艺流程作进一步的优化。经热力学分析确定了优化的方案:在膜发生器浓溶液出口处增加回路,从而改进了原制冷系统的工艺流程。研究结果表明,制冷系统的COP值会随着回流比的增大而增大。当回流比达到8时,COP值可达到0.765,相较于改进前的系统增大了1.74倍,大大改善了制冷系统的性能。

气隙式膜蒸馏系统在电厂脱硫废水零排放深度处理过程中的研究

为提高电厂脱硫废水的处理效率,达到脱硫废水零排放深度处理目的,本实验采用了气隙式膜蒸馏处理系统,在试验条件下研究了不同关键因素对膜蒸馏系统的影响。结果表明,当进料温度从60℃提升至78℃时,膜通量从1.64L/h·m^2提高至4.22L/h·m^2,膜通量效率提高了157.3%;当进料温度为70℃时,进料流速和冷却液流速均为30L/min时,膜通量从2.01L/h·m^2增加至3.13L/h·m^2,提高了55.7%;在整个实验过程中,膜系统出水脱盐率和截留率基本维持在99.8%～100%之间,出水质量较好。研究显示,在小试条件下,气隙式膜蒸馏系统能稳定高效地处理高浓度脱硫废水,一定程度上满足了脱硫废水零排放深度处理的要求。