太阳能真空膜蒸馏和肥料汲取液正渗透处理反渗透浓水的节能性和经济性分析

针对太阳能真空膜蒸馏(Solar vacuum membrane distillation,SVMD)和肥料汲取液正渗透(Fertilizer draw forward osmosis,FDFO)系统处理反渗透(Reverse osmosis,RO)浓水的试验研究较多,而对其能耗和经济性分析的较少.通过对试验规模和工业规模条件下2种系统的膜通量、能耗和成本进行对比分析,结果表明,在试验规模条件下,将RO浓水浓缩4倍,无辅助热源SVMD系统的膜通量为2.46 kg/(m^(2)·h),比能耗为110.6 kWh/m^(3),单位水生产成本为96.6元/m^(3);有辅助热源SVMD系统的膜通量为3.75 kg/(m^(2)·h),比能耗为230.7 kWh/m^(3),单位产水成本为13.4元/m^(3);FDFO系统的膜通量为3.62 kg/(m^(2)·h),比能耗为20.44 kWh/m^(3),单位产水成本为26.8元/m^(3).在工业化规模条件下,设计产水量均为240 m^(3)/d时,SVMD系统比能耗为12.8 kWh/m^(3),单位产水成本为10.8元/m^(3);FDFO系统比能耗为12 kWh/m^(3),单位产水成本为9.38元/m^(3).可见生产规模越大,不同系统的产水成本越小,差别也越小.

热泵-减压膜蒸馏工艺优化及能效分析

针对热泵-膜蒸馏过程中热量不平衡问题展开试验研究,采用两支减压膜蒸馏组件并入料液循环流路,使其分别发挥热量回收及排放富余热量的作用,实现热泵系统的热量平衡.通过试验测试,显示MD1200和MD200被认为是最佳双膜组合.采用该双膜组合进行连续8 h的含盐料液处理,结果显示,双膜组合可以获得稳定、连续的膜蒸馏运行效果,总产水量平均为1.9 L/h,系统比能耗最高310 W·h/kg产水,能耗性能优于无热量回收的膜蒸馏工艺,与已工业化的多效膜蒸馏工艺相当,有望成为可获得工业应用的低能耗膜蒸馏新工艺.

海水淡化膜蒸馏膜的研究现状与展望

海水淡化技术(热法和膜法)是一项有望使人类摆脱淡水资源短缺困境的有效方法,其中,膜蒸馏技术是一种能源消耗低、脱盐能力强且有望实现淡水经济可持续生产的新型膜分离技术,但是膜蒸馏性能在很大程度上受膜污染与温度极化的制约,严重阻碍了其规模化应用,为此,研究人员围绕膜改性做了系列研究,以提高膜抗污染性并最大限度地降低温度极化。从阻碍膜蒸馏发展的问题入手,简要介绍了膜污染与温度极化及其对膜蒸馏造成的不利影响,综合分析了当前通过构造特殊润湿性表面抵抗膜污染以及利用限域加热降低/消除温度极化的研究现状,并指出当今膜蒸馏膜面临的问题,认为未来对于膜蒸馏膜的研究应从以下几方面开展:1)选用高导热/高光吸收的材料制造有限域加热功能并具有特殊润湿性表面的膜;2)设计能够适应多元污染物进料液的膜蒸馏膜;3)构筑一体化的具有高导热/光吸收性亲水层的Janus膜。

膜蒸馏处理脱硫废水过程中污染物组成、分布及形成机理

研究了聚偏氟乙烯(PVDF)膜膜蒸馏处理脱硫废水过程中污染物对膜通量的影响,并确定处理过程中不同时期造成通量变化的先驱污染物和主导污染物。流速对污染物的分布起主导作用。采用三维单相计算流体力学(CFD)方法来评估膜模块系统中的流动状态,并通过SEM、X射线能谱仪(SEM-EDS)、FTIR分析不同污染时期污染物在膜表面水平方向和垂直方向上的分布、组成和结构。研究发现,膜通量的变化主要分为2个阶段:缓慢下降阶段和快速下降阶段,两阶段截然不同的通量变化归因于主导污染物的差异。有机污染物是前期导致通量缓慢下降时的先驱性污染物,矿物结垢是后期通量急速下降的主导因素。有机污染物主要包括腐殖酸和富里酸,在膜蒸馏过程中通过与膜表面的疏水-疏水相互作用首先沉积在膜表面造成通量的缓慢下降;矿物污染物主要是硫酸钙,随着进料液的浓缩,在液体中成核结晶,在膜表面快速生长导致通量的快速降低。

蒸汽诱导相分离法制备PVDF多孔膜及其膜蒸馏性能研究

制备具有优异抗润湿性能的膜蒸馏(MD)用膜是膜分离领域的一个挑战.本文以聚偏氟乙烯(PVDF)为膜材料,N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂,1,2-丙二醇为添加剂,采用蒸汽诱导相分离法(VIPS)制备了高疏水性PVDF多孔膜.考察了暴露时间、相对湿度以及蒸汽温度等工艺参数对PVDF多孔膜结构与性能的影响.结果表明,当暴露时间为1 min,相对湿度为85%,蒸汽温度为60℃时,PVDF多孔膜表面呈现出微/纳米分级结构,静态水接触角为141°,孔隙率约为78%.在使用含有表面活性剂的盐溶液作为进料液的DCMD实验中,所制备的PVDF疏水膜表现出20 L/(m^(2)·h)的稳定水通量和接近100%的盐截留率.

面向膜蒸馏的抗润湿、抗污染、抗结垢新型膜研究进展

膜蒸馏(MD)作为一种有前景的高盐废水处理技术而受到广泛关注.然而,由于实际废水成分复杂,MD的实际应用面临膜润湿、膜污染和膜结垢三大关键挑战,易导致膜通量和选择性降低,甚至膜失效.本文首先简述不同种类污染物诱导的膜润湿、污染和结垢的特点及其形成原因.随后,重点介绍了目前抗润湿、抗污染、抗结垢新型膜的研究进展,包括超疏水膜、全疏膜、常规Janus膜和致密Janus膜的设计原则、抗性机理及其适用范围.此外,讨论了通过对进料预处理、操作条件调控的辅助手段以及膜再生来进一步保证MD长期运行的稳定性.

“共价”型全疏/滑移表面构建及膜蒸馏性能研究

由于孔隙润湿、矿物结垢或结构不稳定等引起的膜功能层失效问题是膜蒸馏(MD)技术的关键挑战,严重影响其长期运行稳定性.本文提出一种“全共价”接枝修饰的方法,制备具有优异MD性能的全疏/滑移膜蒸馏膜材料.具体而言,通过使用聚多巴胺型插层将纳米硅球共价键合在聚偏氟乙烯(PVDF)膜表面,并采用巯基-烯烃点击化学进行直接表面氟化改性.通过接触角测试,发现所制备的PDA/PVDF-C膜具有超高的静态水接触角(163.5°±0.9°)和极低的滚动角(5.6°±1.2°).在不同表面张力液体的侵蚀作用下,该膜均未出现膜孔的润湿现象,体现出优异的抗润湿性能.由于该膜表面特殊的全疏/滑移特性,该膜能够持久并稳定地处理含有表面活性剂的高盐卤水,延缓石膏垢的形成,运行性能显著优于商用疏水膜.该膜初始通量约为23.5 L/(m^(2)·h),运行前后始终保持对盐高达99%的截留.本研究提供了一种新颖而有效的方法开发“全共价”型MD膜,该膜具有优异的抗润湿、抗无机结垢以及结构稳定性,可用于高盐废水的资源化处理.

太阳能驱动膜蒸馏中光热疏水膜研究进展

太阳能驱动膜蒸馏技术是目前膜蒸馏领域的研究热点,光热疏水膜的性能直接决定其光热转换效率和运行成本。本文综述了适用于太阳能驱动膜蒸馏技术的光热疏水膜制备方法及其脱盐效能;重点分析了不同种类光热疏水膜的渗透性能和光热转换性能;指出了光热疏水膜结构和性质对其SMD性能的影响,并提出了其优化策略。

脉冲流辅助膜蒸馏缓解硫酸钙结垢研究

膜蒸馏是一种逐渐兴起的热驱动膜技术,近年来在高盐废水的处理中受到了大量关注。然而,膜结垢是制约膜蒸馏工业化应用的瓶颈问题。通过向直接接触式膜蒸馏系统中引入脉冲流场来缓解硫酸钙结垢,分别探讨了脉冲时长与脉冲频率对抑制结垢效果的影响以及通量强化效果。结果表明,在脉冲时长为0.5 s,脉冲频率为5 min-1的最佳条件下,膜蒸馏通量在运行20 h后仍能达到初始通量的70%以上,并且通量强化比(FER)接近于1.3。实验结束后的膜表面形貌分析也表明,最佳脉冲条件下的膜表面结垢较少,仍能够清晰地观察到膜结构,而稳定流下的膜表面则有大量硫酸钙晶体堆积。这是因为,与稳定流条件相比,脉冲流能够促进硫酸钙的均相结晶,并利用形成的膜表面剪切力与膜振动将硫酸钙晶体去除。

光热膜蒸馏水处理技术与应用研究进展

利用高效的水处理技术对海水、苦咸水脱盐淡化,以及将工业废水循环再利用,是解决水资源短缺及水污染问题的关键。目前应用较多的膜分离技术尚存在高能耗、低热效率、二次污染等问题。因此,新型的膜分离技术受到广泛关注。光热膜蒸馏技术具有热效率高、能耗低、零排放等特点,在海水淡化、水资源再利用等领域的应用已展现出良好前景。文章综述了光热膜蒸馏的基本过程和原理,光热膜材料的研发和光热膜蒸馏系统的设计研究进展,并对光热膜蒸馏的综合实际应用进行详细阐述。另外,还探讨了当前光热膜蒸馏技术的局限性及未来的挑战,以期为光热膜蒸馏系统的进一步发展及应用提供参考。

不同尺寸单层氧化石墨烯用于膜蒸馏分离H_(2)O/HDO

核电站运行产生的放射性氚化水(HTO)的处理涉及到H_(2)O/HTO分离难题。实验室研究常把无放射性H_(2)O/HDO(氘化水)分离作为研究模型来代替H_(2)O/HTO分离。近年来,基于多层氧化石墨烯(graphene oxide,GO)膜的膜蒸馏分离工艺显示出较好的H_(2)O/HDO分离效果,但进一步提高分离性能仍需开发新型膜材料或结构。本工作采用不同横向尺寸单层GO制备聚四氟乙烯(PTFE)支撑的氧化石墨烯复合膜用于研究膜蒸馏分离H_(2)O/HDO:(1)选用两种不同横向尺寸的单层GO研究GO横向尺寸对膜的H_(2)O/HDO分离性能影响,基于横向尺寸较小GO膜的渗透通量和分离因子分别可达0.944 L/(m^(2)·h)和1.043,整体分离性能比基于横向尺寸较大GO膜高;(2)为结合不同横向尺寸单层GO的结构特点,把不同横向尺寸单层GO混合制备复合膜,当两种石墨烯质量比例为1∶1时,所得GO复合膜的渗透通量可达0.806 L/(m^(2)·h),比基于横向尺寸较大GO复合膜的渗透通量高,而两者分离因子相近;(3)对横向尺寸较大GO进行刻蚀处理,可提高膜蒸馏分离H_(2)O/HDO性能。结果表明:单层氧化石墨烯的横向尺寸可影响膜蒸馏分离H_(2)O/HDO性能;基于横向尺寸较小单层氧化石墨烯或混合不同横向尺寸单层氧化石墨烯制备的膜具有较好的膜蒸馏分离H_(2)O/HDO性能;并且刻蚀处理横向尺寸较大GO也可提高膜蒸馏分离H_(2)O/HDO性能。因此,本工作可指导后续发展新型膜材料或膜结构以实现H_(2)O/HDO分离效果更好的膜蒸馏工艺,为含HTO的放射性废水处理问题提供解决方案。

PVDF/SiC疏/亲水Janus复合膜的制备及其膜蒸馏处理酸性废水性能

着眼于采用直接接触式膜蒸馏(DCMD)技术对酸性废水进行处理和资源再利用,针对传统蒸馏膜机械稳定性不高、通量低等问题,使用刮涂法和非溶剂致相分离(NIPS)法在亲水碳化硅(SiC)微滤膜表面构建疏水聚偏氟乙烯(PVDF)多孔薄层,制备得到具有不对称润湿性的PVDF/SiC疏/亲水双层Janus复合膜,用于DCMD性能研究.使用N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)为溶剂,水-乙醇体系为非溶剂凝固浴,探究了制膜过程中PVDF铸膜液浓度、凝固浴成分、凝固浴温度等因素对PVDF层表面形貌和浸润性的影响,研究了复合膜在DCMD浓缩稀硫酸和处理模拟酸性矿山废水中的性能.结果表明,铸膜液中质量分数10%PVDF和纯乙醇凝固浴为最佳制膜条件,所得复合膜水接触角达140°,分离层孔隙率为45%,平均孔径为0.6μm,并且PVDF层与SiC基体结合力强.复合膜在DCMD浓缩质量分数10%(107 g/L)稀硫酸溶液和处理模拟酸性矿山废水实验中水的膜通量均达10 L/(m^(2)·h)以上,对非水组分截留率近100%,并具有长期运行稳定性,表现出DCMD处理酸性废水的应用潜力.

直接接触式膜蒸馏结晶回收沼液氨氮性能

为解决现有沼液氨氮膜回收技术中氮肥浓度低和副产物价值低的问题,该研究提出采用膜蒸馏结晶技术实现沼液中氨氮的结晶回收。研究中,通过提升近饱和接收液的温度来平衡膜两侧的水蒸气分压,在保证氨氮传质通量的情况下最小化水分传质。操作结束后接收液中铵盐达到超饱和状态,冷却至常温即可回收铵盐晶体。结果表明,当进料侧沼液温度为40℃时,近饱和磷酸二氢铵温度需提高至47℃,而使用硫酸为吸收剂时,近饱和硫酸铵溶液温度需提高至65℃。酸液温度升高对氨通量也有促进作用,氨通量由40℃时的10.70 g/(m^(2)·h)小幅提升至70℃时的14.90 g/(m^(2)·h)。进料侧氨氮质量浓度的提升可显著增加氨氮回收通量。磷酸二氢铵为吸收剂时,试验6 h后晶体中的氨氮回收率为77.60%,采用硫酸为吸收剂时可提高至92.20%。继续延长处理时间,晶体中的氨氮回收率甚至超过100%。显然,采用膜蒸馏结晶技术回收沼液氨氮具一定的可行性,研究结果可为沼液氨氮的高价值回收提供一定参考。

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。

疏水微孔膜蒸馏膜的应用进展

膜蒸馏作为一种热法与膜法耦合的高效分离技术,在海水淡化、工业废水处理等多个领域都具有广阔的应用前景.然而膜蒸馏在实际应用中存在疏水膜的润湿、污染、结垢等瓶颈,以及能量利用效率低、实际通量低等问题,尚未得到大规模的应用推广.本文从膜蒸馏技术的简要介绍出发,总结了膜蒸馏技术的发展历程.之后综述了膜蒸馏技术在国内外企业的商业应用情况,分析了疏水微孔膜蒸馏膜在多个水处理领域的应用潜力.最后总结了制约膜蒸馏应用的主要问题,并探讨了膜蒸馏的未来发展方向.

导电膜膜蒸馏研究进展

膜蒸馏是一种利用低品位能处理高含盐水的节能技术,然而目前使用过程中面临膜污染严重、润湿等问题。导电膜利用外加电场所带来的静电排斥、电化学氧化还原、焦耳加热等作用,可以一定程度缓解膜蒸馏过程中膜污染、润湿和温度极化等问题,因此近年来受到广泛关注。概述了膜蒸馏的结构、原理和研究进展,重点介绍并对比了导电膜在膜蒸馏中采用电容模式、电阻模式和交流电模式运行的结构、作用机理及各运行模式的特点。电容模式主要通过静电排斥、电化学氧化还原、电致气泡等作用解决污染和润湿问题,电阻模式通过更高的电压形成更高的蒸汽压和纯水通量,并通过焦耳加热减轻生物污垢,交流电模式通过极性交换使得污垢层变得松散从而防止膜污染。最后详细阐述了导电膜膜蒸馏的处理效能、抗污染效能、抗润湿效能和抗温度极化性能,从而为导电膜膜蒸馏在工程中的应用和发展提供参考。

双疏膜膜蒸馏处理含有机溶剂废水的研究

采用内置双疏膜的真空膜蒸馏工艺处理N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)溶液、乙醇溶液、喷漆废水和气田采出水四种含有机溶剂的水溶液,考察双疏膜处理含有机溶剂废水的可行性.实验结果表明,双疏膜可用于NMMO溶液和气田采出水的浓缩.实验过程中,NMMO溶液质量分数由25.0%提高到46.0%,截留率高于99.9%;浓缩后的气田采出水COD高于15 000 mg/L,盐和有机物的截留率分别为99.8%和95%.19%乙醇溶液的产水中乙醇质量分数最高可达28.1%,始终高于浓水中的乙醇浓度,因此由于乙醇具有高挥发性,无法对其溶液进行浓缩;工业喷漆废水中有机溶剂2-丁氧基乙醇具有很强的表面活性剂功能,导致双疏膜被迅速浸润.本研究为双疏膜用于膜蒸馏技术浓缩有机溶剂废水提供了方向指导和实验支撑.

负压膜蒸馏中不同类型表面活性剂的润湿机理研究

表面活性剂导致的膜润湿是膜蒸馏技术在处理实际废水面临的主要问题.为了缓解膜润湿现象,采用新型的负压膜蒸馏来评价不同类型表面活性剂盐溶液的润湿能力,并利用扫描电子显微镜、动态光散射等手段分析了表面活性剂的润湿和污染机理.首先,恒浓处理0.1 mmol/L SDS、CTAB以及Tween-20盐溶液,当料液含阴离子表面活性剂(SDS)时,膜通量稳定,冷凝液电导率保持在3μS/cm以内.而料液含阳离子(CTAB)和非离子表面活性剂(Tween-20)时,膜通量都衰减,甚至出现负值.通过分析污染膜表面以及溶液中表面活性剂胶束的粒径,证实CTAB和Tween-20是通过胶束污染膜表面,造成膜润湿.为了探究胶束污染和表面活性剂浓度之间的关系,分别测试表面活性剂浓度为0.1CMC、0.5CMC、1.0CMC的盐溶液,其中SDS、CTAB以及Tween-20的临界胶束浓度(CMC)分别为9.6×10^(-3)mol/L、9.1×10^(-5)mol/L和6×10^(-5)mol/L.当分别处理9.1×10^(-6)mol/LCTAB(0.1CMC)和6×10^(-6)mol/LTween-20(0.1CMC)盐溶液时,膜通量都能维持稳定;更高浓度时,膜润湿.但对于SDS盐溶液,膜通量都出现衰减,这种原因主要是SDS的临界胶束浓度(9.6×10-3mol/L)比其他两种表面活性剂高两个数量级,且具更高的亲水亲油平衡值(40),使得盐溶液都具有极低的表面张力(26.4 mN/m),最终导致膜润湿.

光热膜蒸馏用光热转换材料的研究现状

面对全球淡水资源的短缺,光热膜蒸馏因具有能源环保可持续、低能耗、高截盐、不易结垢等优势成为极具吸引力的新型海水淡化技术,其渗透通量与膜的光热转换性能密切相关。介绍了以金属纳米材料、无机半导体材料、碳基材料、聚合物材料及其他材料为光热转换材料的光热膜蒸馏的研究进展,并指出光热膜蒸馏面临的主要挑战和对未来的展望。

聚偏氟乙烯双疏膜的制备及其膜蒸馏性能

膜蒸馏处理含表面活性剂等复杂料液时,常规疏水膜存在易被润湿和污染的问题.目前,多层嵌入型表面结构的双疏膜受到广泛关注.本研究提出了一种新的无多层嵌入表面的聚偏氟乙烯(PVDF)双疏膜.首先,采用复合相转化法制备了PVDF和聚苯乙烯-马来酸酐(SMA)共混基膜,再经低表面能的全氟癸基三乙氧基硅烷(17-FAS)改性制备出双疏膜.该膜上、下表面对水和乙二醇接触角分别为135.9°、147.3°和112.2°、123.5°.在含表面活性剂和有机污染物的盐水料液中表现出高于0.4 MPa的优异液体穿透压力(LEP)。采用直接接触式膜蒸馏处理含盐含表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)及有机污染物黄腐酸(FA)或腐殖酸(HA)的复杂料液,结果表明,PVDF双疏膜的水通量达36kg/(m^(2)·h),盐截留率达99.9%,表现出优异的抗润湿和耐污染性能.