膜蒸馏研究现状及发展方向    吴庸烈
    吴庸烈    从80年代初得到迅速发展的膜蒸馏技术虽然至今未能实现工业化
    从80年代初得到迅速发展的膜蒸馏技术虽然至今未能实现工业化应用，但研究工作却一直在深入开展，其主要内容包括疏水微孔膜的制备工艺、传质规律、传质传热机理、应用开发及相关的膜过程等方面。膜的制备    膜的疏水性和微孔性是水溶液膜蒸馏的必要条件，为了得到较高
    膜的疏水性和微孔性是水溶液膜蒸馏的必要条件，为了得到较高的能量和溶质截留系数，要求所用的疏水微孔膜具有尽可能大的孔径，但两侧的液体又不能进入膜孔。为保证在操作压力下液体不进入膜孔，所用的膜就必须有足够的疏水性和合适的孔径，实验表明当采用膜的疏水性足够好时，膜的孔径在0.2～0.4μm之间较为合适。    1．拉伸法
    1．拉伸法    某些高分子材料，如聚四氟乙烯、聚丙烯等，由于没有合适的溶
    某些高分子材料，如聚四氟乙烯、聚丙烯等，由于没有合适的溶剂，受到加工工艺的限制，只能采用拉伸法制成微孔膜。将晶态聚烯烃材料在高应力下熔融挤出成平膜或中空纤维膜，然后在稍低于熔点的温度下拉伸，产生贯通的裂纹孔，在张力下进行定形处理，得到微孔膜。1982年Gore的论文中所用的膜就是聚四氟乙烯拉伸膜，显示出很好的性能，推动了膜蒸馏研究的发展。    2．相转化法
    2．相转化法    聚偏氟乙烯是疏水性较强的高分子材料，并且可溶解在二甲基甲
    聚偏氟乙烯是疏水性较强的高分子材料，并且可溶解在二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N －甲基吡咯烷酮等极性有机溶剂中，可以很方便地用相转化法制成不对称微孔膜，所以受到人们的普遍重视。调节各种制膜参数，如铸膜液组成、挥发时间、凝固浴组成、温度等，可使膜的形态结构和孔径得到控制，制成可用于膜蒸馏的疏水微孔膜。热致相转化法可以将聚丙烯、聚乙烯等材料制成疏水微孔膜。    3．表面改性法
    3．表面改性法    由于反渗透、超滤和微滤等膜过程的开发，使亲水微孔膜制备工
    由于反渗透、超滤和微滤等膜过程的开发，使亲水微孔膜制备工艺日臻完美，将亲水微孔膜表面疏水化改性后可用于膜蒸馏过程，如采用表面接枝聚合、表面等离子体聚合、表面涂覆等方法对微孔膜进行表面改性，均可得到很好的结果，选择合适的表面改性条件，可以得到高通量的疏水微孔膜。    4．复合膜法
    4．复合膜法    有专利报道，采用疏水膜与亲水膜复合，或疏水膜被夹在两层亲
    有专利报道，采用疏水膜与亲水膜复合，或疏水膜被夹在两层亲水膜中间构成复合膜，有效地提高了蒸馏通量。实验规律    1．非挥发性溶质稀水溶液的膜蒸馏传质规律
    1．非挥发性溶质稀水溶液的膜蒸馏传质规律    在正常情况下，非挥发性溶质水溶液的膜蒸馏溶质截留系数近于
    在正常情况下，非挥发性溶质水溶液的膜蒸馏溶质截留系数近于100％，蒸馏通量的方向是从暖侧到冷侧。    1膜两侧的温差对蒸馏通量的影响   蒸馏通量随膜两侧的温差增
    1膜两侧的温差对蒸馏通量的影响   蒸馏通量随膜两侧的温差增大而增加，因为稀溶液浓度对蒸气压的影响可以忽略，膜两侧无温差时蒸馏通量为零。    2暖侧温度对蒸馏通量的影响  当膜两侧的温差固定时， 蒸馏通
    2暖侧温度对蒸馏通量的影响  当膜两侧的温差固定时， 蒸馏通量随暖侧溶液温度的增加而增加，在温差固定的情况下，为增加通量而提高暖侧温度比降低冷侧温度更加有效。    3蒸馏通量与膜两侧水蒸气压差的关系   膜蒸馏通量与膜两侧水
    3蒸馏通量与膜两侧水蒸气压差的关系   膜蒸馏通量与膜两侧水蒸气压力差呈正比。    2．非挥发性溶质浓水溶液的膜蒸馏行为
    2．非挥发性溶质浓水溶液的膜蒸馏行为    浓水溶液的膜蒸馏行为要比稀水溶液复杂得多，随着溶液浓度的
    浓水溶液的膜蒸馏行为要比稀水溶液复杂得多，随着溶液浓度的增加，溶液的粘度、蒸气压下降和渗透压升高引起的各种干扰因素对膜蒸馏有显著的影响。不同性质溶质的浓水溶液也会表现出不同的膜蒸馏行为。    1蒸馏通量与膜两侧温差的关系  由于各种因素的干拢， 浓水溶
    1蒸馏通量与膜两侧温差的关系  由于各种因素的干拢， 浓水溶液膜蒸馏通量的方向不一定是从暖侧到冷侧。当膜两侧温差大于一定值时，通量为正；当温差小于一定值时，通量为负（从冷侧纯水进入暖侧溶液），其绝对值与温差呈线性关系。    2蒸馏通量与暖侧溶液温度的关系  膜两侧温差是决定性的因素，
    2蒸馏通量与暖侧溶液温度的关系  膜两侧温差是决定性的因素，温差大于一定值时通量为正，随暖侧溶液温度增加而增加；温差小于一定值时通量为负，其绝对值随暖侧溶液温度增加而增加，并呈线性关系。    3蒸馏通量与膜两侧水蒸气压差的关系   当水蒸气压差大于一定
    3蒸馏通量与膜两侧水蒸气压差的关系   当水蒸气压差大于一定值时，通量为正，与水蒸气压差呈线性关系；水蒸气压差小于一定值时通量为负，由于受多种因素干扰，通量与膜两侧水蒸气压差的关系没有明显的规律。    4蒸馏通量与溶液浓度的关系  实验表明， 蒸馏通量随溶液浓度
    4蒸馏通量与溶液浓度的关系  实验表明， 蒸馏通量随溶液浓度的增加而降低，但不同性质的溶质表现出不同的膜蒸馏行为，例如，葡萄糖水溶液随着浓度的增加粘度迅速增大，流速变慢会使浓差极化和温差极化现象都很显著，浓度增大到一定程度时通量逐渐趋于零。氯化钠水溶液随浓度的增加，粘度变化不大，所以浓差极化和温差极化现象不显著，虽然蒸馏通量随浓度的增加而逐渐降低，但直到达过饱和状态，膜蒸馏仍然可以进行，这时溶液中会不断析出氯化钠晶体，可称其为“膜蒸馏－结晶现象”。这是一个很重要的现象，它表明膜蒸馏可以处理极高浓度的水溶液，是目前唯一能够直接从水溶液中分离出晶体产物的膜过程，可望在水溶液的浓缩和化学物质的回收领域得到应用。    5膜蒸馏－结晶现象的必要条件   膜蒸馏－结晶是在溶液被浓缩
    5膜蒸馏－结晶现象的必要条件   膜蒸馏－结晶是在溶液被浓缩到过饱和状态后产生的，但并不是在所有条件下都能把溶液浓缩到过饱和状态、实验表明，产生膜蒸馏－结晶现象的必要条件除了溶质须是易结晶的物质外，膜两侧必须存在足够大的温差，使膜蒸馏与诸多干扰因素相比一直处于主导地位。    3．挥发性溶质水溶液的膜蒸馏
    3．挥发性溶质水溶液的膜蒸馏    由于溶质是挥发性的，可以透过膜孔，所以该过程的技术指标不
    由于溶质是挥发性的，可以透过膜孔，所以该过程的技术指标不是溶质截留系数，而是分离系数，蒸馏液的组成取决于溶质挥发性的大小，例如膜两侧是相同浓度的乙醇水溶液时，由于乙醇挥发性比水强，蒸馏液中乙醇含量高，使冷侧的乙醇水溶液浓度升高。如果膜两侧是相同浓度的醋酸水溶液时，由于醋酸挥发性比水弱，蒸馏液中水的含量高，冷侧的醋酸溶液不断被稀释。影响膜蒸馏效率的因素    如何提高膜蒸馏的效率一直是研究人员重视的课题，现对其影响
    如何提高膜蒸馏的效率一直是研究人员重视的课题，现对其影响因素进行了大量研究。人们注意到膜材料和膜结构对传质行为的影响，膜孔径大小对蒸馏通量和截留率的影响在前面已经提及，膜材料的影响可从膜孔径的影响来推测，在相同的溶液进入压力条件下，疏水性越强的膜材料（表面张力越大）允许具有更大的膜孔径，即可能有更大的通量，  所以一般认为聚四氟乙烯是目前可用的最好膜材料。Schbeider和Kimura等均指出，膜的孔隙率越大， 则蒸馏通量越大，前者还发现蒸馏通量与膜厚度成反比。    膜的润湿和污染是影响膜性能的重要因素。膜润湿是指溶液进入
    膜的润湿和污染是影响膜性能的重要因素。膜润湿是指溶液进入了膜孔，溶液将直接通过膜孔而降低截留率。膜润湿除与膜材料、孔径等因素有关外，也与料液的成分有关，含有机物或表面活性剂等会使表面张力降低，容易使膜润湿。膜污染也是造成膜润湿的重要因素之一，细菌、高浓度盐分和胶体粒子等都会造成膜污染，使膜性能下降。    浓差极化和温差极化是不可忽视的影响因素，蒋维钧等人首先考
    浓差极化和温差极化是不可忽视的影响因素，蒋维钧等人首先考虑到浓差极化问题，修正了传质传热数学模型。西班牙学者在浓差极化和温差极化对膜蒸馏影响方面也做了大量研究工作。为了减小这些不利影响，在膜组件结构设计方面要做细致的工作才能获得较高的膜效率。发展方向    据报道，膜蒸馏得到了较深入的研究，但却未见产业化应用的实
    据报道，膜蒸馏得到了较深入的研究，但却未见产业化应用的实例，究其原因可能是由于与反渗透膜过程竞争所致，因为两种膜过程的应用目的相似，而反渗透过程中没有相变，是个节能的过程，且毕竟比膜蒸馏早开发近20年，技术和设备的成熟已为产业界人士认可，人们也习惯于把膜蒸馏与反渗透相对比，使膜蒸馏一直被看成是“不成熟”的膜过程，所以大力开展应用研究，与生产实践接轨，是膜蒸馏研究的必然发展方向。    应该认识到膜蒸馏无法同反渗透竞争，膜蒸馏永远代替不了反渗
    应该认识到膜蒸馏无法同反渗透竞争，膜蒸馏永远代替不了反渗透，它只能作为反渗透的补助手段。在反渗透不易实现的领域，例如在海水和苦咸水淡化方面膜蒸馏可在小型舰艇如潜艇的淡水补给系统中得到应用。据了解，小型船艇柴油发动机冷却水的温度可达到50～60℃，海水的温度一般应在20℃以下，这样会有30℃左右的温差，足以维持膜蒸馏的正常运行，在核动力的舰艇中更有大量余热可以利用，这样的海淡系统可充分发挥膜蒸馏常压操作、设备简单、维护方便、体积小巧、无振动、噪音低等优点，为反渗透所不及。    在高浓度水溶液浓缩方面，膜蒸馏过程的潜力是反渗透过程无法
    在高浓度水溶液浓缩方面，膜蒸馏过程的潜力是反渗透过程无法比拟的，浓水溶液极高的渗透压使反渗透过程无法运行，而膜蒸馏可把水溶液浓缩至过饱和状态，特别是渗透蒸馏在浓缩果汁、果酱等对温度较敏感的物质方面优点是其他膜过程不具备的。    膜分离技术以其环境友好的特征越来越受到人们的重视，随着环
    膜分离技术以其环境友好的特征越来越受到人们的重视，随着环保意识的不断强化，膜分离在工业废水处理方面的应用将更加普遍，采用气态膜技术处理含挥发性物质的废水，在某些条件下可以实现废水净化和化学物质回收同时完成，不造成二次污染，具有光明的应用前景。    为了实现膜蒸馏的应用，大型膜组件的结构设计和制备以及工艺
    为了实现膜蒸馏的应用，大型膜组件的结构设计和制备以及工艺流程和操作条件的优化都是十分重要的研究课题。    总之，膜蒸馏技术中尚有很多基础性课题有待更深入地研究、实
    总之，膜蒸馏技术中尚有很多基础性课题有待更深入地研究、实际应用并实现产业化更是重要的发展方向，相信膜蒸馏技术会在应用的生产实践中不断发展、成熟，取得突破性的进步。