膜蒸馏从基础研究渐近应用市场□马润宇    一、技术特点
    一、技术特点    一张多孔疏水膜将温度不同的两种料液隔开，在膜两侧蒸汽压差
    一张多孔疏水膜将温度不同的两种料液隔开，在膜两侧蒸汽压差的作用下，挥发性组分以蒸汽形式通过膜孔，从膜热侧到达冷侧，这就是膜蒸馏的基本过程。膜蒸馏过程有如下几层含义：所使用的膜是多孔的；膜不会被两侧的料液润湿；各种组分通过膜的推动力是该组分在膜两侧的蒸汽压差；在膜孔中不发生毛细冷凝现象；膜本身不影响其两侧不同组分的汽-液平衡；膜至少有一侧与料液直接接触。    通过膜两侧流体的温差来实现蒸汽压差是最常用的膜蒸馏手段。
    通过膜两侧流体的温差来实现蒸汽压差是最常用的膜蒸馏手段。挥发性组分通过膜后需要冷凝下来，根据冷凝方式的不同，膜蒸馏过程可分为直接接触式、气隙式、减压式和气扫式4种不同形式。    与传统的分离过程相比，膜蒸馏过程具有如下优点：100%地排斥
    与传统的分离过程相比，膜蒸馏过程具有如下优点：100%地排斥溶液中的不挥发性物质，如离子、大分子、固体颗粒；操作温度比传统蒸馏过程低得多；操作压力比其他压力驱动的膜分离过程（如反渗透）低许多；处理液与膜之间的化学作用很小；对膜的机械强度要求很低；与传统的蒸馏过程相比，操作时所需的汽相空间很小。    膜蒸馏过程一般采用疏水性多孔膜，膜材料必须耐热，以保证膜
    膜蒸馏过程一般采用疏水性多孔膜，膜材料必须耐热，以保证膜能够在热溶液中稳定运行。几种有机高分子材料如聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯等表面能低、疏水性好、热和化学稳定性高，因而这些材料制成的膜常被应用于膜蒸馏过程。目前膜蒸馏所使用的多孔膜一般都是用于微滤过程的商品膜，还很少能见到专门为膜蒸馏过程开发研制的膜。    二、基础研究
    二、基础研究    Bodell于1963年申请了膜蒸馏技术专利，他设计和制造的装置
    Bodell于1963年申请了膜蒸馏技术专利，他设计和制造的装置包括一个储槽和一组平行排列的管状膜，盐水在其间进行循环流动，空气被吹送入管状膜的内腔再流出，透过膜的蒸汽被冷凝收集于外部的冷凝器中。Bodell指出，可用抽真空的方式将渗透蒸汽从装置中移走。    1964年，Weyl发现采用空气填充的多孔疏水膜可在蒸汽压系统
    1964年，Weyl发现采用空气填充的多孔疏水膜可在蒸汽压系统内从含盐水中回收去离子水。Weyl建议将热的溶液和冷的渗透物都与膜直接接触，以消除气隙。采用厚3.2mm、孔径9μｍ、空隙率42%的PTFE膜，Weyl只获得了1kg/m2·h的通量，较当时反渗透5～75kg/m2·h的通量有相当大的差距。    第一个将膜蒸馏研究结果公开的是Findley。20世纪60年代后
    第一个将膜蒸馏研究结果公开的是Findley。20世纪60年代后期他发表了用多种膜材料进行的直接接触式膜蒸馏的实验结果和基本理论，这些膜材料包括纸、树胶、玻璃纤维、玻璃纸、尼龙等，它们都用硅、聚四氟乙烯或水的拒拆剂以获得膜的疏水性。他定性地确定了膜孔中空气的存在、膜的厚度、导热热损失和空隙率对膜蒸馏的影响。Findley预言，如果能够找到低价位、耐高温、长寿命并且特性理想的膜，膜蒸馏不仅可被用于海水处理，而且是一种非常经济的蒸发方法。    Rodger在1971年设计了多效膜蒸馏，以分离挥发性不同的组分，
    Rodger在1971年设计了多效膜蒸馏，以分离挥发性不同的组分，如重水的分离。1972年设计了膜蒸馏的脱盐工艺，是一个包含了料液脱气、膜表面处理等工序在内的完整系统。    20世纪80年代早期，随着膜制造技术的发展，人们对膜蒸馏兴
    20世纪80年代早期，随着膜制造技术的发展，人们对膜蒸馏兴趣大增，这主要是因为此时已经出现了空隙率高达80%而厚度仅为50μm的膜。其他组件的设计也有了相当大的改进，温度和浓度极化现象对膜蒸馏过程的影响也有了较深的认识。此时已经有许多研究者开始致力于膜蒸馏过程的研究，以求膜蒸馏单元能够商品化。Gore开发了一个卷式组件用于膜蒸馏过程，但由于传热效果不好而不得不放弃商品化尝试；Swedish Development Co.采用板框式组件对膜蒸馏进行了研究；Enda 采用中空纤维膜组件对膜蒸馏过程进行理论性的探索，并公开发表了其理论模型结果，并随后推出了商品化的膜蒸馏系统。但是即使是在今天，从商品化的角度来讲，膜蒸馏作为一种处理方法也没有被完全接受，这主要是由于其生产能力还不能保证它在诸多领域的应用。       自80年代以来，人们对膜蒸馏过程的理论研究内容主要包括：
    自80年代以来，人们对膜蒸馏过程的理论研究内容主要包括：挥发性组分的跨膜传质机理；料液或渗透液与膜表面的传热过程及温度极化现象；各种操作条件对膜蒸馏过程的影响；组件形式和结构对膜蒸馏传热、传质过程的影响；系统热效率、能量回收与经济评价。进入90年代后，膜蒸馏过程机理研究工作与80年代相比并无重大进展，许多研究只是以前工作的进一步核实，大都集中在极化现象的影响及通过各种方式削弱极化的影响，这反映出膜蒸馏技术逐步进入实用化阶段。这里值得一提的是Lawson等用“尘气模型”统一描述了各种情况下的跨膜传质过程。    这段时期，膜蒸馏技术的应用研究也取得了相当重要的成果，研
    这段时期，膜蒸馏技术的应用研究也取得了相当重要的成果，研究者开发出了诸如脱盐、物料浓缩、废水处理、非常规分离等诸多应用领域。值得特别一提的是Shneider和Schofield等人用直接接触式膜蒸馏进行脱盐分别得到了75kg/m2·h这一足以与反渗透相竞争的跨膜通量；Lawson等人通过优化设计组件和采用性能优良的膜将脱盐通量提高至目前反渗透水平的2～3倍。因此，单就通量的大小来说，膜蒸馏过程同反渗透过程相比已经具有很大的优势，更何况膜蒸馏过程还具有能耗低、操作条件温和等诸多优点。膜蒸馏技术上所取得的成果已足以使其在工业脱盐领域中占有一席之地。    但令人遗憾的是，目前膜蒸馏过程还没有被商家所接受而全面进
    但令人遗憾的是，目前膜蒸馏过程还没有被商家所接受而全面进入工业应用，主要原因是膜蒸馏过程的研究还需要在以下几方面取得突破：    1.研制出更低价格且更适用于膜蒸馏过程的膜，特别是大孔径、
    1.研制出更低价格且更适用于膜蒸馏过程的膜，特别是大孔径、高孔隙率的中空纤维膜。目前尚未出现专门用于膜蒸馏过程的商品膜，一般都用微滤膜对膜蒸馏过程进行实验研究；通常认为空隙率为60%～80%、平均孔径为0.1～0.5μm的膜最适合于膜蒸馏。    2.设计出性能优良的膜组件以强化膜蒸馏过程的传热、传质过
    2.设计出性能优良的膜组件以强化膜蒸馏过程的传热、传质过程。    3.为确保膜蒸馏过程长期、稳定地进行，需要解决膜污染和膜孔
    3.为确保膜蒸馏过程长期、稳定地进行，需要解决膜污染和膜孔润湿等问题。    4.提高热量的利用率，这对以提供挥发性组分的汽化潜热来获取
    4.提高热量的利用率，这对以提供挥发性组分的汽化潜热来获取产品的膜蒸馏过程具有特别重要的意义。    三、应用探索
    三、应用探索    膜蒸馏技术出现早期，曾试图用于脱盐这一竞争激烈的商业市
    膜蒸馏技术出现早期，曾试图用于脱盐这一竞争激烈的商业市场。当时膜蒸馏尚为一项缺少前期投入、基本停留在实验室研究阶段的新技术，很难想象能够同已经成熟的多效蒸发及反渗透技术相抗衡。尽管膜蒸馏技术在许多方面具有优势，但目前在大规模脱盐方面尚不能与反渗透等技术竞争。在最近公开的膜蒸馏技术应用研究报道中，更多地倾向于发挥膜蒸馏的技术优势，将其应用于未开发的领域或常规分离技术不能解决的分离问题。例如在食品工业中的应用，因膜蒸馏在常温低压下浓缩物料，可以保持食物的芳香气味，不破坏食物的营养成分，不产生有害的高温降解物。另外一些应用领域有：无菌条件下的液体物料浓缩；液体物料的耦合分离（在线浓缩）；低温下从液体物料中剔除易挥发组分；常压低温高度浓缩；小型家庭使用设备；重水分离、共沸物分离、航天器中废水回收等特殊应用领域；利用废热或太阳能作为热源，或与其他分离过程结合，将膜蒸馏用于脱盐、水处理等方面。    四、发展前景
    四、发展前景    膜蒸馏过程中所需要的能量主要消耗于挥发性组分的汽化，从这
    膜蒸馏过程中所需要的能量主要消耗于挥发性组分的汽化，从这点上讲，膜蒸馏过程是一个能耗大户。但是，由于过程中所需要的操作条件非常温和（常压、数十摄氏度），使用自然能源或废热便可以实现操作。因而在世界能源日益短缺的今天，膜蒸馏具有极强的竞争力。    尽管膜蒸馏在节能、环保方面具有一定的优势，但是为减小设备
    尽管膜蒸馏在节能、环保方面具有一定的优势，但是为减小设备规模、降低设备投资，能量回收便成为膜蒸馏装置中非常重要的一个环节。这样便存在热回收率的提高与膜蒸馏推动力的降低一对矛盾。这一矛盾的解决是膜蒸馏技术实现大规模工业化的关键之一。    膜的价格是膜蒸馏过程运行成本的重要影响因素之一。据估计，
    膜的价格是膜蒸馏过程运行成本的重要影响因素之一。据估计，膜的价格至少要再降低一个数量级，才能使膜蒸馏过程的运行成本具有明显的竞争力。    膜蒸馏过程与其他膜过程耦合使用，发挥各自的优势，是今后膜
    膜蒸馏过程与其他膜过程耦合使用，发挥各自的优势，是今后膜蒸馏技术应用的一个重要方向。例如，利用膜蒸馏过程不受料液渗透压限制的有利条件，将其与反渗透过程相结合。