以太阳能为热源的真空膜蒸馏组件与系统研究

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1、浙江大学硕士学位论文绪论与直接接触式膜蒸馏相比，气隙式膜蒸馏冷侧在膜与冷凝面间引入一个很薄的空气间隙层，如图1．1(b)所示，透过膜的蒸汽经空气间隙扩散到冷壁后冷凝成水，冷壁后有冷却水流动。气隙式膜蒸馏具有热效率高的优势，缺点是渗透通量低，结构复杂，且不适用于中空纤维膜，限制了商业推广。气扫式膜蒸馏鉴于直接接触膜蒸馏热损大、气隙膜蒸馏传质阻力大的缺陷，研究者在此基础上进行了改进，用气体吹过膜的下游侧，即出现了气扫式膜蒸馏(见图1．1(c))。但气扫式膜蒸馏又有更大的缺陷：冷凝器冷凝下游侧蒸汽的能耗太大。因此很少有人使用气扫式膜蒸馏，只有少数人对

2、其进行了研究，且仅限于理论及数学模型。真空膜蒸馏如图1．1(d)所示，在料液侧膜直接与所处理的料液接触，料液流经膜面时，其中挥发性组分部分汽化，在渗透侧利用真空泵使该侧压力低于料液侧挥发性组分平衡蒸汽压，在传质推动力即压差的作用下，蒸汽透过膜孔进入减压侧。由于真空膜蒸馏的膜两侧气体压力差比其他膜蒸馏的膜两侧气体压力差大，因此，它比其他形式的膜蒸馏具有更大的蒸馏通量。真空膜蒸馏的使用很频繁。MD的几种操作方式各有其优点，表1．2将这几种操作方式的特点总结比较如下：表1．2几种常用的MD操作方式比较1．2．2膜蒸馏用膜1．2．2．1膜材料膜是MD过

3、程中重要的组成部分，膜的好坏直接影响MD技术的实际应用。用于MD海水淡化的膜必须满足疏水性和多孔性的要求，以保证水不渗到膜孔内，并使膜具有较高的通量。此外，膜还应具有良好的热稳定性、化学稳定性、高的机械强度和低的导热系数。5浙江大学硕士学位论文绪论表1．3一些膜蒸馏膜材料的表面能【11材料表面能(1斟·m．1)PP3U．UPTFE9．1PVDF30．3膜的疏水性可以通过使用疏水材料获得，也可以通过使用不同的表面改性技术对亲水膜表面进行改性降低表面能获得。目前用于Ⅷ的疏水膜材料主要有聚丙烯(polypropyleIle，PP)、聚四氟乙烯(pol

4、ytetrafluoroetllylene，PTFE)、聚偏氟乙烯(polyvinylidenenu耐de，PVDF)，这些材料都具有较低的表面能(见表1．3)。从表面能看PTFE的疏水性最好。从耐氧化性及化学稳定性看，PTFE优于其它几种材料，P、DF次之。虽然PP膜耐氧化性和稳定性相对较差，但由于价格低廉，市场应用广阔。由于3种膜材料的加工性能不同，所以制膜方法也各异。制取PTFE疏水微孔膜可采用烧结法及拉伸法，中空纤维膜的制作较为困难。PVDF膜较PTFE膜容易制备，目前多采用溶剂致相转化法【2．8】。最新文献也有报道采用静电纺丝法，如F

5、ellg等【91以质量浓度为18％的PvDF铸膜液(N’N．二甲基乙酰胺为溶剂)，通过静电纺丝得到厚度为0．15I姗的纳米纤维膜。该膜60℃下膜蒸馏的通量可达到11L·m。2．hd以上。由于PP在常温下不溶于任何溶剂，故通常采用熔融纺丝．冷却拉伸法和热致相分离法【10。221。此外，也有文献报道使用硅橡胶为膜材料用于膜蒸馏【23】。利用表面改性技术获得疏水性膜的研究一直受到人们的关注，早期研究者通过对醋酸纤维素(CA)膜进行表面改性获得MD用膜【24】。触等【25】利用氧化铝、氧化锆等亲水陶瓷膜表面的羟基基团和接枝化合物的反应基团间的相互作用，

6、在膜表面接枝上单分子层的氟化烷基硅氧烷，获得可用于№的强疏水性膜。目前采用改性高分子材料制得具有很薄疏水皮层和较厚的亲水多孔支撑层的复合膜的研究也比较热门【2砚91。为了防止膜孔润湿，近年来又出现了对疏水膜进行改性的技术，该技术通过等离子聚合在多孔疏水膜表面涂上一层高透水性的涂层。该种膜可以有效减弱浓度极化、防止膜孔润湿，降低通量衰减的发生。【30．32l1．2．2．2膜结构性能优异的微孔膜应具有较低的传质阻力、较小的热传导系数、较高的最小渗透压力和化学稳定性。这些性能除了受膜材料影响外，还与膜结构特征密切相关。一般在膜蒸馏过程中，要避免料液穿

7、透膜孔，只有保证膜两侧压差低于最小渗透压力(1iquiden仃ypressure，LEP)，膜才不易被润湿。膜的孔径与最小渗透压力之间的关系可以用式(1．1)6浙江大学硕士学位论文绪论表利33l：△P：一丝兰!!塑(1．1)其中)，代表液体的表面张力，目为料液与膜的接触角，，．是膜的平均孔径，@是由孔结构决定的结构因子(圆柱型孔结构因子为1)。由式(1．1)可知，膜孔径越小，最小渗透压力就越大，膜就越不容易被润湿。膜的孔径、孔隙率、曲率、厚度等结构参数是影响跨膜传质系数的重要因素。跨膜通量与膜结构参数的之间的关系通常可以表示为Ⅳ芘坐(卜2)硝其

8、中，Ⅳ是摩尔通量，，．为膜的平均孔径，6表示膜厚，s代表膜的孔隙率，丁为弯曲因子，当传质机理为努森扩散时，因子仅为1，当传质主要受粘性流阻力影响时，因