真空膜蒸馏技术淡化盐碱水试验研究
时间：2023-01-25 15:45:03 来源：天一资源网 本文已影响 人 
王闪，叶文升，胡雪菲,2，尤永军,2*
（1塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300）
（2新疆维吾尔自治区教育厅普通高等学校现代农业工程重点试验室，新疆 阿拉尔 843300）
从全球范围来看，高矿化度的海水、盐碱水或苦咸水在沙漠、草原、沿海地区、内陆干旱地区广泛分布。我国的北方、西北干旱地区也分布着大量盐碱水或苦咸水，仅新疆生产建设兵团第一师阿拉尔市地下苦咸水分布面积就有2 163.45 km2，占当地地下水总面积的77.26%，淡水与苦咸水交替分布，自西向东呈现苦咸水分布面积逐渐增加、淡水分布面积逐渐减少的特征［1］，对人们的生产生活造成一定影响。随着新疆南疆地区经济社会的发展，对水资源的需求呈现逐年递增的趋势，更加剧了淡水资源的短缺，因此合理开发盐碱水资源、缓解用水矛盾逐渐受到关注［2］。
目前国内外对于盐碱水或苦咸水的淡水回收技术比较成熟，常用的脱盐工艺有反渗透、多级蒸发、多效蒸馏等，随着废水处理规模扩大和集成化程度提高，热膜耦合、水电联产等综合技术也得到了快速发展［3］。膜蒸馏技术作为一种新型的气液分离手段，具有操作温度相对较低、压力低、理论淡化效果好、适应性广、膜污染程度低等特点［4-5］，在海水淡化［6］、废水处理［7-8］等方面取得了一定的研究成果，但在低浓度盐碱水的应用方面还缺乏研究。本研究采用聚丙烯管式膜组件处理盐碱水，研究了真空膜蒸馏在不同操作条件下的脱盐效果，探究了影响膜通量的主要因素，为拓展盐碱水处理思路，实现盐碱水资源化利用提供理论支撑。
1.1 试验材料
本试验用水为盐碱水，取自新疆生产建设兵团第一师阿拉尔市十二团排碱干渠，矿化度约10.20 g/L。试验所用膜为PP管式膜（MD3126，天津沃驰科技有限公司），其主要性能参数如表1所示。
表1 PP管式膜元件主要性能指标
1.2 试验原理及装置运行
真空膜蒸馏是膜蒸馏的一种，其原理如图1所示。待处理的热料液从膜的一侧通过，另一侧抽真空，由于膜的疏水性和微孔性［9］，热料液不会直接透过膜孔进入真空侧，而是在膜孔一侧形成弯曲界面。在加热与表面张力的共同作用下，进水侧与真空侧形成一定的压差，进水侧汽化的水蒸气透过膜孔进入到真空侧，然后被抽离到膜外冷凝，形成产水；
由于膜的疏水作用，水中不能变成气态的离子会被阻隔在进水侧内，不随水蒸气进入真空侧，产水中几乎不含有离子，从而达到污废水脱盐的目的。
图1 真空膜蒸馏原理示意图
在真空膜蒸馏中，由于透过膜的气态物质分子平均自由程远大于膜的平均孔径，而且真空侧压力较低，膜内只有少量气体，因此膜内的传质为努森扩散［10-11］，蒸汽传质通量可表述为下式。
式（1）中，J为膜通量，kg/(m2·h)；
ε为膜的孔隙率，%；
dp为膜的直径，m；
χ为曲折因子；
δ为膜的厚度，m；
R为气体常数，8.314 J/(mol·K)；
T为热力学温度，K；
M为透过物质的分子量，kg/mol；
ph为进水侧界面的蒸气压，Pa；
pc为真空侧的压力，Pa。
基于上述机理，设计试验装置如图2所示。盐碱水置于恒温水浴锅中，通过水浴锅控制盐碱水达到设定温度。加热后的盐碱水用蠕动泵打入膜组件的膜内侧，热水形成的水蒸气透过膜孔，在真空泵负压下进入膜组件壳程，与冷凝水换热后形成水珠，被淡水瓶收集，浓缩后的浓水回流至盐碱水烧杯内继续循环。
图2 真空膜蒸馏试验装置示意图
试验过程中，通过设定单因素，分别考察热侧温度（40℃、50℃、60℃）、冷侧真空度（0.025 MPa、0.052 MPa、0.070 MPa）、盐碱水浓度（5.30 g/L、7.00 g/L、9.60 g/L）对膜通量及脱盐率的影响。每个试验条件下系统运行6 h，结束后分别用稀盐酸、蒸馏水冲洗膜组件，防止膜污染，然后进行下一组试验。
1.3 数据分析方法
试验过程中淡水质量用天平称量得到，盐碱水（浓水）及淡水电导率通过电导率仪测定，膜通量（J）与脱盐率（η）分别用式（2）、式（3）计算。
式（2）中，W为淡水质量，g；
S为膜有效面积，m2；
t为运行时间，h。
式（3）中，ρh为盐碱水（浓水）电导率，μS/cm；
ρc为淡水电导率，μS/cm。
2.1 热侧温度对膜蒸馏特性的影响
在冷侧真空度为0.052 MPa、盐碱水浓度为9.60 g/L的操作条件下，研究热侧温度对淡水电导率及膜通量的影响，结果如图3所示。在系统运行6 h内，三种操作温度下的淡水电导率虽波动较大，但均低于25 μS/cm（与蒸馏水电导率相近），平均脱盐率（ηavg）均接近100%，几乎没有差异，这说明热侧温度对VMD的脱盐性能影响较小。温度主要影响水蒸气分压，对离子在热侧及膜表面的迁移行为影响不大。膜通量在系统运行期间基本维持在200～250 g/（m2·h）之间，且随着热侧温度的升高而不断增大，这是因为膜蒸馏的传质动力主要源于膜两侧的蒸汽压差，当热侧的盐碱水温度升高时，水的饱和蒸气压随之增大，即式（1）中热侧蒸气压增大，而冷侧真空度不变，温度越高传质动力越大，膜通量随之增加。理论上，热侧温度越高，膜通量越大，但是较高的温度会引起膜表面发生严重的温差极化现象［12］。同时原水加热对膜丝材料的耐温性提出了更高要求，为防止膜丝在高温下发生结构破坏及两端树脂脱落，一般真空膜蒸馏热侧温度不宜过高，应控制在60～70℃之间［13-14］。膜蒸馏的运行需要对原水进行加热，将增加能耗，因此在具有可利用废热或太阳能资源的地区，该技术更具优势［15］。
图3 不同热侧温度下的淡水电导率及膜通量变化
2.2 冷侧真空度对膜蒸馏特性的影响
图4 不同冷侧真空度下的淡水电导率及膜通量变化
2.3 盐碱水浓度对膜蒸馏特性的影响
在热侧温度为60℃、冷侧真空度为0.052 MPa的操作条件下，将盐碱水稀释，控制水样矿化度为5.30 g/L、7.00 g/L、9.60 g/L三个水平，考察盐碱水浓度对淡水电导率及膜通量的影响，结果如图5所示。不同盐碱水浓度下，淡水电导率均低于30 μS/cm，平均脱盐率（ηavg）接近100%，说明膜蒸馏对不同浓度的盐碱水处理效果基本相同。虽然盐碱水浓度越高，水中离子强度越大，但膜材料的疏水特性并不会在短期改变，可以在一定时间内维持较好的脱盐性能。系统膜通量也较稳定，维持在255 g/（m2·h）左右，且基本不受盐碱水浓度的影响。而有研究表明，溶液的离子浓度升高会降低水的蒸气压，膜通量会随盐度增加而逐渐降低［17］，当原水矿化度超过200 g/L时，膜通量比离子含量为50 g/L时降低约26.8%［18］。结合本试验结果可知，热侧盐碱水浓度对膜通量的不利影响只有在原水矿化度较高时才显现。新疆南疆地区的盐碱水矿化度均值为4.19 g/L，整个西北地区80%的地表水含盐量低于10 g/L，含盐量低于10 g/L的地下水约占总地下水量的90%［1］，对比本试验的研究结果，认为采用膜蒸馏工艺处理南疆地区的低浓度盐碱水，具有较好的适应性及应用价值。
图5 不同盐碱水浓度下淡水电导率及膜通量变化
2.4 影响因素显著性分析
冷侧真空度与膜通量呈正相关，温度与膜通量呈指数关系，对试验数据采用多元线性方程进行拟合，可以探究冷侧真空度、热侧温度及盐碱水浓度对膜通量影响的重要程度。应用SPSS 24.0进行多元线性拟合，结果如表2所示。表中标准化系数表示自变量对因变量的重要性，标准化系数越大，越不能忽略自变量的影响；
P＜0.05表明自变量对因变量有显著影响，反之无显著影响。冷侧真空度对膜通量的影响最大，其次为热侧温度，而盐碱水浓度由于P＞0.05被认为对膜通量的影响并不显著。
表2 多元线性回归分析结果
本试验通过探究真空膜蒸馏过程中热侧温度、冷侧真空度与盐碱水浓度对脱盐率与膜蒸馏的影响，结合多元线性回归拟合，得出以下主要结论：
1）在不同的热侧温度、冷侧真空度和盐碱水浓度下，淡水电导率低于30 μS/cm，系统脱盐率接近100%，淡水水质接近蒸馏水水质，说明采用真空膜蒸馏技术处理盐碱水的脱盐效果较好。
2）单因素试验结果表明，热侧温度、冷侧真空度与膜通量呈正相关。当温度为60℃、冷侧真空度为0.070 MPa、盐碱水浓度约5.30 g/L时，膜通量最大值为292.44 g/（m2·h）。而在不同盐碱水浓度下，系统膜通量较为稳定，始终维持在235.33～258.33 g/（m2·h）之间。结合多元线性拟合结果表明，冷侧真空度对膜通量的影响最大，温度次之，盐碱水浓度对膜通量的影响不显著。
3）系统膜通量及脱盐率均较为稳定，没有发生膜污染现象，说明真空膜蒸馏处理低浓度盐碱水的过程稳定性高，在南疆地区盐碱水处理方面具有一定潜力。
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