海水淡化浓盐水真空膜蒸馏研究

第27卷　第6期2007年12月膜　科　学　与　技　术

MEMBRAN E SCIENCE AND TECHNOLO GY Vol. 27　No. 6

Dec. 2007

文章编号:1007-8924(2007) 06-0093-04研究简报

海水淡化浓盐水真空膜蒸馏研究

唐　娜, 陈明玉, 袁建军

(天津科技大学海洋科学与工程学院, 天津300457)

摘　要:采用PVDF 中空纤维膜及PTFE 微孔平板膜组件对反渗透海水淡化浓盐水的真空膜

蒸馏过程进行了研究. 连续运行的结果表明:温度是影响海水淡化浓盐水膜蒸馏过程的关键因素, 对膜通量影响较大. 在真空侧压力为2kPa , 浓盐水流量为24L/h 时, 进料侧浓盐水温度为346. 35K 时,PVDF 中空纤维膜组件的膜蒸馏通量为13. kg/(m 2・h ) . 2kPa , 浓盐水流量为120L/h , 进料侧浓盐水温度为通量为24. 8kg/(m 2・h ) . . 关键词:海水淡化; ; PTFE 平板膜中图分类号:A

　　淡水资源短缺成为当今社会发展的重要问题,

海水淡化是淡水来源的途径之一. 目前, 从海水或苦咸水获得淡水的主要方法有:电渗析法、蒸发法、多效蒸馏法和反渗透法等. 膜蒸馏技术是近年来的一种新型膜分离技术, 根据下游侧挥发组分蒸汽冷凝方法或排除方法不同, 膜蒸馏过程可分为[1]:直接接触式膜蒸馏(DCMD ) 、空气隙式膜蒸馏(A GMD ) 、真空(减压) 膜蒸馏(VMD ) 和气体吹扫式膜蒸馏(SGMD ) 4种操作方式, 以及近几年来发展起来的恒温气流吹扫式膜蒸馏. 真空膜蒸馏(VMD ) 技术以其独特的优点, 有望广泛应用于海水淡化、苦咸水淡化、水溶液处理、溶液浓缩以及环境保护等领域[2-5].

目前尚未见将膜蒸馏技术应用于海水淡化浓盐水处理过程的研究报道. 本文采用天津膜天膜工程技术有限公司生产的聚偏氟乙烯(PVDF ) 中空纤维疏水微孔膜, 以及上海大宫新材料有限公司生产的聚四氟乙烯(PTFE ) 微孔膜作为实验用膜, 以天津市1000t/d 海水淡化示范工程反渗透浓盐水为原料, 进行真空膜蒸馏技术在海水淡化浓盐水方面的

收稿日期:2006-07-13; 修改稿收到日期:2006-12-25基金项目:天津市自然科学基金资助项目(06YFJ MJ C04000)

作者简介:唐　娜(1972-) , 女, 辽宁海城市人, 博士, 副教授, 主要从事海卤水资源综合利用、海水淡化、膜分离等,

〈tjtangna @163. com 〉

应用研究. 结合海水淡化工程与日晒海盐生产过程,

获得淡水的同时节省海盐生产的滩涂面积, 从而降低海盐生产成本. 研究结果表明:膜蒸馏技术应用于海水淡化浓盐水处理具有广阔的应用前景.

1　实验部分

1. 1　材料及设备

PVDF 中空纤维膜组件, 天津膜天膜工程技术

有限公司; 上海大宫新材料有限公司生产的PTFE 疏水微孔膜, 根据其支撑材料的不同称其为1#及2#组件. 超级恒温循环水浴, 南京大学应用物理研究所; 低温冷却液循环泵, 宁波天恒仪器厂; 电导率仪, 天津市盛邦电器厂. 1. 2　实验用海水淡化浓水本实验用海水淡化浓水为天津市1000t/d 反渗透(RO ) 法海水淡化产出的6波美度浓盐水, 盐度约为6%.1. 3　实验装置

本研究的VMD 实验装置如图1所示.

　　・94・膜　科　学　与　技　术第27卷　

图1　Fig. 1　Schematic 　　, 组件, 使原料增浓. 透过膜蒸馏组件的水蒸汽经蛇管冷凝器冷却后成为VMD 产品水, 进入淡水收集瓶中. 1. 4　膜蒸馏过程性能参数测定1. 4. 1　渗透通量

本研究采用天津膜天膜公司的PVDF 中空纤

维膜组件以及上海大宫的PTFE 1#及2#商品平板膜, 对海水淡化浓盐水的膜蒸馏性能进行研究.

2. 1　PV DF 中空纤维膜组件的VMD 实验结果及讨论

在真空侧压力为2kPa , 浓盐水流量为24L/h 时, 研究了不同进料温度对PVDF 膜真空膜蒸馏通量的影响, 结果如图2所示

.

在膜蒸馏过程中, 渗透通量是重要的工艺指标[6-8]. 影响渗透通量的因素有溶液浓度、温度(温度差) 、流动状态和膜结构等. 其计算式如式(1) 所示:

J =

A ・t

(1)

式中, J 为VMD 过程渗透通量,kg/(m 2・h ) ; W 为

一定时间测定的膜下游冷凝水的质量,kg ;A 为膜的有效面积,m 2; t 为收集W (kg ) 冷凝水所需的时间,h. 1. 4. 2　截留率(脱盐率) 描述MD 过程的另一重要的工艺参数是截留率, MD 过程理论上的截留率应为100%, 但实际上由于膜本身某些缺陷(个别膜孔太大或有针孔裂纹等) , 使截留率达不到100%.其计算式如式(2) 所示.

R =

C C ×100%C F

图2　流量为24L/h 时进料温度对PVDF

膜组件VMD 通量的影响

Fig. 2　VMD flux of PVDF membrane versus feed

temperature at the flow rate of 24L/h

(2)

式中, R 为截留率(脱盐率) , %; C F 为溶液中Cl -的

浓度,g/L 或电导率μ, S/cm ; C P 为膜下游冷凝水中Cl -的浓度,g/L 或电导率μ, S/cm.

由图2可知, 在真空侧压力和流量一定的条件

下,VMD 过程膜通量随温度的升高而增大. 这是因为随着料液温度的提高, 热侧饱和蒸汽压也随着提高, 增加了膜两侧的传质推动力. 但料液温度不能无限提高, 这一方面要考虑膜材料使用温度的限制, 另

本研究采用容量法测定产品水的脱盐率.

　第6期唐　娜等:海水淡化浓盐水真空膜蒸馏研究　・95・　

一方面还要考虑温度过高, 必将影响过程的节能.

PVDF 膜组件VMD 过程产品水脱盐率测定结

2. 2. 2　VMD

工艺控制参数对通量的影响

PTFE 1#膜组件应用于海水淡化浓盐水VMD

果如表1所示.

表1　PVDF 膜组件VMD 产品水脱盐率测定结果

Table 1　Salt rejection of VMD product water

for PVDF membrane

-(-1)

过程工艺控制参数对通量的影响如图3所示.

进料温度T /K

318. 45323. 75330. 95336. 95341. 65346. 35

进料浓盐水

33. 020933. 020933. 020933. 020933. 020933. 0209

VMD 产品水0. 36160. 56010. 43600. 62040. 55300. 4360

R /%

98. 998. 398. 798. 198. 398. 7

图3　进料温度及流量对PTFE 1#膜组件

　temperature and

1membrane

由表1测定结果表明, PVDF 水淡化浓盐水的VMD , 98%以上.

2. 2　PTFE 1#V 实验结果及讨论

研究采用的上海大宫新材料有限公司PTFE 微孔膜1#平板膜组件, 其平均孔径为0. 2μm. 2. 2. 1　VMD 工艺影响因素显著性分析

采用正交设计进行实验方法设计, 真空侧压力为2kPa 时, 改变原料液流量以及料液温度, 然后将实验数据进行方差分析, 以确定对VMD 通量影响因素的显著性.

原料同样为RO 反渗透浓水. 实验数据方差分析见表2.

表2　PTFE 1#平板膜组件VMD 实验结果

方差分析表

Table 2　Analysis of variance of experimental results

for No. 1PTFE flat membrane

, 随着流量的增加, 组件VMD 通量

的增加趋势不明显; 而随着温度的增加, 其通量明显增大, 在340. 15K 时, 组件通量达24kg/(m 2・h ) 以上.

由图3得出的直观性结论与上述方差分析所得出的结论相吻合, 对下一步指导中试实验具有理论上的指导意义.

2. 2. 3　VMD 过程产品水脱盐率的测定

PTFE 1#组件VMD 过程产品水脱盐率的测定

结果如表3所示.

表3　PTFE 1#膜组件VMD 实验脱盐率测定结果

Table 3　Salt rejection of VMD product water

for No. 1PTFE membrane

V /(L ・h -1)

%

340. 1598. 7899. 3798. 5298. 80

325. 1598. 6699. 4099. 2799. 16

进料温度T /K

330. 15335. 15

99. 2799. 5197. 7698. 71

99. 2798. 9098. 7698. 55

6090120150

方差来源

V T

平方和

67. 47539. 23165. 09771. 79

自由度

33915

均方差

22. 49179. 7418. 34

F 值F V =1. 226F T =9. 8

误差总和

上述测定结果表明:PTFE 1#膜组件应用于海水淡化浓盐水的VMD 过程, 产品水脱盐率均在

98%以上.

2. 3　PTFE 2#平板膜组件的V MD 实验结果及讨论

在真空侧压力为2kPa 时, 研究了不同进料温度及流量对PTFE 2#膜组件VMD 过程通量的影响. 结果如图4所示. 由图4可见, 随进料温度的增大, 组件膜蒸馏通量明显增大, 进料流量对组件的通量影响不明显.

查F 分布表知F 0. 95(3,9) =3. 086, 并由表2可知, F V =1. 226F 0. 95(3,9) , 故温度因素对渗透通量影响显著, 而流量对渗透通量的影响不显著.

因此, 膜组件的VMD 过程进料温度是工艺控制过程的关键因素.

　　・96・膜　科　学　与　技　术第27卷　

　　3) 膜蒸馏技术应用于海水淡化浓水处理过程具有广阔的应用空间.

参

考

文

献

[1]高　振, 朱春英, 徐世昌, 等. 真空膜蒸馏过程影响因素

研究[J].海湖盐与化工,2004,34(1) :10-13.

[2]于德贤, 于德良, 韩　彬, 等. 膜蒸馏海水淡化研究[J].

膜科学与技术,2002,22(1) :17-20.

[3]杜　军, 刘振华, 陶长元, 等. 减压膜蒸馏法处理含铬离

图4　进料温度及流量对PTFE 2#平板

膜组件VMD 通量的影响

Fig. 4　VMD flux versus feed temperature and

flow for No. 2PTFE membrane

子水溶液的实验研究[J]. 水处理技术,2000,26(5) :264

-266.

[4]Bandini S , Sarti G C. Concentration of must through vac 2

uum membrane distillation[J].Desalination , 2002, (149) :253-259.

[5]Zhang Q , K G. Study on concentrat 2

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[6]毛尚良. 减压膜蒸馏法的研究[J].水处理技术,1994,20

(5) :267-270.

[7]林斯清, 张维润. 海水淡化的现状与未来[J].水处理技

3　结论

1) 采用PVDF 中空纤维膜组件, PTFE 1#2#程研究;

2) kPa , 24L/h 时, 进料侧浓盐水温度为346. 35K 时, PVDF 中空纤维膜组件的膜蒸馏通量为13. 26kg/(m 2・h ) . 在真空侧压力为2kPa , 浓盐水流量为120L/h , 进料侧浓盐水温度为340. 15K 时, PTFE 平板膜组件的膜蒸馏通量达24. 8kg/(m 2・h ) ;

术,2000,26(1) :7-12.

[8]Li Baoan , Sirkar K K. Novel membrane and device for

vacuum membrane distillation -based desalination process [J].J Membr Sci , 2005, 257:60-75.

V acuum membrane distillation for brine from SWRO

desalination process

TA N G N a , CH EN M i ngyu , Y UA N Jianj un

(College of Marine Science and Engineering , Tianjin University of Science &Technology ,

Tianjin 300457, China )

Abstract :PVDF hollow fiber membrane module and PTFE flat membrane module were compared in the vacuum membrane distillation processes for brine from SWRO desalination process. The results indicated that the tem 2perature was the critical key factor affecting the flux of VMD process of the brine. The pure water flux of PVDF hollow fiber membrane module was 13. 26kg/(m 2・h ) under the following conditions :the vacuum of 2kPa , the brine flux of 24L/h , and the feed brine temperature of 346. 35K. The pure water flux of PTFE flat membrane module was 24. 8kg/(m 2・h ) when the operating conditions were the vacuum of 2kPa , the brine flux of 120L/h , and the feed brine temperature of 340. 15K. Experiment results demonstrated VMD technology has promis 2ing future in treating brine from seawater desalination.

K ey w ords :seawater desalination ; brine ; vacuum membrane distillation ; PVDF hollow fiber membrane ; PTFE flat membrane