04膜蒸馏过程的机理
膜蒸馏过程的机理
膜蒸馏过程是传热与传质的偶合过程，并且这两种传递过程都分别由边界层内的传递和跨膜传递两部分组成，因此传热和传质之间的关系比较复杂。
1 质量传递
在膜蒸馏过程中，当料液流过膜表面时，难挥发的物质被截留，而易挥发的物质（通常为水）以蒸气的形式透过膜，导致难挥发物质在膜表面处的浓度高于其在料液主体中浓度的浓度极化现象。Martlnez通过计算发现，在料液流速和温度相同的情况下，分别以4mol/L的NaCl水溶液以及40％的蔗糖溶液为料液时，其通量均与以纯水为料液存在较大差异。作者认为前者主要归因于随着NaCl浓度的升高，水的活度降低，后者则主要归因于温差与浓差极化。Peng Ping等在研究中发现，当水溶液中NaCl的浓度为20％时，水通量是纯水通量的64％。Alklaibi的实验结果表明，盐溶液的浓度从2％增加到5％，通量下降16％。
就理论上而言，浓度极化会削弱浓度边界层内的传质推动力，从而使MD过程的跨膜通量减小，但若挥发性组分的蒸汽压随溶质浓度的升高下降不明显，浓度极化对跨膜通量的影响可以忽略。浓度极化对膜蒸馏过程影响的另一方面是当膜表面处溶质浓度高至一定程度将会导致膜被润湿。
膜蒸馏的跨膜传质过程包括挥发性组分（通常为水）在热侧浓度边界层内的传递及其在膜孔内的传递过程。对于在膜孔内进行的跨膜传质过程，众多研究者均采用如下简化形式来描述跨膜通量从即认为它与水的跨膜蒸气压差成正比：
N=C（ptfm～Ptpm） （1）
式中，C为渗透系数或传质系数；tfm和tpm分别为进料侧及渗出侧膜表面的温度。文献中出现MD跨膜传质机理通常包括：黏性流动、Kundsen扩散和分子扩散或它们之间的组合， 即Molecular&Knudsen扩散模型、Knudsen扩散-黏性流动模型及Knudsen&Molecular扩散-黏性流动模型。
Phattaranawik等提出了传递区域的概念，将DCMD传质过程中膜内按照孔径分布划分成Knudson扩散区和过渡区，并认为过渡区对传质起到了主要作用。通过计算和实验结果的对比发现，膜的孔径分布和传质过程膜中空气反方向分子扩散通量对DCMD通量的影响并不显著。Lawson等在通过模型预测VMD过程的通量时，将传递过程看作Knudson扩散和黏性流动两种机理共同作用的结果。Ding等提出了三参数模型预测直接接触式膜蒸馏系数和MD的通量，称为Knudsen扩散-分子扩散-Poiseuille流动传递模型（KMPT），并考察了中空纤维膜组件中纤维丝随机分布所造成的沟流效应对膜蒸馏组件通量的影响，结果发现沟流效应的存在使膜组件的通量大大降低。
研究者们通过上述传质机理建立跨膜传质模型，对传质模型中跨膜传质系数的确定可归结为两种方法：一是通过确定膜的空隙率、曲率因子、平均孔径及膜厚等结构参数，由经验公式关联；另一种方法是结合对膜两侧壁温和水蒸气分压的计算，通过测定通量，对实验数据的非线性回归得到。传质系数确定后，再反过来计算膜蒸馏通量，因此，模拟计算结果与实验结果通常能够较好的吻合。
2 热量传递
由于热边界层的存在，料液侧膜表面处的温度低于料液主体的温度，渗透液侧膜表面的温度高于渗透液主体的温度，造成温度极化现象。温度极化是影响MD过程热效率的重要因素，通常定义温度极化系数Θ用以衡量MD过程对外加推动力的利用程度。
Θ=（Tfm－Tpm）/（Tf－Tp） （2）
优良的MD系统要求边界层的传热情况达到最佳，即Θ应接近于1（通常在0.4～0.6）。Schofield等将MD系统的Θ值提高至0.65；Lawson通过采用性能优良的膜及优化组件设计，将Θ值提高至0.8左右；Martinez等也通过使用特殊结构的支承网令Θ值大大提高。
膜蒸馏过程中的热量传递主要由汽化潜热和跨膜热传导两部分。丁忠伟等通过对膜两侧进行热量衡算，并假设传热为稳态过程，得到了流体在膜两侧表面温度的表达式。阎建民等针对气隙式膜组件给出了热边界层内传热系数的经验关联式。Rodriguez-Maroto等针对直接接触式膜蒸馏组件给出了流道内的速度和温度分布曲线，将流道内的温度分布表示为由膜组件入口和出口处测得的温度的函数，通过对计算值和实验值的比较指出，当工作流体温度较高且做层流流动的情况下，用分别测得的组件进、出口处的温度来表示膜两侧的主体温度存在着较大的误差。Phattaranawik等对直接接触式膜蒸馏研究表明，强化传质对传热系数的影响可以忽略，料液的温度对传热起较大的作用。