聚偏氟乙烯疏水平板膜用于真空膜蒸馏的研究

李福勤,安晓婵,牛红兰

（河北工程大学城市建设学院,河北邯郸 056038）

膜蒸馏是传统蒸馏工艺与膜分离技术相结合的一种新型膜分离技术。近年来随着高分子材料和制膜工艺的迅速发展,膜蒸馏的实用潜力和商业潜力得到广泛认可[1-3]。其中真空膜蒸馏采用在膜的一侧抽真空,使得蒸汽抽离于膜表面,再通过冷凝收集,其热传导损失比较低,膜通量也较一般方式大,并且可以充分利用廉价能源,因此具有良好的应用前景[4-5]。制取疏水膜的原材料主要有:聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯等。其中以聚偏氟乙烯为原材料所制的疏水膜具有疏水性良好,韧性高,化学稳定性、冲击强度及耐磨性能较好,受到越来越多的关注。于德贤等[6]采用聚偏氟乙烯中空纤维膜进行了海水淡化的实验研究。吕晓龙[7]也采用聚偏氟乙烯中空纤维膜对真空膜蒸馏、直接接触式膜蒸馏、气扫式膜蒸馏等三种膜蒸馏的脱盐效果及膜通量进行了比较,结果表明真空膜蒸馏的膜通量最大,脱盐效果良好。本实验在此基础上对真空膜蒸馏实验的影响因素进行进一步的研究,采用聚偏氟乙烯疏水平板膜,着重考察膜冷侧真空度、料液温度、料液流量以及料液浓度等对膜通量与截留率的影响。

1 实验部分

1.1 仪器和材料

雷磁DDS-307电导率仪:上海精密科学仪器有限公司;SHZ-Ⅲ型循环水真空泵:上海亚荣生化仪器厂;BT00-100M蠕动泵:保定保定兰格横流泵有限公司;DK-S24型电热恒温水浴锅:上海市森信实验仪器有限公司;电子天平:梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司;氯化钠（分析纯）:天津市红岩化学试剂厂;自制聚偏氟乙烯疏水平板膜,膜厚0.2 mm。

真空膜蒸馏分为热侧水循环系统、聚偏氟乙烯疏水平板膜组件、真空系统及冷凝收集系统。实验装置流程见图1。

热侧水循环系统中通过恒温水浴锅加热料液,采用蠕动泵使之循环通过真空平板膜组件,另一侧采用循环水真空泵抽真空,使水蒸气透过膜组件后进入冷凝装置冷凝（冷凝温度为20℃）,并收集至集液瓶。进料液侧应定时加入蒸馏水补充所消耗料液,保持进料浓度不变。本实验采用间歇操作,每次改变不同的膜蒸馏影响因素（进料温度、进料流速、进料浓度及冷侧真空度等）,待装置稳定运行后开始收集渗透液。每次取得一定体积的渗透液后,使用量筒测量出渗透液体积,计算渗透液的质量,并用电导率仪测出进料液及渗透液电导,进行膜通量及膜组件截留率的计算。

1.2 数据处理方法

1）膜通量。在真空膜蒸馏过程中,膜通量是十分重要的工艺指标。其计算式如式（1）所示。

式中J—真空膜蒸馏过程中的膜通量,kg/（m2·h）;W—一定时间测定的膜真空侧冷凝水的质量,kg;S—膜的有效面积,m2;t—收集W冷凝水所需的时间,h。

2）截留率。本实验采用进料水样为实验室自制纯水及不同浓度的NaCl水溶液。其中NaCl水溶液浓度比较小时,浓度和电导率之间存在良好的线性关系,对组分相同或者相近的水样,含盐量在一定范围内其浓度与电导率的比值为常数[8]。因此可以在计算脱盐率时,使用电导率变化的差值取代浓度差计算。其计算式如式（2）所示。

式中η—真空膜蒸馏过程中的截留率（脱盐率）;ch—进料液浓度,g/L;cc—渗透液浓度,g/L;ρh—进料液电导率,μ S/cm;ρc—馏出液电导率,μ S/cm。

2 结果与讨论

2.1 温度对膜通量的影响

在冷侧真空度为0.052 MPa,进水流量分别为5.6 L/h和11.5 L/h时,纯水的膜蒸馏通量实验结果如图2。

从图2可知,温度从40℃升高至65℃,其对应的膜通量呈线性增加。这是因为在膜蒸馏操作过程中,温度升高,膜组件热侧的水蒸气分压也增大,使得水蒸气透膜动力增加,因而导致膜通量的增大。

2.2 真空度对膜通量的影响

进水流量为5.6 L/h,温度分别为55℃和60℃的条件下,通过改变冷侧真空度的大小对纯水的膜通量进行测试。结果如图3所示。

由图3可知,在较小真空度的变化下,膜通量随真空度的增加呈缓慢上升趋势。当真空度大于0.08 MPa时,膜通量随真空度的增加急剧增大。与李玲等[9]的研究结果相类似,这是因为在真空度较低时,水蒸气的透膜动力主要来源于膜两侧温差所带来的水蒸气压差。而当真空度增加至某一临界值时,水蒸气的透膜动力水蒸气压差会随着冷侧真空度的增加而增大,使得膜通量的变化也较大。

2.3 料液流量对膜通量的影响

在冷侧真空度为0.052 MPa,温度分别为55℃和60℃的条件下测定纯水流量对膜蒸馏通量的影响,结果如图4所示。

从图4中可知,随进水料液流量的增加,膜通量也随之增加,且增加趋势由陡至较平缓。这是因为流量的增大加剧了膜表面流体的湍流程度,使得浓差极化效应减弱,从而增大膜通量。

2.4 料液浓度对膜通量及截留率的影响

在冷侧真空度为0.065 MPa,料液流量为17.5 L/h,温度为50℃的条件下,改变进水料液的浓度以测定其对膜通量的影响。进水料液采用分析纯NaCl进行配制。结果如图5所示。

分析图5可知,料液浓度的增加会使膜蒸馏通量减小,这是因为,随料液浓度的增加,溶液中的水蒸气分压减小,使得水蒸气的透膜动力也相应减小。且浓度的增加会加剧膜表面的浓差极化现象,也导致膜通量的降低。

从图5还可看出,随着料液浓度的提高,截留率成上升趋势,整个实验过程截留效果明显,截留率均在95%以上。

3 结论

1）随进水温度的增加,膜通量呈线性增大。

2）冷侧真空度的增大也会使膜通量增大。在较小真空度下膜通量的变化幅度亦较小,当冷侧真空度达到0.08MPa以上时,膜通量急剧增加,在真空度为0.093MPa,膜通量可达 22.88kg/（m2·h）。

3）进水浓度的增加会使膜通量减小,NaCl浓度为40 g/L时,膜通量仅为9.59 kg/（m2·h）,但截留率较高,达到98.6%。

[1]段济远,李福勤,王军.基于溶胶凝胶法的TiO2溶胶的制备[J].河北工程大学学报:自然科学版,2011,28（1）:57-59.

[2]吴庸烈.膜蒸馏技术及其应用进展[J].膜科学与技术,2003,23（4）:67-79.

[3]李福勤,李建红,何绪文.煤矿矿井水井下处理就地复用工艺及关键技术[J].河北工程大学学报:自然科学版,2010,27（2）:46-49.

[4]张建芳,李玲.减压膜蒸馏淡化处理盐水的实验研究[J].精细石油化工进展,2005,6（3）:10-12.

[5]王车礼,钟王景,王军.膜蒸馏淡化处理油田高含盐废水的实验研究[J].膜科学与技术,2004,24（1）:46-49.

[6]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.

[7]吕晓龙.聚偏氟乙烯中空纤维疏水膜及其初步应用[J].化工环保,2008,28（5）:377-382.

[8]刘成伦,徐龙君,鲜学福.水溶液中盐的浓度与其电导率的关系研究[J].中国环境监测,1999,15（4）:21-24.

[9]李玲,匡琼芝,闵犁园,等.减压膜蒸馏淡化罗布泊地下苦咸水研究[J].水处理技术,2007,33（1）:67-70.