膜蒸馏技术在水处理中的

　　
　　膜蒸馏(MD)作为膜分离家庭新成员,提出于20世纪60年代,发展始于80年代,至今已在不少领域取得可喜的研究成果,别是近些年来适合蒸馏用的疏水膜性能的不断改进,使膜蒸馏过程的开发和得到了进一步的发展.各种膜蒸馏过程具以下共同点:1)操作条件温和,在常压和较低温度下只要两侧一定温差便足够之推动力实现水的传递,因此可以利用废热、地热2)由于仅水蒸扩散通过膜孔达到冷侧,机盐等不能通过膜孔,因此在冷侧得到纯水的同时,在热侧实现溶液浓缩.3)可处理高浓度的水溶液.在能源日趋紧张,水资源匮乏要求更加严格的情况下,作为膜分离家族的新成员———膜蒸馏对发展、、污染冶金新工艺疑是一种具发展前景的重要手段。
　　
　　随着膜蒸馏技术研究的不断深入,冶金工作者开始考虑利用膜蒸馏技术来浓缩浓度在1mol/L左右而不适于用其它膜技术处理的冶金工业中所产生的含酸、碱、盐的废水.膜蒸馏对冶金工作者的吸引力不在于它能制备纯水的性能,而在于它能利用低温热源及其具的高度浓缩性能.冶金工业是一个耗能大户,普遍存在大量废热的回收利用问题,湿法冶金工艺中又经常溶液浓缩的需要,因此膜蒸馏的工业化对冶金工业的技术进步疑是一个巨大的推动.
　　
　　膜蒸馏于钛白废酸的浓缩
　　
　　它由加料系统、膜蒸馏器、接收系统和真空系统四部分组成.其中,加料系统主要包括恒温控制器、加热器和料液循环槽;膜蒸馏器是整个实验的核心部分.实验采用平板式,主要由料液室、圆形微孔分离膜、膜支撑板、密封圈等组成;收集系统主要由冷凝器和真空接收瓶等组成;真空系统主要由真空泵、压力计和压力调节阀等组成.
　　
　　先用稀的纯硫酸进行试验.结果表明,采用VMD工艺可将2.1mol/L(18.3%)的硫酸浓缩到10.32mol/L(65.5%),开始控制热侧温度为70℃,冷侧为2.67kPa的低真空,当浓缩到硫酸为6.23mol/L(55.1%)时,水的通量已很小,为此将热侧温度提高至80℃,以增大传质推动力,此时可使硫酸进一步浓缩至65.5%.但是用废酸直接浓缩时发现随硫酸浓度增加,由于盐析效应,FeSO4结晶析出,这一结晶使膜发生“湿化”现象,丧失疏水性.深入研究发现,废酸中的钛对膜蒸馏并影响,因此研究了先用扩散渗析法分离硫酸,但由于盐的泄漏,尽管渗析产酸可以用VMD浓缩至65%,但仍亚铁结晶析出的问题,为此又研究了三异辛胺萃取硫酸的办法,反萃得到酸浓度为1.12mol/L,酸回收率达91.4%.将反萃回收的酸在热侧80℃,冷侧5.64kPa条件下浓缩可得到10.30mol/L(65.1%)的浓硫酸.
　　
　　膜蒸馏从RECl3溶液中用分离回收盐酸
　　
　　用P2O4萃取分组混合稀土得到的中稀土反萃液及重稀土反萃液中均含较高浓度的盐酸,目前不得不耗费大量的MgO进行中和.
　　
　　因为盐酸共沸点,按常规理解似乎不可能回收浓的盐酸,但考虑到RECl3的盐析效应,先从理论上计算了含SmCl3的盐酸体系中水及HCl的分压,发现相对于纯盐酸溶液而言,同条件下,由于SmCl3存在,导致溶液体系H2O分压减小,而HCl分压增大,而且随SmCl3浓度增大,H2O分压的减小及HCl分压增大趋势更为明显.图4为根据计算结果作出的液平衡关系图.
　　
　　这表明,由于SmCl3的存在,相中的nHCl/nH2O会增大,溶液的共沸点组成向HCl减小的方向移动.在实际膜蒸馏过程中,RECl3浓度会不断增加,温度也远大于25℃,这些均利于相组成中HCl浓度的增大,即蒸馏产品液中HCl浓度会增大,而热侧料液中盐酸浓度则会不断减小.实验结果证实了理论判断的正确性,
　　
　　试验中稀土反萃液CRE=0.6~0.9mol/L,CHCl=2~2.5mol/L,重稀土反萃液:CRE=0.2~0.4mol/L,CHCl=4.5~5.5mol/L,每次用料液5L,料液温度62~63℃,冷侧压力8~10kPa,料液循环速度5.4cm/s.
　　
　　随蒸馏过程进行,蒸馏产品液体积不断增大,料液体积不断减小,稀土得到不断浓缩.开始时水蒸分压较大,所以蒸馏液中盐酸浓度较低,而料液中盐酸浓度还不断增加趋势.随过程进行,盐析效应增强,故蒸馏液中盐酸浓度增加而料液中盐酸浓度下降.
　　
　　集成膜法回收硫酸稀土溶液中硫酸
　　
　　集成膜法回收硫酸稀土溶液中硫酸,系指先采用减压膜蒸馏浓缩低浓度的硫酸稀土溶液,再采用扩散渗析法处理浓缩液以回收其中硫酸,其中扩散渗析的料液为减压膜蒸馏浓缩硫酸稀土溶液的浓缩液.由于扩散渗析处理的是浓缩液,较之单独采用扩散渗析法回收硫酸稀土溶液中的硫酸,大减小,设备的一次性投资因此降低,而且回收得到的硫酸浓度增大.表为经减压膜蒸馏浓缩不同程度的硫酸稀土溶液,再经扩散渗析的实验结果.实验固定条件,料液成分:CRE=0.070mol/L,CH2SO4=0·468mol/L,减压膜蒸馏浓缩时,温度60℃,料液流速5.8cm/s,减压侧压力12.7kPa;扩散渗析操作方式为一次通过式,料液流量150mL/h左右,流量比1.0左右,温度28~29℃,渗析料液为减压膜蒸馏浓缩过程所得的浓缩液.
　　
　　此外由于扩散渗析的渗析料液为减压膜蒸馏浓缩过程所得的浓缩液,因此扩散渗析过程截留率的计算实际上包括了两个过程对稀土的截留率.实验结果可以看出,对比而言,经减压膜蒸馏浓缩后,再采用扩散渗析法回收,回收液硫酸浓度突出增大,而且由于扩散渗析处理的是浓缩液,尽管其单位时间的处理量并没增大,但由于浓缩液体积远小于原液体积,其实际处理的原液量显然增大了,而浓缩倍数越大,效果越明显;同时可以看出,采用减压膜蒸馏预浓缩到不同倍数对后面用扩散渗析法回收稀土的截留率没什么影响.
　　
　　膜蒸馏浓缩氧化铝炭分母液
　　
　　氧化铝过程中用CO2分解析出Al(OH)3后的母液主要成分为Na2CO3,还含部分NaOH及少量Al2O3、SiO2,现行工艺是蒸发浓缩后返回配制生料浆,耗能很高,为此探索了用膜蒸馏法浓缩它的可行性.在进行了如前所述相同的批量循环试验基础上进行了连续浓缩试验.
　　
　　膜蒸馏技术的发展方向
　　
　　膜蒸馏技术的研究始于20世纪60年代的美。1963年美的Sodell先在其申请中对膜蒸馏的初步成果进行了。1967～1969年，Findley在美、Hendergcky在欧洲同时进行了试验。Findley尝试了多种膜材料，然而膜通量却非常小，但他预言只要找到合适的膜材料，这种技术是很前途的。进入90年代以后对膜蒸馏的研究逐渐增多，但多数还是处于实验研究阶段。P.AHogan与Sudjito等在澳大利亚利用作为热量来源进行了直接接触膜蒸馏，实验证明膜蒸馏在技术上是可行的，可以进行实际。机理研究方面，1995年俄罗斯的Agashichcv和Sivakov基于质量和热量平衡方程，考虑温度和浓度化提出直接接触式膜蒸馏的数学模型，但因其过于复杂而没被接受。1998年，Gryta等考虑在温度化影响的情况下对毛细管状物膜组件层流问题进行了研究，并得出了一些理论依据。
　　
　　我对膜蒸馏技术的研究始于20世纪80年代，1988年，吴庸烈综述了膜蒸馏及其相关的膜过程、挥发性溶质水溶液的膜蒸馏，微孔膜的透过蒸发和蒸发吸收等膜过程的发展、机理和等情况。1991年余立新等使用北京塑料研究所提供的孔径0.3μm、膜厚80μm的聚四氟乙烯微孔膜对古龙酸水溶液进行蒸馏浓缩。结果发现这一方法是可行的，并得出结论是膜蒸馏可用于热敏性物质水溶液的浓缩，并能很好地发挥该过程低温浓缩的优点。
　　
　　膜蒸馏技术主要的房展方向主要以下几个方面：
　　
　　(1)研制分离性能好，的膜。目前之所以膜蒸馏与其他分离技术相比较竞争力不强，一个很主要的原因是用于膜蒸馏的膜成本较高。迫切需要研制出具良好分离性能而且的膜以适应膜蒸馏的发展。
　　
　　(2)完善机理模型。机理模型是进行过程优化及设计计算的理论指导。虽然许多研究者已经从不同角度对膜蒸馏的机理进行了研究，但仍存在着不少缺陷，必要加以进一步完善。
　　
　　(3)提高热量利用率。膜蒸馏是具相变的、需要消耗热量的过程，热量利用率是它的一个重要技术指标。膜蒸馏中不可避免地存在着因热传导造成的热量损失，如何减少这部分热量损失，是值得研究的重要课题。
　　
　　(4)发挥常压低温脱水的优点，开展研究。研究表明是热敏性物质水溶液的浓缩。另外，膜蒸馏过程简单和设备技术要求不高等点，很适合于小规模的盐水淡化，这对偏远地区及野外作业人员解决饮用水问题着重要意义。
　　
　　(5)和其他过程的结合。膜蒸馏可与其他分离过程相结合，以提高分离效率如反应与蒸馏的集成、渗透蒸发与膜蒸馏的结合。
　　
　　(6)加强对减压膜蒸馏的研究。在四种膜蒸馏方式中，减压膜蒸馏的通量相对较大，而且操作过程中膜不易损坏，下游侧的阻力也较其他三种小。