申龍，高瑞昶

（天津大學(xué)化工學(xué)院制藥工程系，天津 300072）

膜蒸餾（MD）技術(shù)是一種非等溫的物理分離技術(shù)，以疏水性多孔膜兩側(cè)的蒸汽壓差為推動(dòng)力，使熱側(cè)蒸汽分子穿過(guò)膜孔后在冷側(cè)冷凝富集，可看作是膜過(guò)程與蒸餾過(guò)程的集合。作為一種新型的高效分離技術(shù)，與傳統(tǒng)的蒸餾以及反滲透過(guò)程相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)，如：設(shè)備所需體積小；較低的操作溫度和壓力；對(duì)不揮發(fā)性組分100%的理論截留率；良好的化學(xué)穩(wěn)定性；可與其他分離過(guò)程相整合；可處理分離熱敏性物質(zhì)和高濃度廢水等。因此，自1963年被首次提出以來(lái)，一直受到許多學(xué)者的關(guān)注。

近幾十年，MD的研究取得了巨大的進(jìn)展，相關(guān)的理論和應(yīng)用研究也較為深入廣泛。不斷更新的研究成果需要人們緊跟研究工作發(fā)展的步伐[1]。本文主要針對(duì)最近幾年國(guó)內(nèi)及國(guó)外對(duì)于MD的研究和應(yīng)用情況作一綜述，以期為廣大讀者提供參考與借鑒。

1 膜蒸餾過(guò)程概述

1.1 原理

MD過(guò)程是一種熱驅(qū)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)疏水性多孔膜將熱料液（熱側(cè)）與透過(guò)側(cè)（冷側(cè)）分隔開(kāi)，由于進(jìn)料側(cè)的蒸汽壓高于透過(guò)側(cè)的蒸汽壓，在壓差梯度作用下，蒸汽分子由熱側(cè)透過(guò)膜孔遷移至冷側(cè)，再經(jīng)冷凝，可得純凈組分。由此可見(jiàn)MD分離的傳質(zhì)過(guò)程主要由3個(gè)階段組成：①水分在膜的熱料液側(cè)蒸發(fā)；②水蒸氣穿過(guò)膜孔的遷移過(guò)程；③水蒸氣在膜的另一側(cè)冷凝。

與之相關(guān)的傳熱過(guò)程則主要包括4個(gè)方面：①熱量由料液主體通過(guò)邊界層轉(zhuǎn)移至膜表面；②蒸發(fā)形式的潛熱傳遞；③熱量由熱側(cè)膜表面通過(guò)膜主體和膜孔傳遞到透過(guò)側(cè)膜表面；④由透過(guò)側(cè)膜表面穿過(guò)邊界層轉(zhuǎn)移到氣相主體。

1.2 分類(lèi)

不同MD裝置的區(qū)別主要在于蒸汽穿過(guò)疏水膜后冷凝回收方式的不同。主要有以下4種形式。

（1）直接接觸式膜蒸餾（DCMD）[2-5]這種裝置相對(duì)簡(jiǎn)單，兩側(cè)的液體直接與多孔膜的表面接觸，蒸汽的擴(kuò)散路徑僅僅局限于膜的厚度。它是出現(xiàn)最早也是研究最廣泛的膜蒸餾過(guò)程，但其熱損耗也最大。

（2）氣隙式膜蒸餾（AGMD）[6-8]在冷凝面與膜表面之間有一停滯的空氣隙存在，蒸汽穿過(guò)氣隙后在冷凝面上冷凝。與 DCMD相比，由于氣隙的存在，減小了過(guò)程熱損耗，但增加了傳質(zhì)的阻力。適合兩側(cè)溫差較大的蒸餾過(guò)程。

（3）氣掃式膜蒸餾（SGMD）[9-10]裝置與AGMD相似，不同在于使用惰性氣體將透過(guò)側(cè)的蒸汽吹出組件，在外部進(jìn)行冷凝。由于惰性氣體的加入，可以減少部分熱量損耗，同時(shí)還可加快傳質(zhì)。但所需冷凝器的體積較大。

（4）真空膜蒸餾（VMD）[11-12]與SGMD類(lèi)似，用真空泵抽吸代替吹掃，使透過(guò)側(cè)處于低壓狀態(tài)（不低于膜被潤(rùn)濕的壓力），將透過(guò)側(cè)的蒸汽抽出，并在膜組件外冷凝。這種方式可以大大減小熱損失，且透過(guò)通量較大。當(dāng)然，操作費(fèi)用也相應(yīng)增加。

2 研究進(jìn)展

2.1 熱質(zhì)傳遞中的參數(shù)

MD過(guò)程是傳質(zhì)與傳熱同時(shí)進(jìn)行的過(guò)程，衡量這兩種過(guò)程效果的相應(yīng)參數(shù)分別是膜通量與熱效率。而對(duì)二者影響較大的主要是過(guò)程的操作參數(shù)以及膜的特性參數(shù)，這是許多學(xué)者在研究MD過(guò)程機(jī)理時(shí)重點(diǎn)考察的部分。也因此，這方面的研究多見(jiàn)于理論模擬。

2.1.1 操作參數(shù)

主要影響參數(shù)有進(jìn)料溫度、濃度、進(jìn)料流量、真空度、氣體流速等。

進(jìn)料溫度和跨膜溫差對(duì)膜的通量有重要影響，溫度升高則蒸汽壓變大，這就直接導(dǎo)致過(guò)程推動(dòng)力的增加。提高進(jìn)料溫度和進(jìn)料流量可以增加MD的通量，這是由于高流速下的混合更為理想，邊界層變薄，膜表面的傳質(zhì)效果更好。但是通量隨流速的增加有一個(gè)最優(yōu)值，之后會(huì)趨于穩(wěn)定或是略微下降，這可能與熱量損失有關(guān)[13]。而高的進(jìn)料濃度會(huì)降低蒸汽壓力，并引起濃差極化，而且有可能導(dǎo)致膜的堵塞，因而濃度增加則通量減小[14]。

Rattner等[15]通過(guò)過(guò)程模擬對(duì)平板AGMD干燥劑再生器進(jìn)行了研究。提高進(jìn)料溫度和流速可以提高過(guò)程的除濕率和能效比，氣隙厚度也會(huì)影響結(jié)果。但流速、氣隙厚度都有一個(gè)最優(yōu)值。

不同的參數(shù)對(duì)溫差極化與濃差極化的影響也不同，溫度與真空度的提高可減小溫差極化，增大濃差極化。而流速的影響則恰恰相反[16]。但三者都會(huì)使通量獲得不同程度的提升。

Sivakumar等[17]用基于迭代解的Knudsen模型很好地預(yù)測(cè)了純水蒸氣的通量，通過(guò)敏感度分析，考察了操作參數(shù)（真空度、料液溫度、進(jìn)料流量、進(jìn)料濃度）對(duì)膜通量的影響程度，結(jié)果表明，真空度的影響最大（大于 50%），其次是溫度和流量的影響。與Rattner等的研究相似，他們的模型都是基于一定的假設(shè)，雖然較為合理，但應(yīng)用于具體問(wèn)題時(shí)還應(yīng)注意不同條件的適用性。

在不同的MD過(guò)程中，各個(gè)參數(shù)的影響程度也不盡相同。Cojocaru等[10]用響應(yīng)面分析的方法研究SGMD過(guò)程濃縮蔗糖，發(fā)現(xiàn)進(jìn)料濃度和氣體流通速率對(duì)通量的影響最大。在高的氣速下，進(jìn)料濃度對(duì)通量的影響最大；反之，在低的進(jìn)料濃度下，氣速的影響最大。

VMD與SGMD相比，前者更容易受進(jìn)料流量的影響，而后者則更容易受溫度的影響。在 VMD中通量往往隨進(jìn)料溫度增加而呈指數(shù)方式增長(zhǎng)，這使得溫度的影響最為顯著。對(duì)于SGMD過(guò)程，吹掃速率的增加會(huì)降低滲透飽和度，從而提高通量[18]。

2.1.2 膜特性參數(shù)

膜的特性參數(shù)主要包括膜的孔隙率、孔徑大小及分布、曲折因子以及膜厚度等。

膜的孔隙率影響蒸發(fā)面的大小，因此孔隙率越大，傳質(zhì)效果越好。相比之下膜的厚度增加一方面會(huì)增加傳質(zhì)阻力，另一方面卻能夠減少能量的損失[19]。高的孔隙率、較小的彎曲因子和膜厚度值有助于通量的提高和極化現(xiàn)象的降低[20]。

什么情況下需要考慮膜孔徑分布的影響呢？Woods等[21]給出了答案。他們從理論角度全面而廣泛地探討了膜的孔徑分布對(duì)膜通量的影響，通過(guò)模擬研究，發(fā)現(xiàn)受孔徑分布影響最大的是層流為主的微量過(guò)濾過(guò)程，其次是Knudsen擴(kuò)散主導(dǎo)的VMD過(guò)程，再次是分子擴(kuò)散控制的 DCMD過(guò)程，最后是氣隙為主要阻力的 AGMD過(guò)程。忽略孔徑分布影響的VMD過(guò)程誤差可達(dá)9%，DCMD為3.5%，AGMD則小于1%。他們的研究可為膜組件的設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。

在Jensen等[22]的模擬中，膜的結(jié)構(gòu)特性（孔隙率、曲折因子等）也是影響模型準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。不過(guò)，上述模擬研究還應(yīng)輔助以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證。

提高膜的固有傳質(zhì)系數(shù)，可減弱溫差極化現(xiàn)象減弱。當(dāng)膜的固有傳質(zhì)系數(shù)較高時(shí)，流動(dòng)阻力集中在邊界層上，此時(shí)，增加擾動(dòng)會(huì)帶來(lái)傳質(zhì)效果的提升，提高操作溫度同樣促進(jìn)傳質(zhì)[2]。當(dāng)然，設(shè)置擋板增加擾動(dòng)也會(huì)造成一定的能量損失，需要綜合考察來(lái)權(quán)衡。

這種擾動(dòng)還可以通過(guò)改變膜絲的形態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。Yang等[23]在研究中發(fā)現(xiàn)膜絲表面的彎曲起伏會(huì)減小溫差極化，改善傳質(zhì)并且可成倍提高層流時(shí)的通量。

值得注意的是，在Rattner等的報(bào)道中，由于裝置中氣隙的傳質(zhì)阻力占主導(dǎo)，所以膜材料特性對(duì)再生器的性能幾乎沒(méi)有影響。這提醒要將系統(tǒng)中的所有參數(shù)作為整體來(lái)考察。

學(xué)者們的研究雖然揭示了各個(gè)參數(shù)的影響范圍及程度，然而，單個(gè)參數(shù)的影響畢竟相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)際操作中往往是多個(gè)參數(shù)同時(shí)控制，其間的相互關(guān)聯(lián)還需要進(jìn)一步的研究，以便合理預(yù)測(cè)并得到最佳的組合。

2.2 膜蒸餾用膜

MD過(guò)程使用的膜主要有聚四氟乙烯（PTFE）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚偏氟乙烯（PVDF）等。然而這些膜基本是作為超濾、微濾、反滲透等膜過(guò)程的商業(yè)用膜，并不能夠完全勝任 MD過(guò)程所需的疏水性、滲透率、抗污染能力等[24]。近年來(lái)，關(guān)于MD過(guò)程用膜的開(kāi)發(fā)研究越來(lái)越受到重視。許多學(xué)者都致力于膜的制備和改性研究方面，以期獲得較好性能的膜材料。

如前所述，膜材料的特性（孔隙率、壁厚、曲折因子、孔徑分布、導(dǎo)熱系數(shù)等）是影響MD過(guò)程傳質(zhì)的重要因素，膜的潤(rùn)濕與膜污染也與膜本身的特性息息相關(guān)，新型膜材料的研究是推動(dòng)MD過(guò)程應(yīng)用進(jìn)程的重要手段。在傳統(tǒng)的膜制備方法基礎(chǔ)上，學(xué)者們不斷探索創(chuàng)新，對(duì)不同的材料進(jìn)行改性、修飾或復(fù)合，開(kāi)發(fā)和研制了許多性能優(yōu)異的膜材料。Fang等[25]采用相轉(zhuǎn)化燒結(jié)法，研制了一種用于VMD過(guò)程的疏水多孔氧化鋁中空纖維膜；Teoh等[26]將 PTFF顆?；烊胪苛现?，研制了一種PVDF/PTFF復(fù)合雙層中空纖維膜，來(lái)增強(qiáng)外表面的疏水性；同樣，在膜制備過(guò)程中改變添加劑的組成，也可得到不同性能的膜[27]；Lalia等[28]采用靜電紡絲技術(shù)，研制了一種聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDFHFP）復(fù)合膜，在DCMD實(shí)驗(yàn)中各項(xiàng)性能測(cè)試均表現(xiàn)良好。

在膜結(jié)構(gòu)中，不同膜層對(duì)膜的疏水性強(qiáng)弱貢獻(xiàn)也不同。影響最大的是膜的疏水最外層，其厚度越小，膜的性能則越好。Essalhi等[29]將氟化高分子與聚醚酰亞胺（PEI）混合，借助相轉(zhuǎn)化法得到了一種復(fù)合膜。其中，高分子物質(zhì)遷移到膜表層上端，形成很薄的疏水層，增強(qiáng)了膜的疏水性，減小了孔徑、節(jié)結(jié)大小與粗糙度。由于縮短了傳質(zhì)路徑，這種膜更適用于DCMD，而對(duì)于其他形式適用性較弱。

隨著納米材料科學(xué)的發(fā)展，具備優(yōu)異性能的納米高分子也被用在膜材料的研制上。Gethard等[30]將碳納米管固定在普通PVDF膜上，應(yīng)用于制藥廢水濃縮的MD過(guò)程，富集效率和傳質(zhì)因數(shù)分別是普通MD過(guò)程的421%和543%。這是利用了碳納米管的高比表面積和導(dǎo)熱系數(shù)，使有效傳質(zhì)表面積增加，同時(shí)減弱溫差極化。

納米技術(shù)的應(yīng)用給膜制備帶來(lái)了更廣闊的空間，相關(guān)的研究也為許多學(xué)者所青睞。Zhang等[31]通過(guò)將疏水的SiO2納米粒子噴涂在PVDF疏水多孔膜表面，制備了一種超疏水膜。經(jīng)過(guò)修飾，膜的接觸角以及全水透過(guò)壓均得到了提升，具有很高的鹽去除率、穩(wěn)定性以及抗污染能力。Khemakhem等[32]則將一種 C8復(fù)合物嫁接到陶瓷膜上得到了一種可應(yīng)用于A(yíng)GMD過(guò)程的疏水膜。Prince等[33]將黏土納米復(fù)合材料與PVDF混合，得到一種新型的靜電紡絲納米纖維膜，極大地提高了接觸角（可達(dá)154.2°）。

上述膜材料的制備研究都是以傳統(tǒng)膜材料為基礎(chǔ)進(jìn)行修飾或合成。而Wang等[34]則從膜整體結(jié)構(gòu)入手研制了一種類(lèi)似于蓮藕結(jié)構(gòu)的多孔中空纖維膜，這種膜壁厚較薄，卻顯示出卓越的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)，高于99.99%的去除率以及連續(xù)操作時(shí)的穩(wěn)定性，也展現(xiàn)了其優(yōu)越的性能。

除了對(duì)膜材料的直接關(guān)注，紡織條件對(duì)中空纖維MD用膜的結(jié)構(gòu)和性能也會(huì)造成影響：聚合物、添加劑濃度的提高有助于形成多孔海綿狀的膜結(jié)構(gòu)；加快卷繞速度以及降低涂料的擠出速度同樣可以增大孔隙率；而升高芯液溫度，膜的平均孔徑增加，但有效孔隙率減??；氣隙厚度對(duì)膜結(jié)構(gòu)同樣有著雙重影響。Tang等[35]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，膜的有效孔隙率對(duì)膜的性能貢獻(xiàn)最大。大的孔隙率可以帶來(lái)高的通量，但會(huì)降低膜的力學(xué)性能。因此，需要對(duì)這些影響條件進(jìn)行合理地選擇。比如，控制芯液溫度和氣隙厚度在最佳的范圍內(nèi)。

當(dāng)前膜材料的改性制備研究大部分還僅僅局限于獨(dú)立的或小型的MD過(guò)程，而在集中于優(yōu)化膜特性的同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)注意不同膜過(guò)程以及不同膜組件結(jié)構(gòu)對(duì)膜材料的特定要求，提高其適用性，使其更好地投入工業(yè)化。

2.3 膜潤(rùn)濕與膜污染

膜潤(rùn)濕與膜污染會(huì)增加傳質(zhì)的阻力，導(dǎo)致膜的通量和膜過(guò)程效率的降低，是制約MD技術(shù)廣泛應(yīng)用的兩個(gè)重要因素。除了對(duì)膜材料的改良和研發(fā)來(lái)提高膜的抗?jié)櫇瘛⒖刮勰芰ν?，近年?lái)學(xué)者們也對(duì)其他相關(guān)因素做了廣泛的研究。

閔鵬等[36]研究了清洗劑與阻垢劑對(duì)膜接觸角的影響，發(fā)現(xiàn)在長(zhǎng)時(shí)間操作下，堿性溶液比酸性溶液更容易影響膜的接觸角，導(dǎo)致膜的潤(rùn)濕，而常用阻垢劑和清洗劑則影響較小。加入阻垢劑可在一定程度上防止膜的污染，充分發(fā)揮膜的性能。張琳等[37]在MD脫鹽的研究中加入阻垢劑，產(chǎn)水率得到了明顯的提升。Gryta[38]使用聚磷酸鹽阻垢劑提升了膜脫鹽過(guò)程對(duì) CaCO3的抗附著性能。不同體系的MD過(guò)程所適用的阻垢劑種類(lèi)往往不同，要注意選擇。

當(dāng)然，阻垢劑并不能完全阻止結(jié)垢的發(fā)生，膜通量的恢復(fù)還依賴(lài)于膜的清洗方式。除了傳統(tǒng)的水洗，還可以采用氣體反向沖洗的方式[39]。這種方法的成功也說(shuō)明了膜孔的堵塞是膜污染的重要因素。

Goh等[40]對(duì)比了 MD 和膜蒸餾生物膜反應(yīng)器（MDBR）在廢水回收中的表現(xiàn)，指出使用MDBR可以有效延遲膜的潤(rùn)濕過(guò)程（1.7～3.6倍時(shí)間），減緩膜的污染，進(jìn)而更適用于高溫以及低揮發(fā)性的工業(yè)廢水處理。

然而在MDBR中，膜的污染卻很容易發(fā)生。隨著操作時(shí)間的增加，大量的細(xì)菌會(huì)沉積在膜上，造成膜孔堵塞。值得注意的是，膜污染程度與細(xì)菌濃度和操作時(shí)間有關(guān)，而與細(xì)菌的種類(lèi)聯(lián)系很小[41]。

除了操作工藝上的影響外，某些操作參數(shù)對(duì)膜污染的影響也逐漸被學(xué)者所揭示。

溫度對(duì)于膜過(guò)程的重要性不言而喻，但之前的研究多是關(guān)于溫度對(duì)傳質(zhì)傳熱的影響。事實(shí)上，溫度也會(huì)改變膜的潤(rùn)濕表現(xiàn)。Saffarini等[42]研究PTFF膜的潤(rùn)濕行為發(fā)現(xiàn)，溫度的升高同樣會(huì)導(dǎo)致膜的微觀(guān)結(jié)構(gòu)演變，直接影響接觸角和透過(guò)壓。這種微觀(guān)結(jié)構(gòu)的改變不能被熱重分析（TGA）所識(shí)別，通過(guò)借助差示掃描量熱儀（DSC）和高分辨率的電鏡，內(nèi)應(yīng)力的松弛、膜纖維、間隙的變化以及節(jié)點(diǎn)的扭曲這些微觀(guān)現(xiàn)象才得以被揭示。同時(shí)，他們提出了一個(gè)與溫度相關(guān)的幾何校正因子，對(duì) Laplace方程進(jìn)行了修正。溫度對(duì)膜污染的影響在Krivorot等[43]的研究中也得到了證實(shí)。不過(guò)，這里只討論溫度對(duì)膜污染的單純影響，最終參數(shù)的確定還要重點(diǎn)考慮其對(duì)傳質(zhì)及通量的影響。

進(jìn)料側(cè)的流體力學(xué)性能同樣會(huì)影響膜污染過(guò)程。Ding等[44]將鼓泡方法應(yīng)用于MD過(guò)程，對(duì)進(jìn)料側(cè)進(jìn)行鼓泡，形成兩相流。這種方式可以有效減少污垢堆積，限制膜污染的形成，提高過(guò)程的效率。

結(jié)合前面幾節(jié)的論述可見(jiàn)，解決膜潤(rùn)濕與膜污染問(wèn)題，一方面應(yīng)著眼于膜本身的性能改良，另一方面也要對(duì)過(guò)程工藝條件和操作參數(shù)進(jìn)行認(rèn)真選擇。

2.4 膜蒸餾過(guò)程優(yōu)化

提高過(guò)程的傳熱、傳質(zhì)效率是解決MD過(guò)程應(yīng)用問(wèn)題的一個(gè)重要方向。近年來(lái)大多數(shù)研究一方面?zhèn)戎赜跓崮艿睦眉礋嵝实奶岣?，另一方面則偏向膜組件的優(yōu)化，借此改善過(guò)程的傳質(zhì)性能。它們的進(jìn)步得益于對(duì)過(guò)程機(jī)理的研究，其中不乏一些值得借鑒的成果。

2.4.1 效能優(yōu)化

將MD過(guò)程與可再生能源（太陽(yáng)能、地?zé)崮堋L(fēng)能等）相結(jié)合，是優(yōu)化MD過(guò)程的常見(jiàn)方式。隨著太陽(yáng)能集熱器技術(shù)的成熟，太陽(yáng)能與MD技術(shù)的耦合研究也越來(lái)越普遍。而且這種集成過(guò)程最主要的成本是初始投資，包括設(shè)備、選址等，后續(xù)操作幾乎不需要過(guò)多的投入[12]。

相比提高膜組件內(nèi)部的效率，提高組件外部的效率對(duì)MD過(guò)程的整體表現(xiàn)貢獻(xiàn)更大[45]。近年來(lái)出現(xiàn)的多效膜蒸餾（MEMD）技術(shù)，以其高的滲透通量（Jw）、效能比（PR）以及良好的穩(wěn)定性，在節(jié)能方面有著很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力和應(yīng)用前景[20，46]。

而將太陽(yáng)能等自然能源與 MEMD結(jié)合則是另一個(gè)研究熱點(diǎn)。Zhao等[47]使用太陽(yáng)能真空多效膜蒸餾裝置（V-MEMD），通過(guò)合理選擇操作參數(shù)、優(yōu)化過(guò)程級(jí)數(shù)與每一級(jí)尺寸，實(shí)現(xiàn)了過(guò)程設(shè)備、操作成本的降低和熱回收效率的提高。Sarbatly等[48]將地?zé)崮苡糜阱e(cuò)流VMD過(guò)程，采用地?zé)嶂苯舆M(jìn)料的方式，使得整個(gè)過(guò)程的能量消耗減少了95%，水的生產(chǎn)成本降低了59%。

理想的MD過(guò)程應(yīng)當(dāng)最大程度地通過(guò)潛熱的形式轉(zhuǎn)移熱量，而非借助于熱傳導(dǎo)。Guillén-Burrieza等[49]在 AGMD脫鹽設(shè)備中采用多級(jí)膜蒸餾裝置，通過(guò)汽化潛熱的傳遞實(shí)現(xiàn)預(yù)加熱，可以顯著地減少熱能消耗（高達(dá) 55%），提高能量利用率。在他們的中試實(shí)驗(yàn)中[13]，使用多級(jí)膜蒸餾的組件效能比提高為1.96。然而，這個(gè)值依然較低，且放大后過(guò)程的通量值較小試下降不少，這也反映了工業(yè)化所面臨的困難。

除了太陽(yáng)能與地?zé)?，還可采用微波照射的方式。這樣可使加熱更為均勻，提高傳質(zhì)效果，對(duì)膜的性能不會(huì)造成影響，但是可能會(huì)加重膜的結(jié)垢[50]。

2.4.2 組件優(yōu)化

膜的外形及其組裝形式會(huì)影響組件內(nèi)流體的流動(dòng)性能，適當(dāng)優(yōu)化可改善液體的分布狀況，促進(jìn)過(guò)程的傳質(zhì)與傳熱。對(duì)膜組件及其內(nèi)部形態(tài)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要側(cè)重于從機(jī)理方面改善MD過(guò)程。

Porrazzo等[51]在太陽(yáng)能MD中使用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）模型，在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上針對(duì)膜組件開(kāi)發(fā)了最優(yōu)化的前饋系統(tǒng)，從系統(tǒng)優(yōu)化角度，對(duì)MD生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化控制，可以有效地分析組件內(nèi)部條件變化對(duì)過(guò)程產(chǎn)品的影響。

在 DCMD裝置中交錯(cuò)放置中空纖維膜，可以降低溫差極化帶來(lái)的影響，進(jìn)而提高熱質(zhì)傳遞效率。而將多個(gè)交錯(cuò)的膜組件與熱交換器集成，可以更大程度地提高熱效率和造水比[52]。He等[53]在交錯(cuò)的中空纖維膜組件之間采用對(duì)流流動(dòng)，經(jīng)部分濃縮的低溫鹽水與前一膜組件的高溫鹽水適當(dāng)換熱后進(jìn)入下一級(jí)單元，連續(xù)操作下，可以實(shí)現(xiàn)20左右的造水比。 Hausmann等[54]也做了類(lèi)似的研究。Singh等[55]則將兩個(gè) AGMD組件串聯(lián)，使原料液、冷卻劑與冷凝液連通起來(lái)同時(shí)流經(jīng)兩個(gè)組件，提高了過(guò)程效率。

組件中膜絲的裝填形式直接決定了其幾何性能，也會(huì)對(duì) MD帶來(lái)影響。Yang等[56]研究了幾種采用不同膜外形或組裝形式的膜組件結(jié)構(gòu)的性能表現(xiàn)。相對(duì)于常規(guī)的規(guī)整組件來(lái)說(shuō)，對(duì)膜的幾何形狀及其分布形式的改變可優(yōu)化液體的流動(dòng)，比如彎曲的膜絲或間隔編織的膜絲，進(jìn)而帶來(lái)熱效率的提升。

膜組件的優(yōu)化研究是建立在對(duì)MD過(guò)程機(jī)理充分認(rèn)知的基礎(chǔ)上，因此，MD的機(jī)理還需進(jìn)一步完善，要考慮過(guò)程放大時(shí)各因素的影響。而不同形式能源的利用也反映出工藝設(shè)計(jì)在過(guò)程優(yōu)化中的重要性。

3 應(yīng)用舉例

3.1 海水淡化與純水制備

這是 MD發(fā)展最久也是應(yīng)用最廣的領(lǐng)域，經(jīng)MD過(guò)程所得的水，質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他膜過(guò)程。近年來(lái)的研究既優(yōu)化了這些過(guò)程又拓寬了研究領(lǐng)域。

Adham等[57]考察了 MD技術(shù)在熱海水淡化裝置中的適用性。MD可以得到高品質(zhì)的餾分，對(duì)高濃度鹽水效果也很顯著。不過(guò)，為了防止碳酸鈣的沉積，還需要加入適當(dāng)?shù)淖韫竸?/p>

針對(duì)之前研究較少的高溫高壓下的脫鹽過(guò)程，Singh等[58]采用DCMD過(guò)程，借助改性的PVDF膜進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)所得通量最大值可達(dá) 195 kg/(m2·h)，理論蒸發(fā)效率接近 80%，同時(shí)沒(méi)有膜的潤(rùn)濕和NaCl的滲漏發(fā)生，表現(xiàn)良好。

作為一種高效的操作方式，太陽(yáng)能和MD耦合技術(shù)用于苦咸水脫鹽近年來(lái)也較為常見(jiàn)。此外還有膜蒸餾-結(jié)晶混合脫鹽技術(shù)[59-60]，采用膜蒸餾-結(jié)晶混合脫鹽技術(shù)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)鹽水純化和 NaCl 的結(jié)晶，但是過(guò)程中需要注意體系的溫度和進(jìn)料流量。溫度越高結(jié)晶速度越快，那么晶體的尺寸就會(huì)偏小，所以需要通過(guò)控制成核來(lái)防止結(jié)垢和獲得統(tǒng)一的晶型。

對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)來(lái)說(shuō)，優(yōu)良的中小型脫鹽設(shè)備可以使之實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的水供給，緩解資源短缺問(wèn)題[61]，MD技術(shù)在這方面有很大的潛力。Yarlagadda等[62]通過(guò) DCMD從含有砷、鈾、氟化物等的地下鹽水中再生飲用水，簡(jiǎn)易的設(shè)備使之可以與多種熱回收裝置相結(jié)合并。相比之下，Criscuoli等[63]則采用VMD的方式處理被砷污染的地下水，實(shí)現(xiàn)了兩種價(jià)態(tài)砷[As(Ⅲ)和As(Ⅴ)]的同時(shí)分離，無(wú)需預(yù)處理，對(duì)進(jìn)料濃度也無(wú)限制。兩者各有優(yōu)勢(shì)，但在通量方面仍有很大提升空間。

3.2 食品工業(yè)

MD技術(shù)用于食品工業(yè)可以防止高溫蒸發(fā)造成的營(yíng)養(yǎng)成分的破壞與流失，保持產(chǎn)品的顏色、風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

應(yīng)用于食品工業(yè)的研究最初主要以 DCMD為主[10]，而隨著研究的深入，其他MD形式也得到了更多的重視，效果顯著。

Cojocaru等[10]采用SGMD濃縮蔗糖溶液，得出了最優(yōu)的工藝條件。Kujawski等[64]用滲透膜蒸餾（OMD）技術(shù)對(duì)紅葡萄汁進(jìn)行脫水濃縮，并證實(shí)了該過(guò)程不會(huì)影響到濃縮液的多酚含量和抗氧化活性。Zhang等[65]將太陽(yáng)能VMD技術(shù)用于纖維酒精生產(chǎn)過(guò)程，使得酒精產(chǎn)量與之前相比提高了2.64倍。Jensen等[22]用 DCMD蒸餾過(guò)程模擬黑加侖果汁的濃縮，模型總體誤差小于10%，為后續(xù)初步的工藝設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。Bagger-J?rgensen等[18]用 MD過(guò)程提取揮發(fā)性的果汁香氣成分，考察了過(guò)程的主要影響因素，為工業(yè)化提供了可靠的理論依據(jù)。上述研究與廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)高溫蒸發(fā)工藝相比較，可直觀(guān)地說(shuō)明MD過(guò)程更加溫和且能耗低，但具體程度還需放大后才能確定。

MD也可與生物膜反應(yīng)器相整合。在乳糖發(fā)酵生產(chǎn)乙醇時(shí)，液體培養(yǎng)基中的乙醇和其他揮發(fā)性物質(zhì)可以穿過(guò)多孔膜而脫離體系，從而連續(xù)地移除。與傳統(tǒng)發(fā)酵工藝相比，這種方法使產(chǎn)量大為提升[66]。Lewandowicz等[67]把MD單元與細(xì)胞培養(yǎng)器結(jié)合，用于連續(xù)酒精發(fā)酵工藝中乙醇的回收，有效提高了體積產(chǎn)量和酵母菌的活力。但是仍然面臨著膜的選擇性過(guò)低的問(wèn)題。

MD在乳品加工和脫脂牛奶的生產(chǎn)方面也有很好的表現(xiàn)[68]。

3.3 化學(xué)及揮發(fā)性物質(zhì)的分離

MD過(guò)程可處理高濃度的溶液，因此常用于溶液的濃縮。同時(shí)，以壓差為推動(dòng)力使它可以有效地從體系中分離、除去揮發(fā)性物質(zhì)。這方面的研究屢見(jiàn)報(bào)道[1，69]，本文僅就較新的研究進(jìn)行舉例。

揮發(fā)性物質(zhì)會(huì)在MD過(guò)程中脫離體系，當(dāng)它作為反應(yīng)產(chǎn)物之一時(shí)，會(huì)直接推動(dòng)反應(yīng)平衡向正方向移動(dòng)，這樣就可以不斷地得到處于反應(yīng)同側(cè)的其他產(chǎn)物，提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量。

Li等[20]采用AGMD與外部熱交換器相結(jié)合的MEMD過(guò)程來(lái)濃縮稀硫酸溶液，可將2%的硫酸溶液濃縮至40%，且餾分可視為純水。Maria等[70]以KCl和H2SO4為原料，將化學(xué)反應(yīng)器與DCMD過(guò)程相結(jié)合來(lái)生產(chǎn) KHSO4。MD可使反應(yīng)產(chǎn)生的KHSO4直接沉淀下來(lái)，同時(shí)連續(xù)地移除體系中的HCl，使化學(xué)平衡朝生成KHSO4的方向一直進(jìn)行。在進(jìn)料比 1∶2的情況下，鉀的轉(zhuǎn)化率為 93%，并可得到濃度為43 g/dm3的鹽酸溶液。這些技術(shù)如果能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化，將會(huì)在能耗與設(shè)備投入方面展現(xiàn)突出的優(yōu)勢(shì)。

將 DCMD過(guò)程引入化學(xué)合成反應(yīng)中來(lái)制備高濃度的聚氯化鋁（PACl），可獲得較高的選擇性和產(chǎn)品純度[71]。而用平板 AGMD干燥劑再生器回收液體干燥劑（鋰鹽）的可行性，也經(jīng)過(guò)了理論模擬的驗(yàn)證，取得了初步進(jìn)展[15]。

此外，將 MD與生物反應(yīng)器結(jié)合用于發(fā)酵生產(chǎn)[41]，可有效除去其中影響微生物生長(zhǎng)的化學(xué)揮發(fā)性抑制劑（如乙酸等），改善其生長(zhǎng)環(huán)境，從而獲得產(chǎn)量的提升。

3.4 廢水處理

MD技術(shù)的優(yōu)勢(shì)使其在廢水處理方面同樣有很大的應(yīng)用價(jià)值。

Huo等[72]采用可見(jiàn)光臭氧化鉍（BiOBr）光催化反應(yīng)與 DCMD技術(shù)結(jié)合來(lái)脫除染料廢水中的甲基橙。憑借BiOBr的強(qiáng)可見(jiàn)光吸收能力、低光生電子和空穴再組合能力，使甲基橙發(fā)生光降解，有機(jī)物和催化劑被截留。實(shí)驗(yàn)中的通量非常穩(wěn)定，且沒(méi)有觀(guān)察到膜污染發(fā)生。雖然目前僅技術(shù)上可行，但光催化膜反應(yīng)器與太陽(yáng)能結(jié)合將是一種很有潛力的廢水處理技術(shù)。

熱電工業(yè)的冷卻塔廢水往往含有多種易結(jié)垢離子[73]，采用 DCMD裝置并加入阻垢劑進(jìn)行處理，濃縮倍數(shù)可達(dá)8倍，水的回收率也提高至87%。同時(shí)，工業(yè)廢水中含有的成分也較復(fù)雜，在進(jìn)膜之前，常常需要預(yù)處理[74]。Sivakumar等[17]用MD裝置處理總可溶性固體含量為2332 mg/L的煤礦廢水，經(jīng)中空纖維VMD處理后，去除率為99.9%，水質(zhì)達(dá)到飲用水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

橄欖油生產(chǎn)是地中海盆地的重要經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，但隨之也會(huì)產(chǎn)生大量的粗橄欖油有毒廢水。而采用滲透蒸餾（OD）和OMD技術(shù)，則無(wú)需預(yù)處理，即可取得較高的濃縮倍數(shù)，同時(shí)得到高附加值的酚類(lèi)化合物[75]。

對(duì)于處理高濃度的含鹽廢水[76]、高濃度的氨氮廢水[77]，MD技術(shù)具有突出的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，MD技術(shù)不涉及高壓，對(duì)進(jìn)料濃度無(wú)嚴(yán)格要求，可實(shí)現(xiàn)高的去除率這些特點(diǎn)，使其在核工業(yè)中的應(yīng)用潛力巨大。Khayet[78]考察了DCMD處理中低級(jí)放射性液體廢物過(guò)程，證實(shí)了這一點(diǎn)。由于核電工業(yè)中的廢熱和冷卻液在許多工段都可以回收并重新用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，MD的應(yīng)用就變得相對(duì)便捷，而且可在源頭進(jìn)行處理，使成本大為降低。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

近年來(lái)MD技術(shù)的飛速發(fā)展，向人們展示了巨大的應(yīng)用潛力。但作為一種尚處于應(yīng)用初期的新技術(shù)，MD的大規(guī)模應(yīng)用仍需要學(xué)者們不斷地努力，早日突破工業(yè)化道路上所面臨的主要瓶頸。

高的能耗與低的熱效率是MD過(guò)程亟待解決的問(wèn)題，借助風(fēng)能、地?zé)崮?、太?yáng)能等可再生能源，使用多級(jí)熱回收裝置，都是可借鑒的優(yōu)化途徑。加強(qiáng)這方面的研究，對(duì)于拓寬應(yīng)用范圍，降低運(yùn)行成本意義重大。

目前MD過(guò)程尚無(wú)特定的商業(yè)用膜，膜材料的性能提升，膜的抗?jié)櫇衽c抗污染，始終是研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，最終的結(jié)果是研制出適用于MD過(guò)程的低價(jià)高效膜材料。

大多數(shù)MD研究尚處于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，工業(yè)化還不成熟。除DCMD以外，其他MD類(lèi)型也應(yīng)受到更多的關(guān)注，它們?cè)谀ね考盁嵝噬嫌懈怀龅膬?yōu)勢(shì)。

膜組件的優(yōu)化涉及傳質(zhì)傳熱、設(shè)備投資等方面，應(yīng)與特定的MD過(guò)程及工藝條件相結(jié)合，尤其是將多個(gè)方面綜合起來(lái)研究，從系統(tǒng)角度進(jìn)行優(yōu)化，力求獲得整體性能的提升，加快 MD技術(shù)的工業(yè)化步伐。

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