胡會(huì)濤 杜 塏 張友超 鄂文汲

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 南京 210096)

反滲透又稱高濾(Hyperfiltration)，是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)膜分離技術(shù)，利用反滲透膜具有選擇性地透過(guò)溶液中某種物質(zhì)而截留另種物質(zhì)的性質(zhì)，以膜兩側(cè)靜壓差為驅(qū)動(dòng)力，使溶液通過(guò)反滲透膜而實(shí)現(xiàn)對(duì)溶液中某種混合物進(jìn)行分離的過(guò)程。由于反滲透膜分離技術(shù)具有物料無(wú)相變、設(shè)備簡(jiǎn)單、在常溫下易操作以及適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，不僅廣泛應(yīng)用于海水和苦咸水淡化，而且在電子、石油化工、食品、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境工程以及國(guó)防等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[1]。

經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，反滲透膜分離技術(shù)得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。膜材料先后經(jīng)歷了有機(jī)膜、無(wú)機(jī)膜和雜化膜等階段，膜組件有管式、條束式、圓板式和中空纖維管等類型，裝置有溶液泵加壓型和離心機(jī)加壓型等，膜材料、組件以及裝置研制等在相關(guān)的研究進(jìn)展已有綜述分析[2]，本文將對(duì)反滲透膜的分離理論模型以及操作因素對(duì)膜分離性能的影響方面進(jìn)行相關(guān)的論述分析。反滲透膜技術(shù)具有優(yōu)異的分離選擇性，是膜科學(xué)與技術(shù)中值得矚目的領(lǐng)域，在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用和巨大的發(fā)展?jié)摿?，?1世紀(jì)最具發(fā)展前途的高新技術(shù)之一[3]。由于吸收式制冷循環(huán)運(yùn)行過(guò)程中存在氣液或液液分離過(guò)程，因此將反滲透膜分離技術(shù)引入制冷空調(diào)行業(yè)，將可能成為突破性的創(chuàng)舉，國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相應(yīng)的研究應(yīng)用，本文將結(jié)合國(guó)內(nèi)外反滲透膜分離技術(shù)在制冷空調(diào)方面的研究，展開相關(guān)的應(yīng)用綜述。

1 反滲透膜分離模型研究

物質(zhì)通過(guò)膜的分離過(guò)程較為復(fù)雜，不同理化性質(zhì)(如粒度大小、分子量、溶解情況等)和傳遞屬性(如擴(kuò)散系數(shù))的分離物質(zhì)，對(duì)于不同類型的膜(如多孔型、非多孔型)，其滲透情況不同，分離過(guò)程各異，其分離機(jī)理和傳遞過(guò)程也各有差別。因此，建立在不同傳質(zhì)機(jī)理基礎(chǔ)上的傳遞模型有很多種，但在應(yīng)用上各有其局限性。反滲透分離模型目前有基于非平衡熱力學(xué)的KeAem-Katchalsky(K-K)模型[4]、Spiegler-Kedem (S-K)模型[5]、溶解-擴(kuò)散(R-K)模型[6]以及優(yōu)先吸附-孔流(X-K)模型[7]等，各種模型的通量公式、應(yīng)用機(jī)理、應(yīng)用場(chǎng)合以及局限性見(jiàn)表1。

表1 幾種反滲透膜的分離模型

2 反滲透膜操作特性參數(shù)研究

反滲透膜的性能一般指膜通量，即上節(jié)中提到的水通量和鹽通量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于操作因素對(duì)反滲透膜分離性能的影響展開了諸多研究，影響反滲透膜膜通量的操作特性參數(shù)主要涉及操作壓力、料液溫度、料液濃度以及料液流速等，以下將逐一討論。

2.1 操作壓力的影響

反滲透是以壓差為驅(qū)動(dòng)的膜分離過(guò)程，提高壓力有助于膜通量的提高。勞頓巴赫等[8]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：脫鹽率隨操作壓力的增加先增加后逐漸趨于穩(wěn)定，而水通量隨操作壓力線性增長(zhǎng)(如圖1)。究其原因，他們認(rèn)為這是由于隨著壓力的增加，膜的水通量增大而鹽通量不變，故脫鹽率相對(duì)增大，但同時(shí)膜兩側(cè)的鹽濃度差增大，有降低脫鹽率的趨勢(shì)，這兩方面的共同作用使脫鹽率先增加后逐漸變緩，最后趨于定值?？芍岣卟僮鲏毫υ诟纳颇ね糠矫婢哂蟹e極作用。

2.2 料液溫度的影響

料液溫度的影響較為復(fù)雜，溫度上升，料液的粘度下降，擴(kuò)散系數(shù)增加，降低了濃差極化的影響，但溫度上升會(huì)使料液中某些組分的溶解度下降，使膜吸附污染增加。據(jù)此鄭領(lǐng)英等[9]報(bào)道了隨著進(jìn)料溫度提高，相同操作壓力下，膜的水通量明顯增大，同時(shí)脫鹽率隨溫度的升高而降低(如圖2)，從而導(dǎo)致鹽的透過(guò)量增加。因此他們認(rèn)為在實(shí)際的操作過(guò)程中，應(yīng)保持合理的料液溫度，以便對(duì)膜的性能進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 操作壓力對(duì)膜通量的影響

圖2 料液溫度對(duì)膜通量的影響

2.3 料液濃度的影響

反滲透膜是依靠濃度差進(jìn)行分離過(guò)程的，Reid C E等[10]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：對(duì)同一系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，隨著濃度的升高，膜的水通量和脫鹽率均有下降的趨勢(shì)(如圖3)。他們通過(guò)進(jìn)一步理論分析認(rèn)為，濃度的增加會(huì)導(dǎo)致反滲透膜濃水側(cè)的滲透壓增大，有效過(guò)濾壓力降低，從而使水通量下降；同樣，由于料液濃度的升高，膜表面附近溶液的濃度也升高，溶質(zhì)穿過(guò)膜的推動(dòng)力將變大，更多的溶質(zhì)穿過(guò)膜進(jìn)入透過(guò)液，故脫鹽率下降，因此提高料液濃度，不利于膜性能的提高。

2.4 料液流速的影響

郭宇彬[11]在料液流速對(duì)膜分離性能的影響方面做了一系列實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示：隨著料液進(jìn)口流速(流量)的增加，脫鹽率呈上升趨勢(shì)，而膜的水通量略有下降(如圖4)。但其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性分析后認(rèn)為，由于提高料液流速導(dǎo)致系統(tǒng)泵功的增大，反而增加了運(yùn)行成本，故提高料液的流速意義不大。

圖3 料液濃度對(duì)膜通量的影響

圖4 料液流速對(duì)膜通量的影響

由上述各操作因素對(duì)反滲透膜分離性能影響的分析可知，在膜組件運(yùn)行時(shí)，對(duì)不同的分離對(duì)象(物料)，合理調(diào)整操作壓力、料液溫度、料液濃度以及料液流速等操作因素是非常必要的，它不僅有利于提高反滲透膜的分離性能，而且對(duì)提高反滲透膜工藝的能源利用效率也是非常有意義的。

3 反滲透膜分離技術(shù)在制冷空調(diào)中的應(yīng)用

由以上關(guān)于反滲透膜分離技術(shù)的研究可知，反滲透膜在物料分離方面存在優(yōu)異性能，在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用和巨大的發(fā)展?jié)摿?。眾所周知，制冷空調(diào)行業(yè)同樣涉及物料分離，尤其是吸收式制冷中制冷劑與吸收劑的分離過(guò)程，以及中央空調(diào)系統(tǒng)中的除濕過(guò)程、冷卻水處理過(guò)程。如何將反滲透膜分離技術(shù)應(yīng)用到制冷空調(diào)行業(yè)，已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

1膜分離裝置 2噴射器 3吸收器 4溶液升壓泵 5蒸發(fā)器 6制冷劑循環(huán)泵 7節(jié)流閥

1加熱系統(tǒng) 2流量表 3冷卻塔 4補(bǔ)水箱 5反滲透膜 6高壓泵 7緩沖罐 8回洗泵 9超濾膜 10壓力表 11過(guò)濾器 12給水泵 13給水箱 14循環(huán)泵

國(guó)內(nèi)方面，主要集中在與吸收式制冷系統(tǒng)的結(jié)合應(yīng)用上，王京華[12]最早提出了將膜法分離技術(shù)應(yīng)用于吸收式制冷的相關(guān)專利，采用膜分離裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)蒸汽吸收式制冷機(jī)的發(fā)生器，從而實(shí)現(xiàn)制冷劑-吸收劑工質(zhì)對(duì)的再生循環(huán)；基于膜法分離的思想，宣伯民[13]針對(duì)現(xiàn)有溴化鋰吸收式制冷機(jī)存在的耗熱量大、體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等不足，提出了一種膜分離濃縮溶液的溴化鋰吸收式制冷機(jī)，從而達(dá)到減少設(shè)備、節(jié)省投資和節(jié)約能源的目的；東南大學(xué)杜塏等[14]獲得了“一種采用液體噴射泵的膜滲透吸收式制冷循環(huán)裝置(如圖5)”發(fā)明專利授權(quán)，系統(tǒng)地介紹了其循環(huán)方法，該循環(huán)采用溶液升壓泵和膜滲透裝置替代發(fā)生器和冷凝器，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)備，利用膜滲透進(jìn)行二元溶液的分離，省略了傳統(tǒng)的吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)生和冷凝過(guò)程，從而避免了由于冷凝相變產(chǎn)生的能量損失，同時(shí)采用噴射泵回收膜滲透高壓液體節(jié)流的能量，提高吸收壓力，增大吸收-滲透循環(huán)溶液的濃度差，從而提高該系統(tǒng)的熱力系數(shù)；浙江大學(xué)韓曉紅等[15]報(bào)道了一種半滲透膜式吸收式制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有工質(zhì)適應(yīng)性好，能有效避免傳統(tǒng)吸收式制冷系統(tǒng)中普遍存在的腐蝕、結(jié)晶或毒性等問(wèn)題，拓展了工質(zhì)對(duì)的選擇范圍，能利用更低品位的低溫余熱廢熱，且具有較為顯著的節(jié)能性。

反滲透膜分離技術(shù)在中央空調(diào)方面的研究應(yīng)用較少，東南大學(xué)梁彩華等[16]公開了一種基于反滲透膜溶液再生的空氣源溶液熱泵裝置，利用反滲透膜進(jìn)行溶液再生，相比現(xiàn)有溶液再生方法(如加熱再生)具有節(jié)能、高效和緊湊的特點(diǎn)，且溶液基于膜滲透再生，使得熱泵系統(tǒng)能夠適用于各種高濕低溫地區(qū)，并具有較高的性能，不再受到溶液再生熱源溫度的限制；大連理工大學(xué)Yan Han等[17]模擬了采用超濾-反滲透(UF-RO)聯(lián)合系統(tǒng)對(duì)空調(diào)冷卻水處理的優(yōu)化方法(如圖6)，結(jié)果表明，在反滲透膜分離之前，使用超濾預(yù)處理，循環(huán)水流量減少，且能夠有效避免冷卻水結(jié)垢和腐蝕管路的現(xiàn)象，與傳統(tǒng)的采用化學(xué)抑制劑處理方法相比，UF-RO法應(yīng)用在中央空調(diào)冷卻水處理系統(tǒng)更為經(jīng)濟(jì)合理。

國(guó)外在反滲透膜分離技術(shù)應(yīng)用于制冷空調(diào)方面的研究起步較早，上世紀(jì)八十年代，美國(guó)Beasley D E等[18]就提出在吸收式制冷循環(huán)中引入壓力驅(qū)動(dòng)的膜分離裝置(簡(jiǎn)稱HF，如圖7)，用于實(shí)現(xiàn)吸收劑-制冷劑的分離，計(jì)算分析了采用不同制冷工質(zhì)對(duì)時(shí)的系統(tǒng)性能系數(shù)，并與傳統(tǒng)蒸汽壓縮制冷循環(huán)(簡(jiǎn)稱VC)的性能進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：在相同工作溫度條件下，HF循環(huán)的制冷系數(shù)和高溫?fù)Q熱狀況僅稍遜于VC循環(huán)，通過(guò)開發(fā)合適的制冷工質(zhì)對(duì)，則可能進(jìn)一步提高壓力驅(qū)動(dòng)的吸收式制冷系統(tǒng)的性能；英國(guó)Riffat S B等[19]將離心式反滲透膜組件應(yīng)用到吸收式制冷系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱CR，如圖8)，相同工作溫度條件下，該系統(tǒng)制冷系數(shù)(6.6～7.6)略高于傳統(tǒng)蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)(約6.5)，同時(shí)，與傳統(tǒng)壓力驅(qū)動(dòng)的吸收式系統(tǒng)相比，CR系統(tǒng)的離心式反滲透膜組件取代了HF系統(tǒng)中昂貴的溶液升壓泵和透平機(jī)，較為經(jīng)濟(jì)合理，盡管CR系統(tǒng)存在高速旋轉(zhuǎn)下引發(fā)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問(wèn)題，但其作者相信離心-吸收式制冷系統(tǒng)仍具有替代傳統(tǒng)壓縮制冷系統(tǒng)的有效潛力；西班牙Simona S等[20]針對(duì)添加NaOH(用于提高發(fā)生器中氨的精餾程度，降低發(fā)生溫度)的氨水吸收式制冷機(jī)中吸收過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題，提出了將反滲透膜技術(shù)用于分離三元混合物中的NaOH，緩解NaOH對(duì)氨水吸收過(guò)程的不利影響，從而有效提高氨水的吸收性能。

1膜分離器 2高溫?fù)Q熱器 3膨脹閥 4蒸發(fā)器 5透平機(jī) 6吸收器 7一級(jí)泵 8二級(jí)泵

1離心式膜組件 2節(jié)流閥 3蒸發(fā)器 4吸收器 5升壓泵

由以上國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于反滲透膜分離技術(shù)應(yīng)用于制冷空調(diào)行業(yè)的研究可知，膜分離技術(shù)可簡(jiǎn)化現(xiàn)有相關(guān)制冷空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，有效提高系統(tǒng)的制冷性能，并有望替代傳統(tǒng)的熱驅(qū)動(dòng)吸收式制冷模式。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了反滲透膜分離機(jī)理，對(duì)比了多種分離過(guò)程理論模型的通量公式、應(yīng)用場(chǎng)合及其應(yīng)用局限性，綜述了操作壓力、料液溫度、料液濃度和料液流速等操作特性參數(shù)對(duì)反滲透膜分離性能的影響，解讀了反滲透膜分離技術(shù)在制冷空調(diào)行業(yè)中的應(yīng)用研究。雖然反滲透膜具有高效的分離性能，且技術(shù)已日趨成熟，但是將其應(yīng)用到制冷空調(diào)系統(tǒng)中的研究還處于初步階段，特別是相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究較為匱乏，探究其原因筆者分析認(rèn)為可能是反滲透膜分離過(guò)程對(duì)不同的分離物種有不同的要求，因此需要對(duì)適宜分離特定制冷工質(zhì)對(duì)的反滲透膜進(jìn)行深入地研究和探索，除此，反滲透膜分離技術(shù)需要較高的滲透壓，這對(duì)膜材料和膜滲透裝置的性能要求較高，隨著材料科學(xué)和機(jī)械加工技術(shù)的完善和提高，相信反滲透膜分離技術(shù)在制冷空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用具有廣闊的前景和巨大的潛力。

[1] 張玉忠,鄭領(lǐng)英,高從堦.液體分離膜技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2004:257-258.

[2] 陳歡林,瞿新?tīng)I(yíng),張林,等.新型反滲透膜的研究進(jìn)展[J].膜科學(xué)與技術(shù)，2011，31(3)：101-109.(Chen Huanlin, Qu Xinying, Zhang Lin, et al.The research progress of new reverse osmosis membrane[J]. Membrane Science and Technology,2011，31(3):101-109.)

[3] 王曉琳,丁寧.反滲透和納濾技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2005:6-7.

[4] Kedem O，Katchalsky A.Thermodynamics Analysis of the Permeability of Biological Membranes to non-electrolytes[J].Biochimica Et Biophysica Acta,1958，27：229-246.

[5] Spiegler K, Kedem O.Thermodynamics of Hyperfiltra-tion (Reverse Osmosis)：Criteria for Efficient Membranes [J].Desalination,1966，1(4)：311-326.

[6] 程會(huì)文,姬朝青,許力.基于吸附-擴(kuò)散模型和遺傳算法的反滲透膜性能預(yù)測(cè)[J].化工學(xué)報(bào),2007，58(8)：2027-2032.(Cheng Huiwen, Ji Chaoqing, Xu Li.Prediction of reverse osmosis performance based on genetic algorithm and adsorption-diffusion model[J].Journal of Chemical Industry and Engineering,2007，58(8)：2027-2032.)

[7] Sourirajan S.The Science of Reverse Osmosis Mecha-nism，Membrane，Transport and Applications[J].Pure and Applied Chemistry,1978，50(7)：593-615.

[8] 勞頓巴赫,阿爾布雷西特.膜分離方法-超濾和反滲透[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1991:2-4.

[9] 鄭領(lǐng)英,王學(xué)松.膜技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2000:50-51.

[10] Reid C E，Breton E J.Water and Ion Flow Across Cellulosic Membranes[J].Journal of applied polymer science,1959，1(2):133-143.

[11] 郭宇彬.反滲透與納濾膜傳遞模型的關(guān)系及其應(yīng)用的研究[D].上海：華東理工大學(xué)，2010年1月.

[12] 王京華.膜法分離吸收式制冷技術(shù)：中國(guó)， 2002140485.2[P].2002-07-18.

[13] 宣伯民.膜分離濃縮溶液的溴化鋰吸收式制冷機(jī)：中國(guó)，200510048937.7 [P].2005-01-20.

[14] 杜塏,牛曉峰,王峰.采用液體噴射泵的膜滲透吸收式制冷循環(huán)裝置及循環(huán)方法：中國(guó)，20081001872 9.6 [P].2008-01-22.

[15] 韓曉紅,閔旭偉,陳光明,等.半滲透膜式吸收式制冷系統(tǒng)：中國(guó)，201010292661.8 [P].2010-09-26.

[16] 梁彩華,張小松.基于反滲透膜溶液再生的空氣源溶液熱泵裝置：中國(guó)，200810155105.9 [P].2008-10-15.

[17] HanYan，Lifen Liu，F(xiàn)englin Yang.Operational optimization of air conditioning cooling water system with UF-RO desalination[J].Desalination,2010，251(1)：53-57.

[18] Beasley D E, Hester J C.Analysis of a pressure driven absorption refrigeration cycle[J].International Journal of Energy Research，1988，12(1)：175-184.

[19] Riffat S B，Sua Y H.A novel absorption refrigeration cycle using centrifugal reverse osmosis[J].Journal of the Institute of Energy，2001，74(1)：66-69.

[20] Simona S，Joan C B.Separation of Ammonia /Water/Sodium Hydroxide Mixtures Using Reverse Osmosis Membranes for Low Temperature Driven Absorp-tion Chiller[J].Industrial and Engineering Chemistry Research，2008，47(28)：10020-10026.