海水淡化膜蒸馏中试研究

摘要

海水淡化后的浓盐水含盐量高，若不处理直接排放入海，势必对海洋生态及海洋生物造成污染和破坏，而且造成资源浪费。膜蒸馏(membrane distillation，MD)是膜技术与传统蒸发技术相结合的新型膜技术，在海水淡化及其它高盐废水的深度浓缩方面具有较好的应用潜力。由于MD过程的成本还较高、工艺及设计参数有待优化，目前MD技术还未进入工业化应用阶段。因此如何优化过程设计、降低运行成本，实现高效节能，仍是当前MD研究的重要课题。
　　 本文针对减压膜蒸馏(VMD)过程能耗高，蒸汽冷凝耗水量大的问题，设计了减压多效膜蒸馏过程(MEMD)。其特征是首次在VMD过程中设立特殊的多效蒸发区。其中的膜组件同时具有蒸汽的换热降温与原料液的升温蒸发双重作用，从而实现VMD过程蒸发潜热的高效回收利用。实验研究了真空泵性能、主蒸发区膜组件面积、多效蒸发区组件管程的进液流量、多效蒸发区组件长度及组件形式等参数对MEMD过程性能的影响；探索了多效蒸发区组件壳程蒸汽温度、管程原料液温度沿组件轴向的变化规律。当主蒸发区膜组件面积为0.10m2，多效蒸发区组件长度为868mm、管程进液流量为4.0L/h时，系统的当量膜通量最大(34.8kg/(m2·h))，额外冷却水用量仅为传统VMD过程的30.8％(每L产水消耗17.2L冷却水)；增加多效蒸发区的组件长度，能显著提高蒸汽相变热回收率，但不能提高系统的当量膜通量。
　　 本文采用课题组自制的PVDF中空纤维疏水膜组件，对RO海水淡化浓盐水进行三级膜组件串联VMD浓缩中试研究。考察操作条件(进料温度、真空度、进料流量等)对中试系统性能的影响，提出有助于提高中试性能的方法。当进一级膜组件的料液温度为80.0℃，真空度为0.090MPa，进液流量为30.0L/min时，一级VMD产水量占三级VMD系统总产水量的65.8％，系统膜通量仅为1.24kg/(m2·h)，远低于小试的膜通量数据(≥10.0kg/(m2·h))；系统的产水电导较低，均在300.0μS/cm以下，远小于原料液的9.0×104μS/cm；对浓盐水中Cl-的截留率较高，均超过99.6％。低的产水电导率，高的Cl-截留率，显示了VMD技术在海水淡化浓盐水浓缩处理上的优势。但需要对三级VMD过程的预热系统、膜蒸馏的抽真空部分、渗漏液排出等进行更合理的优化设计。该研究为MD技术的尽早工业化应用，提供技术支撑。