真空膜蒸餾技術(shù)淡化鹽堿水試驗(yàn)研究

王閃，葉文升，胡雪菲,2，尤永軍,2*

（1塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

（2新疆維吾爾自治區(qū)教育廳普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)試驗(yàn)室，新疆 阿拉爾 843300）

從全球范圍來(lái)看，高礦化度的海水、鹽堿水或苦咸水在沙漠、草原、沿海地區(qū)、內(nèi)陸干旱地區(qū)廣泛分布。我國(guó)的北方、西北干旱地區(qū)也分布著大量鹽堿水或苦咸水，僅新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師阿拉爾市地下苦咸水分布面積就有2 163.45 km2，占當(dāng)?shù)氐叵滤偯娣e的77.26%，淡水與苦咸水交替分布，自西向東呈現(xiàn)苦咸水分布面積逐漸增加、淡水分布面積逐漸減少的特征［1］，對(duì)人們的生產(chǎn)生活造成一定影響。隨著新疆南疆地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，對(duì)水資源的需求呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì)，更加劇了淡水資源的短缺，因此合理開(kāi)發(fā)鹽堿水資源、緩解用水矛盾逐漸受到關(guān)注［2］。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于鹽堿水或苦咸水的淡水回收技術(shù)比較成熟，常用的脫鹽工藝有反滲透、多級(jí)蒸發(fā)、多效蒸餾等，隨著廢水處理規(guī)模擴(kuò)大和集成化程度提高，熱膜耦合、水電聯(lián)產(chǎn)等綜合技術(shù)也得到了快速發(fā)展［3］。膜蒸餾技術(shù)作為一種新型的氣液分離手段，具有操作溫度相對(duì)較低、壓力低、理論淡化效果好、適應(yīng)性廣、膜污染程度低等特點(diǎn)［4-5］，在海水淡化［6］、廢水處理［7-8］等方面取得了一定的研究成果，但在低濃度鹽堿水的應(yīng)用方面還缺乏研究。本研究采用聚丙烯管式膜組件處理鹽堿水，研究了真空膜蒸餾在不同操作條件下的脫鹽效果，探究了影響膜通量的主要因素，為拓展鹽堿水處理思路，實(shí)現(xiàn)鹽堿水資源化利用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)用水為鹽堿水，取自新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師阿拉爾市十二團(tuán)排堿干渠，礦化度約10.20 g/L。試驗(yàn)所用膜為PP管式膜（MD3126，天津沃馳科技有限公司），其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 PP管式膜元件主要性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)原理及裝置運(yùn)行

真空膜蒸餾是膜蒸餾的一種，其原理如圖1所示。待處理的熱料液從膜的一側(cè)通過(guò)，另一側(cè)抽真空，由于膜的疏水性和微孔性［9］，熱料液不會(huì)直接透過(guò)膜孔進(jìn)入真空側(cè)，而是在膜孔一側(cè)形成彎曲界面。在加熱與表面張力的共同作用下，進(jìn)水側(cè)與真空側(cè)形成一定的壓差，進(jìn)水側(cè)汽化的水蒸氣透過(guò)膜孔進(jìn)入到真空側(cè)，然后被抽離到膜外冷凝，形成產(chǎn)水；由于膜的疏水作用，水中不能變成氣態(tài)的離子會(huì)被阻隔在進(jìn)水側(cè)內(nèi)，不隨水蒸氣進(jìn)入真空側(cè)，產(chǎn)水中幾乎不含有離子，從而達(dá)到污廢水脫鹽的目的。

圖1 真空膜蒸餾原理示意圖

在真空膜蒸餾中，由于透過(guò)膜的氣態(tài)物質(zhì)分子平均自由程遠(yuǎn)大于膜的平均孔徑，而且真空側(cè)壓力較低，膜內(nèi)只有少量氣體，因此膜內(nèi)的傳質(zhì)為努森擴(kuò)散［10-11］，蒸汽傳質(zhì)通量可表述為下式。

式（1）中，J為膜通量，kg/(m2·h)；ε為膜的孔隙率，%；dp為膜的直徑，m；χ為曲折因子；δ為膜的厚度，m；R為氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；T為熱力學(xué)溫度，K；M為透過(guò)物質(zhì)的分子量，kg/mol；ph為進(jìn)水側(cè)界面的蒸氣壓，Pa；pc為真空側(cè)的壓力，Pa。

基于上述機(jī)理，設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置如圖2所示。鹽堿水置于恒溫水浴鍋中，通過(guò)水浴鍋控制鹽堿水達(dá)到設(shè)定溫度。加熱后的鹽堿水用蠕動(dòng)泵打入膜組件的膜內(nèi)側(cè)，熱水形成的水蒸氣透過(guò)膜孔，在真空泵負(fù)壓下進(jìn)入膜組件殼程，與冷凝水換熱后形成水珠，被淡水瓶收集，濃縮后的濃水回流至鹽堿水燒杯內(nèi)繼續(xù)循環(huán)。

圖2 真空膜蒸餾試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)設(shè)定單因素，分別考察熱側(cè)溫度（40℃、50℃、60℃）、冷側(cè)真空度（0.025 MPa、0.052 MPa、0.070 MPa）、鹽堿水濃度（5.30 g/L、7.00 g/L、9.60 g/L）對(duì)膜通量及脫鹽率的影響。每個(gè)試驗(yàn)條件下系統(tǒng)運(yùn)行6 h，結(jié)束后分別用稀鹽酸、蒸餾水沖洗膜組件，防止膜污染，然后進(jìn)行下一組試驗(yàn)。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

試驗(yàn)過(guò)程中淡水質(zhì)量用天平稱量得到，鹽堿水（濃水）及淡水電導(dǎo)率通過(guò)電導(dǎo)率儀測(cè)定，膜通量（J）與脫鹽率（η）分別用式（2）、式（3）計(jì)算。

式（2）中，W為淡水質(zhì)量，g；S為膜有效面積，m2；t為運(yùn)行時(shí)間，h。

式（3）中，ρh為鹽堿水（濃水）電導(dǎo)率，μS/cm；ρc為淡水電導(dǎo)率，μS/cm。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱側(cè)溫度對(duì)膜蒸餾特性的影響

在冷側(cè)真空度為0.052 MPa、鹽堿水濃度為9.60 g/L的操作條件下，研究熱側(cè)溫度對(duì)淡水電導(dǎo)率及膜通量的影響，結(jié)果如圖3所示。在系統(tǒng)運(yùn)行6 h內(nèi)，三種操作溫度下的淡水電導(dǎo)率雖波動(dòng)較大，但均低于25 μS/cm（與蒸餾水電導(dǎo)率相近），平均脫鹽率（ηavg）均接近100%，幾乎沒(méi)有差異，這說(shuō)明熱側(cè)溫度對(duì)VMD的脫鹽性能影響較小。溫度主要影響水蒸氣分壓，對(duì)離子在熱側(cè)及膜表面的遷移行為影響不大。膜通量在系統(tǒng)運(yùn)行期間基本維持在200～250 g/（m2·h）之間，且隨著熱側(cè)溫度的升高而不斷增大，這是因?yàn)槟ふ麴s的傳質(zhì)動(dòng)力主要源于膜兩側(cè)的蒸汽壓差，當(dāng)熱側(cè)的鹽堿水溫度升高時(shí)，水的飽和蒸氣壓隨之增大，即式（1）中熱側(cè)蒸氣壓增大，而冷側(cè)真空度不變，溫度越高傳質(zhì)動(dòng)力越大，膜通量隨之增加。理論上，熱側(cè)溫度越高，膜通量越大，但是較高的溫度會(huì)引起膜表面發(fā)生嚴(yán)重的溫差極化現(xiàn)象［12］。同時(shí)原水加熱對(duì)膜絲材料的耐溫性提出了更高要求，為防止膜絲在高溫下發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞及兩端樹脂脫落，一般真空膜蒸餾熱側(cè)溫度不宜過(guò)高，應(yīng)控制在60～70℃之間［13-14］。膜蒸餾的運(yùn)行需要對(duì)原水進(jìn)行加熱，將增加能耗，因此在具有可利用廢熱或太陽(yáng)能資源的地區(qū)，該技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)［15］。

圖3 不同熱側(cè)溫度下的淡水電導(dǎo)率及膜通量變化

2.2 冷側(cè)真空度對(duì)膜蒸餾特性的影響

圖4 不同冷側(cè)真空度下的淡水電導(dǎo)率及膜通量變化

2.3 鹽堿水濃度對(duì)膜蒸餾特性的影響

在熱側(cè)溫度為60℃、冷側(cè)真空度為0.052 MPa的操作條件下，將鹽堿水稀釋，控制水樣礦化度為5.30 g/L、7.00 g/L、9.60 g/L三個(gè)水平，考察鹽堿水濃度對(duì)淡水電導(dǎo)率及膜通量的影響，結(jié)果如圖5所示。不同鹽堿水濃度下，淡水電導(dǎo)率均低于30 μS/cm，平均脫鹽率（ηavg）接近100%，說(shuō)明膜蒸餾對(duì)不同濃度的鹽堿水處理效果基本相同。雖然鹽堿水濃度越高，水中離子強(qiáng)度越大，但膜材料的疏水特性并不會(huì)在短期改變，可以在一定時(shí)間內(nèi)維持較好的脫鹽性能。系統(tǒng)膜通量也較穩(wěn)定，維持在255 g/（m2·h）左右，且基本不受鹽堿水濃度的影響。而有研究表明，溶液的離子濃度升高會(huì)降低水的蒸氣壓，膜通量會(huì)隨鹽度增加而逐漸降低［17］，當(dāng)原水礦化度超過(guò)200 g/L時(shí)，膜通量比離子含量為50 g/L時(shí)降低約26.8%［18］。結(jié)合本試驗(yàn)結(jié)果可知，熱側(cè)鹽堿水濃度對(duì)膜通量的不利影響只有在原水礦化度較高時(shí)才顯現(xiàn)。新疆南疆地區(qū)的鹽堿水礦化度均值為4.19 g/L，整個(gè)西北地區(qū)80%的地表水含鹽量低于10 g/L，含鹽量低于10 g/L的地下水約占總地下水量的90%［1］，對(duì)比本試驗(yàn)的研究結(jié)果，認(rèn)為采用膜蒸餾工藝處理南疆地區(qū)的低濃度鹽堿水，具有較好的適應(yīng)性及應(yīng)用價(jià)值。

圖5 不同鹽堿水濃度下淡水電導(dǎo)率及膜通量變化

2.4 影響因素顯著性分析

冷側(cè)真空度與膜通量呈正相關(guān)，溫度與膜通量呈指數(shù)關(guān)系，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用多元線性方程進(jìn)行擬合，可以探究冷側(cè)真空度、熱側(cè)溫度及鹽堿水濃度對(duì)膜通量影響的重要程度。應(yīng)用SPSS 24.0進(jìn)行多元線性擬合，結(jié)果如表2所示。表中標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)表示自變量對(duì)因變量的重要性，標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)越大，越不能忽略自變量的影響；P＜0.05表明自變量對(duì)因變量有顯著影響，反之無(wú)顯著影響。冷側(cè)真空度對(duì)膜通量的影響最大，其次為熱側(cè)溫度，而鹽堿水濃度由于P＞0.05被認(rèn)為對(duì)膜通量的影響并不顯著。

表2 多元線性回歸分析結(jié)果

3 結(jié)論

本試驗(yàn)通過(guò)探究真空膜蒸餾過(guò)程中熱側(cè)溫度、冷側(cè)真空度與鹽堿水濃度對(duì)脫鹽率與膜蒸餾的影響，結(jié)合多元線性回歸擬合，得出以下主要結(jié)論：

1）在不同的熱側(cè)溫度、冷側(cè)真空度和鹽堿水濃度下，淡水電導(dǎo)率低于30 μS/cm，系統(tǒng)脫鹽率接近100%，淡水水質(zhì)接近蒸餾水水質(zhì)，說(shuō)明采用真空膜蒸餾技術(shù)處理鹽堿水的脫鹽效果較好。

2）單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，熱側(cè)溫度、冷側(cè)真空度與膜通量呈正相關(guān)。當(dāng)溫度為60℃、冷側(cè)真空度為0.070 MPa、鹽堿水濃度約5.30 g/L時(shí)，膜通量最大值為292.44 g/（m2·h）。而在不同鹽堿水濃度下，系統(tǒng)膜通量較為穩(wěn)定，始終維持在235.33～258.33 g/（m2·h）之間。結(jié)合多元線性擬合結(jié)果表明，冷側(cè)真空度對(duì)膜通量的影響最大，溫度次之，鹽堿水濃度對(duì)膜通量的影響不顯著。

3）系統(tǒng)膜通量及脫鹽率均較為穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)生膜污染現(xiàn)象，說(shuō)明真空膜蒸餾處理低濃度鹽堿水的過(guò)程穩(wěn)定性高，在南疆地區(qū)鹽堿水處理方面具有一定潛力。