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第1页/共68页其它膜分离技术第2页/共68页（a） (b) (c) (d)图7－1 膜蒸馏的实现形式（a）直接接触式(b) 气隙式(c) 气体吹扫式(d) 减压式 第3页/共68页各种膜蒸馏过程的共同特点是：（1）操作条件温和，在常压和较低温度下只要两侧有一定温差便有足够之推动力实现水的传递，因此可以利用废热，地热或太阳能作热源。（2）由于仅有水蒸汽扩散通过膜孔达到冷侧，无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）可以处理高浓度的水溶液。 第4页/共68页7.1.2 膜蒸馏原理 7.1.2.1 膜的疏水性 膜为多孔物质，这些孔好像许多毛细管。如溶液润湿膜，这些毛细管中的溶液会形成一凹形液面，并产生一指向空间的附加压力，其值可用Young－Laplace方程表示： 其中－?P’附加压力; σ－溶液表面张力; γ－弯月面半径 第5页/共68页弯月面半径r与毛细管半径R之间有下列关系 实际上膜蒸馏用膜是疏水的，此时θ＞90℃，只有施加一定的外压溶液才能进入孔内，所需最小外压力为 第6页/共68页表面张力α（103N/m）正辛烷表面张力（103N/m）水72.8甲醇22.6CS2 31.38乙醇22.8甲醛28.4液体 21.27正辛醇 27.53正己烷 18.43CCl4 26.66乙醚 17.10液体润湿性能或所需外压取决于三个因素：（1）孔大小：R大，所需外压小，一般选择平均孔径为0.2～0.4μm的膜。而戴猷元教授等认为通过模拟计算，1μm左右的膜孔径对膜蒸馏是合适的。即可认为最大膜孔径不应超过1 μ m。 （2）表面张力：表面张力α大，△P大（cosθ＜0），即所需外压大 表7－1 一些纯液体在200C下的表面张力 第7页/共68页比表面能（103N/m）聚苯乙烯比表面能（103N/m）聚四氟乙烯（PTFE）19.1聚乙烯（PE）33.2聚三氟乙烯23.9聚丙烯（PP）30.0聚偏二氟乙烯（PVDF）30.3聚合物42.0聚氯乙烯（PVC）36.7??聚合物 当液体中含有某些溶质时，其表面张力会降低，如水中含有乙醇，随乙醇浓度增加表面张力降低，使△P下降，△P ＝0时之表面张力为临界表面张力，表面张力降至临界表面张力以下，则膜孔就被润湿。 （3）膜材料的表面能：固体膜材料的表面张力（σ固－气）又称为比表面能， σ固－气大，意味着溶液越易润湿该固体。表7－2 一些聚合物的比表面能第8页/共68页7.1.2.2 膜蒸馏的传热与传质 膜蒸馏过程是一个质量传递和热量传递同时进行的过程 。1 传热： 传热过程分为三步：（1）热量从热液主体传到热侧膜面；（2）热量从热侧膜面传到冷侧膜面；（3）热量从冷侧膜面传到冷流主体。 其中第二步热量从热侧膜面传递到冷侧膜面是通过两条途径实现的。一部分热量是以热传导的方式传递，是一种无效热传递或者说是一种热损失；另一部分热量是伴随水分的蒸发和冷凝而从热侧传向冷侧，它是一种有效热传递，即实现膜蒸馏伴随传质过程必然发生的传热。第9页/共68页2 水的传递 对于非挥发性溶质的溶液膜蒸馏过程而言，传质是指水分子从膜的热侧通过膜传到冷侧的过程，它分为四个步骤完成。（1） 水分子从热溶液主体传递到热侧膜面。（2） 水在热侧膜面处汽化。（3） 水蒸汽通过膜孔的扩散过程。（4） 水蒸汽在冷侧面处冷凝成水。 其中第三步是最为重要的一步，此时在膜的两个侧面的水的饱和蒸汽压之差便是水分子扩散的推动力即传质推动力。膜孔中充满空气，因此水分子通过膜孔的过程是通过静止空气层的扩散，水蒸汽分子与空气分子的碰撞及与孔壁的碰撞即为扩散的阻力。 第10页/共68页7.1.2.3 膜蒸馏的工艺指标及影响因素1 截留率 截留率＝ 1- 对不挥发性溶质而言其截留率应为100％，但实际上往往达不到100％。其原因有两方面，一方面是膜的缺陷，如孔隙大小分布很宽，有部分孔隙太大或膜有针孔，裂纹等。其二是运行过程中膜发生“湿化”现象，即疏水性局部丧失使溶液通过了膜孔。 第11页/共68页2 水通量影响水通量的因素有： 1】溶液浓度2】膜两侧之温差 3】溶液的流动状态 4】膜结构参数的影响 A：膜孔径；B：孔隙率 ；C：膜厚；D：膜孔弯曲因子 3 热效率 一般而言在直接接触膜蒸馏中，随热侧温度的提高，热效率会增加，冷侧温度的降低使无效热传递比例增加 。 热效率降低，即热损失增加的现象称之为温差极化。 第12页/共68页7.1.3 膜蒸馏在冶金工业中的应用前景 1 钛白废酸的浓缩 2.1mol/L(18.3%)的硫酸浓缩到10.32mol/L（65.5％） 盐析效应，FeSO4结晶析出，这一结晶使膜发生“湿化” 图