渗透膜蒸馏

『壹』 只靠太阳能实现海水淡化人类从此或不再“望洋兴叹”

出品：科普中国

制作：山夕团队 党以凡

监制：中国科学院计算机网络信息中心

在人类面临的众多资源危机中，淡水危机可谓是“老大难”。5年前，由3万多名海洋科技工作者历时8年多完成的“我国近海海洋综合调查与评价”专项显示：我国11个沿海省（自治区、直辖市）所辖的52个沿海城市中，极度缺水的有18个、重度缺水10个、中度缺水9个、轻度缺水9个，近90%的城市存在不同程度缺水问题。面朝大海，这些城市为何缺水如此严重？

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『贰』 膜蒸馏的应用

（1） 海水淡化
淡水资源短缺成为当今社会一大问题，海水淡化无疑是淡水来源的途径之一。目前从海水或苦咸水获得淡水的主要方法有：电渗析法、蒸发法、多级蒸馏法和反渗透法等。近年来迅速发展起来的蒸馏法与膜法相结合的膜蒸馏技术在海水淡化的应用中获得了成功，可望成为一种廉价高效制取淡水的新方法。利用工业上使用的海水余热或用工业废热加热海水进行膜蒸馏海水淡化，具有成本低、设备简单、操作容易、能耗低等优点，使膜蒸馏技术在诸多海水淡化工程有一定竞争力!
（2） 超纯水的制备
由于膜的疏水性，原则上只允许水蒸气通过微孔，因此能得到很纯的水。用减压膜蒸馏对自来水进行处理后，水质达到微电子工业用高纯度水三级和医用注射水的标准。特别是近来新型高通量无机膜和有机-无机混合膜的开发成功，使得用膜蒸馏制备超纯水变为具有巨大商业潜力的工业手段。
（3） 废水处理
膜蒸馏与其他膜过程相比，其主要优点之一就是可以在极高的浓度条件下运行，即可以把非挥发性溶质的水溶液浓缩到极高的程度，甚至达到饱和状态。张凤君等人采用中空纤维膜蒸馏技术对含酚废水进行了研究，结果使浓度高达5000mg/L的苯酚经处理后可降至50mg/L以下，苯酚的去除率可达95%以上。刘金生等人采用自制中空纤维膜蒸馏组件对油田联合站含甲醇污水进行膜蒸馏处理研究，质量浓度高达10mg/mL的甲醇水溶液经处理后可降至0.03mg/mL一下。
（4） 共沸混合物的分离
膜蒸馏对某些共沸物也能起到分离效果。孔瑛等人研究了用膜蒸馏技术来分离甲酸-水共沸混合物的可能性，结果表明，采用膜蒸馏技术来分离甲酸-水溶液时不存在共沸现象，表明膜蒸馏在分离共沸物方面具有潜在的应用价值。

『叁』 求助，关于膜蒸馏技术

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课程论文
性物质的优势[7]，其缺点是渗透通量低，结构复杂，且不适用于中空纤维膜，限制了商业推广。Amali等[8]通过对AGMD与DCMD的比较研究，认为AGMD更适用于地热苦咸水的脱盐。SGMD中，冷凝器必须做很大的功才能冷凝下游侧的蒸汽，故能耗太大，其研究且仅限于理论及数学模型[9-11]。真空膜蒸馏的膜两侧气体压力差比其他膜蒸馏的膜两侧气体压力差大，因而比其他形式的膜蒸馏具有更大的蒸馏通量。宜于脱除水溶液中的挥发性溶质。Corinne[12]用真空膜蒸馏进行了海水淡化，并且与反渗透过程进行了比较，指出选择合适的操作条件及进行合理的过程设计，真空膜蒸馏完全可以与反渗透过程相媲美。Fawzi Banat等[13]研究了VMD脱盐操作参数的灵敏性分析，认为温度对VMD水通量的影响最大，真空度次之。TzahiY等[14]将DCMD与VMD相结合，结果显示，当渗透侧的压力由传统DCMD略高于大气压(108 kPa)变至DCMD/VMD下略低于大气压(94kPa)时，同相同温度下的传统DCMD相比，通量提高15%。

3 膜蒸馏用膜
用于膜蒸馏的膜材料至少应满足疏水性和多孔性两个要求，以保证水不会渗入到微孔内和具有较高的通量。通常认为孔隙率为60% ~ 80%，平均孔径为0.1

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课程论文
~0.5 μm 的膜最适合于膜蒸馏[15]。目前膜蒸馏过程膜材料的研究开发主要集中于3种膜材料，即聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯(PP)。基于上述膜材料，膜蒸馏用膜的制备方法主要有：拉伸法、相转化法、表面改性法、共混改性法以及复合膜法。近年来，为了提高分离膜的综合性能，不同膜材料优势互补的复合膜材料的研究也越来越引起研究者的兴趣。Suk 等[16]把合成的疏水大分子化合物与聚砜材料共混，采用相转化法制膜时，疏水性大分子会迁移至膜表面，得到表面疏水性MD复合膜。Khayeta等[17]用含表面改性大分子的亲水性聚砜醚聚膜由相转化法一步聚成应用于膜蒸馏的新型疏水/亲水多孔复合膜，对于1 mol/L的NaCl水溶液，所制得的复合膜水通量和PTFE商业膜持平甚至高于常用的商业膜，截留率达99.7%。Peng Ping 等[5]将3% PVA（聚乙烯醇）同20%PEG（聚乙二醇）混合，由乙醛作交联剂进行交联，并在聚合物中引入钠盐（如醋酸钠）提高微相分离，将PVA/PEG亲水性凝胶涂覆在疏水性的PVDF 底层上，制成复合膜。所得复合膜的DCMD通量及耐用性较PVDF 膜均有提高。该方法对解决膜蒸馏所用疏水性膜易被润湿的问题提供了一定的参考。Li Baoan等[18]用在疏水性多孔PP中空纤维膜的外表面涂上了不同孔径的多孔等离子聚合硅树脂含氟聚合物涂层的复合性中空纤维膜，进行了基于真空膜蒸馏脱盐过程用膜和设备的研究。由于多孔等离子聚合硅树脂含氟聚合物涂层能够大大降低表面张力，并在底层和盐水之间加了一层隔膜，因而能有效防止膜孔润湿、膜孔结垢和收缩等。研制价格低廉、孔隙率高、通量高、易于工业化生产及应用的MD新型膜材料，已成为MD研究者追求的目标。只有新型理想的膜材料研制成功，膜蒸馏才具有更广阔的应用空间。

『肆』 厉害了，新技术能从盐水里提取出100%的水

『伍』 反渗透膜的发展史

80年代发明的复合膜，由超薄反渗透膜、多孔支撑层、织物增强自叠加而成，透水量极大，除盐率高达99%，是理想的反渗透膜。反渗透膜在分离小分子有机化合物时也特别有效，因此对有机化工、酿造工业、三废处理等领域也得到了很好的应用。
在21世纪以前，反渗透膜技术都是被国外所垄断，而中国是直到90年代末期才开始掌握了反渗透膜的生产技术.这个历史要追述到建国初期，当时我们国家的领导人已经意识到海水淡化的前景和将来在社会中的作用。
早在1958年，石松研究员等首先在中国开展离子交换膜电渗析海水淡化研究。而在此前1953年美国C.E.Reid建议美国内务部将反渗透研究列入国家计划。

随后1967年，国家科委组织全国海水淡化会战，组织全国在水处理和分析化学、材料化学、流体力学等各个学科的精英会战海水淡化。

1970年，会战主力汇集中国浙江省的杭州市，组织了全国第一个海水淡化研究室。此期间，他们一直用电渗析技术进行海水淡化，研制成功海洋监测专用微孔滤膜，建成了世界最大的电渗析海水淡化站——西沙永兴岛海水淡化站。一度在海水淡化方面成为世界领军人物。

1982年，中国海水淡化与水再利用学会经中国科协学会部批准在杭州成立。但是，因为经历了十年浩劫，毕竟还是衰弱下去了，此时，远在大洋彼岸的美国的全芳香族聚酰胺复合膜及其卷式元件已经赫然问世。

1984年，国家海洋局以海水淡化研究室为主体，组建国家海洋局杭州水处理技术研究开发中心，中国开始对膜技术重视了，但是，美国海水淡化用复合膜及其卷式元件已经大面积商业化了，投入到了国家和民用中去了。

1992年，国家为了追赶膜方面技术与世界的差距，，国家科委军顶，以“中心”为依托，组建国家液体分离膜工程技术研究中心，并开始悄悄研制国产反渗透膜。

直到2001年，“中心”实行集团化分体管理，所辖三个控股的中外合资公司，两个中资公司和一个研发中心。同年，杭州北斗星膜制品有限公司正式公开问世，从此，中国有了自己的反渗透膜产品，享有完全自主知识产权、由中国制造、具有民族品牌的高性能复合膜元件开始投放市场，中国成为世界上第四个掌握自主反渗透膜技术的国家。

『陆』 蒸馏法海水淡化技术原理

海水淡化的代表国家--以色列
蒸馏法、电渗析法、反渗透法达到了工业规模的生产应用.
电渗析淡化法是使用一种特别制造的薄膜实现的。在电力作用下，海水中盐类的正离子穿过阳膜跑向阴极方向，不能穿过阴膜而留下来；负离子穿过阴膜跑向阳极方向，不能穿过阳膜而留下来。这样，盐类离子被交换走的管道中的海水就成了淡水，而盐类离子留下来的管道里的海水就成了被浓缩了的卤水。

反渗透淡化法更加绝妙。它使用的薄膜叫“半透膜”。半透膜的性能是只让淡水通过，不让盐分通过。如果不施加压力，用这种膜隔开咸水和淡水，淡水就自动地住咸水那边渗透。我们通过高压泵，对海水施加压力，海水中的淡水就透过膜到淡水那边去了，因此叫做反渗透，或逆渗透。

蒸馏法的原理很简单，就是我们在实验室里制备蒸馏水的原理。把海水烧到沸腾，淡水蒸发为蒸汽，盐留在锅底，蒸汽冷凝为蒸馏水，即是淡水。

这种古老的海水淡化方法，消耗大量能源，产生大量锅垢，很难大量生产淡水。现代多级闪急蒸馏淡化使古老的蒸馏法焕发了青春。

水在常规气压下，加热到100℃才沸腾成为蒸汽。如果使适当加温的海水，进入真空或接近真空的蒸馏室，便会在瞬间急速蒸发为蒸汽。利用这一原理，做成多级闪急蒸馏海水淡化装置。此种淡化装置可以造得比较大，真空蒸发室可以造得比较多，连接起来，成为大型海水淡化工厂。这种淡化工厂，可以与热电厂建在一起，利用热电厂的余热加热海水。水电联产，可以大大降低生产成本。现行大型海水淡化厂，大多采用此法。如果太阳能蒸发淡化法能够投入实用，古老的蒸馏淡化技术又上一个节能的新台阶。