PP中空纤维膜用于真空膜蒸馏的苦咸水淡化

许昌学院化学化工学院

PP中空纤维膜用于真空膜蒸馏的苦咸水淡化

徐静莉 孙国富 都昌盛许昌学院化学化工学院

新疆约有15.35亿立方米的地下水属于苦咸水，目前苦咸水淡化方法主要有蒸馏法、电渗析法、反渗透法，膜蒸馏法采用较少。采用PP中空纤维膜的真空膜蒸馏对苦咸水进行淡化。结果表明，在相同流量下，料液温度越高，渗透通量越大。当料液温度为75℃，进料液流量为1 L/m in，渗透侧压力为5 kPa时，渗透通量可以达到8.6 kg/m2·h，产水中只有微量离子存在，脱盐率达到了99.9%以上，可满足生活用水和油田回注水及锅炉用水标准。

真空膜蒸馏；苦咸水淡化；PP膜；渗透通量；压力

新疆油田地处苦咸水地区，由于地下水水质几乎都是高矿化度、高氟苦咸水，不能直接作为工业和生活用水。据统计，新疆约有15.35亿立方米的地下水属于苦咸水，对苦咸水进行淡化使其成为健康的饮用水和工业用水具有非常重要的现实意义。苦咸水经过淡化处理后盐碱度明显降低，有害矿物质被清除。处理合格后的水可以直接饮用或者应用于钻井配浆、固井和锅炉等油田生产。

目前苦咸水淡化方法主要有蒸馏法、电渗析法、反渗透法，膜蒸馏法采用较少。蒸馏法是最早采用的淡化法，装置结构较简单，操作容易，所得淡水水质好，主要应用于海水的淡化；电渗析法存在对水质要求较严格、且不能去除水中有机物和细菌等缺点[1]；反渗透法是一种膜分离技术，较前两种方法在节能方面具有较大的优势，但也存在膜污染严重、压力高等缺点[2]。近年来发展的一种新兴的膜分离技术——膜蒸馏法，是把蒸馏与膜分离技术有机结合起来，具有良好的发展前景。其主要包括直接接触式膜蒸馏，气扫式膜蒸馏，气隙式膜蒸馏和真空膜蒸馏。真空膜蒸馏法具有操作温度比传统蒸馏法低、操作压力低于反渗透法的优点[3]。本研究使用聚丙烯（PP）中空纤维膜组件，采用真空膜蒸馏的方法对苦咸水进行淡化，考察了各种操作条件对渗透通量及产水质量的影响。

1 试验部分

1.1实验仪器和材料

料液泵和冷却水循环泵均为Cole—Parme数显齿轮泵，贝克VT4.4真空泵，上海试验仪器厂501A超级恒温水浴，YP6001N电子天平，Hach SensionEC5便携式电导率仪，美国Celgard公司的聚丙烯中空纤维膜（PP）。

1.2试验用水质

采用自配的模拟苦咸水溶液作为进料液，其中NaCl含量为4.5 g/L，MgSO4含量为1.5 g/L，NaHCO3含量为260mg/L，CaCl2·2H2O含量为2 g/L，NaF含量为500mg/L。

1.3试验装置与运行

试验装置如图1所示。

进料液储罐内装有和恒温水浴相连接的线圈，恒温水浴内的水通过水循环泵经由线圈进行循环，进而控制进料液的水温。进料液通过料液泵进入中空纤维膜组件的壳程。启动真空泵，渗透的水蒸气经过管程，被冷却水冷凝后收集到产水罐中，通过电子天平称量产水的质量，通过监测产水的电导率监测膜是否发生渗漏。

图1 实验装置

本研究中进料液的温度控制在50～75℃范围内，进料液的流速为0.25～2 L/min，通过和真空泵相连的阀将真空侧压力控制在5～20 kPa范围内。

2 结果与讨论

2.1不同进料温度对渗透通量的影响

以自配的苦咸水溶液作为进料液，在进料流速为1 L/min，真空侧压力5 kPa条件下，考察了不同温度对渗透通量的影响，实验结果见图2。

图2 进料温度对渗透通量的影响

由图2可知，温度对产水的渗透通量有很大的影响。流量一定条件下，纯水的渗透通量随着进料温度的升高而增加。这是因为真空膜蒸馏过程的推动力为膜两侧的蒸汽压，当真空侧压力一定时，进料液温度升高使进料侧蒸汽压增大，从而使得膜两侧的压力差提高，提高了整个过程的传质推动力，渗透通量增加。尽管进料温度高有利于提高产水通量，但是进料温度不宜过高，因为如果系统没有有效的热能回收装置，进料液温度过高会导致整个过程能耗增大，不利于节能，同时也增加了生产成本。不同温度下使用PP中空纤维膜的真空膜蒸馏过程显示了很高的脱盐率，达到了99%以上，产水电导率一般在4～15 uS/cm范围内，只有微量离子存在于产水中，产水水质满足生活用水和生产用水的要求。

2.2不同进料流速对渗透通量的影响

以自配的苦咸水溶液作为进料液，在进料温度为65℃，渗透侧压力5kPa的条件下，考察了不同进料流速对渗透通量的影响，实验结果见图3。

图3 进料流速对渗透通量的影响

由图3可知，随着进料流速的提高，渗透通量也在增加。其原因是流速的增加减小了膜面与主体之间的层流浓度和边界层厚度，从而减弱了膜面的浓差极化和温差极化效应，使渗透通量提高。但是并不意味着进料流量越大越好，进料流量过大容易造成膜渗漏，因此应该选择合理的进料流速。尽管在低流量下脱盐率也达到99%以上，但是很明显增大流量会提高脱盐率，可能原因是进料流量大，使得苦咸水在膜表面的停留时间变短，从而减少了盐在膜表面的吸附。

2.3不同渗透测压力对渗透通量的影响

以自配的苦咸水作为进料液，在进料温度为65℃，进料流量1 L/min的条件下，考察了不同渗透测压力对渗透通量的影响。

由实验结果可知，随着渗透侧压力的增加，渗透通量呈现下降的趋势。其原因是渗透侧压力的增加导致了膜两侧的压力差减小，使得整个过程的传质推动力下降，从而直接导致渗透通量下降。因此为了提高渗透通量，降低渗透侧的压力是必要的。而渗透侧压力和真空泵性能密切相关。所以在实际操作中，选择一台性能良好的真空泵是得到高渗透通量的必不可少的条件之一。

2.4运行时间对渗透通量的影响

以自配的苦咸水溶液作为进料液，在进料温度为65℃，进料流量1 L/min，渗透侧压力为5 kPa的条件下，考察了运行时间对渗透通量的影响。

由实验结果可知，随着运行时间的增加，渗透通量呈下降的趋势。这主要是因为进料液中的离子在膜面沉积引起的膜结垢引起的。长时间运行后需要对膜进行清洗。

3 结论

采用PP中空纤维膜的真空膜蒸馏对苦咸水进行淡化。在相同流量下，料液温度越高，渗透通量越大。当进料温度从50℃提高到75℃时，渗透通量从2.12 kg/m2·h增加到8.62 kg/m2·h，工业生产中应该考虑能效来选取合适的进料温度；提高进料流量同样能够增加渗透通量，合理的流量在1～1.5 L/min范围内；降低渗透侧压力有利于提高渗透通量，渗透侧压力与使用的真空泵性能密切相关。

当料液温度为75℃，进料液流量为1L/min，渗透侧压力为5 kPa时，渗透通量可达到8.6 kg/m2·h，产水中只有微量离子存在，脱盐率达到了99.9%以上，可满足生活用水和油田回注水及锅炉用水标准。

[1]栾韶华，孙国瑞，王奇．苦咸水淡化技术综述[J]．四川环境，2010，29（1）：97-99.

[2]尚天宠．膜分离技术在中国西部省区苦咸水淡化工程中的应用[J]．净水技术，2000，18（2）：28-33.

[3]吴庸烈．膜蒸馏技术及其应用进展[J]．膜科学与技术，2003，23（4）：67-79.

（栏目主持 杨军）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.1.013