聚偏氟乙烯疏水平板膜用于真空膜蒸餾的研究

李福勤,安曉嬋,牛紅蘭

（河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,河北邯鄲 056038）

膜蒸餾是傳統(tǒng)蒸餾工藝與膜分離技術(shù)相結(jié)合的一種新型膜分離技術(shù)。近年來隨著高分子材料和制膜工藝的迅速發(fā)展,膜蒸餾的實用潛力和商業(yè)潛力得到廣泛認可[1-3]。其中真空膜蒸餾采用在膜的一側(cè)抽真空,使得蒸汽抽離于膜表面,再通過冷凝收集,其熱傳導(dǎo)損失比較低,膜通量也較一般方式大,并且可以充分利用廉價能源,因此具有良好的應(yīng)用前景[4-5]。制取疏水膜的原材料主要有:聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯等。其中以聚偏氟乙烯為原材料所制的疏水膜具有疏水性良好,韌性高,化學(xué)穩(wěn)定性、沖擊強度及耐磨性能較好,受到越來越多的關(guān)注。于德賢等[6]采用聚偏氟乙烯中空纖維膜進行了海水淡化的實驗研究。呂曉龍[7]也采用聚偏氟乙烯中空纖維膜對真空膜蒸餾、直接接觸式膜蒸餾、氣掃式膜蒸餾等三種膜蒸餾的脫鹽效果及膜通量進行了比較,結(jié)果表明真空膜蒸餾的膜通量最大,脫鹽效果良好。本實驗在此基礎(chǔ)上對真空膜蒸餾實驗的影響因素進行進一步的研究,采用聚偏氟乙烯疏水平板膜,著重考察膜冷側(cè)真空度、料液溫度、料液流量以及料液濃度等對膜通量與截留率的影響。

1 實驗部分

1.1 儀器和材料

雷磁DDS-307電導(dǎo)率儀:上海精密科學(xué)儀器有限公司;SHZ-Ⅲ型循環(huán)水真空泵:上海亞榮生化儀器廠;BT00-100M蠕動泵:保定保定蘭格橫流泵有限公司;DK-S24型電熱恒溫水浴鍋:上海市森信實驗儀器有限公司;電子天平:梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司;氯化鈉（分析純）:天津市紅巖化學(xué)試劑廠;自制聚偏氟乙烯疏水平板膜,膜厚0.2 mm。

真空膜蒸餾分為熱側(cè)水循環(huán)系統(tǒng)、聚偏氟乙烯疏水平板膜組件、真空系統(tǒng)及冷凝收集系統(tǒng)。實驗裝置流程見圖1。

熱側(cè)水循環(huán)系統(tǒng)中通過恒溫水浴鍋加熱料液,采用蠕動泵使之循環(huán)通過真空平板膜組件,另一側(cè)采用循環(huán)水真空泵抽真空,使水蒸氣透過膜組件后進入冷凝裝置冷凝（冷凝溫度為20℃）,并收集至集液瓶。進料液側(cè)應(yīng)定時加入蒸餾水補充所消耗料液,保持進料濃度不變。本實驗采用間歇操作,每次改變不同的膜蒸餾影響因素（進料溫度、進料流速、進料濃度及冷側(cè)真空度等）,待裝置穩(wěn)定運行后開始收集滲透液。每次取得一定體積的滲透液后,使用量筒測量出滲透液體積,計算滲透液的質(zhì)量,并用電導(dǎo)率儀測出進料液及滲透液電導(dǎo),進行膜通量及膜組件截留率的計算。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

1）膜通量。在真空膜蒸餾過程中,膜通量是十分重要的工藝指標。其計算式如式（1）所示。

式中J—真空膜蒸餾過程中的膜通量,kg/（m2·h）;W—一定時間測定的膜真空側(cè)冷凝水的質(zhì)量,kg;S—膜的有效面積,m2;t—收集W冷凝水所需的時間,h。

2）截留率。本實驗采用進料水樣為實驗室自制純水及不同濃度的NaCl水溶液。其中NaCl水溶液濃度比較小時,濃度和電導(dǎo)率之間存在良好的線性關(guān)系,對組分相同或者相近的水樣,含鹽量在一定范圍內(nèi)其濃度與電導(dǎo)率的比值為常數(shù)[8]。因此可以在計算脫鹽率時,使用電導(dǎo)率變化的差值取代濃度差計算。其計算式如式（2）所示。

式中η—真空膜蒸餾過程中的截留率（脫鹽率）;ch—進料液濃度,g/L;cc—滲透液濃度,g/L;ρh—進料液電導(dǎo)率,μ S/cm;ρc—餾出液電導(dǎo)率,μ S/cm。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對膜通量的影響

在冷側(cè)真空度為0.052 MPa,進水流量分別為5.6 L/h和11.5 L/h時,純水的膜蒸餾通量實驗結(jié)果如圖2。

從圖2可知,溫度從40℃升高至65℃,其對應(yīng)的膜通量呈線性增加。這是因為在膜蒸餾操作過程中,溫度升高,膜組件熱側(cè)的水蒸氣分壓也增大,使得水蒸氣透膜動力增加,因而導(dǎo)致膜通量的增大。

2.2 真空度對膜通量的影響

進水流量為5.6 L/h,溫度分別為55℃和60℃的條件下,通過改變冷側(cè)真空度的大小對純水的膜通量進行測試。結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知,在較小真空度的變化下,膜通量隨真空度的增加呈緩慢上升趨勢。當(dāng)真空度大于0.08 MPa時,膜通量隨真空度的增加急劇增大。與李玲等[9]的研究結(jié)果相類似,這是因為在真空度較低時,水蒸氣的透膜動力主要來源于膜兩側(cè)溫差所帶來的水蒸氣壓差。而當(dāng)真空度增加至某一臨界值時,水蒸氣的透膜動力水蒸氣壓差會隨著冷側(cè)真空度的增加而增大,使得膜通量的變化也較大。

2.3 料液流量對膜通量的影響

在冷側(cè)真空度為0.052 MPa,溫度分別為55℃和60℃的條件下測定純水流量對膜蒸餾通量的影響,結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可知,隨進水料液流量的增加,膜通量也隨之增加,且增加趨勢由陡至較平緩。這是因為流量的增大加劇了膜表面流體的湍流程度,使得濃差極化效應(yīng)減弱,從而增大膜通量。

2.4 料液濃度對膜通量及截留率的影響

在冷側(cè)真空度為0.065 MPa,料液流量為17.5 L/h,溫度為50℃的條件下,改變進水料液的濃度以測定其對膜通量的影響。進水料液采用分析純NaCl進行配制。結(jié)果如圖5所示。

分析圖5可知,料液濃度的增加會使膜蒸餾通量減小,這是因為,隨料液濃度的增加,溶液中的水蒸氣分壓減小,使得水蒸氣的透膜動力也相應(yīng)減小。且濃度的增加會加劇膜表面的濃差極化現(xiàn)象,也導(dǎo)致膜通量的降低。

從圖5還可看出,隨著料液濃度的提高,截留率成上升趨勢,整個實驗過程截留效果明顯,截留率均在95%以上。

3 結(jié)論

1）隨進水溫度的增加,膜通量呈線性增大。

2）冷側(cè)真空度的增大也會使膜通量增大。在較小真空度下膜通量的變化幅度亦較小,當(dāng)冷側(cè)真空度達到0.08MPa以上時,膜通量急劇增加,在真空度為0.093MPa,膜通量可達 22.88kg/（m2·h）。

3）進水濃度的增加會使膜通量減小,NaCl濃度為40 g/L時,膜通量僅為9.59 kg/（m2·h）,但截留率較高,達到98.6%。

[1]段濟遠,李福勤,王軍.基于溶膠凝膠法的TiO2溶膠的制備[J].河北工程大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2011,28（1）:57-59.

[2]吳庸烈.膜蒸餾技術(shù)及其應(yīng)用進展[J].膜科學(xué)與技術(shù),2003,23（4）:67-79.

[3]李福勤,李建紅,何緒文.煤礦礦井水井下處理就地復(fù)用工藝及關(guān)鍵技術(shù)[J].河北工程大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2010,27（2）:46-49.

[4]張建芳,李玲.減壓膜蒸餾淡化處理鹽水的實驗研究[J].精細石油化工進展,2005,6（3）:10-12.

[5]王車禮,鐘王景,王軍.膜蒸餾淡化處理油田高含鹽廢水的實驗研究[J].膜科學(xué)與技術(shù),2004,24（1）:46-49.

[6]于德賢,于德良,韓 彬,等.膜蒸餾海水淡化研究[J].膜科學(xué)與技術(shù),2002,22（1）:17-20.

[7]呂曉龍.聚偏氟乙烯中空纖維疏水膜及其初步應(yīng)用[J].化工環(huán)保,2008,28（5）:377-382.

[8]劉成倫,徐龍君,鮮學(xué)福.水溶液中鹽的濃度與其電導(dǎo)率的關(guān)系研究[J].中國環(huán)境監(jiān)測,1999,15（4）:21-24.

[9]李玲,匡瓊芝,閔犁園,等.減壓膜蒸餾淡化羅布泊地下苦咸水研究[J].水處理技術(shù),2007,33（1）:67-70.