反滲透膜分離性能及其在制冷空調中的應用

胡會濤 杜 塏 張友超 鄂文汲

(東南大學能源與環境學院 南京 210096)

反滲透又稱高濾(Hyperfiltration)，是20世紀60年代發展起來的一項膜分離技術，利用反滲透膜具有選擇性地透過溶液中某種物質而截留另種物質的性質，以膜兩側靜壓差為驅動力，使溶液通過反滲透膜而實現對溶液中某種混合物進行分離的過程。由于反滲透膜分離技術具有物料無相變、設備簡單、在常溫下易操作以及適應性強等特點，不僅廣泛應用于海水和苦咸水淡化，而且在電子、石油化工、食品、醫療衛生、環境工程以及國防等領域發揮著重要作用[1]。

經過50多年的發展，反滲透膜分離技術得到了長足的進步。膜材料先后經歷了有機膜、無機膜和雜化膜等階段，膜組件有管式、條束式、圓板式和中空纖維管等類型，裝置有溶液泵加壓型和離心機加壓型等，膜材料、組件以及裝置研制等在相關的研究進展已有綜述分析[2]，本文將對反滲透膜的分離理論模型以及操作因素對膜分離性能的影響方面進行相關的論述分析。反滲透膜技術具有優異的分離選擇性，是膜科學與技術中值得矚目的領域，在工業生產中有著廣泛的應用和巨大的發展潛力，是21世紀最具發展前途的高新技術之一[3]。由于吸收式制冷循環運行過程中存在氣液或液液分離過程，因此將反滲透膜分離技術引入制冷空調行業，將可能成為突破性的創舉，國內外已有相關學者對此進行了相應的研究應用，本文將結合國內外反滲透膜分離技術在制冷空調方面的研究，展開相關的應用綜述。

1 反滲透膜分離模型研究

物質通過膜的分離過程較為復雜，不同理化性質(如粒度大小、分子量、溶解情況等)和傳遞屬性(如擴散系數)的分離物質，對于不同類型的膜(如多孔型、非多孔型)，其滲透情況不同，分離過程各異，其分離機理和傳遞過程也各有差別。因此，建立在不同傳質機理基礎上的傳遞模型有很多種，但在應用上各有其局限性。反滲透分離模型目前有基于非平衡熱力學的KeAem-Katchalsky(K-K)模型[4]、Spiegler-Kedem (S-K)模型[5]、溶解-擴散(R-K)模型[6]以及優先吸附-孔流(X-K)模型[7]等，各種模型的通量公式、應用機理、應用場合以及局限性見表1。

表1 幾種反滲透膜的分離模型

2 反滲透膜操作特性參數研究

反滲透膜的性能一般指膜通量，即上節中提到的水通量和鹽通量，國內外學者關于操作因素對反滲透膜分離性能的影響展開了諸多研究，影響反滲透膜膜通量的操作特性參數主要涉及操作壓力、料液溫度、料液濃度以及料液流速等，以下將逐一討論。

2.1 操作壓力的影響

反滲透是以壓差為驅動的膜分離過程，提高壓力有助于膜通量的提高。勞頓巴赫等[8]實驗發現：脫鹽率隨操作壓力的增加先增加后逐漸趨于穩定，而水通量隨操作壓力線性增長(如圖1)。究其原因，他們認為這是由于隨著壓力的增加，膜的水通量增大而鹽通量不變，故脫鹽率相對增大，但同時膜兩側的鹽濃度差增大，有降低脫鹽率的趨勢，這兩方面的共同作用使脫鹽率先增加后逐漸變緩，最后趨于定值?？芍岣卟僮鲏毫υ诟纳颇ね糠矫婢哂蟹e極作用。

2.2 料液溫度的影響

料液溫度的影響較為復雜，溫度上升，料液的粘度下降，擴散系數增加，降低了濃差極化的影響，但溫度上升會使料液中某些組分的溶解度下降，使膜吸附污染增加。據此鄭領英等[9]報道了隨著進料溫度提高，相同操作壓力下，膜的水通量明顯增大，同時脫鹽率隨溫度的升高而降低(如圖2)，從而導致鹽的透過量增加。因此他們認為在實際的操作過程中，應保持合理的料液溫度，以便對膜的性能進行優化。

圖1 操作壓力對膜通量的影響

圖2 料液溫度對膜通量的影響

2.3 料液濃度的影響

反滲透膜是依靠濃度差進行分離過程的，Reid C E等[10]實驗發現：對同一系統來說，隨著濃度的升高，膜的水通量和脫鹽率均有下降的趨勢(如圖3)。他們通過進一步理論分析認為，濃度的增加會導致反滲透膜濃水側的滲透壓增大，有效過濾壓力降低，從而使水通量下降；同樣，由于料液濃度的升高，膜表面附近溶液的濃度也升高，溶質穿過膜的推動力將變大，更多的溶質穿過膜進入透過液，故脫鹽率下降，因此提高料液濃度，不利于膜性能的提高。

2.4 料液流速的影響

郭宇彬[11]在料液流速對膜分離性能的影響方面做了一系列實驗，結果顯示：隨著料液進口流速(流量)的增加，脫鹽率呈上升趨勢，而膜的水通量略有下降(如圖4)。但其對整個系統運行的經濟性分析后認為，由于提高料液流速導致系統泵功的增大，反而增加了運行成本，故提高料液的流速意義不大。

圖3 料液濃度對膜通量的影響

圖4 料液流速對膜通量的影響

由上述各操作因素對反滲透膜分離性能影響的分析可知，在膜組件運行時，對不同的分離對象(物料)，合理調整操作壓力、料液溫度、料液濃度以及料液流速等操作因素是非常必要的，它不僅有利于提高反滲透膜的分離性能，而且對提高反滲透膜工藝的能源利用效率也是非常有意義的。

3 反滲透膜分離技術在制冷空調中的應用

由以上關于反滲透膜分離技術的研究可知，反滲透膜在物料分離方面存在優異性能，在工業生產中有著廣泛的應用和巨大的發展潛力。眾所周知，制冷空調行業同樣涉及物料分離，尤其是吸收式制冷中制冷劑與吸收劑的分離過程，以及中央空調系統中的除濕過程、冷卻水處理過程。如何將反滲透膜分離技術應用到制冷空調行業，已成為國內外學者的研究熱點。

1膜分離裝置 2噴射器 3吸收器 4溶液升壓泵 5蒸發器 6制冷劑循環泵 7節流閥

1加熱系統 2流量表 3冷卻塔 4補水箱 5反滲透膜 6高壓泵 7緩沖罐 8回洗泵 9超濾膜 10壓力表 11過濾器 12給水泵 13給水箱 14循環泵

國內方面，主要集中在與吸收式制冷系統的結合應用上，王京華[12]最早提出了將膜法分離技術應用于吸收式制冷的相關專利，采用膜分離裝置代替傳統蒸汽吸收式制冷機的發生器，從而實現制冷劑-吸收劑工質對的再生循環；基于膜法分離的思想，宣伯民[13]針對現有溴化鋰吸收式制冷機存在的耗熱量大、體積龐大、結構復雜等不足，提出了一種膜分離濃縮溶液的溴化鋰吸收式制冷機，從而達到減少設備、節省投資和節約能源的目的；東南大學杜塏等[14]獲得了“一種采用液體噴射泵的膜滲透吸收式制冷循環裝置(如圖5)”發明專利授權，系統地介紹了其循環方法，該循環采用溶液升壓泵和膜滲透裝置替代發生器和冷凝器，簡化了系統的設備，利用膜滲透進行二元溶液的分離，省略了傳統的吸收式制冷循環系統的發生和冷凝過程，從而避免了由于冷凝相變產生的能量損失，同時采用噴射泵回收膜滲透高壓液體節流的能量，提高吸收壓力，增大吸收-滲透循環溶液的濃度差，從而提高該系統的熱力系數；浙江大學韓曉紅等[15]報道了一種半滲透膜式吸收式制冷系統，該系統具有工質適應性好，能有效避免傳統吸收式制冷系統中普遍存在的腐蝕、結晶或毒性等問題，拓展了工質對的選擇范圍，能利用更低品位的低溫余熱廢熱，且具有較為顯著的節能性。

反滲透膜分離技術在中央空調方面的研究應用較少，東南大學梁彩華等[16]公開了一種基于反滲透膜溶液再生的空氣源溶液熱泵裝置，利用反滲透膜進行溶液再生，相比現有溶液再生方法(如加熱再生)具有節能、高效和緊湊的特點，且溶液基于膜滲透再生，使得熱泵系統能夠適用于各種高濕低溫地區，并具有較高的性能，不再受到溶液再生熱源溫度的限制；大連理工大學Yan Han等[17]模擬了采用超濾-反滲透(UF-RO)聯合系統對空調冷卻水處理的優化方法(如圖6)，結果表明，在反滲透膜分離之前，使用超濾預處理，循環水流量減少，且能夠有效避免冷卻水結垢和腐蝕管路的現象，與傳統的采用化學抑制劑處理方法相比，UF-RO法應用在中央空調冷卻水處理系統更為經濟合理。

國外在反滲透膜分離技術應用于制冷空調方面的研究起步較早，上世紀八十年代，美國Beasley D E等[18]就提出在吸收式制冷循環中引入壓力驅動的膜分離裝置(簡稱HF，如圖7)，用于實現吸收劑-制冷劑的分離，計算分析了采用不同制冷工質對時的系統性能系數，并與傳統蒸汽壓縮制冷循環(簡稱VC)的性能進行了比較，結果表明：在相同工作溫度條件下，HF循環的制冷系數和高溫換熱狀況僅稍遜于VC循環，通過開發合適的制冷工質對，則可能進一步提高壓力驅動的吸收式制冷系統的性能；英國Riffat S B等[19]將離心式反滲透膜組件應用到吸收式制冷系統(簡稱CR，如圖8)，相同工作溫度條件下，該系統制冷系數(6.6～7.6)略高于傳統蒸汽壓縮式制冷系統(約6.5)，同時，與傳統壓力驅動的吸收式系統相比，CR系統的離心式反滲透膜組件取代了HF系統中昂貴的溶液升壓泵和透平機，較為經濟合理，盡管CR系統存在高速旋轉下引發的結構穩定性問題，但其作者相信離心-吸收式制冷系統仍具有替代傳統壓縮制冷系統的有效潛力；西班牙Simona S等[20]針對添加NaOH(用于提高發生器中氨的精餾程度，降低發生溫度)的氨水吸收式制冷機中吸收過程出現的問題，提出了將反滲透膜技術用于分離三元混合物中的NaOH，緩解NaOH對氨水吸收過程的不利影響，從而有效提高氨水的吸收性能。

1膜分離器 2高溫換熱器 3膨脹閥 4蒸發器 5透平機 6吸收器 7一級泵 8二級泵

1離心式膜組件 2節流閥 3蒸發器 4吸收器 5升壓泵

由以上國內外學者關于反滲透膜分離技術應用于制冷空調行業的研究可知，膜分離技術可簡化現有相關制冷空調系統的結構，有效提高系統的制冷性能，并有望替代傳統的熱驅動吸收式制冷模式。

4 結束語

本文介紹了反滲透膜分離機理，對比了多種分離過程理論模型的通量公式、應用場合及其應用局限性，綜述了操作壓力、料液溫度、料液濃度和料液流速等操作特性參數對反滲透膜分離性能的影響，解讀了反滲透膜分離技術在制冷空調行業中的應用研究。雖然反滲透膜具有高效的分離性能，且技術已日趨成熟，但是將其應用到制冷空調系統中的研究還處于初步階段，特別是相關的實驗研究較為匱乏，探究其原因筆者分析認為可能是反滲透膜分離過程對不同的分離物種有不同的要求，因此需要對適宜分離特定制冷工質對的反滲透膜進行深入地研究和探索，除此，反滲透膜分離技術需要較高的滲透壓，這對膜材料和膜滲透裝置的性能要求較高，隨著材料科學和機械加工技術的完善和提高，相信反滲透膜分離技術在制冷空調系統中的應用具有廣闊的前景和巨大的潛力。

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