膜接觸器脫除水中氧氣

李鵬

【摘要】為了確保鍋爐的安全、高效運行，必須嚴格控制鍋爐給水水質指標一含氧指標。目前較常用的除氧方法主要有熱力除氧、解析除氧、化學除氧真空除氧等，而膜分離除氧技術是近幾年開發成功的一種新型除氧技術，這種除氧方法高效低能，可以較好地克服傳統除氧方法的不足，除氧后水質穩定。

【關鍵詞】鍋爐水 膜組件 除氧

各種鍋爐在人們的生活、生產中發揮著重要作用。在我國，火力發電在發電領域占有重要地位，鍋爐房更是火力發電廠的心臟。隨著鍋爐在各領域的廣泛應用，其氧腐蝕的問題已引起人們的注意。所謂氧腐蝕，是指鍋爐給水含有溶解氧，容易造成鍋爐受熱面氧化腐蝕，使鍋爐受熱面強度降低，嚴重時導致發生鍋爐爆管事故。我國鍋爐發生的爆管事故大多是由氧腐蝕引起的。據不完全統計，鍋爐的各種故障與氧腐蝕有關的占40%以上，因此引起有關部門的重視，國家標準局為此發布了國家標準GB1576-85，其中明文規定鍋爐蒸發量≥2t/h時均要進行鍋爐用水的除氧。為了確保鍋爐的安全、高效運行，必須嚴格控制鍋爐給水水質指標特別是含氧指標。現階段常用鍋爐用水除氧現有技術方法主要有：化學劑除氧、除氧器除氧、真空除氧、解吸除氧、膜法脫氣除氧技術。

膜接觸器通常用中空纖維膜把兩種流體隔開兩流體接觸面在膜孔出口處，組分i通過擴散傳質穿過接觸界面進入膜的另一側。傳質過程分以下3步進行：從進料相進入膜;然后擴散通過膜;接著從膜下游傳遞到接收。與其它大多數的膜操作不同，膜接觸器用的膜材料不需要對流體有選擇性。膜接觸器的推動力是濃度差，膜接觸器只需要很小的壓力差就可以使兩流體的接觸界面保護在膜孔出口處。

膜法除氧技術利用膜接觸器（membrane contanctor）來實現。膜接觸器有中空纖維式、卷式和平板式三種類型憎水微孔膜，可以由氟塑料和聚烯烴制備而成。膜接觸器被憎水微孔膜分隔為兩個相區，一個為水相區，一個為氣相區。氣相區與真空系統連接。溶氧原料水進入膜接觸器后，由于膜的為僧水微孔膜，水不能通過膜孔進人氣相區，而氣體能夠通過膜孔傳質到氣相區。在真空減壓的作用下，氧在膜兩側的水相區和氣相區存在分壓差，因而氧氣通過膜孔傳質到氣相區中，被抽空排除。從而實現原料水的脫氧，得到的脫氧水被排出膜組件。這和真空減壓脫氣塔的操作相似。

膜組件除氧裝置中使用聚丙烯微孔疏水中空纖維膜，其外徑0.4mm，壁厚0.3mm，膜上的微孔孔徑30nm，開口比大于33%。取500根長度為750mm的該中空纖維膜，兩端分別用20mm厚的環氧樹脂層固定，置于內徑19mm的尼龍管中構成膜組件，此時總的有效膜面積為0.409m²。運行時，原水從進水端進入纖維內腔，純N₂勺匝流或逆流在纖維外側流動，DO（溶解氧）經中空纖維壁滲透到N₂一側，除氧后的純水從出水端流出。其基本原理是膜基氣體解吸，將水和吹掃氣體（純N₂）間置以疏水性中空纖維膜，當液體側壓力略大于氣體側，但壓差不大于臨界突破壓力時，水不可能透人膜孔，因此氣聲液兩相的分界面固定于疏水膜的液體側，當纖維外側有吹掃氣體N₂通過時，由于液相中氧氣的分壓大于氣體一側，基于亨利定律，水中的DO將透過纖維膜并被氮氣帶出系統。

與其他方法比較，膜組件優點是節省能量，這種工藝中只有配水泵需要消耗部分能量，而這一部分能耗也是其他除氧工藝不可缺少的，因此，其操作費用同傳統的蒸汽加熱或抽真空相比是很低的。相比較而言，膜組件因涉及到膜和催化劑而需要較高的投資，但由于其節省能耗，所以從長期運行的角度來講它們還是經濟的;而且，在對DO有著嚴格要求的工業生產中，DO超標則會導致巨大的損失，選用膜反應器可獲得最好的除氧效果進而有效地保證產品質量。

與其他物理方法相比，在膜組件操作中，膜界面使水和氣得以分開，這樣就允許氣體流速和水流流速可以分別控制而不相互影響，因而更易于操作和維護。

在膜接觸器中，氧合器、脫氣和充氣接觸器已廣泛應用，膜蒸餾和膜吸收也有少量的應用，其他過程都在不同發展階段。接觸器較新的應用是在以下幾方面：

（1）在質譜分析中的應用

中空纖維膜接觸器和質譜聯合使用，使質譜能同時在線測量氣相和液相的濃度，再通過計算機等輔助設備監控整個體系。氣體或揮發性化合物組分i通過膜孔進入吸收液，通過測吸收液組分的濃度就可以得知組分i的濃度。組分i的濃度和質譜的信號成線性關系，隨著膜面積的增加，質譜的響應時間和測量的靈敏度增加。

（2）在電泳中的應用

在原來的電泳分離器中，離子交換膜限制了分子量超過500g/mol的溶質通過，雖然能達到很高的分離效果，但是處理量很小，每小時只有幾毫克。在電滲析中，用多孔膜替代離子交換膜可以克服這些缺點，可大大提高處理量而不影響分離效果。電泳廣泛應用于生物技術領域，如蛋白質的提取、生物分子的分離等，在不破壞生物活性的同時達到很好的分離效果。現今膜電泳接觸器的應用為電泳分離在生物技術領域的工業化應用提供了廣泛的前景。

膜接觸器是一個相當廣泛的膜過程，不同膜接觸過程其傳質特性、傳遞機理、流體的流動方式、有化學反應和無化學反應對傳質的影響、膜結構與材料的影響、膜組器形式的改進及操作參數的控制等，在未來會有更好的前景。

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