新型中空纖維空氣隙式膜蒸餾海水淡化過(guò)程研究.pdf

1、膜蒸餾（MD）技術(shù)是一種新型熱驅(qū)動(dòng)膜分離過(guò)程，具有操作壓力低、截留率高、可利用低品位熱源等優(yōu)勢(shì)，用于海水淡化過(guò)程可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、高效和環(huán)保三重目標(biāo)?？諝庀妒侥ふ麴s（AGMD）技術(shù)因引入一層靜態(tài)空氣使得過(guò)程熱效率大大提高。與平板膜相比，中空纖維膜比表面積大，填充密度高且空氣隙厚度調(diào)節(jié)方便，用于 AGMD過(guò)程有望獲得更高的膜通量（JW）、造水比（GOR）甚至熱效率（η）。
　　本文針對(duì)現(xiàn)有中空纖維AGMD膜組件（AGMD-HF）空氣隙無(wú)法

2、穩(wěn)定存在， JW和GOR較低的不足，提出了一種中空纖維螺旋纏繞式膜組件。該膜組件通過(guò)在中空纖維膜外引入一層隔熱管狀隔網(wǎng)，使得隔網(wǎng)厚度等同于空氣隙厚度，并將中空纖維膜與中空纖維冷凝管以1:3的比例呈立體交錯(cuò)纏繞編排，形成中空纖維膜管束，再以膜管束為基本填充單元，在膜殼內(nèi)部平行排布，從而保證了低厚度且可準(zhǔn)確計(jì)算的空氣隙，及較高的膜通量、造水比和熱效率。
　　實(shí)驗(yàn)以3.5 wt.％模擬標(biāo)準(zhǔn)海水為進(jìn)水，對(duì)該新型膜組件用于海水淡化過(guò)程進(jìn)行了

3、研究。系統(tǒng)考察了膜組件的運(yùn)行穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和性能提升效果，以及料液進(jìn)水溫度（T3）、進(jìn)水流量（Fh）和冷凝液進(jìn)水溫度（T1）、進(jìn)水流量（Fc）對(duì)AGMD過(guò)程性能的影響，并與平板式太陽(yáng)能集熱器形成耦合體系探討在具體地域利用太陽(yáng)能熱源驅(qū)動(dòng)膜蒸餾過(guò)程的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：膜組件運(yùn)行穩(wěn)定性良好，連續(xù)運(yùn)行600h情況下，JW、GOR和η均保持較小波動(dòng)，電導(dǎo)率ζ在后期也逐漸處于5.8μS/cm基本不變；膜組件熱損失ΔT始終處于0.3℃-0.6℃

4、，表明傳導(dǎo)熱損失很小，幾乎可忽略不計(jì)；與中空纖維平行填充結(jié)構(gòu)相比，螺旋纏繞結(jié)構(gòu)膜組件的JW、GOR和η分別提升19.6%、26.4%和7.9%；T3增加， JW、GOR和η隨之增加，T1增加，JW下降而GOR和η增加；Fh增加，JW上升而GOR和η明顯下降，F(xiàn)c對(duì)膜蒸餾過(guò)程性能影響較??；實(shí)驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)水ζ始終保持在10μS/cm以下，相應(yīng)的離子去除率ω高于99.99%，JW、GOR和η分別達(dá)到5.87 L/m2?h、5.37和0.943；在

5、天津地區(qū)的多云和晴朗兩種天氣條件下太陽(yáng)能集熱裝置運(yùn)行比較穩(wěn)定，可為AGMD過(guò)程提供比較充足的熱量。
　　利用面向中心復(fù)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（CCD）和響應(yīng)曲面法（RSM）對(duì)膜蒸餾過(guò)程的JW指標(biāo)進(jìn)行了模擬優(yōu)化。建立了JW與T3、T1和F（Fh=Fc）三種影響因子之間的二次多項(xiàng)式回歸模型；回歸模型的ANOVA檢驗(yàn)顯示其決定系數(shù)R2為0.986， p值低于0.0001而F值和信噪比分別達(dá)到77.3、31.7，表明模型具備較高的預(yù)測(cè)和分析響應(yīng)可信度

6、；CCD實(shí)驗(yàn)JW與預(yù)測(cè)響應(yīng)值平均誤差僅為6.95%；回歸模型的RSM分析顯示T3和F增加而T1減小均會(huì)導(dǎo)致JW的上升，且T3T1，T3F和T1F對(duì)JW的交互影響呈近似線性趨勢(shì)；引入期望函數(shù)得到各影響因子的最佳操作水平為T(mén)3=83.5℃，T1=13.2℃，F(xiàn)=60.2 L/h，該條件下的太陽(yáng)能加熱驅(qū)動(dòng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中膜通量達(dá)到6.47 L/m2?h，與預(yù)測(cè)目標(biāo)值誤差僅為7.57%，表明將太陽(yáng)能引入AGMD-HF海水淡化過(guò)程具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用潛力