PTFE中空纤维膜蒸馏高盐废水浓缩实验研究

王付杉，李继超，邢玉雷，韩克鑫，徐国荣

（1.自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192；2.山东电力建设第三工程有限公司，山东 青岛 266035）

高盐废水是指含盐量超过30 000 mg/L 的废水，其主要来自各个行业水的深度处理过程，这种废水通常含有的物质种类较多，其中主要包含硬度结垢离子、有机物、悬浮物杂质、盐四类物质［1］。高盐废水中含有大量污染物，直接排放会造成水体的严重污染，同时废水中的盐成分也是一种资源，回用非常有必要。目前处理高盐废水的方法主要有蒸发浓缩法、膜渗透除盐法及膜蒸馏浓缩法等。其中，膜蒸馏浓缩是一种以疏水微孔膜两侧蒸汽压力差为传质驱动力的膜分离过程，具有截盐率高、设备简单、操作方便、可利用低品位热源（如太阳能、地热、废热）、可进行高浓度盐水浓缩及对膜的机械强度要求低等技术优点［2-3］。膜蒸馏技术广泛应用于海水及苦咸水淡化、食品工业中果汁浓缩、废水回收处理和超纯水制备等领域［4］。

文章旨在通过单效真空膜蒸馏方式对含NaCl高盐废水进行浓缩实验研究，研究操作条件对膜通量和截盐率的影响规律，并验证其可行性，为工业中的高盐废水处理提供技术支撑。

1 实验

1.1 实验膜材料

PTFE 膜材料具有疏水性强、化学稳定性好、热稳定性高的优点，实验研究中使用PTFE 中空纤维膜组件（南京中科碧盾新膜科技有限公司提供），具体参数见表1。

表1 PTFE中空纤维膜组件参数Tab.1 Parameters of PTFE hollow fiber membrane component

1.2 实验料液

含NaCl 的高盐废水溶液，电导率在35 000～80 000 μs/cm之间。

1.3 实验装置及流程

实验采用的单效真空膜蒸馏（VMD）装置流程见图1。

图1 单效真空膜蒸馏实验装置流程图Fig.1 Flow chart of experimental apparatus for single effect vacuum membrane distillation

实验过程中，含NaCl高盐废水溶液经过过滤后由料液循环泵打入料液罐中，料液罐中的加热器加热料液到指定温度后，进入中空纤维膜组件管程内，膜组件壳程一侧通过真空泵抽真空，并控制压力在一定数值；在膜组件中，来自热料液侧的水蒸气在压力差作用下通过疏水的PTFE 膜孔进入冷凝水侧，在冷却器和风机的辅助下，实现冷凝，冷凝水在冷凝水罐中收集，并由冷凝水泵排放，未通过PTFE 膜的高盐废水在料液循环泵作用下回到料液罐中，继续浓缩。

1.4 实验性能参数测定

1.4.1 膜通量

膜通量是膜蒸馏过程中重要的指标参数，影响因素包括膜下游侧压力值、料液流量、料液温度、料液浓度等，其计算公式如下［5］：

式中：J为膜蒸馏过程膜通量，单位L/m2·h；V为一定时间测定的膜下游冷凝水的体积，单位L；S为膜的有效面积，单位m2；t为收集一定体积冷凝水所需时间，单位h。

1.4.2 截盐率

截盐率（R）用于评估膜组件对盐类的拦截效率，其计算公式如下：

式中：R为截盐率，单位%；DF为料液电导率，单位μs/cm；DP为馏出液电导率，单位μs/cm。

2 高盐废水浓缩实验结果分析

2.1 膜下游侧压力对膜通量及截盐率的影响

真空膜蒸馏是以疏水膜两侧蒸气压力差为传质驱动力的膜分离过程，因此膜下游侧压力对传质过程的影响非常大。膜下游侧压力对膜通量和截盐率的影响结果见图2。实验中采用疏水性PTFE中空纤维膜，设置高盐废水料液温度为75 ℃，料液流量为1 m3/h，料液浓度为35 000 μs/cm。在此操作条件下，通过图2可以看出，随着膜下游侧压力值的增大，膜通量逐渐降低，而膜截盐率维持在99.8%以上。随着膜下游侧压力值的增大，在原料侧压力值一定的前提下，跨膜两侧的压力差逐渐减小，导致PTFE 膜两侧跨膜传质推动力逐渐降低，而PTFE 膜两侧的跨膜通量与传质推动力成正比，因此膜通量随着膜下游侧压力值增大而降低。

图2 膜下游侧压力对膜通量及截盐率的影响Fig.2 Effect of membrane downstream side pressure on membrane flux and salt interception rate

2.2 料液流量对膜通量及截盐率的影响

实验中采用的PTFE 中空纤维膜纤维直径很小，管内液体流动主要以层流为主，传质过程存在浓度边界层和温度边界层，因而料液流量大小会影响传质过程，进而影响膜通量。

高盐废水料液流量对膜通量和截盐率的影响结果见图3。实验中采用疏水性PTFE 中空纤维膜，设置高盐废水料液温度为70 ℃，料液浓度为35 000 μs/cm，膜下游侧压力值维持在15 kPa。

图3 料液流量对膜通量及截盐率的影响Fig.3 Effect of feed liquid flow on membrane flux and salt interception rate

通过图3可以看出，在此操作条件下，随着高盐废水料液流量的加大，膜通量逐渐增加，而膜截盐率维持在99.8%以上。这是因为料液流量的增加削弱了管内流体流动的层流边界层，使得传质阻力降低，同时温度边界层也变薄，使得膜表面温度升高，料液蒸发速率加快，传质效率提高，膜通量增加。

2.3 料液温度对膜通量及截盐率的影响

高盐废水料液温度对膜通量和截盐率的影响结果见图4。实验中采用疏水性PTFE 中空纤维膜，设置高盐废水料液流量为1 m3/h，料液浓度为35 000 μs/cm，膜下游侧压力值维持在15 kPa。在此操作条件下，通过图4可以看出，随着高盐废水料液温度的升高，膜通量逐渐增大，而膜截盐率维持在99.8%以上。产生这一实验结果可能是因为料液侧温度升高，使得膜蒸馏过程的热侧蒸气压增加，进而增加PTFE 膜两侧的压力差，也就使得膜蒸馏过程的传质推动力增加。但需要注意的是，膜蒸馏过程使用的是疏水性PTFE 中空纤维膜，膜丝在实验过程中存在被润湿的可能，温度越高，被润湿的可能性越大。此外，中空纤维膜组件制作所用环氧密封树脂在高温下容易脱落，造成膜组件漏液，导致实验失败。因此，在膜蒸馏过程中，一般设置蒸发温度在60～80 ℃之间。

图4 料液温度对膜通量及截盐率的影响Fig.4 Effect of feed liquid temperature on membrane flux and salt interception rate

2.4 料液浓度对膜通量及截盐率的影响

高盐废水料液浓度对膜通量和截盐率的影响结果见图5。实验中采用疏水性PTFE 中空纤维膜，设置高盐废水料液流量为1 m3/h，料液温度为70 ℃，膜下游侧压力值维持在15 kPa。在此操作条件下，通过图5可以看出，随着高盐废水料液浓度的增大，膜通量逐渐减小，而膜截盐率维持在99.8%以上。这是因为真空膜蒸馏过程，在膜的原料液侧存在浓度边界层，料液浓度的升高会导致边界层的浓差极化现象加剧，进而导致传质效果变差，膜通量降低。同时，料液的黏度会随着含盐量浓度的增加而增加，黏度增加又会导致浓度边界层和温度边界层变厚，使得蒸气压降低，传质推动力减小，膜通量降低。总的来说，料液浓度增加会导致膜通量降低。

图5 料液浓度对膜通量及截盐率的影响
Fig.5 Effect of feed liquid concentration on membrane flux and salt interception rate

3 结论

针对工业生产中常见的含氯化钠（NaCl）高盐废水，以疏水性PTFE 中空纤维膜组件为载体，采用真空膜蒸馏的方式进行浓缩处理实验研究，研究各项操作条件对膜通量和截盐率的影响。

实验结果表明，膜下游侧压力增加，膜通量会逐渐降低；废水料液流量和料液温度的增加均有助于提高膜通量；废水料液浓度的增加，会抑制传质过程，降低膜通量。各项实验操作条件对膜截盐率的影响很小，膜截盐率一直保持在99.8%以上，说明疏水性PTFE 中空纤维膜蒸馏用于高盐废水浓缩具备可行性。