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真空膜蒸馏处理反渗透浓水机理
来源：广州超禹膜分离技术有限公司
发布时间：2026-09-16 11:24
膜蒸馏（MD）利用膜两侧由温度梯度产生的蒸汽压差作为传质推动力，使用疏水性微孔膜来分离含有非挥发性溶质的水溶液。MD具有截留率高、操作温度低、操作压力小等优势。MD主要有以下四种形式：直接接触式膜蒸馏（DCMD）、气隙式膜蒸馏（AGMD）、气扫式膜蒸馏（SGMD）和真空式膜蒸馏（VMD）。其中，VMD因具有通量大、热效率高、能够处理高浓度的盐水等优势而被广泛应用于海水和微咸水淡化、工业废水处理、化学工程等领域。
目前，在真空膜蒸馏传热过程中不可避免地会出现温度极化，其中温度极化效应导致进料液与膜-水界面之间存在温差。根据Antoine方程，膜水界面处的较低温度导致膜两侧蒸汽压差下降，致使通量减小。同时在膜滤过程中沉积在膜表面或膜孔内的沉积物会造成膜污染，膜上形成的结垢层会提供额外的热阻，致使膜表面温度下降，从而降低驱动力，污垢的存在能够降低膜的渗透通量和脱盐率，对VMD工艺的脱盐和净化过程造成严重影响。
VMD系统中使用的是疏水膜，由于毛细作用，进料液会因其高表面张力在膜孔处形成凸液面，阻碍液体进入膜孔。当膜孔内沉积污染物时，会使疏水膜孔亲水化，膜开始局部失去疏水性，进一步导致膜润湿。膜润湿可分为四种程度：不润湿、表面润湿、部分润湿和完全润湿。表面润湿使气液界面向渗透侧移动。随着温度极化的增加，孔隙中蒸汽界面的温度降低，渗透通量逐渐下降。随着进料液深入膜孔，会发生部分润湿。在这种情况下，部分润湿会减少膜蒸馏的有效表面积，降低膜通量，但是大多数孔隙是干燥的，所以还可以继续进行膜蒸馏。在完全润湿的情况下，膜通量会大幅升高，此时透过膜的是液体，而不是蒸汽，也意味着膜蒸馏过程的失败。当VMD系统处理无机盐溶液时，进料溶液中盐浓度会随着浓缩过程不断升高并达到过饱和状态，溶液中无机盐势必会结晶造成无机污染。膜表面晶体结垢能够生长并渗透膜孔，引起膜通量衰减，产水率下降，还会增加膜孔堵塞和膜润湿的风险，从而影响VMD系统运行。考虑到海水淡化过程中海洋浮游植物产生的藻类有机物（AOM）的存在会影响膜性能，选用海藻酸钠（SA）来模拟AOM引起的有机污染。SA中含有丰富的游离羟基和羧基官能团，可以形成分子内氢键，并对金属离子有较高的吸附亲和力，可能会与金属阳离子发生络合反应，形成络合物并引起有机-无机复合污染。
一、材料与方法：
① 实验材料：本实验采用PTFE平板膜，平均膜孔径为0.1µm，膜厚度为0.55mm，孔隙率为70%，接触角为120°，膜的有效面积为0.06m2。VMD系统运行流程如下：在控制柜中设定所需实验温度，通过加热罐将进料溶液加热至设定温度后，开启磁力泵将进料液送至膜组件并进行循环，产生的水蒸气在跨膜压差的驱动下穿过膜孔进入渗透侧，并由真空泵抽至冷凝管，最后收集蒸馏液用于后续实验。
本实验所用的RO浓水是根据参考文献配制的模拟海水RO浓水。其中无机盐包括32.61g/L的氯化钠、1.03g/L的氯化钾、4.52g/L的氯化镁、2.91g/L的硫酸镁、1.80g/L的硫酸钙，溶液电导率为85~95mS/cm，用于探究无机污染规律，优化运行条件；采用SA模拟VMD过程的有机污染，其浓度为100mg/L，用于探究有机污染规律；进一步配制上述无机盐与SA混合液，用于探究有机-无机混合污染规律。
② 分析项目及方法：在VMD系统运行过程中，VMD性能受到多种条件的影响，比如进料流量、渗透侧真空压力和进料温度等。为了考察这些因素对VMD性能的影响程度，选取真空压力、进料温度、进料流量作为实验的三个因素，每个因素设置三个水平（其中真空压力选取0.07、0.08、0.09MPa，进料温度选取50、60、70℃，进料流量选取400、500、600L/h），以膜通量和脱盐率为考察指标，进行正交实验。在本研究中，考察VMD系统效能的指标主要包括膜通量、脱盐率和浓缩比。
二、结果与讨论：
① 工况优化：正交实验结果及极差分析。可以看出，9组实验的脱盐率均为99.9%，都能满足实验要求。进料温度、真空压力、进料流量三个因素的极差分别为11.43、9.07、0.42。每个因素的极差大小代表了此因素对实验结果产生的影响程度，极差越大，影响越大。因此，这三个因素对实验结果影响的排序为进料温度>真空压力>进料流量。分析不同因素在特定水平下膜通量的总和（K值）可知，当真空压力为0.09MPa时，K值最大；当进料温度为70℃时，K值最大；当进料流量为600L/h时，K值最大。K值越大表示此水平对膜通量的影响越大。综上所述，最优工况如下：进料温度为70℃、真空压力为0.09MPa、进料流量为600L/h。
② 进料温度对VMD膜通量及脱盐率的影响：在进料流量为600L/h、真空压力为0.09MPa的条件下，将进料溶液浓缩至相同的倍数（3倍），分析进料温度对VMD系统膜通量的影响，随着进料温度的升高，膜污染现象加剧。进料温度越高，VMD系统膜通量的下降趋势越显著。当进料温度为50℃时，膜通量从初始的9.69kg/（m2·h）下降至7.28kg/（m2·h），下降了24.87%；而当进料温度升至60℃时，VMD系统膜通量从初始的12.92kg/（m2·h）降至8.73kg/（m2·h），下降了32.43%，膜污染现象加剧；当进料温度为70℃时，VMD膜通量从初始的22.60kg/（m2·h）降至13.66kg/（m2·h），下降了39.56%，说明膜污染进一步加剧。在不同温度下，整个浓缩过程中蒸馏液的电导率均保持在较低水平，脱盐率达到99.9%，此时并未发生真空压力过大而将溶质吸至渗透侧的现象，同时说明在此运行期间膜未完全润湿。
③ 真空压力对VMD膜通量及脱盐率的影响：在进料流量为600L/h、进料温度为70℃条件下，将进料溶液浓缩至相同的倍数（3倍），分析真空压力对VMD系统膜通量的影响，结果如图2所示。可以看出，随着真空压力的增加，膜污染现象加剧。真空压力越高，VMD系统膜通量的下降趋势越显著。当真空压力为0.07MPa时，膜通量从初始的10.89kg/（m2·h）下降至7.95kg/（m2·h），下降了27.00%；而当真空压力增加至0.08MPa时，VMD系统膜通量从初始的16.71kg/（m2·h）下降至11.10kg/（m2·h），下降了33.57%，膜污染现象加剧；当真空压力为0.09MPa时，VMD膜通量从初始的22.60kg/（m2·h）下降至13.66kg/（m2·h），下降了39.56%，膜污染进一步加剧。在不同真空压力下，整个浓缩过程中蒸馏液的电导率均保持在较低水平，脱盐率达到99.9%，此时并未发生真空压力过大而将溶质吸至渗透侧的现象，也说明在此运行期间膜未完全润湿。
④ 进料流量对VMD膜通量及脱盐率的影响：在进料温度为70℃、真空压力为0.09MPa条件下，将进料溶液浓缩至相同的倍数（3倍），分析进料流量对VMD系统膜通量的影响，结果如图3所示。可以看出，进料流量的增加会抑制膜污染。随着进料流量的增加，膜通量下降趋势得以减缓。当进料流量为400L/h时，膜通量从20.20kg/（m2·h）下降至11.20kg/（m2·h），下降了44.55%；而当进料流量为500L/h时，VMD系统膜通量从初始的20.92kg/（m2·h）下降至12.34kg/（m2·h），下降了41.01%，膜污染现象得到缓解；当进料流量为600L/h时，VMD膜通量从22.60kg/（m2·h）下降至13.66kg/（m2·h），下降了39.56%，说明膜污染现象得到进一步缓解。在不同进料流量下，整个浓缩过程中蒸馏液的电导率均保持在较低水平，脱盐率达到99.9%，并未发生真空压力过大而将溶质吸至渗透侧的现象，也说明在此运行期间膜未完全润湿。
⑤ 不同运行条件下污染膜表面形貌：对污染膜进行SEM表面形貌观测，随着进料液温度的升高，膜表面沉积物量增加，污染面积增大，清洁膜孔减少，膜污染现象加剧。分析原因：①硫酸钙的饱和溶解度在高温下会降低，更容易结晶。②进料液温度越高，膜通量越大，浓差极化现象也越严重，严重的浓差极化会导致膜表面附近的盐浓度显著升高，当膜附近的局部浓度超过临界溶解度时，膜表面与溶质分子之间的相互作用将促进晶体成核，膜上将生成盐的沉淀；此外，膜表面料液的过饱和度越大，晶体临界成核功越小，越容易在膜表面成核并生长，进而导致污染加剧。③相同过饱和度下，结晶成核和生长动力学也与温度有关，提高进料溶液的温度能够减少晶体诱导成核时间，从而加速盐结晶。
从真空压力的影响可以看出，随着真空压力的提高，膜表面沉积物量增加，污染面积增大，清洁膜孔减少，膜污染现象加剧。究其原因，当真空压力增大时，跨膜蒸汽压梯度增大，即跨膜传质驱动力增大，渗透通量的增加增强了进料侧的极化效应（浓度和温度），极化效应增加了膜表面附近的盐浓度，致使晶体更容易堆积在膜表面。此外，在较高的真空压力下，膜对溶质颗粒的吸力会增加，导致溶质颗粒更容易吸附到膜表面形成污染。从进料流量的影响可以看出，当进料流量由400L/h增加至600L/h时，膜表面均出现大量的沉积物，同时在进料流量达到600L/h时，膜表面沉积物量有少量减少，说明在较高的进料流量下，对膜污染有一定的抑制作用。膜污染随着进料流量增加而减缓的原因主要有以下两个方面：一方面，提高进料液流速能强化边界层内的传热传质，削弱浓差极化效应，减少膜表面的盐浓度，使盐结晶推动力降低，由此增大了晶核形成的能垒而降低膜垢出现的几率；同时，较高进料流速能降低流体的平均停留时间，当平均停留时间小于结晶成核诱导时间时，溶质分子将难以在膜表面成核。另一方面，随着进料液流速的提高，膜表面附近的流体剪切力增大，较高的剪切力在一定程度上可将沉积在膜表面的污染物带回进料液主体中，从而限制膜表面污染层厚度的增加，减缓通量下降速率，缓解膜污染。
⑥ VMD系统有机污染规律：以SA作为有机溶液，在进料流量为600L/h、进料温度为70℃、真空压力为0.09MPa、连续运行15h条件下，SA浓度对VMD系统膜通量的影响如图5所示。可以看出，随着SA浓度的增加，膜污染现象加剧。当SA浓度为50mg/L时，VMD系统连续运行15h后，膜通量从初始的22.94kg/（m2·h）下降至17.26kg/（m2·h），下降了24.76%；而当SA浓度为100mg/L时，VMD系统连续运行15h后，膜通量从初始的22.78kg/（m2·h）下降至15.24kg/（m2·h），下降了33.10%。
⑦ VMD系统无机-有机复合污染规律：以RO浓水和SA混合溶液作为进料溶液，在进料流量为600L/h、进料温度为70℃、真空压力为0.09MPa、系统连续运行15h的条件下，分析VMD系统有机-无机复合污染情况，
当进料液中RO浓水和SA同时存在时，对VMD系统的膜污染影响不显著，且有机物浓度增加，复合污染有少量提升，但不显著。当以RO浓水作为进料液时，VMD系统运行15h后，膜通量从初始的22.29kg/（m2·h）下降至10.21kg/（m2·h），下降了54.19%；当向RO浓水中加入50mg/L的SA时，膜通量从初始的22.17kg/（m2·h）下降至8.90kg/（m2·h），下降了59.86%；而当向RO浓水加入100mg/L的SA时，VMD系统膜通量从初始的22.07kg/（m2·h）下降至7.09kg/（m2·h），下降了67.87%。利用SPSS软件进行显著性分析，结果表明，本研究中SA浓度不是显著性因素。在不同进水水质下，将进料液浓缩15h后，蒸馏液的电导率均保持在较低水平，脱盐率达到99.9%，出水水质较好。可见，此时并未发生真空压力过大而将溶质吸至渗透侧的现象，也说明在此运行期间膜未完全润湿。
三、结论：
① 无机膜污染实验表明，膜污染随着温度的升高而加剧，当进料温度从50℃增加到70℃时，膜通量相对初始值的下降率从24.87%增加到39.56%；真空压力增大时膜污染加剧，当真空压力从0.07MPa增加到0.09MPa时，膜通量相对初始值的下降率从27.00%增加到39.56%；在较高的进料流量下，对膜污染有一定的抑制作用，当进料流量从400L/h增加到600L/h时，膜通量相对初始值的下降率从44.55%下降到39.56%。
② 有机膜污染实验表明，当进料液中存在SA时，SA会污染膜表面，并使膜表面形成一层较薄的凝胶层，导致通量下降；当SA浓度为100mg/L时，VMD系统连续15h后，膜通量相对初始值下降了33.10%。
③ 无机-有机复合膜污染实验表明，与无机溶液相比，当进料溶液中加入有机物后，膜污染会加剧；当进料液中SA浓度增加时，膜污染会进一步加剧。这主要是因为SA会与溶液中的二价阳离子（Ca2+）发生络合作用，加剧膜污染。
④ 整个实验过程中蒸馏液的电导率均保持在较低水平，脱盐率达到99.9%，出水水质较好，此时并未发生真空压力过大而将溶质吸至渗透侧的现象，这也说明在整个实验期间所有膜均未完全润湿。
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