第四节 苦咸水淡化技术及设备

一、纳滤脱盐性能与操作条件

纳滤（NF）作为一项新兴的膜分离技术正逐渐应用于苦咸水淡化。本节选择不同操作条件（压力、温度和浓度）对五种单组分无机电解质溶液（NaF、NaCl、CaCl₂、Na₂SO₄和MgSO₄）进行纳滤膜分离性能的影响实验。

（一）纳滤膜分离电解质溶液的影响因素

1.压力

用NF90和NF270两种膜分别在压力为0.50MPa、0.75MPa、1.00MPa、1.25MPa和1.50MPa条件下对五种无机电解质NaF、NaCl、CaCl₂、Na₂SO₄ 和 MgSO₄ 进行分离试验。F^-为5mg/L；NaCl、CaCl₂、Na₂SO₄ 和 MgSO₄ 溶液的浓度均由去离子水配制成1000mg/L。试验中原水的温度由恒温水浴锅控制在15℃，流量为6.0L/min，运行120min后取样分析并测量膜通量，试验结果见图3 99。

由图3-99可知，随着压力的升高，除Na₂SO₄的离子截留率变化很小外，另外四种无机电解质的离子截留率都在增大，但当压力达到1.0MPa以后，截留率增大的趋势变缓，逐渐趋向于稳定值；两种纳滤膜的膜通量均随压力的升高而线性增大，NF270的膜通量比NF90的膜通量高许多。纳滤是以压力为驱动力的膜分离过程，压力对膜的分离性能影响较大。由溶解—扩散模型可知：

水通量公式：

盐通量公式：

浓差极化因子公式：

式中：F_w为水通量；F_s为盐通量；A为水透过系数；B为盐透过系数；ΔP为压力差；β为浓差极化因子；Δπ为渗透压；C₁为原水浓度；C₂为出水浓度；C_b为膜液界面盐浓度；C_m为原水主体盐浓度。

水通量随压力呈线性增大，盐通量与压力没有直接的关系，只是膜两侧盐浓度的函数。而膜通量包括水通量和盐通量，因此膜通量随压力线性升高。此外，随着操作压力的增加，透过膜的水量增大而盐量不变，故脱盐率增大。但与此同时，膜两侧的盐浓度差不断增大，由式（3-22）可知浓差极化越来越严重，从而导致盐通量也在增加，使得脱盐率有降低的趋势。这两方面的共同作用使脱盐率增加逐渐变缓，最终趋向于一定值。

试验发现，NF90和NF270这两种膜对离子的截留率及膜通量差别很大。由于NF90膜孔径小（0.30nm）、荷电量高，因此它对无机电解质离子的截留率要高于NF270膜，均能达到95%以上，且截留率随压力的变化较小。而NF270膜由于其孔径较大（0.36nm）、荷电量低，它对1-1型NaCl、2-1型CaCl₂的离子截留率只有60%～70%，对1-2型Na₂SO₄、2-2型MgSO₄的截留率相对较高，能达到90%以上。这一现象可由道南效应来解释。由于NF270膜的表面是荷负电的，因此它对高价阴离子的截留率比对低价阴离子的截留率要高，当被大量截留时，为了保持体系的电中性，体系中的阳离子（Na⁺或Mg²⁺）同时也会被大量截留，从而截留率较高。此外，由于的Stokes半径较大，筛分效应也起到了一定的作用。对于NaF溶液，由于其浓度只有5mg/L，相对而言很低，并且F^-的扩散系数较小，扩散速度较低，因此两种膜对其截留率均比较高。NF270因其孔径较NF90大，所以其膜通量也较NF90膜大许多。

图3-99 两种纳滤膜对不同化合物的截留率及膜通量随压力的变化情况

2.温度

用NF90和NF270两种膜分别在温度为5℃、10℃、15℃、20℃和25℃的条件下对五种无机电解质NaF、NaCl、CaCl₂、Na₂SO₄和MgSO₄进行分离试验。NaF溶液的浓度由去离子水配制成11.05mg/L，其中F^-为5mg/L；NaCl、CaCl₂、Na₂SO₄ 和 MgSO₄ 溶液的浓度均由去离子水配制成1000mg/L。试验中原水的温度由恒温水浴锅控制在试验所需温度，压力为1.0MPa，流量为6.0L/min，运行120min后取样分析并测量膜通量，然后以温度为横坐标，截留率和膜通量为纵坐标绘图，分析温度对这五种无机电解质纳滤膜分离性能的影响情况，试验结果见图3 100。

图3-100 两种纳滤膜对不同化合物的截留率及膜通量随温度的变化情况

由图3-100可知，NF90膜对离子的截留率受温度的影响很小，变化不大，略有上升趋势；而NF270膜对离子的截留率受温度的影响相对较大（Na₂SO₄除外），对NaF、NaCl及CaCl₂溶液中离子的截留率随温度升高而下降，对MgSO₄溶液中离子的截留率随温度的升高略有上升，对Na₂SO₄溶液中离子的截留率随温度的变化不大；两种膜的膜通量均随着温度的升高而升高。NF90和NF270这两种膜均为芳香聚酰胺复合膜，当原水的温度升高时，聚合物分子链段的运动会加剧，使得膜孔变大；同时由于水是在氢键作用下以缔合体的形式存在的，这种缔合体的大小取决于温度，提高原水温度，水的缔合体的尺寸变小，黏度降低，水更加容易在压力作用下透过膜，从而导致水通量上升。盐离子同样也是以水合离子的形式存在，温度的增加，也会使得水合离子的半径减小，增大了盐离子的透过率，从而导致离子截留率的降低。由溶解—扩散模型可以解释：式（3-20）和式（3-21）中的A、B、Δπ都是温度的函数，即：

所以，当温度升高时，A、B及Δπ都会随之增大，从而膜通量增加。离子的截留率应根据膜及离子本身来确定。对于NF90膜，由于其孔径小、荷电量高，在对离子的截留上道南效应和筛分效应起的作用较大，离子截留率很高，即使盐透过系数增大了，但由于膜孔径很小，也仅有少部分离子会透过膜，大部分无机离子还是被截留在膜表面，因此NF90膜对离子的截留率受温度的影响很小。对于NF270膜，由于其孔径较大、荷电量低，对于阴离子半径较小的无机电解质溶液（如NaF、NaCl和CaCl₂），离子透过系数的增大会引起离子透过率的增大，从而便导致离子截留率的降低。但对于阴离子半径较大、电荷高的无机电解质溶液（如Na₂SO₄和MgSO₄），由于离子的半径大，膜对离子的筛分效应的影响相应就大，从而使得离子的透过率随盐透过系数增大而增大的幅度变小，所以离子截留率受温度的影响较小，在试验中的各个温度条件下，NF270膜对Na₂SO₄和MgSO₄的截留率均在95%以上。

3.浓度

用NF90和NF270两种膜分别在不同的浓度条件下对五种无机电解质NaF、NaCl、CaCl₂、Na₂SO₄和MgSO₄进行分离试验。NaF由去离子水配制成氟离子含量为5mg/L、10mg/L、15mg/L和20mg/L的溶液，NaCl、CaCl₂、Na₂SO₄和MgSO₄分别由去离子水配制成单盐浓度为500mg/L、1000mg/L、1500mg/L和2000mg/L的溶液。试验水温15℃，压力为1.0MPa，流量为6.0L/min，运行120min后取样分析并测量膜通量，试验结果见图3-101。

由图3-101可知，NF90膜对离子的截留率受浓度的影响不大，在试验浓度条件下，离子的截留率均能达到95%以上。NF270膜对离子的截留率受浓度的影响较NF90膜大，对NaCl和CaCl₂溶液中离子的截留率随浓度的升高而明显降低，对Na₂SO₄几乎没有影响，对MgSO₄截留率略有降低，在不同浓度条件下截留率均能达到95%以上。由于NaF溶液的浓度相对很低，最高只有20mg/L，所以两种膜对它的截留率均很高，达90%左右，且受浓度变化的影响不大。两种膜的膜通量均随着浓度的升高而下降，但相比于压力和温度条件，浓度对膜通量的影响较小。

图3-101 两种纳滤膜对不同化合物的截留率及膜通量随浓度的变化情况

由道南排斥理论可知，随着无机电解质浓度的增大，溶液中反离子的浓度也随之增大，从而逐渐中和纳滤膜的表面电荷，使纳滤膜的电荷效应减弱，由此导致了对无机离子的截留率下降。此外，原水中离子浓度的增加会导致纳滤膜浓水侧的渗透压增大，从而降低有效渗透压力，使通量下降。但在考虑道南效应的时候，筛分效应也不可忽略，对于NF90膜，由于其孔径小，筛分作用起到了很大的作用，从而导致浓度的变化对其影响不大。对于硫酸盐（Na₂SO₄和MgSO₄），由于的离子半径较大、扩散系数较小，又是二价阴离子，NF270膜对其道南效应和筛分效应均比较强，从而NF270膜对它们的截留均很高，且受浓度影响不大。

4.无机电解质种类

图3-102 相同条件下两种纳滤膜对不同无机电解质的截留率

图3-102显示的是在相同条件下，两种纳滤膜对不同无机电解质截留率的变化情况（由于NaF溶液的浓度太低，操作条件对离子截留率的影响均不大，因此只考虑其他四种无机电解质）。由图3-102可知，NF90膜对四种无机电解质的截留率均很高，能达到95%以上，主要是由于NF90膜的孔径小、荷电量高，道南效应和筛分效应作用较强。而对于NF270膜，四种无机电解质截留率的变化较大，截留率大小顺序为：Na₂SO₄>MgSO₄>NaCl>CaCl₂。NF270膜对硫酸盐的截留率要远远高于氯化物的截留率，这是由于二价阴离子与膜表面负电荷的静电排斥力更强，因而的截留率很高，同时为了维持溶液中的电荷平衡，相应的阳离子的截留率也较高，故硫酸盐的截留率要远远高于氯化物的截留率。NF270膜的这种性能使得它在硫酸盐含量较高的苦咸水中具有很好的应用前景，因为它在能很好地去除苦咸水中无机电解质的同时，还具有较高的出水通量。

（二）混合无机电解质溶液的纳滤膜分离试验

为了解纳滤膜对混合无机电解质溶液的分离性能，对由常见离子包括Na⁺、Ca²⁺及Cl^-、组成的双组分混合无机电解质溶液进行纳滤膜分离试验，研究混合无机盐的组成以及离子的浓度对纳滤膜分离性能的影响。

1.阳离子之间的影响

（1）Ca²⁺浓度的变化对Na⁺截留率的影响。原水中Na⁺的浓度为400mg/L，Ca²⁺的浓度按200mg/L、400mg/L、600mg/L和800mg/L的梯度逐步提高。试验中原水的温度由恒温水浴锅控制在15℃，压力为1.0MPa，流量为6.0L/min，运行120min后取样分析，然后以Ca²⁺浓度为横坐标，Na⁺截留率为纵坐标绘图，分析Ca²⁺浓度变化对Na⁺截留率的影响情况，试验结果见图3-103。

图3-103 Na⁺的截留率随Ca²⁺浓度变化的关系图

图3-104 Ca²⁺的截留率随Na⁺浓度变化的关系图

（2）Na⁺浓度的变化对Ca²⁺截留率的影响。原水中Ca²⁺浓度为400mg/L，Na⁺浓度按200mg/L、400mg/L、600mg/L和800mg/L的梯度逐步提高。其他条件同上，运行120min后取样分析，然后以Na⁺浓度为横坐标，Ca²⁺截留率为纵坐标绘图，分析Na⁺浓度变化对Ca²⁺截留率的影响情况，试验结果见图3-104。由图可知，随着Ca²⁺浓度的升高，两种膜对Na⁺的截留率均有所下降；随着Na⁺浓度的升高，两种膜对Ca²⁺的截留率均有所上升，且NF270膜对离子的截留率较NF90膜上升或下降更为明显。产生这种现象的原因可以认为是由于Ca²⁺的离子半径比Na⁺的离子半径大，扩散系数比Na⁺的扩散系数小，Ca²⁺的截留率要高于Na⁺的截留率，同时由于阳离子的不断加入，纳滤膜表面会因对阳离子的吸附及膜孔径的筛分截留而带正电，此时膜对Ca²⁺的静电排斥作用强于对Na⁺的排斥作用，从而使Na⁺比Ca²⁺更加容易透过膜，再加上为了维持溶液中的电荷平衡，最终便导致Ca²⁺截留率上升，Na⁺截留率下降。

2.阳离子组成的变化对阴离子截留率的影响

原水中Cl^-浓度为2000mg/L，改变溶液中Ca²⁺和Na⁺的浓度比例，逐步提高Ca²⁺的浓度 （Na⁺浓度相应降低），研究混合无机电解质溶液中阳离子组成的变化对阴离子截留率的影响。试验中原水的温度由恒温水浴锅控制在15℃，压力为1.0MPa，流量为6.0L/min，运行120min后取样分析，然后以Ca²⁺浓度为横坐标，Cl^-截留率为纵坐标绘图，试验结果见图3 105。由图可知，随着阳离子中Ca²⁺浓度的升高、Na⁺浓度的降低，Cl^-截留率呈上升趋势，且NF270膜变化较NF90膜显著。这同样是由于Ca²⁺的离子半径比Na⁺的离子半径大，扩散系数比Na⁺的扩散系数小，Ca²⁺的截留率要比Na⁺的截留率高，随着溶液中Ca²⁺浓度的不断升高、Na⁺浓度的不断下降，就会使溶液阳离子的电荷数不断升高，为了维持溶液体系的电荷平衡，Cl^-的截留率会相应地随之升高。

图3105 Cl^-的截留率随Ca²⁺浓度变化的关系图

3.阴离子之间的影响

（1）浓度的变化对Cl^-截留率的影响。原水中Cl^-浓度为600mg/L，浓度按400mg/L、600mg/L、800mg/L和1000mg/L的梯度逐步提高。试验中原水的温度由恒温水浴锅控制在15℃，压力为1.0MPa，流量为6.0L/min，运行120min后取样分析，然后以浓度为横坐标，Cl^-截留率为纵坐标绘图，分析浓度变化对Cl^-截留率的影响情况，试验结果见图3-106。

（2）Cl^-浓度的变化对截留率的影响。原水中的浓度为400mg/L，Cl^-的浓度按400mg/L、600mg/L、800mg/L和1000mg/L的梯度逐步提高。其他条件同上，运行120min后取样分析，然后以Cl^-浓度为横坐标，截留率为纵坐标绘图，分析Cl^-浓度变化对截留率的影响情况，试验结果见图3-107。由图3-107可知，Cl浓度的变化对的截留率没有多大影响，两种膜对的截留率均在99%左右。这是由于的离子半径比Cl^-大，扩散系数比Cl^-小，膜对的截留率比Cl^-高，为了维持溶液中的电荷平衡，Cl^-的截留率会随着浓度的升高而降低；而对于而言，由于其离子半径大、又是二价阴离子，两种膜对其截留率均很高，接近于100%，因此受Cl^-浓度变化的影响很小。

4.阴离子组成的变化对阳离子截留率的影响

原水中Na⁺浓度为1000mg/L，改变溶液中和Cl^-的浓度比例，逐步提高的浓度 （Cl^-浓度相应地降低），考察混合无机电解质溶液中阴离子组成的变化对阳离子截留率的影响。试验中原水的温度由恒温水浴锅控制在15℃，压力为1.0MPa，流量为6.0L/min，运行120min后取样分析，然后以浓度为横坐标，Na⁺截留率为纵坐标绘图，试验结果见图3-108。结果显示，随着阴离子中浓度的升高、Cl^-浓度的降低，Na⁺截留率呈上升趋势。这跟阳离子的变化对阴离子截留率的影响类似，是由于的离子半径比Cl^-的离子半径大，扩散系数比Cl^-的扩散系数小，的截留率要比Cl^-的截留率高，随着溶液中浓度的不断升高、Cl^-浓度的不断下降，就会使溶液中阴离子的电荷数不断升高，为了维持溶液体系的电荷平衡，Na⁺的截留率会相应地随之升高。上述实验结果表明，压力对两种纳滤膜分离性能的影响均较大，离子截留率随压力的增大而升高，但当压力达到1.0MPa以后，截留率增大的趋势变缓，逐渐趋于稳定值。对于NF90膜，温度和浓度对五种无机电解质溶液中离子截留率的影响均不大。对于NF270膜，温度和浓度对MgSO₄和Na₂SO₄溶液中离子截留率的影响不大，NaCl和CaCl₂溶液中离子截留率随温度或浓度的增大而降低，由于NaF溶液的浓度相对很低，因此温度和浓度对NaF溶液中离子截留率的影响不大。两种膜的膜通量均随压力的增大而升高、随温度的升高而升高、随浓度的升高而下降。

通过混合无机电解质溶液纳滤膜分离实验离子间的相互影响，结果表明，对于由NaCl和CaCl₂组成的阳离子体系，Na⁺浓度一定时，随着Ca²⁺浓度的升高，两种膜对Na⁺的截留率均有所下降；Ca²⁺浓度一定时，随着Na⁺浓度的升高，两种膜对Ca²⁺的截留率均有所上升；Cl^-浓度一定时，随着Ca²⁺和Na⁺浓度比的增大，Cl^-截留率呈上升趋势。对于由NaCl和Na₂SO₄组成的阴离子体系，Cl^-浓度一定时，随着浓度升高，Cl^-截留率有所降低；浓度一定时，Cl^-浓度的变化对的截留率没有多大影响；Na⁺浓度一定时，随着阴离子和Cl^-浓度比的增大，Na⁺截留率呈上升趋势。

二、基于疏水微孔膜的蒸馏脱盐技术

膜蒸馏技术所用设备简单，维护方便，盐截留率高，较低的温度下即可维持进行，且淡化后的浓水中盐浓度较高，作为副产品可用以制盐。上述技术优势使得膜蒸馏技术在高盐水淡化及回用领域的应用得到了广泛关注。采用自制的PVDF中空纤维疏水膜及组件，以直接接触式膜蒸馏工艺对西北地区高氟苦咸水进行脱盐除氟处理试验，为苦咸水淡化提供新的技术支持。

（一）试验材料与方法

1.苦咸水来源及水质

试验所用苦咸水为甘肃省会宁地区的地下水，水质情况见表3-38。与GB 5749—2006比较可以发现该地水源中主要超标物质为氟化物、氯化物、硫酸盐、总溶解固体、总硬度。依照O.A.Aleken分类方案，该苦咸水属［Cl］NaⅢ型水，为弱碱性水。

2.分析方法

水中阴离子浓度采用离子色谱测定；阳离子浓度采用电感耦合等离子发射光谱仪（ICP-OES）测定；总有机碳（TOC）采用总有机碳分析仪测定；总磷（TP）及溶解性SiO₂分别采用钼酸铵分光光度法和硅钼蓝分光光度法测定；碱度测定采用酸碱指示剂滴定法；产水电导率变化由电导率测控仪（CM-230A）实时监测并记录；采用扫描电镜—能谱仪（SEM-EDS）（HITACHI S-3000N）进行膜表面形态的观察及沉积物成分分析。试验过程中，通过记录产水储水箱的重量变化来计算膜蒸馏产水量，膜通量计算公式为：

式中：W为蒸馏液质量，kg；A为有效膜面积，m²；Δt为记录运行时间，h。

膜的截留率计算公式为：

式中：C_f为进料液浓度mg/L；C_p为膜蒸馏产水浓度，mg/L。

（二）苦咸水膜蒸馏浓缩试验

进水氟浓度对膜蒸馏过程的影响见图3 109，不同的进水浓度对膜蒸馏通量影响较低，整个实验过程中膜蒸馏通量基本保持在11.3kg/（m²·h），产水水质较好，其电导率为2.0～3.0μS/cm，且产水中的F^-离子浓度低于离子色谱仪的检出水平。实验结果说明实验室自制的PVDF疏水膜具有良好的疏水性及稳定的除氟性能，适用于苦咸水膜蒸馏脱盐除氟工艺过程。

图3-109 进水氟浓度对膜蒸馏过程的影响

图3-110 高氟苦咸水膜蒸馏浓缩过程

将经过絮凝和过滤预处理后的高氟苦咸水于热侧进料液温度为50℃、流速0.52m/s，冷侧蒸馏液温度为20℃、流速0.15m/s的条件下进行膜蒸馏脱盐处理，不同浓缩倍率下的膜通量及产水水质情况见图3-110。由图中可知，随着进料液不断被浓缩，膜蒸馏通量呈逐渐下降趋势，其产水电导率随着浓缩倍数的增加而升高。当苦咸水的浓缩倍率达到K=5时，膜蒸馏通量由实验初始阶段的11.3kg/（m²·h）降至9.78kg/（m²·h），减小了约13.5%；产水电导率也略有升高，由初始阶段的3.0μS/cm上升至9.0μS/cm。

分析上述实验现象的产生原因，主要是由于进料液加热过程中转化成为离子，随着进料液的不断浓缩，溶液中的Ca²⁺与离子浓度不断增大，难溶盐CaCO₃达到过饱和状态后，产生沉淀，其主要的反应过程如下：

浓缩过程产生的难溶盐CaCO₃易在膜组件的入口处沉积，造成组件管程流速下降，导致膜蒸馏通量降低，图3-111形象地描述了膜蒸馏浓缩过程中沉积物堵塞组件管程进水口的情况。刮取沉积在膜组件管程进水口处的结晶物，对其进行能谱分析，结果显示其主要成分为CaCO₃。

图3-111 沉积物堵塞膜组件管程进水口示意图

部分难溶盐进入中空纤维膜的管程，在膜内表面沉积，会使疏水膜受到污染并部分润湿，致使产水电导率升高。尽管如此，PVDF疏水膜仍保持了较好的氟截留性能，在苦咸水浓缩倍率达到K=10时，膜蒸馏产水中的F^-浓度最高也仅为0.18mg/L，满足GB 5749—2006中关于F^-浓度不超过1.0mg/L的规定限值。

（三）预酸化处理高氟苦咸水膜蒸馏浓缩试验

为消除苦咸水浓缩过程产生的沉积物对膜蒸馏过程的消极影响，以0.1mol/L盐酸溶液将苦咸水酸化，使其pH值为4.0，而后加热至设定温度进行膜蒸馏脱盐除氟实验。高氟苦咸水经酸化预处理后，维持热侧进料液温度为50℃、流速0.52m/s，冷侧蒸馏液温度为20℃、流速0.15m/s的条件进行膜蒸馏脱盐处理，不同浓缩倍率下的膜通量及产水水质情况见图3-112（a）。由图可知，当苦咸水的浓缩倍率在K=1～5范围内时，随进料液不断被浓缩，膜蒸馏通量保持在11.25～11.3kg/（m²·h），变化幅度很小，产水水质也较好，电导率不超过3.0μS/cm。上述实验现象说明，酸化预处理过程可以有效防止苦咸水浓缩过程中CaCO₃沉淀的产生，维持膜蒸馏脱盐除氟过程的稳定运行。继续进行苦咸水浓缩实验，当其浓缩倍率超过K=5以后，膜蒸馏通量开始明显降低，当浓缩倍率达到K=10时，膜蒸馏通量已降低至9.7kg/（m²·h），较实验初始阶段下降了约14.2%；产水电导率也有所升高，在初始阶段膜蒸馏产水电导率为2.0μS/cm，当浓缩倍率达到K=10时，产水电导率则上升到了8.0μS/cm。

图3-112 预酸化后高氟苦咸水膜蒸馏浓缩和连续运行过程

上述试验结果产生的主要原因是经预酸化处理后的苦咸水在膜蒸馏浓缩过程中，产生了CaF₂沉淀。沉淀物能谱分析结果表明，与CaCO₃ 沉淀不同，CaF₂ 不会沉积于膜组件的管程进水口处，其主要分散于中空纤维膜的内表面，由于沉积物堵塞膜孔，导致气体传质的有效面积降低，膜通量下降。膜蒸馏浓缩过程中产生的CaF₂沉淀呈圆形颗粒状，其粒径最大不超过1.0μm，粒径小者则仅有几十纳米，这就使得部分CaF₂ 颗粒能穿过内表面膜孔，在疏水膜指状大孔的底端沉积，导致更为严重的膜污染。尽管膜蒸馏过程的膜污染情况严重，但PVDF疏水膜仍保持了较好的氟截留性能，在苦咸水浓缩倍率达到K=10时，膜蒸馏产水中的F^-浓度最高，为0.12mg/L。

试验过程分析可知，为保障膜蒸馏通量及产水水质不受膜污染的影响，控制苦咸水的浓缩倍率是简便易行的方法，同时为有效利用水资源，保障较高的水回收率，苦咸水膜蒸馏脱盐除氟过程的浓缩倍率宜控制在K=5。

（四）膜蒸馏技术高氟苦咸水脱盐连续稳定性运行试验

将高氟苦咸水以0.1mol/L盐酸溶液酸化至pH为4.0，然后加热至设定温度进行膜蒸馏浓缩，计算膜蒸馏过程的产水量，当浓缩倍率达到K=5时，开始计时考察膜蒸馏苦咸水脱盐工艺在高浓缩倍率工况下连续运行的稳定性。试验过程中，维持热侧进料液温度为50℃、流速0.52m/s，冷侧蒸馏液温度为20℃、流速0.15m/s等运行条件恒定。为保持苦咸水浓缩倍率保持在K=5，试验过程中将产水直接回流料液罐，膜蒸馏实验连续运行300h，产水通量及电导率变化情况见图3 112（b）。连续运行过程中产水通量变化幅度不大，基本维持在11.0～11.3kg/（m²·h）范围内；产水电导率比较稳定，最高不超过4.0μS/cm，其水质较好，未有F^-离子检出。连续运行300h后，停止膜蒸馏脱盐实验，将膜组件自然晾干，然后取中空纤维疏水膜进行形貌分析。膜蒸馏连续运行前后PVDF膜的扫描电镜照片证实，在连续运行过程中PVDF膜形貌没有发生明显变化，整个试验运行过程没有沉积物产生。上述试验结果说明以膜蒸馏技术进行高氟苦咸水脱盐除氟处理，不仅截留效果好，而且水回收率较高，可达到80%，有利于水资源的高效利用。

（五）膜蒸馏过程的热能利用效率

膜蒸馏是一个有相变的热驱动过程，汽化潜热降低了热能利用效率。膜蒸馏过程的热量传递主要为热传导及蒸发过程所需要的潜热，其中热传导过程中没有进行相应的质量传递，将导致热能浪费。对膜蒸馏过程进行能效评价有助于全面把握膜蒸馏过程的热能需求，进而为膜蒸馏技术的实际应用提供节能高效的经济可行工艺。预酸化苦咸水膜蒸馏脱盐除氟实验过程中膜组件管程进、出口的料液温度变化情况见表3-39。

根据膜组件管程进、出口料液温度变化情况，可对组件在膜蒸馏过程中的热能利用效率进行评价。通过微孔膜传递的总热量可表示为：

式中：Q_diff为伴随传质过程蒸汽流量的蒸发潜热；Q_cond为蒸汽分子透过疏水膜所产生的热传导。

Q_diff与Q_cond可分别由式（3-31）和式（3-32）计算：

式中：J为膜通量；A为有效膜面积，实验过程中进料液在膜组件管程循环流动，因此，有效传递面积应以膜内表面计算；ΔH_v为蒸发潜热；h_m为膜的热传导系数，与膜本身性质有关；T_pm、T_fm分别为冷、热侧膜表面温度。

参数h_m、T_pm与T_fm的具体数值难于直接获得，通过微孔膜传递的总热量不能直接得出；总热量可根据组件管程进、出口温度变化按式（3-33）计算：

式中：V_f为进料液流速；T_f-inlet、T_f-outlet分别为组件管程进、出口温度；为进料液的平均比热容，其温度条件为。

由式（3-33）可得到如下膜蒸馏过程能效评价方程：

图3-113为预酸化苦咸水膜蒸馏脱盐除氟过程热能利用效率随进料液流速变化情况。由图中可以看出，进水流速变化对膜蒸馏过程的热能利用效率影响轻微；增加进料液温度有助于能效的提高，这也从另一个侧面说明了温度是影响膜蒸馏传热、传质过程的最重要因素。尽管增加温度可以提高热能利用效率，但同时也应该注意到，膜蒸馏过程的热能利用效率整体上处于较低水平。以进料液温度为50.2℃情况为例，膜蒸馏过程的热能效率约为45%，这意味着有超过50%的热量直接由热传导过程传递至产水侧，成为无效能而浪费；进料液温度为81.8℃时，热能利用效率最高，也仅为65%左右。由上述分析可知，在实际应用过程中为保证较高的热能利用效率应设法减小热传导速率；增加膜厚是目前比较有效的措施，但增加膜厚提高了膜蒸馏过程的传质阻力，将导致膜通量降低。

图3-113 膜蒸馏苦咸水脱盐除氟过程的热能利用效率

上述试验结果表明，制备的新型中空疏水微孔膜，膜通量达到20L/（m²·h）以上，浓缩倍数高达20倍，热侧浓缩水质的电导率高达30000μS/cm，趋于结晶状态，而冷侧出水电导率则小于10μS/cm，显示出良好的应用潜力。