申龍，高瑞昶

（天津大學化工學院制藥工程系，天津 300072）

膜蒸餾（MD）技術是一種非等溫的物理分離技術，以疏水性多孔膜兩側的蒸汽壓差為推動力，使熱側蒸汽分子穿過膜孔后在冷側冷凝富集，可看作是膜過程與蒸餾過程的集合。作為一種新型的高效分離技術，與傳統(tǒng)的蒸餾以及反滲透過程相比，具有許多優(yōu)點，如：設備所需體積小；較低的操作溫度和壓力；對不揮發(fā)性組分100%的理論截留率；良好的化學穩(wěn)定性；可與其他分離過程相整合；可處理分離熱敏性物質和高濃度廢水等。因此，自1963年被首次提出以來，一直受到許多學者的關注。

近幾十年，MD的研究取得了巨大的進展，相關的理論和應用研究也較為深入廣泛。不斷更新的研究成果需要人們緊跟研究工作發(fā)展的步伐[1]。本文主要針對最近幾年國內及國外對于MD的研究和應用情況作一綜述，以期為廣大讀者提供參考與借鑒。

1 膜蒸餾過程概述

1.1 原理

MD過程是一種熱驅動過程，通過疏水性多孔膜將熱料液（熱側）與透過側（冷側）分隔開，由于進料側的蒸汽壓高于透過側的蒸汽壓，在壓差梯度作用下，蒸汽分子由熱側透過膜孔遷移至冷側，再經冷凝，可得純凈組分。由此可見MD分離的傳質過程主要由3個階段組成：①水分在膜的熱料液側蒸發(fā)；②水蒸氣穿過膜孔的遷移過程；③水蒸氣在膜的另一側冷凝。

與之相關的傳熱過程則主要包括4個方面：①熱量由料液主體通過邊界層轉移至膜表面；②蒸發(fā)形式的潛熱傳遞；③熱量由熱側膜表面通過膜主體和膜孔傳遞到透過側膜表面；④由透過側膜表面穿過邊界層轉移到氣相主體。

1.2 分類

不同MD裝置的區(qū)別主要在于蒸汽穿過疏水膜后冷凝回收方式的不同。主要有以下4種形式。

（1）直接接觸式膜蒸餾（DCMD）[2-5]這種裝置相對簡單，兩側的液體直接與多孔膜的表面接觸，蒸汽的擴散路徑僅僅局限于膜的厚度。它是出現(xiàn)最早也是研究最廣泛的膜蒸餾過程，但其熱損耗也最大。

（2）氣隙式膜蒸餾（AGMD）[6-8]在冷凝面與膜表面之間有一停滯的空氣隙存在，蒸汽穿過氣隙后在冷凝面上冷凝。與 DCMD相比，由于氣隙的存在，減小了過程熱損耗，但增加了傳質的阻力。適合兩側溫差較大的蒸餾過程。

（3）氣掃式膜蒸餾（SGMD）[9-10]裝置與AGMD相似，不同在于使用惰性氣體將透過側的蒸汽吹出組件，在外部進行冷凝。由于惰性氣體的加入，可以減少部分熱量損耗，同時還可加快傳質。但所需冷凝器的體積較大。

（4）真空膜蒸餾（VMD）[11-12]與SGMD類似，用真空泵抽吸代替吹掃，使透過側處于低壓狀態(tài)（不低于膜被潤濕的壓力），將透過側的蒸汽抽出，并在膜組件外冷凝。這種方式可以大大減小熱損失，且透過通量較大。當然，操作費用也相應增加。

2 研究進展

2.1 熱質傳遞中的參數(shù)

MD過程是傳質與傳熱同時進行的過程，衡量這兩種過程效果的相應參數(shù)分別是膜通量與熱效率。而對二者影響較大的主要是過程的操作參數(shù)以及膜的特性參數(shù)，這是許多學者在研究MD過程機理時重點考察的部分。也因此，這方面的研究多見于理論模擬。

2.1.1 操作參數(shù)

主要影響參數(shù)有進料溫度、濃度、進料流量、真空度、氣體流速等。

進料溫度和跨膜溫差對膜的通量有重要影響，溫度升高則蒸汽壓變大，這就直接導致過程推動力的增加。提高進料溫度和進料流量可以增加MD的通量，這是由于高流速下的混合更為理想，邊界層變薄，膜表面的傳質效果更好。但是通量隨流速的增加有一個最優(yōu)值，之后會趨于穩(wěn)定或是略微下降，這可能與熱量損失有關[13]。而高的進料濃度會降低蒸汽壓力，并引起濃差極化，而且有可能導致膜的堵塞，因而濃度增加則通量減小[14]。

Rattner等[15]通過過程模擬對平板AGMD干燥劑再生器進行了研究。提高進料溫度和流速可以提高過程的除濕率和能效比，氣隙厚度也會影響結果。但流速、氣隙厚度都有一個最優(yōu)值。

不同的參數(shù)對溫差極化與濃差極化的影響也不同，溫度與真空度的提高可減小溫差極化，增大濃差極化。而流速的影響則恰恰相反[16]。但三者都會使通量獲得不同程度的提升。

Sivakumar等[17]用基于迭代解的Knudsen模型很好地預測了純水蒸氣的通量，通過敏感度分析，考察了操作參數(shù)（真空度、料液溫度、進料流量、進料濃度）對膜通量的影響程度，結果表明，真空度的影響最大（大于 50%），其次是溫度和流量的影響。與Rattner等的研究相似，他們的模型都是基于一定的假設，雖然較為合理，但應用于具體問題時還應注意不同條件的適用性。

在不同的MD過程中，各個參數(shù)的影響程度也不盡相同。Cojocaru等[10]用響應面分析的方法研究SGMD過程濃縮蔗糖，發(fā)現(xiàn)進料濃度和氣體流通速率對通量的影響最大。在高的氣速下，進料濃度對通量的影響最大；反之，在低的進料濃度下，氣速的影響最大。

VMD與SGMD相比，前者更容易受進料流量的影響，而后者則更容易受溫度的影響。在 VMD中通量往往隨進料溫度增加而呈指數(shù)方式增長，這使得溫度的影響最為顯著。對于SGMD過程，吹掃速率的增加會降低滲透飽和度，從而提高通量[18]。

2.1.2 膜特性參數(shù)

膜的特性參數(shù)主要包括膜的孔隙率、孔徑大小及分布、曲折因子以及膜厚度等。

膜的孔隙率影響蒸發(fā)面的大小，因此孔隙率越大，傳質效果越好。相比之下膜的厚度增加一方面會增加傳質阻力，另一方面卻能夠減少能量的損失[19]。高的孔隙率、較小的彎曲因子和膜厚度值有助于通量的提高和極化現(xiàn)象的降低[20]。

什么情況下需要考慮膜孔徑分布的影響呢？Woods等[21]給出了答案。他們從理論角度全面而廣泛地探討了膜的孔徑分布對膜通量的影響，通過模擬研究，發(fā)現(xiàn)受孔徑分布影響最大的是層流為主的微量過濾過程，其次是Knudsen擴散主導的VMD過程，再次是分子擴散控制的 DCMD過程，最后是氣隙為主要阻力的 AGMD過程。忽略孔徑分布影響的VMD過程誤差可達9%，DCMD為3.5%，AGMD則小于1%。他們的研究可為膜組件的設計提供有價值的參考。

在Jensen等[22]的模擬中，膜的結構特性（孔隙率、曲折因子等）也是影響模型準確性的關鍵因素。不過，上述模擬研究還應輔助以實驗數(shù)據來驗證。

提高膜的固有傳質系數(shù)，可減弱溫差極化現(xiàn)象減弱。當膜的固有傳質系數(shù)較高時，流動阻力集中在邊界層上，此時，增加擾動會帶來傳質效果的提升，提高操作溫度同樣促進傳質[2]。當然，設置擋板增加擾動也會造成一定的能量損失，需要綜合考察來權衡。

這種擾動還可以通過改變膜絲的形態(tài)來實現(xiàn)。Yang等[23]在研究中發(fā)現(xiàn)膜絲表面的彎曲起伏會減小溫差極化，改善傳質并且可成倍提高層流時的通量。

值得注意的是，在Rattner等的報道中，由于裝置中氣隙的傳質阻力占主導，所以膜材料特性對再生器的性能幾乎沒有影響。這提醒要將系統(tǒng)中的所有參數(shù)作為整體來考察。

學者們的研究雖然揭示了各個參數(shù)的影響范圍及程度，然而，單個參數(shù)的影響畢竟相對簡單，實際操作中往往是多個參數(shù)同時控制，其間的相互關聯(lián)還需要進一步的研究，以便合理預測并得到最佳的組合。

2.2 膜蒸餾用膜

MD過程使用的膜主要有聚四氟乙烯（PTFE）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚偏氟乙烯（PVDF）等。然而這些膜基本是作為超濾、微濾、反滲透等膜過程的商業(yè)用膜，并不能夠完全勝任 MD過程所需的疏水性、滲透率、抗污染能力等[24]。近年來，關于MD過程用膜的開發(fā)研究越來越受到重視。許多學者都致力于膜的制備和改性研究方面，以期獲得較好性能的膜材料。

如前所述，膜材料的特性（孔隙率、壁厚、曲折因子、孔徑分布、導熱系數(shù)等）是影響MD過程傳質的重要因素，膜的潤濕與膜污染也與膜本身的特性息息相關，新型膜材料的研究是推動MD過程應用進程的重要手段。在傳統(tǒng)的膜制備方法基礎上，學者們不斷探索創(chuàng)新，對不同的材料進行改性、修飾或復合，開發(fā)和研制了許多性能優(yōu)異的膜材料。Fang等[25]采用相轉化燒結法，研制了一種用于VMD過程的疏水多孔氧化鋁中空纖維膜；Teoh等[26]將 PTFF顆粒混入涂料中，研制了一種PVDF/PTFF復合雙層中空纖維膜，來增強外表面的疏水性；同樣，在膜制備過程中改變添加劑的組成，也可得到不同性能的膜[27]；Lalia等[28]采用靜電紡絲技術，研制了一種聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDFHFP）復合膜，在DCMD實驗中各項性能測試均表現(xiàn)良好。

在膜結構中，不同膜層對膜的疏水性強弱貢獻也不同。影響最大的是膜的疏水最外層，其厚度越小，膜的性能則越好。Essalhi等[29]將氟化高分子與聚醚酰亞胺（PEI）混合，借助相轉化法得到了一種復合膜。其中，高分子物質遷移到膜表層上端，形成很薄的疏水層，增強了膜的疏水性，減小了孔徑、節(jié)結大小與粗糙度。由于縮短了傳質路徑，這種膜更適用于DCMD，而對于其他形式適用性較弱。

隨著納米材料科學的發(fā)展，具備優(yōu)異性能的納米高分子也被用在膜材料的研制上。Gethard等[30]將碳納米管固定在普通PVDF膜上，應用于制藥廢水濃縮的MD過程，富集效率和傳質因數(shù)分別是普通MD過程的421%和543%。這是利用了碳納米管的高比表面積和導熱系數(shù)，使有效傳質表面積增加，同時減弱溫差極化。

納米技術的應用給膜制備帶來了更廣闊的空間，相關的研究也為許多學者所青睞。Zhang等[31]通過將疏水的SiO2納米粒子噴涂在PVDF疏水多孔膜表面，制備了一種超疏水膜。經過修飾，膜的接觸角以及全水透過壓均得到了提升，具有很高的鹽去除率、穩(wěn)定性以及抗污染能力。Khemakhem等[32]則將一種 C8復合物嫁接到陶瓷膜上得到了一種可應用于AGMD過程的疏水膜。Prince等[33]將黏土納米復合材料與PVDF混合，得到一種新型的靜電紡絲納米纖維膜，極大地提高了接觸角（可達154.2°）。

上述膜材料的制備研究都是以傳統(tǒng)膜材料為基礎進行修飾或合成。而Wang等[34]則從膜整體結構入手研制了一種類似于蓮藕結構的多孔中空纖維膜，這種膜壁厚較薄，卻顯示出卓越的機械強度，同時，高于99.99%的去除率以及連續(xù)操作時的穩(wěn)定性，也展現(xiàn)了其優(yōu)越的性能。

除了對膜材料的直接關注，紡織條件對中空纖維MD用膜的結構和性能也會造成影響：聚合物、添加劑濃度的提高有助于形成多孔海綿狀的膜結構；加快卷繞速度以及降低涂料的擠出速度同樣可以增大孔隙率；而升高芯液溫度，膜的平均孔徑增加，但有效孔隙率減小；氣隙厚度對膜結構同樣有著雙重影響。Tang等[35]的實驗結果顯示，膜的有效孔隙率對膜的性能貢獻最大。大的孔隙率可以帶來高的通量，但會降低膜的力學性能。因此，需要對這些影響條件進行合理地選擇。比如，控制芯液溫度和氣隙厚度在最佳的范圍內。

當前膜材料的改性制備研究大部分還僅僅局限于獨立的或小型的MD過程，而在集中于優(yōu)化膜特性的同時，還應當注意不同膜過程以及不同膜組件結構對膜材料的特定要求，提高其適用性，使其更好地投入工業(yè)化。

2.3 膜潤濕與膜污染

膜潤濕與膜污染會增加傳質的阻力，導致膜的通量和膜過程效率的降低，是制約MD技術廣泛應用的兩個重要因素。除了對膜材料的改良和研發(fā)來提高膜的抗?jié)櫇瘛⒖刮勰芰ν?，近年來學者們也對其他相關因素做了廣泛的研究。

閔鵬等[36]研究了清洗劑與阻垢劑對膜接觸角的影響，發(fā)現(xiàn)在長時間操作下，堿性溶液比酸性溶液更容易影響膜的接觸角，導致膜的潤濕，而常用阻垢劑和清洗劑則影響較小。加入阻垢劑可在一定程度上防止膜的污染，充分發(fā)揮膜的性能。張琳等[37]在MD脫鹽的研究中加入阻垢劑，產水率得到了明顯的提升。Gryta[38]使用聚磷酸鹽阻垢劑提升了膜脫鹽過程對 CaCO3的抗附著性能。不同體系的MD過程所適用的阻垢劑種類往往不同，要注意選擇。

當然，阻垢劑并不能完全阻止結垢的發(fā)生，膜通量的恢復還依賴于膜的清洗方式。除了傳統(tǒng)的水洗，還可以采用氣體反向沖洗的方式[39]。這種方法的成功也說明了膜孔的堵塞是膜污染的重要因素。

Goh等[40]對比了 MD 和膜蒸餾生物膜反應器（MDBR）在廢水回收中的表現(xiàn)，指出使用MDBR可以有效延遲膜的潤濕過程（1.7～3.6倍時間），減緩膜的污染，進而更適用于高溫以及低揮發(fā)性的工業(yè)廢水處理。

然而在MDBR中，膜的污染卻很容易發(fā)生。隨著操作時間的增加，大量的細菌會沉積在膜上，造成膜孔堵塞。值得注意的是，膜污染程度與細菌濃度和操作時間有關，而與細菌的種類聯(lián)系很小[41]。

除了操作工藝上的影響外，某些操作參數(shù)對膜污染的影響也逐漸被學者所揭示。

溫度對于膜過程的重要性不言而喻，但之前的研究多是關于溫度對傳質傳熱的影響。事實上，溫度也會改變膜的潤濕表現(xiàn)。Saffarini等[42]研究PTFF膜的潤濕行為發(fā)現(xiàn)，溫度的升高同樣會導致膜的微觀結構演變，直接影響接觸角和透過壓。這種微觀結構的改變不能被熱重分析（TGA）所識別，通過借助差示掃描量熱儀（DSC）和高分辨率的電鏡，內應力的松弛、膜纖維、間隙的變化以及節(jié)點的扭曲這些微觀現(xiàn)象才得以被揭示。同時，他們提出了一個與溫度相關的幾何校正因子，對 Laplace方程進行了修正。溫度對膜污染的影響在Krivorot等[43]的研究中也得到了證實。不過，這里只討論溫度對膜污染的單純影響，最終參數(shù)的確定還要重點考慮其對傳質及通量的影響。

進料側的流體力學性能同樣會影響膜污染過程。Ding等[44]將鼓泡方法應用于MD過程，對進料側進行鼓泡，形成兩相流。這種方式可以有效減少污垢堆積，限制膜污染的形成，提高過程的效率。

結合前面幾節(jié)的論述可見，解決膜潤濕與膜污染問題，一方面應著眼于膜本身的性能改良，另一方面也要對過程工藝條件和操作參數(shù)進行認真選擇。

2.4 膜蒸餾過程優(yōu)化

提高過程的傳熱、傳質效率是解決MD過程應用問題的一個重要方向。近年來大多數(shù)研究一方面?zhèn)戎赜跓崮艿睦眉礋嵝实奶岣撸硪环矫鎰t偏向膜組件的優(yōu)化，借此改善過程的傳質性能。它們的進步得益于對過程機理的研究，其中不乏一些值得借鑒的成果。

2.4.1 效能優(yōu)化

將MD過程與可再生能源（太陽能、地熱能、風能等）相結合，是優(yōu)化MD過程的常見方式。隨著太陽能集熱器技術的成熟，太陽能與MD技術的耦合研究也越來越普遍。而且這種集成過程最主要的成本是初始投資，包括設備、選址等，后續(xù)操作幾乎不需要過多的投入[12]。

相比提高膜組件內部的效率，提高組件外部的效率對MD過程的整體表現(xiàn)貢獻更大[45]。近年來出現(xiàn)的多效膜蒸餾（MEMD）技術，以其高的滲透通量（Jw）、效能比（PR）以及良好的穩(wěn)定性，在節(jié)能方面有著很強的競爭力和應用前景[20，46]。

而將太陽能等自然能源與 MEMD結合則是另一個研究熱點。Zhao等[47]使用太陽能真空多效膜蒸餾裝置（V-MEMD），通過合理選擇操作參數(shù)、優(yōu)化過程級數(shù)與每一級尺寸，實現(xiàn)了過程設備、操作成本的降低和熱回收效率的提高。Sarbatly等[48]將地熱能用于錯流VMD過程，采用地熱直接進料的方式，使得整個過程的能量消耗減少了95%，水的生產成本降低了59%。

理想的MD過程應當最大程度地通過潛熱的形式轉移熱量，而非借助于熱傳導。Guillén-Burrieza等[49]在 AGMD脫鹽設備中采用多級膜蒸餾裝置，通過汽化潛熱的傳遞實現(xiàn)預加熱，可以顯著地減少熱能消耗（高達 55%），提高能量利用率。在他們的中試實驗中[13]，使用多級膜蒸餾的組件效能比提高為1.96。然而，這個值依然較低，且放大后過程的通量值較小試下降不少，這也反映了工業(yè)化所面臨的困難。

除了太陽能與地熱，還可采用微波照射的方式。這樣可使加熱更為均勻，提高傳質效果，對膜的性能不會造成影響，但是可能會加重膜的結垢[50]。

2.4.2 組件優(yōu)化

膜的外形及其組裝形式會影響組件內流體的流動性能，適當優(yōu)化可改善液體的分布狀況，促進過程的傳質與傳熱。對膜組件及其內部形態(tài)的優(yōu)化設計主要側重于從機理方面改善MD過程。

Porrazzo等[51]在太陽能MD中使用了神經網絡（NN）模型，在實驗基礎上針對膜組件開發(fā)了最優(yōu)化的前饋系統(tǒng)，從系統(tǒng)優(yōu)化角度，對MD生產過程進行優(yōu)化控制，可以有效地分析組件內部條件變化對過程產品的影響。

在 DCMD裝置中交錯放置中空纖維膜，可以降低溫差極化帶來的影響，進而提高熱質傳遞效率。而將多個交錯的膜組件與熱交換器集成，可以更大程度地提高熱效率和造水比[52]。He等[53]在交錯的中空纖維膜組件之間采用對流流動，經部分濃縮的低溫鹽水與前一膜組件的高溫鹽水適當換熱后進入下一級單元，連續(xù)操作下，可以實現(xiàn)20左右的造水比。 Hausmann等[54]也做了類似的研究。Singh等[55]則將兩個 AGMD組件串聯(lián)，使原料液、冷卻劑與冷凝液連通起來同時流經兩個組件，提高了過程效率。

組件中膜絲的裝填形式直接決定了其幾何性能，也會對 MD帶來影響。Yang等[56]研究了幾種采用不同膜外形或組裝形式的膜組件結構的性能表現(xiàn)。相對于常規(guī)的規(guī)整組件來說，對膜的幾何形狀及其分布形式的改變可優(yōu)化液體的流動，比如彎曲的膜絲或間隔編織的膜絲，進而帶來熱效率的提升。

膜組件的優(yōu)化研究是建立在對MD過程機理充分認知的基礎上，因此，MD的機理還需進一步完善，要考慮過程放大時各因素的影響。而不同形式能源的利用也反映出工藝設計在過程優(yōu)化中的重要性。

3 應用舉例

3.1 海水淡化與純水制備

這是 MD發(fā)展最久也是應用最廣的領域，經MD過程所得的水，質量遠遠高于其他膜過程。近年來的研究既優(yōu)化了這些過程又拓寬了研究領域。

Adham等[57]考察了 MD技術在熱海水淡化裝置中的適用性。MD可以得到高品質的餾分，對高濃度鹽水效果也很顯著。不過，為了防止碳酸鈣的沉積，還需要加入適當?shù)淖韫竸?/p>

針對之前研究較少的高溫高壓下的脫鹽過程，Singh等[58]采用DCMD過程，借助改性的PVDF膜進行了實驗分析，實驗所得通量最大值可達 195 kg/(m2·h)，理論蒸發(fā)效率接近 80%，同時沒有膜的潤濕和NaCl的滲漏發(fā)生，表現(xiàn)良好。

作為一種高效的操作方式，太陽能和MD耦合技術用于苦咸水脫鹽近年來也較為常見。此外還有膜蒸餾-結晶混合脫鹽技術[59-60]，采用膜蒸餾-結晶混合脫鹽技術可同時實現(xiàn)鹽水純化和 NaCl 的結晶，但是過程中需要注意體系的溫度和進料流量。溫度越高結晶速度越快，那么晶體的尺寸就會偏小，所以需要通過控制成核來防止結垢和獲得統(tǒng)一的晶型。

對于偏遠地區(qū)來說，優(yōu)良的中小型脫鹽設備可以使之實現(xiàn)獨立的水供給，緩解資源短缺問題[61]，MD技術在這方面有很大的潛力。Yarlagadda等[62]通過 DCMD從含有砷、鈾、氟化物等的地下鹽水中再生飲用水，簡易的設備使之可以與多種熱回收裝置相結合并。相比之下，Criscuoli等[63]則采用VMD的方式處理被砷污染的地下水，實現(xiàn)了兩種價態(tài)砷[As(Ⅲ)和As(Ⅴ)]的同時分離，無需預處理，對進料濃度也無限制。兩者各有優(yōu)勢，但在通量方面仍有很大提升空間。

3.2 食品工業(yè)

MD技術用于食品工業(yè)可以防止高溫蒸發(fā)造成的營養(yǎng)成分的破壞與流失，保持產品的顏色、風味和營養(yǎng)價值。

應用于食品工業(yè)的研究最初主要以 DCMD為主[10]，而隨著研究的深入，其他MD形式也得到了更多的重視，效果顯著。

Cojocaru等[10]采用SGMD濃縮蔗糖溶液，得出了最優(yōu)的工藝條件。Kujawski等[64]用滲透膜蒸餾（OMD）技術對紅葡萄汁進行脫水濃縮，并證實了該過程不會影響到濃縮液的多酚含量和抗氧化活性。Zhang等[65]將太陽能VMD技術用于纖維酒精生產過程，使得酒精產量與之前相比提高了2.64倍。Jensen等[22]用 DCMD蒸餾過程模擬黑加侖果汁的濃縮，模型總體誤差小于10%，為后續(xù)初步的工藝設計打下了基礎。Bagger-J?rgensen等[18]用 MD過程提取揮發(fā)性的果汁香氣成分，考察了過程的主要影響因素，為工業(yè)化提供了可靠的理論依據。上述研究與廣泛應用的傳統(tǒng)高溫蒸發(fā)工藝相比較，可直觀地說明MD過程更加溫和且能耗低，但具體程度還需放大后才能確定。

MD也可與生物膜反應器相整合。在乳糖發(fā)酵生產乙醇時，液體培養(yǎng)基中的乙醇和其他揮發(fā)性物質可以穿過多孔膜而脫離體系，從而連續(xù)地移除。與傳統(tǒng)發(fā)酵工藝相比，這種方法使產量大為提升[66]。Lewandowicz等[67]把MD單元與細胞培養(yǎng)器結合，用于連續(xù)酒精發(fā)酵工藝中乙醇的回收，有效提高了體積產量和酵母菌的活力。但是仍然面臨著膜的選擇性過低的問題。

MD在乳品加工和脫脂牛奶的生產方面也有很好的表現(xiàn)[68]。

3.3 化學及揮發(fā)性物質的分離

MD過程可處理高濃度的溶液，因此常用于溶液的濃縮。同時，以壓差為推動力使它可以有效地從體系中分離、除去揮發(fā)性物質。這方面的研究屢見報道[1，69]，本文僅就較新的研究進行舉例。

揮發(fā)性物質會在MD過程中脫離體系，當它作為反應產物之一時，會直接推動反應平衡向正方向移動，這樣就可以不斷地得到處于反應同側的其他產物，提高目標產物的產量。

Li等[20]采用AGMD與外部熱交換器相結合的MEMD過程來濃縮稀硫酸溶液，可將2%的硫酸溶液濃縮至40%，且餾分可視為純水。Maria等[70]以KCl和H2SO4為原料，將化學反應器與DCMD過程相結合來生產 KHSO4。MD可使反應產生的KHSO4直接沉淀下來，同時連續(xù)地移除體系中的HCl，使化學平衡朝生成KHSO4的方向一直進行。在進料比 1∶2的情況下，鉀的轉化率為 93%，并可得到濃度為43 g/dm3的鹽酸溶液。這些技術如果能夠實現(xiàn)工業(yè)化，將會在能耗與設備投入方面展現(xiàn)突出的優(yōu)勢。

將 DCMD過程引入化學合成反應中來制備高濃度的聚氯化鋁（PACl），可獲得較高的選擇性和產品純度[71]。而用平板 AGMD干燥劑再生器回收液體干燥劑（鋰鹽）的可行性，也經過了理論模擬的驗證，取得了初步進展[15]。

此外，將 MD與生物反應器結合用于發(fā)酵生產[41]，可有效除去其中影響微生物生長的化學揮發(fā)性抑制劑（如乙酸等），改善其生長環(huán)境，從而獲得產量的提升。

3.4 廢水處理

MD技術的優(yōu)勢使其在廢水處理方面同樣有很大的應用價值。

Huo等[72]采用可見光臭氧化鉍（BiOBr）光催化反應與 DCMD技術結合來脫除染料廢水中的甲基橙。憑借BiOBr的強可見光吸收能力、低光生電子和空穴再組合能力，使甲基橙發(fā)生光降解，有機物和催化劑被截留。實驗中的通量非常穩(wěn)定，且沒有觀察到膜污染發(fā)生。雖然目前僅技術上可行，但光催化膜反應器與太陽能結合將是一種很有潛力的廢水處理技術。

熱電工業(yè)的冷卻塔廢水往往含有多種易結垢離子[73]，采用 DCMD裝置并加入阻垢劑進行處理，濃縮倍數(shù)可達8倍，水的回收率也提高至87%。同時，工業(yè)廢水中含有的成分也較復雜，在進膜之前，常常需要預處理[74]。Sivakumar等[17]用MD裝置處理總可溶性固體含量為2332 mg/L的煤礦廢水，經中空纖維VMD處理后，去除率為99.9%，水質達到飲用水質量標準。

橄欖油生產是地中海盆地的重要經濟活動，但隨之也會產生大量的粗橄欖油有毒廢水。而采用滲透蒸餾（OD）和OMD技術，則無需預處理，即可取得較高的濃縮倍數(shù)，同時得到高附加值的酚類化合物[75]。

對于處理高濃度的含鹽廢水[76]、高濃度的氨氮廢水[77]，MD技術具有突出的優(yōu)勢。同時，MD技術不涉及高壓，對進料濃度無嚴格要求，可實現(xiàn)高的去除率這些特點，使其在核工業(yè)中的應用潛力巨大。Khayet[78]考察了DCMD處理中低級放射性液體廢物過程，證實了這一點。由于核電工業(yè)中的廢熱和冷卻液在許多工段都可以回收并重新用于產生驅動力，MD的應用就變得相對便捷，而且可在源頭進行處理，使成本大為降低。

4 結語與展望

近年來MD技術的飛速發(fā)展，向人們展示了巨大的應用潛力。但作為一種尚處于應用初期的新技術，MD的大規(guī)模應用仍需要學者們不斷地努力，早日突破工業(yè)化道路上所面臨的主要瓶頸。

高的能耗與低的熱效率是MD過程亟待解決的問題，借助風能、地熱能、太陽能等可再生能源，使用多級熱回收裝置，都是可借鑒的優(yōu)化途徑。加強這方面的研究，對于拓寬應用范圍，降低運行成本意義重大。

目前MD過程尚無特定的商業(yè)用膜，膜材料的性能提升，膜的抗?jié)櫇衽c抗污染，始終是研究的熱點領域，最終的結果是研制出適用于MD過程的低價高效膜材料。

大多數(shù)MD研究尚處于實驗室規(guī)模，工業(yè)化還不成熟。除DCMD以外，其他MD類型也應受到更多的關注，它們在膜通量及熱效率上有更突出的優(yōu)勢。

膜組件的優(yōu)化涉及傳質傳熱、設備投資等方面，應與特定的MD過程及工藝條件相結合，尤其是將多個方面綜合起來研究，從系統(tǒng)角度進行優(yōu)化，力求獲得整體性能的提升，加快 MD技術的工業(yè)化步伐。

[1]吳庸烈. 膜蒸餾技術及其應用進展[J]. 膜科學與技術，2003，23（4）：67-79.

[2]Yu Hui，Yang Xing，Wang Rong，et al. Analysis of heat and mass transfer by CFD for performance enhancement in direct contact membrane distillation[J]. Journal of Membrane Science，2012，405-406：38-47.

[3]Kurdian A R，Bahreini M，Montazeri G H，et al. Modeling of direct contact membrane distillation process：Flux prediction of sodium sulfate and sodium chloride solutions[J]. Desalination，2013，323：75-82.

[4]Ho Chii-Dong，Chang Hsuan，Chang Cheng-Liang，et al. Theoretical and experimental studies of flux enhancement with roughened surface in direct contact membrane distillation desalination[J]. Journal of Membrane Science，2013，433：160-166.

[5]Bahmanyar Amir，Asghari Morteza，Khoobi Nafiseh. Numerical simulation and theoretical study on simultaneously effects of operating parameters in direct contact membrane distillation[J].Chemical Engineering and Processing：Process Intensification，2012，61：42-50.

[6]Alkhudhiri Abdullah，Darwish Naif，Hilal Nidal. Membrane distillation：A comprehensive review[J]. Desalination，2012，287：2-18.

[7]Alsaadi A S，Ghaffour N，Li J D，et al. Modeling of air-gap membrane distillation process：A theoretical and experimental study[J]. Journal of Membrane Science，2013，445：53-65.

[8]Khayet M，Cojocaru C. Air gap membrane distillation：Desalination，modeling and optimization[J]. Desalination，2012，287：138-145.

[9]Khayet M，Cojocaru C，Baroudi A. Modeling and optimization of sweeping gas membrane distillation[J]. Desalination，2012，287：159-166.

[10]Cojocaru C，Khayet M. Sweeping gas membrane distillation of sucrose aqueous solutions：Response surface modeling and optimization[J]. Separation and Purification Technology，2011，81（1）：12-24.

[11]Lovineh Shirin Gh，Asghari Morteza，Rajaei Bita. Numerical simulation and theoretical study on simultaneous effects of operating parameters in vacuum membrane distillation[J]. Desalination，2013，314：59-66.

[12]Qtaishat Mohammed Rasool，Banat Fawzi. Desalination by solar powered membrane distillation systems[J]. Desalination，2013，308：186-197.

[13]Guillén-Burrieza Elena，Zaragoza Guillermo，Miralles-Cuevas Sara，et al. Experimental evaluation of two pilot-scale membrane distillation modules used for solar desalination[J]. Journal of Membrane Science，2012，409-410：264-275.

[14]Edwie Felinia，Chung Tai-Shung. Development of hollow fiber membranes for water and salt recovery from highly concentrated brine via direct contact membrane distillation and crystallization[J].Journal of Membrane Science，2012，421-422：111-123.

[15]Rattner Alexander S，Nagavarapu Ananda Krishna，Garimella Srinivas，et al. Modeling of a flat plate membrane-distillation system for liquid desiccant regeneration in air-conditioning applications[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2011，54（15-16）：3650-3660.

[16]劉捷，武春瑞，呂曉龍. 減壓膜蒸餾傳熱傳質過程[J]. 化工學報，2011，62（4）：908-915.

[17]Sivakumar M，Ramezanianpour M，O’Halloran G. Mine water treatment using a vacuum membrane distillation system[J]. APCBEE Procedia，2013，5：157-162.

[18]Bagger-J?rgensen Rico，Meyer Anne S，Pinelo Manuel，et al.Recovery of volatile fruit juice aroma compounds by membrane technology：Sweeping gas versus vacuum membrane distillation[J].Innovative Food Science & Emerging Technologies，2011，12（3）：388-397.

[19]Adnan Sharmiza，Hoang Manh，Wang Huanting，et al. Commercial PTFE membranes for membrane distillation application：Effect of microstructure and support material[J]. Desalination，2012，284：297-308.

[20]Li Xiaojun，Qin Yingjie，Liu Rongling，et al. Study on concentration of aqueous sulfuric acid solution by multiple-effect membrane distillation[J]. Desalination，2012，307：34-41.

[21]Woods Jason，Pellegrino John，Burch Jay. Generalized guidance for considering pore-size distribution in membrane distillation[J]. Journal of Membrane Science，2011，368（1-2）：124-133.

[22]Jensen Morten Busch，Christensen Knud Villy，Andrésen René，et al.A model of direct contact membrane distillation for black currant juice[J]. Journal of Food Engineering，2011，107（3-4）：405-414.

[23]Yang Xing，Yu Hui，Wang Rong，et al. Optimization of microstructured hollow fiber design for membrane distillation applications using CFD modeling[J]. Journal of Membrane Science，2012，421-422：258-270.

[24]Susanto Heru. Towards practical implementations of membrane distillation[J]. Chemical Engineering and Processing：Process Intensification，2011，50（2）：139-150.

[25]Fang H，Gao J F，Wang H T，et al. Hydrophobic porous alumina hollow fiber for water desalination via membrane distillation process[J]. Journal of Membrane Science，2012，403-404：41-46.

[26]Teoh May May，Chung Tai-Shung，Yeo Yan Shan. Dual-layer PVDF/PTFE composite hollow fibers with a thin macrovoid-free selective layer for water production via membrane distillation[J].Chemical Engineering Journal，2011，171（2）：684-691.

[27]Drioli E，Ali A，Simone S，et al. Novel PVDF hollow fiber membranes for vacuum and direct contact membrane distillation applications[J]. Separation and Purification Technology，2013，115：27-38.

[28]Lalia Boor Singh，Guillen-Burrieza Elena，Arafat Hassan A，et al.Fabrication and characterization of polyvinylidenefluoride-cohexafluoropropylene (PVDF-HFP) electrospun membranes for direct contact membrane distillation[J]. Journal of Membrane Science，2013，428：104-115.

[29]Essalhi M，Khayet M. Surface segregation of fluorinated modifying macromolecule for hydrophobic/hydrophilic membrane preparation and application in air gap and direct contact membrane distillation[J].Journal of Membrane Science，2012，417-418：163-173.

[30]Gethard Ken，Sae-Khow Ornthida，Mitra Somenath. Carbon nanotube enhanced membrane distillation for simultaneous generation of pure water and concentrating pharmaceutical waste[J]. Separation and Purification Technology，2012，90：239-245.

[31]Zhang Jing，Song Zhenyu，Li Baoan，et al. Fabrication and characterization of superhydrophobic poly(vinylidene fluoride)membrane for direct contact membrane distillation[J]. Desalination，2013，324：1-9.

[32]Khemakhem Sabeur，Amar Raja Ben. Modification of tunisian clay membrane surface by silane grafting：Application for desalination with air gap membrane distillation process[J]. Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects，2011，387（1-3）：79-85.

[33]Prince J A，Singh G，Rana D，et al. Preparation and characterization of highly hydrophobic poly(vinylidene fluoride)-Clay nanocomposite nanofiber membranes (PVDF–clay NNMS) for desalination using direct contact membrane distillation[J]. Journal of Membrane Science，2012，397-398：80-86.

[34]Wang Peng，Chung Tai-Shung. Design and fabrication of lotus-root-like multi-bore hollow fiber membrane for direct contact membrane distillation[J]. Journal of Membrane Science，2012，421-422：361-374.

[35]Tang Yadong，Li Na，Liu Anjun，et al. Effect of spinning conditions on the structure and performance of hydrophobic PVDF hollow fiber membranes for membrane distillation[J]. Desalination，2012，287：326-339.

[36]閔鵬，張新妙，楊永強，等. 清洗液和阻垢劑對疏水膜接觸角的影響[J]. 化工環(huán)保，2011，31（4）：375-378.

[37]張琳，侯得印，樊華，等. 阻垢劑對海水淡化膜蒸餾試驗的影響[J].水處理技術，2012，38（7）：63-67.

[38]Gryta Marek. Polyphosphates used for membrane scaling inhibition during water desalination by membrane distillation[J]. Desalination，2012，285：170-176.

[39]李會，魏杰，丁忠偉，等. 膜蒸餾濃縮中藥提取液過程膜污染的氣體反沖洗抑制[J]. 北京化工大學學報：自然科學版，2011，38（5）：15-18.

[40]Goh Shuwen，Zhang Jinsong，Liu Yu，et al. Fouling and wetting in membrane distillation (MD) and MD-bioreactor (MDBR) for wastewater reclamation[J]. Desalination，2012，323：39-47.

[41]Gryta Marek，Markowska-Szczupak Agata，Bastrzyk Justyna，et al.The study of membrane distillation used for separation of fermenting glycerol solutions[J]. Journal of Membrane Science，2013，431：1-8.

[42]Saffarini Rasha B，Mansoor Bilal，Thomas Rinku，et al. Effect of temperature-dependent microstructure evolution on pore wetting in PTFE membranes under membrane distillation conditions[J]. Journal of Membrane Science，2013，429：282-294.

[43]Krivorot M，Kushmaro A，Oren Y，et al. Factors affecting biofilm formation and biofouling in membrane distillation of seawater[J].Journal of Membrane Science，2011，376（1-2）：15-24.

[44]Ding Zhongwei，Liu Liying，Liu Zhe，et al. The use of intermittent gas bubbling to control membrane fouling in concentrating TCM extract by membrane distillation[J]. Journal of Membrane Science，2011，372（1-2）：172-181.

[45]劉安軍，李娜，湯亞東，等. 直接接觸式膜蒸餾不同操作溫度下的能耗分析研究[J]. 高?；瘜W工程學報，2011，25（4）：565-571.

[46]呂曉龍. 膜蒸餾過程探討[J]. 膜科學與技術，2010，30（3）：1-10.

[47]Zhao K，Heinzl W，Wenzel M，et al. Experimental study of the memsys vacuum-multi-effect-membrane-distillation (V-MEMD)module[J]. Desalination，2013，323：150-160.

[48]Sarbatly Rosalam，Chiam Chel-Ken. Evaluation of geothermal energy in desalination by vacuum membrane distillation[J]. Applied Energy，2013，112：737-746.

[49]Guillén-Burrieza Elena，Blanco Julián，Zaragoza Guillermo，et al.Experimental analysis of an air gap membrane distillation solar desalination pilot system[J]. Journal of Membrane Science，2011，379（1-2）：386-396.

[50]Ji Zhongguang，Wang Jun，Hou Deyin，et al. Effect of microwave irradiation on vacuum membrane distillation[J]. Journal of Membrane Science，2013，429：473-479.

[51]Porrazzo R，Cipollina A，Galluzzo M，et al. A neural network-based optimizing control system for a seawater-desalination solar-powered membrane distillation unit[J]. Computers & Chemical Engineering，2013，54：79-96.

[52]Lee Hanyong，He Fei，Song Liming，et al. Desalination with a cascade of cross-flow hollow fiber membrane distillation devices integrated with a heat exchanger[J]. AIChE Journal，2011，57（7）：1780-1795.

[53]He Fei，Gilron Jack，Sirkar Kamalesh K. High water recovery in direct contact membrane distillation using a series of cascades[J].Desalination，2012，323：48-54.

[54]Hausmann Angela，Sanciolo Peter，Vasiljevic Todor，et al. Integration of membrane distillation into heat paths of industrial processes[J].Chemical Engineering Journal，2012，211-212：378-387.

[55]Singh Dhananjay，Sirkar Kamalesh K. Desalination by air gap membrane distillation using a two hollow-fiber-set membrane module[J]. Journal of Membrane Science，2012，421-422：172-179.

[56]Yang Xing，Wang Rong，F(xiàn)ane Anthony G. Novel designs for improving the performance of hollow fiber membrane distillation modules[J]. Journal of Membrane Science，2011，384（1-2）：52-62.

[57]Adham Samer，Hussain Altaf，Matar Joel Minier，et al. Application of membrane distillation for desalting brines from thermal desalination plants[J]. Desalination，2013，314：101-108.

[58]Singh Dhananjay，Sirkar Kamalesh K. Desalination of brine and produced water by direct contact membrane distillation at high temperatures and pressures[J]. Journal of Membrane Science，2012，389：380-388.

[59]Edwie Felinia，Chung Tai-Shung. Development of simultaneous membrane distillation-crystallization (SMDC) technology for treatment of saturated brine[J]. Chemical Engineering Science，2013，98：160-172.

[60]曹冬梅，張雨山，高春娟，等. 膜蒸餾-結晶技術及在海水制鹽中的應用[J]. 鹽業(yè)與化工，2012，41（6）：37-41.

[61]Schwantes R，Cipollina A，Gross F，et al. Membrane distillation：Solar and waste heat driven demonstration plants for desalination[J].Desalination，2013，323：93-106.

[62]Yarlagadda Saketa，Gude Veera Gnaneswar，Camacho Lucy Mar，et al. Potable water recovery from As，U，and F contaminated ground waters by direct contact membrane distillation process[J]. Journal of Hazardous Materials，2011，192（3）：1388-1394.

[63]Criscuoli Alessandra，Bafaro Patrizia，Drioli Enrico. Vacuum membrane distillation for purifying waters containing arsenic[J].Desalination，2012，323：17-21.

[64]Kujawski W，Sobolewska A，Jarzynka K，et al. Application of osmotic membrane distillation process in red grape juice concentration[J]. Journal of Food Engineering，2013，116（4）：801-808.

[65]Zhang Lin，Wang Yafei，Cheng Lihua，et al. Concentration of lignocellulosic hydrolyzates by solar membrane distillation[J].Bioresource Technology，2012，123：382-385.

[66]Tomaszewska Maria，Bia?ończyk Lidia. Production of ethanol from lactose in a bioreactor integrated with membrane distillation[J].Desalination，2013，323：114-119.

[67]Lewandowicz Gra?yna，Bia?as Wojciech，Marczewski Bart?omiej，et al. Application of membrane distillation for ethanol recovery during fuel ethanol production[J]. Journal of Membrane Science，2011，375（1-2）：212-219.

[68]Hausmann Angela，Sanciolo Peter，Vasiljevic Todor，et al. Fouling mechanisms of dairy streams during membrane distillation[J].Journal of Membrane Science，2013，441：102-111.

[69]王許云，張林，陳歡林. 膜蒸餾技術最新研究現(xiàn)狀及進展[J]. 化工進展，2007，26（2）：168-172.

[70]Tomaszewska Maria，?apin Agnieszka. The influence of feed temperature and composition on the conversion of KCl into KHSO4in a membrane reactor combined with direct contact membrane distillation[J]. Separation and Purification Technology，2012，100：59-65.

[71]Zhao Changwei，Yan Yong，Hou Deyin，et al. Preparation of high concentration polyaluminum chloride by chemical synthesismembrane distillation method with self-made hollow fiber membrane[J]. Journal of Environmental Sciences，2012，24（5）：834-839.

[72]Huo Yuning，Xie Zongli，Wang Xingdong，et al. Methyl orange removal by combined visible-light photocatalysis and membrane distillation[J]. Dyes and Pigments，2013，98（1）：106-112.

[73]Yu Xianguo，Yang Hai，Lei Hui，et al. Experimental evaluation on concentrating cooling tower blowdown water by direct contact membrane distillation[J]. Desalination，2013，323：134-141.

[74]孫項城，冷文廣，侯得印，等. 膜蒸餾處理糖精鈉生產廢水[J]. 環(huán)境工程學報，2012，6（7）：2118-2122.

[75]El-Abbassi A，Khayet M，Kiai H，et al. Treatment of crude olive mill wastewaters by osmotic distillation and osmotic membrane distillation[J]. Separation and Purification Technology，2013，104：327-332.

[76]游文婷，許振良，徐文婷. 真空膜蒸餾法處理高濃度 NaSO4和CaCl2廢水[J]. 膜科學與技術，2013，33（1）：92-95.

[77]劉乾亮，馬軍，王爭輝，等. 直接接觸式膜蒸餾工藝處理高濃度氨氮模擬廢水中操作條件的影響[J]. 環(huán)境工程學報，2012，6（7）：2237-2241.

[78]Khayet M. Treatment of radioactive wastewater solutions by direct contact membrane distillation using surface modified membranes[J].Desalination，2013，321：60-66.