大连理工大学郭飞教授团队——脱盐用空气冷却膜蒸馏装置的传质分析 MDPI Membranes

  膜蒸馏是热-膜耦合的分离技术，通常具有两个液体循环，即料液循环和冷却水循环，料液循环是必不可少的，但是冷却水循环会产生额外的能量需求并增加系统复杂性，增加操作成本。空气冷却用于气隙式膜蒸馏是简化系统模块设计和能源需求的有效方法，可为工业规模的膜蒸馏的实际应用提供潜力。然而，如何界定膜蒸馏技术在工程应用中的性能标准仍是一个巨大挑战。

  该研究以空气冷却式膜蒸馏构型为切入点 (如图1)，分析了冷凝板导热系数、料液温度、空气流速、冷凝板表面积比等条件对渗透通量性能的影响，并与传统的水冷式膜蒸馏装置进行对照。在水冷装置的冷却侧，冷却水通过水泵通过冷却水通道循环到冷却水箱，然后通过冷却器冷却到所需温度。在空冷装置的冷却侧，采用自然对流或者强制对流 (风扇) 将水蒸气冷凝释放的热量传递到环境中，冷凝板由各种导热系数的平板或者翅片制成。

  不限于冷却方式，该论文提出性能参数 (B) 和冷凝参数 () 两个特征参数指标，用以评估和判定膜蒸馏的性能表现。

  B值用以表征MD过程的固有传质能力，与装置的性能条件 (如料液侧、膜、气隙侧参数) 有关，值用以表征MD过程的冷却能力，与装置的冷却侧条件有关。通过该传质模型，将性能条件和冷却侧条件对MD渗透通量的影响剥离开来。

  模型分析显示，冷凝板导热系数是影响性能参数B的重要的因素之一。如图2所示，在相同条件下，具有较高导热系数的冷凝板会产生较大的B值，因此导致更高的渗透通量。对于自然对流条件下的空冷构型，B值与相应的水冷构型相同，而值约为后者的12%。基于这样的模型，渗透通量的理论估计值与实验结果非常吻合。

  图2.WCMD 配置和ACMD 配置使用具有不一样热导率的冷凝板的渗透通量

  在强制对流装置中，空气流速对冷凝参数有重要影响。如图3所示，值随空气流速的增加而增加，来提升渗透通量。当空气流速从0 m/s增加至1.0 m/s时，值从0.12增加至0.45，装置达到传热的极限，更高的空气流速不会增加值。以铜板作为冷凝板为例，B值是固定的，而值随空气流速变化而变化。基于核心公式计算得到的渗透通量与实验结果相一致。该传质模型对预测各种强制对流条件下的渗透通量是有效的。

  图3.左图为使用各种冷凝板在不同气流下进行对流换热的ACMD 配置的特定校正系数值。右图是在气流下使用铜作为冷凝板的 ACMD 系统的渗透通量的理论估计 (线) 和实验结果 (实线标记)

  对于使用翅片式冷凝板和强制对流的空冷装置，其最大的值接近于1 (图4)。这表明空冷装置有达到与水冷装置传质相近的潜力。以使用铝制翅片式冷凝板的装置为例，在相同条件下，其渗透通量与水冷构型渗透通量相当。通过核心公式计算得到的渗透通量理论估计值与实验结果相一致。

  针对膜蒸馏性能的评价与表征，该研究引入了性能参数B和冷凝参数概念，分别表征膜蒸馏固有传质能力和冷却能力，它很好地评估和预测了渗透通量，推动了膜蒸馏技术在工程应用中的性能标准的界定。

  期刊研究范围涵盖非生物膜和生物膜科学和技术，包括膜动力学，膜的制备和表征及其在化工、环境、能源、医学和食品制造业中的应用等方向，包括膜化学、物理、工程和生物学等研究领域。

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