太阳能电池层压工艺：太阳能膜蒸馏概述

太阳能电池层压工艺：太阳能膜蒸馏概述材料膜商品名称用于制造MD膜的最常见材料是聚四氟乙烯（PTFE），因为它具有天然的疏水性，具有良好的耐化学性和高热稳定性，但它们很难制造。另一种选择是使用聚丙烯（PP），但由于它是天然的亲水性，并且需要额外的涂层来使其疏水，这增加了其制造成本。第三种常见的膜材料是聚偏二氟乙烯（PVDF），它具有天然的疏水性，具有高热稳定性，优异的机械强度和耐化学性。表1显示了MD中常用的市售膜的列表。表 1：MD中常用的市售膜（经爱思唯尔许可，从Khayet和Matsuura转载，版权所有2011）制造者

膜蒸馏（MD）技术需要低等级的热热和少量的泵送电能，这些电能可以分别由太阳能集热器（例如平板集热器或真空管集热器）和光伏（PV）提供。这使得MD非常适合由太阳能驱动。本文简要概述了不同的膜蒸馏技术选项，包括组件设计、膜配置以及该技术与太阳能资源的适当集成。

1. 膜蒸馏概述

膜蒸馏过程是基于膜的热驱动分离过程，它使用膜上的分蒸汽压差从进料溶液（例如，海水或地下水）中分离盐和其他杂质。这与其他基于膜的分离技术不同，例如反渗透，正向渗透，电渗析或电容去离子，后者需要电能来驱动高压泵或施加电势将盐从海水中分离出来。通常，MD膜必须具有以下特性：

• 膜应该是疏水性的（以避免润湿），因为只有蒸汽要通过膜孔输送，并且这些孔内不应发生冷凝。
• 膜应该是惰性的，不应该改变或改变进料溶液的蒸汽平衡。
• 膜的至少一侧必须始终与进料溶液直接接触。

MD膜必须由具有高渗透性和低表面能的聚合物制成。通常，这些膜的设计孔径为10nm-1μm，孔隙率为70-80%。狭窄的孔径对于仅允许小的蒸汽颗粒同时排斥大的液体颗粒（即避免膜润湿）至关重要。此外，膜需要尽可能薄，孔隙曲率低，以避免长蒸汽输送距离。

用于制造MD膜的最常见材料是聚四氟乙烯（PTFE），因为它具有天然的疏水性，具有良好的耐化学性和高热稳定性，但它们很难制造。另一种选择是使用聚丙烯（PP），但由于它是天然的亲水性，并且需要额外的涂层来使其疏水，这增加了其制造成本。第三种常见的膜材料是聚偏二氟乙烯（PVDF），它具有天然的疏水性，具有高热稳定性，优异的机械强度和耐化学性。表1显示了MD中常用的市售膜的列表。

表 1：MD中常用的市售膜（经爱思唯尔许可，从Khayet和Matsuura转载，版权所有2011）

制造者	膜 商品名称	材料	厚度 （微米）	平均孔径 （μm）
300万	300万#	聚丙烯	< 100	*
戈尔	戈尔	聚四氟乙烯	< 50	*
		聚四氟乙烯	400	2.00
密理博	断续器	聚四氟乙烯	110	0.45
	高压	聚四氟乙烯	140	0.22
恩卡（阿克苏）	恩卡	聚丙烯	100	0.20
		聚丙烯	140	0.10
	阿库雷尔#	聚丙烯（管）	150	0.43
格尔曼研究所	断续器#	聚四氟乙烯	60	0.20
		聚四氟乙烯	60	0.45
		聚四氟乙烯	60	1.00
赫希斯特-塞拉尼斯	塞尔加德#	聚丙烯	25	0.02
	塞尔加德X-20	聚丙烯（管）	25	0.03
*给出了广泛的孔径。 PTFE膜需要织物支撑，该支撑不包括在给定厚度值中。

放大膜周围，有三个关键层：（i）热进料溶液层，（ii）疏水性渗透膜层，和（iii）渗透层，如图1所示。蒸馏过程沿着进料膜边界层进行，其中渗透液蒸汽通过膜孔扩散到渗透液侧。在渗透液侧，冷水在作为淡水收集之前冷凝扩散的渗透液蒸汽。

图 1. 膜蒸馏不同层示意图（经爱思唯尔许可转载自Omar等人，版权所有2022）

在其他传统的热脱盐工艺（例如，多效蒸馏，多级闪蒸或机械蒸汽压缩）中，MD需要相对较低的进料温度，使其能够由低品位热量驱动，例如工业废热或太阳能。此外，它能够以高产品水质处理各种给水质量（从微咸水到海水），使其成为少数可实现零液体排放模式的技术之一。然而，处理这些高盐浓度溶液会加速结垢和结垢问题，从而对膜产生有害影响。表2总结了膜蒸馏的典型操作条件以及生产率和渗透液质量。

表 2：膜蒸馏操作条件

参数	价值
工作温度（°C）	40–90
单位能耗（千瓦时/米3)	15–750
典型系统容量（米3/天）	1–456
水的单位成本（美元/米3)	0.5–20
给水盐度范围	咸水到海水
对给水盐度的敏感性	低
产品水质（ppm）	1–40
预处理要求	低
结垢和结垢问题	中-高
维护和操作要求	低

2. 膜蒸馏模块设计

MD模块中使用的膜可以制造成四种不同的配置：（i）平板膜，（ii）管状膜，（iii）螺旋缠绕膜和（iv）中空纤维（毛细管）膜。平板和管状膜由于其操作简单而通常用于MD工艺，但与螺旋缠绕膜和中空纤维膜相比，它们的生产率有限。表3根据其堆积密度，清洁难度，耐结垢性和制造成本比较了不同的膜配置。将同一系列的膜组合成一个壳体，构建一个可以在四种不同操作模式下运行的模块：（i）直接接触膜蒸馏（DCMD），（ii）气隙膜蒸馏（AGMD），（iii）清扫气膜蒸馏（SGMD）和（iv）真空膜蒸馏（VMD），如图2所示。

表 3：膜配置比较（转载自Omar等人，经爱思唯尔许可，版权所有2022）

膜 配置	包装密度 （米2/米3）	清洗 难度	耐结垢 性	制造 成本
平板	45–150	容易	温和	高
管	6–120	伟大	高	非常高
缠绕	150–380	难	低	温和
中空纤维	150–1500	难	非常低	低

（一）	（二）
（三）	（四）

图 2. 膜蒸馏操作方式：（a）直接接触式膜蒸馏;（b） 气隙膜蒸馏;（三）扫式气膜蒸馏;（d）真空膜蒸馏（经爱思唯尔许可转载自Omar等人，版权所有2022）

DCMD操作模式是最简单和最常用的。在这种配置中，热进料和冷渗透液与膜直接接触，其中水蒸气以最小的质量阻力扩散穿过膜。这种扩散的渗透液蒸汽在与膜另一侧流动的冷流体（例如冷水）接触时被冷凝。然而，在这种操作模式下，传导热损失是显着的，因为热进料溶液和渗透蒸汽与膜直接接触。

AGMD工作模式与DCMD类似，但使用渗透液和冷侧之间的气隙来减轻高传导热损失。然而，这种额外的气隙会引起更大的蒸汽扩散距离，从而增加传质阻力。

SGMD 操作模式使用惰性气体将渗透蒸汽从 MD 模块中清除出去。这减少了传导热损失，并保持了渗透蒸汽传播的蒸汽扩散距离短，但它需要外部冷凝器来冷凝渗透蒸汽。此外，它需要另一种分离过程来从渗透液蒸汽中除去惰性气体。

VMD操作模式在渗透液侧施加真空压力，通过增加膜的分部蒸汽压差来“拉动”渗透液蒸汽，从而加速该过程。这导致渗透通量明显高于其他操作模式，但代价是高比能耗。

3. 膜蒸馏传质模型

水蒸气通过膜孔的输送已得到广泛研究，并基于气体动力学理论发展了理论模型。膜蒸馏传质模型由尘埃气体模型描述，如Knudsen模型，Poiseuille模型，Knudsen-Poiseuille过渡模型和分子扩散模型。选择适当的传质模型很重要，因为它取决于膜和进料特性（Phattaranawik等人，2001）。大多数情况下，这些模型解释渗透物质量通量（J）是基于膜上的部分蒸气压差（ΔPv）和膜渗透率（βm）的线性函数，如下所示：

(1)

通常假设膜由均匀且不相互连接的圆柱形孔组成，具有平均孔径。这可能会过度简化模型，需要真实的实验数据来验证这些假设和模型。另一个重要参数是估计膜孔内存在的空气量。这种滞留的空气可能会阻碍传质和MD性能。然而，与孔隙内的水蒸气通量相比，来自捕获空气的分子扩散电阻的影响被认为可以忽略不计（Khayet，2011）。因此，在估计膜渗透率（或膜蒸馏系数）时，分子扩散电阻可以忽略不计。

膜渗透率是膜特性、通过膜传输的蒸汽特性和膜平均温度（T̅m）（即进料和渗透液之间膜的平均温度）的函数，如下所示：

(2)

其中r、ε、t、τ分别是平均孔径、膜孔隙率、膜厚度和膜曲率。Mw和R分别是水的分子质量和理想气体常数。

4. 膜蒸馏传热模型

相对于膜界面，进料的温度梯度和非零速度场在热进料和渗透两侧的膜两侧形成热边界层，从而导致蒸发过程。当膜两侧的热边界层相似时，这会产生液-气界面之间的传热阻力，可以使用温度极化系数（Θ）进行测量，如下所示：

(3)

其中 Tf–m 和 Tp–m 分别是进料膜和渗透膜温度，T̅f 和 T̅p 分别是平均进料和渗透液温度。作为参考，高效工艺的温度极化系数接近1，表明热和低传质阻力的良好混合。这可以通过使用促进湍流的挡板来实现，并且将导致温度极化系数在0.90-0.97的范围内，而对于无挡板模块，则为0.5-0.76（Tamburini等人，2013）。

定义膜蒸馏技术有效性的另一个重要变量是其膜的传热系数。准确测量传热系数非常重要，因为它定义了MD过程的传质属性（即生产率）。有不同的传热模型基于膜外表面的Nusselt数，可以基于以下内容评估传热系数（hf）：

(4)

其中 dh 是模块的液压直径，kf 是进料液导热系数。为了估计Nusselt数，基于实验数据和假设开发的传热模型可用于提供传热系数的合理估计。这些相关性 [方程式.（5）–（7）]总结在表4中。

表 4：膜蒸馏传热相关性，改编自Phatraranawik等人（2003）

流动状态	相关性	等式 编号
层流		(5)
		(6)
		(7)
		(8)
		(9)
		(10)
湍流		(11)
		(12)
		(13)
		(14)
		(15)
		(16)
		(17)
注：f = [0.79 ln（Re） – 1.64]–2 表示所有相关性

如表 4 所示，Nusselt 数相关性是雷诺数和普朗特尔数的函数，它们基于以下表达式进行计算：

(18)

(19)

其中ρf、μf和cpf分别是恒定压力下的进料密度、动态粘度和比热。

从方程中可以推断出来。（18）和（19），进料温度显著影响传热系数，然后反映在MD模块的渗透通量（或生产）上。因此，在高进料温度（例如，60-90°C）下运行MD模块以获得高生产率非常重要。尽管如此，这些温度仍然可以使用太阳能轻松实现，这使得这项技术成为由太阳能供电的不错选择。

5. 太阳能驱动的膜蒸馏配置

膜蒸馏技术需要低等级的热能，使其成为与平板太阳能集热器（FPC）或真空管集热器（ETC）太阳能集成的最佳选择。此外，它可以与光伏（PV）面板集成，这些面板可以提供必要的电能来操作泵。因此，有各种耦合技术来驱动使用太阳能的MD过程。在前一个集成中，FPC或ETC可以在进入MD模块开始蒸馏过程之前将给水加热到所需温度，如图3所示。

图 3. 太阳能热驱动膜蒸馏配置（经爱思唯尔许可转载自Omar等人，版权所有2022）

为了使MD系统仅使用太阳能运行，可以通过添加光伏电池板来改变上述设计，以提供泵所需的电能，如图4所示。

图 4. 太阳能热 光伏驱动的膜蒸馏配置（经爱思唯尔许可转载自Omar等人，版权所有2022）

另一种设计是通过使用PV集热器来耦合太阳能电池板的热和电气方面，以提供必要的热能来加热给水和同时运行泵的电能。这种配置的原理图如图5所示。这可以降低系统的资本成本，因为一个收集器提供运行MD模块所需的所有能量。

图 5. 光伏热驱动膜蒸馏配置（经爱思唯尔许可转载自Omar等人，版权所有2022）

另一个创新的想法是将膜浸没在真空管收集器的太阳能管内。这将减少必要的泵送功率，并使MD工艺能够沿着膜连续加热给水。该过程的示意图如图6所示。

图 6. 集成太阳能驱动膜蒸馏（经爱思唯尔许可转载自Li等人，版权所有2019）

6. 结语

近年来，在膜蒸馏及其与可再生能源，特别是太阳能的整合方面取得了很大进展。然而，需要进一步的工作来证明这些概念，因为膜蒸馏可能会随着时间的推移而面临退化，并且在与太阳能资源集成时可能会遭受间歇性操作（经常打开/关闭）的影响。因此，稳健的运维方案需要更多的发展。此外，由于MD具有相对较高的比能耗，因此需要通过最小化收集的太阳能的成本来克服低年平均热效率。尽管如此，MD一直是 - 并且可能将继续 - 成为学术研究的主题，为中小型应用（例如，1-500 m3 /天）创建紧凑型太阳能驱动水处理装置。然而，很明显，这种研究工作确实是值得的。这项技术在成为缓解水资源紧张地区的关键解决方案方面显示出很大的前景，这些地区恰巧拥有高太阳能资源。

引用

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