文 献 综 述
研究背景
如今随着全球人口的增长和工业的快速发展，加剧了世界范围内的水资源短缺[1]。与此同时人们加大了对替代水资源（如废水、海水和含盐地下水）的需求。这些水资源需要先进的水处理工艺，如反渗透技术（RO）或热脱盐技术（TD），以除去盐和其它溶解污染物。虽然这些技术越来越多的应用于替代水源处理，但它们需要大量的能源。而世界能源危机也在加剧，因此减少水能关系（Water-energy Nexus）的冲突迫在眉睫。在近几十年来，膜蒸馏（MD）[2]作为一种新的膜分离技术保持着迅猛发展的势头。由于它具有操作温度比传统膜蒸馏过程（RO和TD）低得多，操作压力低，分离效果好等一系列其他膜技术不具备的优点，被认为是一种节能、高效的分离技术，因此得到更多的应用和关注[3]。
实验研究
MD是将膜分离过程和蒸馏过程结合起来的一种新的工艺过程。MD分离过程的驱动力来自分离膜两边的蒸汽压差。水在进料侧膜表面蒸发，在蒸汽压差的驱动下，水蒸汽通过膜孔从进料侧到达冷却侧进行冷凝收集。由于只有水蒸汽能通过膜孔，所以在非挥发性溶质水溶液的MD过程中，截留率能达到100%[4,5]。此外，MD过程还可以利用太阳能、地热能和工业低品位余热等廉价能源来加热进料侧溶液，进一步降低能耗[6]。
根据高温进料侧产生的蒸汽扩散进入低温透过侧后，其被冷凝收集的方式不同，膜蒸馏过程可以被分为四种类型：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）。在上述MD工艺，DCMD由于其装置简单，操作方便且膜通量较大，得到了最为广泛的研究[7,8]。但DCMD过程存在导热损失和温度极化这两个固有的缺点[9]：由于膜的两侧分别与进料侧温度较高的液体和透过侧温度较低的液体直接接触，使得由进料侧所处理的料液被加热而产生的热量，穿过膜发生了热传导而进入温度较低的膜的另一侧。一方面由于导热损失，整过过程的热效率降低，另一方面，也导致了温度较低的透过侧的液体和直接接触的膜表面之间存在的边界层中的液体温度升高，以及温度较高的料液侧的液体和膜表面之间存在的边界层中的液体温度降低，而这两者都会加剧在膜两侧出现的温度极化效应，会减少膜两侧液体之间温度的差值，饱和蒸汽压差也随之降低，从而降低了传质驱动力，导致膜通量下降。
在MD中，膜承担着运输水蒸汽和拦截非挥发性溶质的作用，且膜直接与进料液和冷却液接触，因此高性能的蒸馏膜是MD的关键[10]。膜的疏水性和多孔性是选择MD用膜的关键参数。膜的疏水性以保证水不会渗入膜孔而使膜被浸润，从而不影响产水水质。此外，为了获得较高的膜通量也希望膜具有较大的孔隙率。具有良好的机械强度、化学稳定性、热稳定性以及低热传导系数也是膜蒸馏用膜应具有的性质。目前MD技术所采用的膜材料主要有聚偏氟乙烯[11]（PVDF），聚四氟乙烯[12]（PTFE）、聚丙烯[13,14]（PP）和聚乙烯[15]（PE）。MD的应用主要集中在海水淡化与苦咸水脱盐、化学物质的回收与浓缩、水溶液中易挥发物质的脱除与回收等[16]。
传统MD技术存在的主要问题之一是温度极化（TP）。TP的存在显著限制了MD过程的效率。如图1(a)，由于TP效应，进料侧膜表面的温度（）显著低于进料液体的温度（），透过侧膜表面的温度（）显著高于透过侧液体的温度（）。这降低了横跨膜的蒸汽压力，从而降低了膜通量。在某些情况下，温度极化系数（被定义为式(1)）低于0.3，这说明有效驱动力至少减少了70%。
(1)
