劉兆峰，何瑞敏，郭 強，王 霄，唐佳偉，趙夢娟，王 群

(1 國家能源集團煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京 102209；2 北京低碳清潔能源研究院，北京 102209；3 神華神東煤炭集團有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719315；4 山東科技大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，山東 青島 266590)

水、糧食、能源是維系人類生存和維持社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素，隨著世界人口的持續(xù)增長和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類對水、食物和能源的需求與日俱增，同時城市化和工業(yè)化的發(fā)展帶來許多問題，特別是有害廢水的大量排放，造成水資源的大面積污染，純凈飲用水不足，人們只能飲用被污染的水，給人們的身體健康帶來嚴重危害。因此，選擇合適的水處理技術(shù)以解決嚴重的水污染問題是當(dāng)前的研究熱點之一。

近年來，膜蒸餾作為膜分離技術(shù)中的一種，發(fā)展越來越廣泛。滲透膜蒸餾是膜蒸餾的一種變體，該工藝研究開始于 20世紀(jì)80年代，是由悉尼的Synix研究所Lefebvre發(fā)起[1]，是基于滲透和蒸餾過程耦合的一種新型分離技術(shù)，還可以被稱為等溫膜蒸餾(IMD)、氣體膜萃取和膜滲透蒸餾(MOD)，用于分離各種水溶液，近年來越來越受國內(nèi)外研究人員關(guān)注。基于此，本論文針對滲透膜蒸餾的原理特點及熱點問題、應(yīng)用方面進行綜述，將從特點、傳遞影響、應(yīng)用和膜污染等方面理清滲透膜蒸餾技術(shù)的最新研究現(xiàn)狀及進展。

1 滲透膜蒸餾

1.1 滲透膜蒸餾原理

滲透膜蒸餾(Osmoticmembrane distillation，OMD)是一種通過水的蒸發(fā)來實現(xiàn)溶液濃縮的分離過程，是滲透和蒸發(fā)過程耦合的新型分離的方法，其原理[2]如圖1所示，膜的兩側(cè)分別與進料液和滲透液兩種不同水分活度的溶液相互接觸，待濃縮的溶液作為膜的上游進料液側(cè)，無機鹽或有機溶劑作為膜的下游滲透液側(cè)，可作為滲透劑，膜的疏水性阻止其他溶液進入膜孔中，僅使易揮發(fā)組分由進料液側(cè)通過膜擴散進入滲透液側(cè)，滲透劑將透過膜的易揮發(fā)組分吸收，實現(xiàn)吸收分離操作。與膜蒸餾不同的是，滲透膜蒸餾能夠進行，其蒸汽驅(qū)動力是依靠膜兩側(cè)存在滲透活度差，當(dāng)被處理液中的易揮發(fā)組分在疏水微孔膜兩側(cè)的滲透活度差近似接近于0時，此時不存在滲透壓力，則滲透蒸餾過程將停止進行。在滲透膜蒸餾操做過程中，要使進料液側(cè)的操作壓力大于滲透劑側(cè)，用來避免膜的滲漏污染處理物料[3]。

圖1 滲透膜蒸餾原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of osmotic membrane distillation

1.2 滲透膜蒸餾特征

滲透膜蒸餾的特點[4]在于，除了具有一般膜分離技術(shù)的經(jīng)濟及能耗低的優(yōu)點外，還具有：(1)具有良好的導(dǎo)熱性能，可以在常溫和常壓下進行，相對于膜蒸餾有濃度梯度，滲透膜蒸餾是一個等溫的膜蒸餾過程，因此熱敏性的物質(zhì)不易分解；(2)使被處理的物料不會發(fā)生降解進行高倍濃縮，保留揮發(fā)性成分；(3)相對于常規(guī)分離過程，滲透膜蒸餾可以減少熱效率以及機械損失，在處理熱敏性物料及對剪應(yīng)力敏感性的物料上有良好的應(yīng)用效果；(4)滲透膜蒸餾有利于在溫和條件下進行食品濃縮，并且不會損壞產(chǎn)品；(5)滲透膜蒸餾在進行低倍濃縮時，其滲透蒸餾速率要比一般超濾、反滲透速率慢，而在高倍濃縮時速率相反。因此在采用滲透膜蒸餾處理物料時，選用組合流程進行效果更好。

2 滲透膜蒸餾用膜

2.1 膜特性

滲透膜蒸餾過程所用膜，應(yīng)滿足疏水性及合理的孔徑，同時還應(yīng)該具有良好的穩(wěn)定性，高的導(dǎo)電性能，一定的機械能力，抗腐蝕能力以及良好的傳熱性能等條件[4]，保證滲透膜蒸餾工藝的正常運行。Sangsuk Lee等[5]通過改進膜設(shè)計的滲透膜蒸餾提高生產(chǎn)力和選擇性脫鹽的機會進行研究，在這項研究中，使用單元和模塊規(guī)模的計算模型來研究外徑膜優(yōu)化如何提高水處理性能，并比較模擬外徑膜模塊與常規(guī)FO系統(tǒng)的生產(chǎn)率，發(fā)現(xiàn)降低外徑膜厚度是實現(xiàn)高性能的最關(guān)鍵因素，大約0.1 μm的膜厚度需要實現(xiàn)超過目前商用FO膜的水通量。在大規(guī)模系統(tǒng)中，薄膜對于最小化有害的傳熱影響也是至關(guān)重要的。綜合比較OMD和FO膜，優(yōu)化后的OMD膜在最大可實現(xiàn)水通量和模塊級水回收率方面優(yōu)于高性能FO膜。結(jié)果表明OMD膜克服傳統(tǒng)聚合物膜選擇性限制的前景，并為未來的OMD膜設(shè)計提供了指導(dǎo)。

2.2 膜材料

滲透膜蒸餾的材料為疏水微孔膜，其膜材料具有低表面自由能的非極性高聚物，與滲透膜相同，一般都是聚烯烴類和聚氟烯烴類化合物，主要包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚偏氟乙烯(PVDF)等，與膜蒸餾區(qū)別的是，相對于膜蒸餾的膜最佳厚度在高的滲透通量和低的熱導(dǎo)率之間，滲透膜蒸餾所用膜應(yīng)該更加薄，使膜的滲透通量盡可能的大。當(dāng)滲透膜蒸餾與膜蒸餾技術(shù)相互耦合，要實現(xiàn)溫差作為推動力，此時要使膜的導(dǎo)熱性能盡可能降低。Lydia Terki等[9]采用滲透膜蒸餾過程，用各種疏水多孔膜濃縮糖溶液保存仙人掌梨汁的品質(zhì)進行研究。將疏水聚合0.45 mm和0.20 mm的聚四氟乙烯(PTFE)和0.10 mm的聚丙烯(PP)膜有效地應(yīng)用于仙人掌梨汁和糖溶液的濃縮。研究表明，PTFE膜給予更高的滲透通量和更高的最終汁濃度。此外，OMD工藝前對原汁的過濾、工藝時間的延長和工藝溫度的升高都導(dǎo)致了最終果汁濃度的升高。通過測定果汁粘度、總酚含量、總黃酮含量、抗氧化活性和酚酸含量來評價果汁品質(zhì)，指出濃縮果汁的理化性質(zhì)得到了保留。

2.3 膜相關(guān)參數(shù)

滲透膜蒸餾所用膜厚度盡可能薄，孔徑多，因為膜的滲透通量與膜厚度成反比，同時膜的耐熱性能與膜厚度成正比，有利于膜的導(dǎo)熱性。膜的滲透通量與孔隙度成正比，膜的表面孔徑大有利于揮發(fā)物的保留率，從而增加膜通量[1]。由于滲透膜蒸餾可以近似于等溫過程，因此膜應(yīng)該具有高導(dǎo)電性能，將易揮發(fā)物質(zhì)以最低的溫度梯度汽化進入膜孔傳遞到滲透液側(cè)，有利于滲透膜蒸餾的工藝的進行。在選定膜厚度及膜孔徑后，有的還需要對膜表面進行處理，適應(yīng)所處理的物料。

滲透膜蒸餾所用膜有平板膜和中空纖維膜，在工業(yè)上宜采用中空纖維膜提高膜的滲透通量。岳程等[10]對PTFE平板微孔膜用于滲透膜蒸餾進行研究，采用“擠出—壓延—拉伸”法，改變縱向拉伸倍數(shù)，制備出平均孔徑為0.25～0.80 μm，孔隙率為46.9%～78.3%的4種疏水PTFE平板微孔膜。隨著縱向拉伸倍數(shù)的增加，微孔膜結(jié)構(gòu)中的結(jié)點變小，纖維變細，孔徑和孔隙率增大，孔隙分布更均勻。分別以茶多酚水溶液和CaCl2溶液為進料液和滲透液，進行滲透膜蒸餾濃縮實驗。結(jié)果表明，增大PTFE平板微孔膜孔徑、提高滲透液的濃度以及進料液和滲透液的流速可提高滲透通量。整個實驗過程中，4種PTFE平板微孔膜對茶多酚的截留率均能保持在 99.9%以上，且不受操作條件的影響。Sher Ahmad等[11]對滲透膜蒸餾蘋果汁濃縮中空纖維膜接觸器進行研究，建立了滲透膜蒸餾的傳質(zhì)擴散模型，并應(yīng)用于蘋果汁濃縮，研究了果汁濃度、溶出液濃度、雷諾數(shù)等工藝參數(shù)對整體傳質(zhì)系數(shù)和水蒸氣通量的影響。實驗表明，隨著進料和滲透液流量的增加，由于流體動力邊界層阻力的減小，水蒸氣通量和總傳質(zhì)系數(shù)增大。而隨著進料濃度的增加，由于水活度降低、黏性阻力增大以及濃度極化效應(yīng)的增加，水蒸氣通量和總傳質(zhì)系數(shù)均有所下降。結(jié)果表明，進料液和滲透液之間的活度梯度對水蒸氣的質(zhì)量輸運有很大影響。同樣，水蒸氣通量也受到膜孔隙率增加的影響。水蒸氣通量和總傳質(zhì)系數(shù)也隨著溶液體積溫度的升高而增加，這是由于溶液的水蒸氣壓力升高和粘度降低所致。

2.4 膜組件

與膜蒸餾類似，滲透膜蒸餾所用膜組件有[12-13]平板式、卷式、毛細管式和中空纖維式四種。滲透膜蒸餾相對于膜蒸餾的不同之處在于，滲透膜蒸餾膜組件不但要提供被處理物料的通道，還要提供脫除劑(鹽水溶液)的通道，設(shè)置鹽水溶液的進出口。對于設(shè)置脫除劑通道，朱圣東等[12]已經(jīng)進行了詳細敘述，這里就不加重復(fù)。針對膜組件的適用范圍，平板式適合實驗室進行可行性研究，其特征在于相對于其他膜組件，平板式更容易觀察及清洗更換。卷式滲透膜蒸餾既適用于實驗研究，也適用于工業(yè)化生產(chǎn)。對于工業(yè)生產(chǎn)，應(yīng)采用中空纖維膜和毛細管式，適用于高濃縮的物料，促進滲透膜蒸餾的速率，提高滲透膜蒸餾工藝的效率。

3 滲透膜蒸餾傳質(zhì)、傳熱過程

3.1 傳質(zhì)過程

滲透膜蒸餾是一個等溫的過程，驅(qū)動力是靠膜兩側(cè)的溶質(zhì)性質(zhì)與濃度的不同，導(dǎo)致水分活度不同，形成蒸汽壓差。若將滲透膜蒸餾升溫產(chǎn)生溫差時，推動力靠溫差與濃差共同作用。其中滲透通量取決于膜的滲透性和驅(qū)動力，從而發(fā)生質(zhì)量傳遞，傳質(zhì)過程如圖2所示，主要有三個步驟[14]：水分子從膜的料液側(cè)的主體部分擴散到料液側(cè)膜面；水分子通過汽化形成水蒸氣，料液被濃縮水蒸氣穿過疏水微孔膜，由料液側(cè)膜面進入滲透劑側(cè)膜面; 水蒸氣在滲透劑側(cè)膜面冷凝形成水，擴散至滲透劑主體，被滲透劑所吸收。Ruiz Salmón等[15]對碳酸鈉—CO2結(jié)晶的滲透膜蒸餾傳質(zhì)傳熱過程進行研究，考慮了進料液和滲透溶液的流速、濃度以及進料溫度等因素對滲透膜蒸餾結(jié)晶裝置的傳質(zhì)傳熱系數(shù)的影響，對滲透膜蒸餾結(jié)晶裝置的性能進行了評價。結(jié)果表明，流速和進料濃度的變化對傳質(zhì)系數(shù)沒有顯著影響，降低滲透溶液的濃度或升高滲透溶液的溫度會使傳質(zhì)系數(shù)降低。

圖2 滲透膜蒸餾傳質(zhì)過程機理Fig.2 Mass transfer mechanism of osmotic membrane distillation

3.2 傳熱過程

滲透膜蒸餾雖然被認為是等溫過程，但是由于水蒸氣在疏水微孔膜兩側(cè)汽化和冷凝帶來的潛熱，會造成溫度差，使靠近料液側(cè)的膜表面溫度低于靠近滲透側(cè)的膜表面溫度，存在著跨膜傳熱的溫度，同時在料液側(cè)和滲透側(cè)與膜表面之間也存在著熱量的傳遞過程，因此可以將傳熱過程看作為潛熱與跨膜熱傳導(dǎo)兩個部分構(gòu)成，其傳熱過程包括三個步驟[14]：熱量從膜的料液側(cè)的邊界部分，由料液主體傳遞到料液的熱側(cè)膜面，水在料液-膜界面上蒸發(fā)，進行汽化形成水蒸氣，此部分所需熱量由料液進行提供，使進料液溫度下降；水蒸汽通過膜由熱側(cè)膜面進入冷側(cè)膜面，熱量隨著水蒸氣透過膜孔進行跨膜傳遞，此時熱量由膜本體和孔內(nèi)氣體進行熱傳導(dǎo)和潛熱兩部分構(gòu)成，與直接接觸膜蒸餾不同的是，此時的熱量有一部分進行反向傳遞[16]，從滲透側(cè)導(dǎo)入進入料液側(cè)；水蒸氣在膜—滲透劑界面上冷凝，水蒸氣在冷側(cè)膜面形成水，熱量通過導(dǎo)熱和對流傳熱從冷側(cè)面膜傳遞到了滲透液主體，使?jié)B透液溫度升高。其傳熱過程如圖3所示。滲透膜蒸餾過程中的傳熱，產(chǎn)生跨膜溫度梯度，進而轉(zhuǎn)化為蒸汽壓梯度，產(chǎn)生了反向驅(qū)動力是滲透膜蒸餾的推動力減小，不利于水的跨膜運輸，不利于傳質(zhì)的進行。根據(jù)實驗[17-18]可知，在滲透膜蒸餾的實際操作中，其運行速度慢的同時導(dǎo)熱性高，使膜兩側(cè)的溫度梯度較小，可忽略傳熱帶來的反向驅(qū)動力，進而將滲透膜蒸餾是為等溫滲透膜蒸餾過程。

圖3 滲透膜蒸餾傳熱過程機理Fig.3 Heat transfer mechanism of osmotic membrane distillation

4 滲透膜蒸餾極化現(xiàn)象

滲透膜膜蒸餾過程往往伴隨著極化現(xiàn)象，包括溫度、濃度、黏度極化，三者具有密切聯(lián)系，這些極化現(xiàn)象會降低膜的滲透通量，影響滲透膜蒸餾的傳質(zhì)傳熱過程，一般情況下濃度極化比溫度極化和黏度極化影響更為明顯。

4.1 溫度極化 (TP)

由于易揮發(fā)組分在進料液側(cè)膜表面汽化吸收熱量，使進料側(cè)膜表面溫度低于進料液主體溫度，在滲透側(cè)膜表面由于滲透劑吸收易揮發(fā)組分，放出熱量，使?jié)B透側(cè)膜表面溫度高于滲透劑主體溫度，滲透膜蒸餾膜兩側(cè)主體溫度相差不大，膜兩側(cè)形成溫度梯度，這種現(xiàn)象成為溫度極化現(xiàn)象[14，19]。溫度極化現(xiàn)象的發(fā)生，與直接接觸式膜蒸餾相反，滲透膜蒸餾過程中的膜兩側(cè)溫差應(yīng)最小化，因為該溫差引起的蒸汽壓力梯度與濃度梯度產(chǎn)生的壓力梯度相反[20]，使進料側(cè)膜表面的蒸汽壓力減小，滲透劑側(cè)膜表面蒸汽壓力升高，降低了膜蒸餾過程的推動力，從而降低了滲透膜蒸餾的速率。在一般的滲透膜蒸餾過程中，兩側(cè)主體溫度相差不大，進料液和滲透液處于湍流狀態(tài)邊界層厚度減小，溫度極化現(xiàn)象不明顯，同時滲透膜蒸餾的導(dǎo)熱性能良好，減小了溫度梯度，可將滲透膜蒸餾認為是等溫狀態(tài)，忽略溫度極化帶來的影響。當(dāng)進料液進行高倍濃縮時[12]，膜的表面形成一個停滯層使較強的溫度梯度產(chǎn)生，此時蒸汽壓隨溫度變化顯著，溫度極化現(xiàn)象比濃度極化現(xiàn)象更為明顯，在這種情況下要消除停滯層，減小溫度極化現(xiàn)象，可以從組件優(yōu)化、工藝優(yōu)化、新材料與新工藝的開發(fā)方面考慮進行。

4.2 濃度極化(CP)

滲透膜蒸餾的濃度極化與膜蒸餾類似，物料進行濃縮時，水蒸氣透過多孔疏水膜，進料液的濃度變大，滲透劑被不斷稀釋。在傳質(zhì)過程中，進料液側(cè)膜表面溶液濃度大于料液主體濃度，滲透劑側(cè)膜表面濃度小于滲透劑主體濃度，形成極化邊界層，產(chǎn)生濃度差，這種現(xiàn)象稱為濃度極化現(xiàn)象。濃度極化現(xiàn)象的形成造成膜兩側(cè)水蒸汽壓差增大，使?jié)B透膜蒸餾的驅(qū)動力減小。當(dāng)料液進行高倍濃縮時，蒸汽壓差更為顯著，濃度極化現(xiàn)象更明顯。B.Ravindra Babu等[22]對滲透膜蒸餾過程中濃度和溫度的極化效應(yīng)進行研究。實驗表明，在不同的實驗條件下，與溫度極化相比，濃度極化對驅(qū)動力降低的貢獻更為顯著。

4.3 黏度極化(VP)

當(dāng)滲透膜蒸餾對物料進行高倍濃縮的時候，隨著濃縮過程的進行，水蒸氣不斷通過膜孔進入滲透液，此時的進料液被濃縮濃度升高，其黏度增加，這種現(xiàn)象成為黏度極化現(xiàn)象[8，14]。通常情況下，料液的表觀黏度隨著切變速度的增加而減小，此時進料液表現(xiàn)為假塑性流體的性質(zhì)。隨著水分的不斷透過，使進料液濃縮到某一臨界壓力濃度，膜表面附近形成一個停滯層，距離膜遠的料液濃度低無法濃縮，從而滲透膜蒸餾的溫度、濃度極化現(xiàn)象加劇，增加了黏度極化現(xiàn)象，是滲透膜蒸餾的驅(qū)動力減小，滲透通量降低，不利于滲透膜蒸餾的正常運行。減小黏度極化帶來的影響，可以優(yōu)化組件結(jié)構(gòu)和改進工藝操作條件，開發(fā)新材料、新工藝，采取逆流進料的手段減少黏度極化的產(chǎn)生。

5 滲透膜蒸餾膜污染和膜潤濕

膜污染是一個不可避免的過程，主要有四種類型，包括無機垢、有機垢、膠體、生物質(zhì)，其中污染沉積物是引起膜污染的主要原因。膜潤濕是滲透膜蒸餾過程中最嚴重的膜污染，是由于濃度、溫度極化、吸附以及膜材料膜結(jié)構(gòu)等因素引起膜表面親水性增強，造成膜表面潤濕[25-26]。膜潤濕程度可以分為表面潤濕、部分潤濕、完全潤濕三種類型，其特征如表1所示，膜潤濕過程示意圖如圖4所示。

圖4 膜潤濕過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of membrane wetting process

表面潤濕程度與滲透量、接觸角有關(guān)。膜材料的接觸角用來衡量材料表面潤濕性能的重要指標(biāo)。一般來說，在接觸角越大，表面自由越低的情況下，膜材料的親水能力越弱，疏水能力越強，從而減小膜潤濕的影響，減少膜污染和膜潤濕所帶來的影響。一般膜材料的接觸角如表2所示。

表2 膜材料接觸角和表面自由能Table 2 Contact angle and surface free energy of membrane materials

滲透膜蒸餾與膜蒸餾過程中，都會存在膜污染現(xiàn)象，是隨著時間的延長，產(chǎn)生的阻力使膜通量降低。阻礙滲透膜蒸餾順利進行的一個最嚴重的膜污染就是膜潤濕，是由于極化現(xiàn)象以及結(jié)垢、膜污染引起的[27]。即在一小片膜上的潤濕性也會導(dǎo)致膜孔進入液體，滲透膜蒸餾失去作用。疏水微孔膜的存在促進了膜潤濕，應(yīng)該進行膜表面清潔和干燥的再生程序，但在膜蒸餾和滲透膜蒸餾過程中的膜再生是困難的，因此實際操作性不強。J. Mansouri等為避免污垢和膜潤濕現(xiàn)象進行研究，發(fā)現(xiàn)對于疏水膜來說，可以通過在膜表面涂上一層薄薄的親水聚合物來實現(xiàn)。膜涂覆對于含油飼料的濃縮是必要的，即使是低濃度的油分散在水中，未涂覆的膜也能迅速潤濕，同時發(fā)現(xiàn)被涂覆的膜在長達24 h的油乳液濃度期間保持其性能，這些觀察結(jié)果證實了被涂覆膜對油性飼料的滲透膜蒸餾的效率。Waheed -Ur Rehman等[28]對采用平板PVDF和PTFE膜，通過滲透膜蒸餾技術(shù)對石榴汁的濃度及相應(yīng)的膜潤濕效果進行研究。研究表明，滲透膜蒸餾技術(shù)中PVDF膜比PTFE膜更容易被潤濕。連續(xù)運行24 h后，PVDF膜的疏水性下降了29%，而PTFE膜的疏水性下降了6%，這是膜潤濕的明顯標(biāo)志。實驗用紅外光譜(FTIR)、掃描電鏡(SEM)和孔結(jié)構(gòu)分析進一步證實了PVDF膜對潤濕的敏感性，得出造成這種反應(yīng)的主要原因是PVDF膜具有較高的表面能，并且無紡布聚酯纖維作為支撐層存在于膜中。

6 滲透膜蒸餾的應(yīng)用、存在問題及發(fā)展

6.1 滲透膜蒸餾的應(yīng)用

滲透膜蒸餾作為一種新型分離技術(shù)，具有重要的應(yīng)用前景和商業(yè)價值。近年來許多學(xué)者對滲透膜蒸餾研究不斷深入，膜蒸餾技術(shù)日益成熟起來，其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸被發(fā)掘出來。

滲透膜蒸餾在食品領(lǐng)域上：滲透膜蒸餾在食品工業(yè)上的應(yīng)用主要包括濃縮果汁、蔬菜汁、牛奶、速溶咖啡等和其他不耐溫度的液體，用于去除液體中的水分。滲透膜蒸餾可以作為溶酚化等相對昂貴的過程之前的預(yù)濃縮步驟，用于酶、蛋白質(zhì)、天然食品色素等熱敏性產(chǎn)品，另一個潛在的應(yīng)用是發(fā)酵飲料、葡萄酒或啤酒的脫醇，滲透膜蒸餾的使用有助于選擇性地去除酒精飲料中的乙醇，而不會對其味道、氣味或口感產(chǎn)生不利影響。從滲透液中回收乙醇可進一步作為一種潛在的混合原料用于制造強化酒精飲料。V. Alves等將滲透膜蒸餾用于果汁濃縮進行研究，研究表明經(jīng)滲透膜蒸餾濃縮的果汁質(zhì)量和成分接近于新鮮的果汁，抑制了果汁風(fēng)味和顏色的退化。與膜蒸餾不同，滲透膜蒸餾溫差梯度小，阻止了揮發(fā)性香氣隨進料溫度的升高而損失，保持果汁氣味的香醇。果汁的極限濃度和果汁粘度(>0.2 N/m)在滲透膜蒸餾中超過68°Brix。W. Kujawski等[29]對滲透膜蒸餾工藝在紅葡萄汁濃縮中的應(yīng)用進行研究，應(yīng)用滲透膜蒸餾工藝對不同濃度(5 ～ 20°Brix)的紅葡萄汁進行脫水。采用不同公稱孔徑的聚四氟乙烯疏水膜進行了實驗，以紅葡萄汁溶液和濃氯化鈣溶液(50wt%)作為進料液和滲透液，測定滲透通量、初汁濃度、終汁濃度、總酚含量(TPC)和抗氧化活性(TEAC)。結(jié)果表明，在滲透膜蒸餾脫水濃縮過程中，果汁的總酚指數(shù)和抗氧化活性等理化性質(zhì)得到了較好的保留，膜的孔隙率對水的滲透通量或加工果汁的最終濃度沒有顯著的影響，對濃縮果汁質(zhì)量的重要理化性質(zhì)(如總多酚含量和抗氧化活性)不受多孔疏水膜滲透膜蒸餾的影響。

滲透膜蒸餾在醫(yī)藥領(lǐng)域上：滲透膜蒸餾可以對疫苗、氨基酸、多肽、蛋白質(zhì)、核酸、激素、抗菌素等熱敏性物料或剪應(yīng)力敏感性的物料進行高倍濃縮，過程往往在低溫條件下進行，其工藝過程類似于果汁濃縮過程。PA Hogan等[30]早期就對采用滲透膜蒸餾濃縮各種疫苗，對其進行大量研究，結(jié)果顯示采用滲透膜蒸餾濃縮疫苗技術(shù)可行， 經(jīng)濟合理，開拓了滲透膜蒸餾在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用市場。

滲透膜蒸餾在化工領(lǐng)域上：滲透膜蒸餾在化工領(lǐng)域上，與其他分離方法聯(lián)用，可以得到濃度更高、質(zhì)量更好的物質(zhì)，同時又能降低成本，特別是在酯化反應(yīng)中引入滲透膜蒸餾過程脫水[21]，例如乙酸與丁醇酯化反應(yīng)和滲透蒸發(fā)耦合可以提高乙酸丁酯的轉(zhuǎn)化率和選擇性。Bessarabov D等[31]報道了滲透膜蒸餾的新機遇，討論了滲透膜蒸餾技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用前景，以氯堿工業(yè)中的氯化鈉鹵水再濃縮為例，討論了該技術(shù)的商業(yè)機會。實驗表示，滲透膜蒸餾為在化工廠環(huán)境中管理含水水流提供了一種新的可能性。如果要使用滲透膜蒸餾的協(xié)同效益，最好是在有較高溫度的水工藝流程以及需要回收濃縮反饋到工藝時使用。在目前的滲透膜蒸餾應(yīng)用中，10 kg/(m2·h)以上的水通量已在中試中得到驗證。

6.2 存在問題

滲透膜蒸餾作為一種新型的分離技術(shù)在理論、實驗及模擬方面研究日益加深，但其應(yīng)用還不夠充分，未能面向工業(yè)化大規(guī)模發(fā)展，存在以下方面問題值得思考與討論：

(1)滲透膜蒸餾與膜蒸餾之間都存在著膜通量小、價格高，膜過程耗能大，成本增加，膜組件不夠完善，熱利用效率不高，存在熱損失的缺點，未達到可以大規(guī)模應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)；

(2)滲透膜蒸餾過程中，料液被濃縮，滲透劑被稀釋并直接排放會造成生態(tài)問題，引起環(huán)境污染，不利于可持續(xù)發(fā)展的構(gòu)建，若處理排放后的滲透劑會增加成本，因此對滲透劑的合理排放和回收是研究的重要因素之一；

(3)滲透膜蒸餾過程速率較慢，處理效率較低；

(4)滲透膜蒸餾過程中，由于膜的高疏水性，易產(chǎn)生膜污染和膜潤濕易造成結(jié)垢堵塞的現(xiàn)象。

6.3 滲透膜蒸餾發(fā)展方向

為了解決上述滲透膜蒸餾存在的問題，從滲透膜蒸餾研究發(fā)展來看，膜過程的研究還有以下方面需要突破。

(1)解決滲透膜通量低的問題，開發(fā)和制造具有更好的擴散特性、選擇性的、孔隙幾何形狀、穩(wěn)定性和更長的生命周期的合適膜，可將親水性聚合物涂層附加于疏水膜表面形成親一疏水復(fù)合膜，防止油精潤濕，設(shè)置大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用；

(2)設(shè)計出更加完善的膜組件，提高膜蒸餾機理的優(yōu)化性能，提高膜蒸餾的熱效率，使其在工業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮重要作用；

(3)對滲透膜蒸餾濃縮后的滲透劑的處理，可以將膜蒸餾后的高濃鹽水作為過程的滲透劑，稀釋后排放，這一過程可以避免滲透膜蒸餾中滲透劑溶液大規(guī)模排放引起的環(huán)境和生態(tài)問題；

(4)擴充膜蒸餾的應(yīng)用范圍，滲透膜蒸餾無論在工藝上還是經(jīng)濟效益上都優(yōu)于反滲透和膜蒸餾技術(shù)，可以與其他膜過程如超濾反滲透技術(shù)耦合進行研究，經(jīng)過初步濃縮去除懸浮固形物后將澄清溶液用滲透膜蒸餾高倍濃縮來提高經(jīng)濟性，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，增大膜通量，提高濃縮效率。劉紀(jì)成等[33]對膜蒸餾與滲透蒸餾耦合分離 HCl過程進行理論分析和實驗研究，分析了 HCl-H2O體系氣液平衡關(guān)系及膜蒸餾與滲透蒸餾耦合分離HCl過程中伴生水傳質(zhì)的推動力，考察了鹽濃度、吸收液溫度、料液中鹽酸和硫酸濃度對伴生水傳質(zhì)的抑制效果。結(jié)果表明，料液中含鹽、適當(dāng)升高吸收液溫度均能夠抑制伴生水的傳質(zhì)；料液中鹽酸濃度增大，水的跨膜通量減小，HCl的摩爾通量增大;料液中硫酸濃度從0.01 mol/L增大到0.05 mol/L，水的跨膜通量下降了28.1%，HCl的摩爾通量增大了2.1倍。