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节能与环保已成为当今时代的主题，在水资源日益稀缺的当代，仍有大量水资源浪费的现象发生在我们身边。如果你曾见过电厂的烟囱，那你将会发现，电厂的烟囱，常年向外排放着大量的白色烟雾。为此，不少周边居民抱怨，电厂整天向外排放污染物，污染了他们的生活环境。但是，事实上，电厂烟囱排放的，根本就不是居民口中的污染物，而是大量的水蒸气和极少量的硫化物，氮化物，还有一些灰渣等等。以一个600MW的火力发电机组为例，该机组每小时大约需要30t的补水，每小时燃煤产生的烟气中含有150t的水分，如果回收20%的水分，该电厂可实现补水自足；如果超过20%的水蒸气被回收，该电厂还可为外界提供一定的水，因此，研发一种装置来回收电厂烟气中的水分变得非常的有意义！
近年来，国内外研究回收电厂排烟水分的技术，主要有低温冷凝、固态吸附、静电脱水等，但都各有其局限性，烟气低温冷凝技术是利用换热器来冷凝并且捕集烟气水分，其捕集的水分水质较差，呈酸性，甚至可能具有强腐蚀性；通过干燥剂回收水分技术捕集烟气水分的水质不好，而且干燥剂不能循环使用；烟气静电脱水技术目前处于初始研究阶段，没有成熟的商业化经验[1]；但是随着科技的发展，一种新的水分回收技术逐渐被人们所重视，它的原理是在复合膜膜丝内部形成负压，水蒸气通过渗透、扩散作用进入膜丝内部，再通过引流装置将水引出，达到回收洁净水资源的目的。
目前回收效果比较好的复合膜主要由PES和SPEEK两种成分组成。支撑层采用聚醚砜（PES）高分子多孔膜制成，分离层则采用磺化聚醚醚酮（SPEEK）。PES与SPEEK的分子间具有良好的相容性，因为PES中O=S=O基团上的氧原子与SPEEK中-SO3H基团上的氢原子相互作用，较为可能形成O-H-O，使得二者分子间的结合更为紧密，因此PES是理想的中空纤维复合膜支撑层材料。而且在PES中空纤维膜表面凃敷SPEEK后，膜的亲水能力明显增强，且在一定范围内，随着SPEEK磺化度的增大，膜的亲水能力也会越来越强[1]。
由于复合膜在烟道内会受到烟气的冲击，因此，提高其强度和韧性变得非常重要。在PES膜丝表面凃敷上溶解了SPEEK的甲醇溶液后形成的复合膜，强度和韧性都会有所提升，在实验中，复合膜丝大都承受住了烟气的冲击而没有发生损坏，但是，实验过程往往处于一个比较理想的环境，并且实验都是在相对较短的时间内就完成了，真正应用在电厂烟囱中时，其所处的环境要相对恶劣许多，烟气中的固体灰渣颗粒还有可能会堵塞PES支撑层的膜孔，由此可见，复合膜水分捕集装置还将要面临很多的实际问题。
有学者按照火力发电厂实际烟气各成分比例进行配气，构建了PES-SPEEK复合膜捕集烟气水分的实验系统，通过控制变量的方法，以模拟烟气温度、模拟烟气速度、复合膜内外侧压差，以及模拟烟气水分比例等作为自变量，通过模拟实验，得出了捕集烟气水分的最优化配置。在实验结果中，我们发现，随着烟气流动速度的增加，膜内外侧压差的提高，烟气水分占比的提升，复合膜的水分传质系数也会相应的提升，但大体上提升到一定程度后便会趋于平缓，另一方面，随着烟气温度的提升，复合膜的水分传质系数会降低而其他组分的传质系数则会略有升高，因此，对烟气温度的控制则显得尤其重要，温度过高，可能会导致吸水效率的下降，而温度过低，又有蒸气在烟道发生冷凝而腐蚀烟道的危险，可见，关于复合膜最优化配置的研究，未来还有很长的路要走。
复合膜装置，是由很多的膜组件组成，每个膜组件上面都安装有大量的中空纤维膜丝，这些膜组件在烟道中的排列方式，对烟气的流动阻力，水分回收效率，膜组件的寿命，都将会有很大的影响。假设膜组件只采用顺排和叉排两种排列方式（事实上可还以有前顺排后叉排、前叉排后顺排、不规则排列等多种排列组合，此处为了研究方便，只列出顺排和叉排两种较为规则的排列方式）。如果采用顺排，烟气在烟道中流动阻力会相对较小，这一方面可以减少风机等的用电量，另一方面，由于后排的膜丝收到的冲击较小，因此，膜组件整体寿命会更长，但是顺排有一个缺点，就是吸水效率低，因为膜丝收到烟气正面冲击，吸水量才能提升，后排膜丝由于收到前排膜丝的阻挡，导致了吸水量的下降，不过另一方面，这也延长了后排膜丝的使用寿命。如果在未来可以降低膜丝的生产成本，或者大幅度提高膜丝的强度，我相信，采用叉排将会是更为理想的排列方式，因为这会达到更好的水分回收效果。
目前，复合膜回收水分面临的一个实际问题是浓差极化。复合膜使用了一段时间后会发生浓差极化。浓差极化是膜分离过程的一种现象，会降低透水率，是一个可逆的过程。浓差极化发生的原因是水透过膜后使得膜表面的杂质浓度增加，形成一层杂质气体膜覆盖在膜表面，将膜丝与外部的水隔绝开来，使得吸水量大幅度下降，可见，浓差极化是复合膜捕水技术不得不面对的一个重大难题，在目前，由于复合膜的研究仍处于初期阶段，所以该问题仍未得到较好的解决方案。我认为，解决浓差极化，可以通过对烟气进行扰动，使得其紊流效果增强，这样就可以破坏覆盖在膜丝表面的气体膜从而减轻浓差极化的影响，进而提高吸水效率。要扰乱烟道内部的的烟气，我认为有两个比较可行的方案：①在复合膜组件上安装一个微型震动器，通过震动来破坏覆盖在其表面的气体膜。②在膜组件前方安裝一个微型风向可调的风机，通过时刻改变风机的风向来扰乱烟气的的流动，进而破坏气体膜。或者把这两种方案结合起来，也许会达到更好的效果。安装风机还有一个好处，就是降低了烟气在复合膜装置内发生流动堵塞的风险，因为风机的存在可以促进气体的流动。
以上是我对复合膜吸水原理、化学组成、影响吸水效果的因素、膜使用过程将面临的实际问题以及可能的解决方法进行的概述，从中，我们可以看出复合膜独有的优势以及其自身的缺陷，但是从整体上来说，复合膜还是有很大的发展空间的，我相信在不久的将来，科学家们将找出解决浓差极化，膜丝寿命短，粉尘堵塞等问题的方法，那时候，也许烟囱将不再冒出白色的烟气，电厂也可能会实现供水自足，我们的天空，也许会更加的蔚蓝！
参考文献
[1]仲雅娟.复合膜法捕集烟气中水蒸气及其渗透机理研究[D].华北电力大学（北京），2016.
收稿日期：2018-10-19
近年来，国内外研究回收电厂排烟水分的技术，主要有低温冷凝、固态吸附、静电脱水等，但都各有其局限性，烟气低温冷凝技术是利用换热器来冷凝并且捕集烟气水分，其捕集的水分水质较差，呈酸性，甚至可能具有强腐蚀性；通过干燥剂回收水分技术捕集烟气水分的水质不好，而且干燥剂不能循环使用；烟气静电脱水技术目前处于初始研究阶段，没有成熟的商业化经验[1]；但是随着科技的发展，一种新的水分回收技术逐渐被人们所重视，它的原理是在复合膜膜丝内部形成负压，水蒸气通过渗透、扩散作用进入膜丝内部，再通过引流装置将水引出，达到回收洁净水资源的目的。
目前回收效果比较好的复合膜主要由PES和SPEEK两种成分组成。支撑层采用聚醚砜（PES）高分子多孔膜制成，分离层则采用磺化聚醚醚酮（SPEEK）。PES与SPEEK的分子间具有良好的相容性，因为PES中O=S=O基团上的氧原子与SPEEK中-SO3H基团上的氢原子相互作用，较为可能形成O-H-O，使得二者分子间的结合更为紧密，因此PES是理想的中空纤维复合膜支撑层材料。而且在PES中空纤维膜表面凃敷SPEEK后，膜的亲水能力明显增强，且在一定范围内，随着SPEEK磺化度的增大，膜的亲水能力也会越来越强[1]。
由于复合膜在烟道内会受到烟气的冲击，因此，提高其强度和韧性变得非常重要。在PES膜丝表面凃敷上溶解了SPEEK的甲醇溶液后形成的复合膜，强度和韧性都会有所提升，在实验中，复合膜丝大都承受住了烟气的冲击而没有发生损坏，但是，实验过程往往处于一个比较理想的环境，并且实验都是在相对较短的时间内就完成了，真正应用在电厂烟囱中时，其所处的环境要相对恶劣许多，烟气中的固体灰渣颗粒还有可能会堵塞PES支撑层的膜孔，由此可见，复合膜水分捕集装置还将要面临很多的实际问题。
有学者按照火力发电厂实际烟气各成分比例进行配气，构建了PES-SPEEK复合膜捕集烟气水分的实验系统，通过控制变量的方法，以模拟烟气温度、模拟烟气速度、复合膜内外侧压差，以及模拟烟气水分比例等作为自变量，通过模拟实验，得出了捕集烟气水分的最优化配置。在实验结果中，我们发现，随着烟气流动速度的增加，膜内外侧压差的提高，烟气水分占比的提升，复合膜的水分传质系数也会相应的提升，但大体上提升到一定程度后便会趋于平缓，另一方面，随着烟气温度的提升，复合膜的水分传质系数会降低而其他组分的传质系数则会略有升高，因此，对烟气温度的控制则显得尤其重要，温度过高，可能会导致吸水效率的下降，而温度过低，又有蒸气在烟道发生冷凝而腐蚀烟道的危险，可见，关于复合膜最优化配置的研究，未来还有很长的路要走。
复合膜装置，是由很多的膜组件组成，每个膜组件上面都安装有大量的中空纤维膜丝，这些膜组件在烟道中的排列方式，对烟气的流动阻力，水分回收效率，膜组件的寿命，都将会有很大的影响。假设膜组件只采用顺排和叉排两种排列方式（事实上可还以有前顺排后叉排、前叉排后顺排、不规则排列等多种排列组合，此处为了研究方便，只列出顺排和叉排两种较为规则的排列方式）。如果采用顺排，烟气在烟道中流动阻力会相对较小，这一方面可以减少风机等的用电量，另一方面，由于后排的膜丝收到的冲击较小，因此，膜组件整体寿命会更长，但是顺排有一个缺点，就是吸水效率低，因为膜丝收到烟气正面冲击，吸水量才能提升，后排膜丝由于收到前排膜丝的阻挡，导致了吸水量的下降，不过另一方面，这也延长了后排膜丝的使用寿命。如果在未来可以降低膜丝的生产成本，或者大幅度提高膜丝的强度，我相信，采用叉排将会是更为理想的排列方式，因为这会达到更好的水分回收效果。
目前，复合膜回收水分面临的一个实际问题是浓差极化。复合膜使用了一段时间后会发生浓差极化。浓差极化是膜分离过程的一种现象，会降低透水率，是一个可逆的过程。浓差极化发生的原因是水透过膜后使得膜表面的杂质浓度增加，形成一层杂质气体膜覆盖在膜表面，将膜丝与外部的水隔绝开来，使得吸水量大幅度下降，可见，浓差极化是复合膜捕水技术不得不面对的一个重大难题，在目前，由于复合膜的研究仍处于初期阶段，所以该问题仍未得到较好的解决方案。我认为，解决浓差极化，可以通过对烟气进行扰动，使得其紊流效果增强，这样就可以破坏覆盖在膜丝表面的气体膜从而减轻浓差极化的影响，进而提高吸水效率。要扰乱烟道内部的的烟气，我认为有两个比较可行的方案：①在复合膜组件上安装一个微型震动器，通过震动来破坏覆盖在其表面的气体膜。②在膜组件前方安裝一个微型风向可调的风机，通过时刻改变风机的风向来扰乱烟气的的流动，进而破坏气体膜。或者把这两种方案结合起来，也许会达到更好的效果。安装风机还有一个好处，就是降低了烟气在复合膜装置内发生流动堵塞的风险，因为风机的存在可以促进气体的流动。
以上是我对复合膜吸水原理、化学组成、影响吸水效果的因素、膜使用过程将面临的实际问题以及可能的解决方法进行的概述，从中，我们可以看出复合膜独有的优势以及其自身的缺陷，但是从整体上来说，复合膜还是有很大的发展空间的，我相信在不久的将来，科学家们将找出解决浓差极化，膜丝寿命短，粉尘堵塞等问题的方法，那时候，也许烟囱将不再冒出白色的烟气，电厂也可能会实现供水自足，我们的天空，也许会更加的蔚蓝！
参考文献
[1]仲雅娟.复合膜法捕集烟气中水蒸气及其渗透机理研究[D].华北电力大学（北京），2016.
收稿日期：2018-10-19