膜蒸馏作为一种污水处理、海水淡化技术,因其产水品质高,具有较大发展潜力。但是由于膜蒸馏过程热效率低、渗透通量较小,严重制约了膜蒸馏技术的商业化应用。目前,对膜蒸馏的实验研究仅以渗透通量为指标,对能耗研究较少;对膜蒸馏的理论研究多侧重传热及传质机理研究,但仍不完善。本文从DCMD(直接接触式膜蒸馏)高含盐水系统着手,对其渗透通量、能耗、传质机理以及运行稳定性展开研究,为膜蒸馏技术的发展及商业化应用提供理论参考。首先,选用PTFE(聚四氟乙烯)平板疏水膜,以带扰流板膜组件为核心,搭建DCMD实验平台。基于响应曲面法中的中心复合设计法以膜通量及单位能耗为响应值,热侧温度、热侧流速、冷侧流速及料液浓度为影响因素,设计4因素5水平实验,进行DCMD实验。利用Design-Expert软件处理数据,探究各操作参数与响应值之间的关系。研究表明,膜通量与单位能耗拟合多项式的R~2值分别为0.9746、0.9738,且P值均小于0.0001,表明拟合方程具有较高的契合度。根据响应曲面模型对DCMD过程进行优化,得出最优工况为热侧温度55℃,热侧流速0.8m/s,冷侧流速0.4m/s,浓度2.5wt%,此时,预测膜通量为10.89 g/(m~2·s),单位能耗为523.55 kW·h/m~3。对最优工况进行实验验证,相对误差分别为1.47%、6.79%,证明响应面模型具有较高的精确性。其次,采用定时补水的方式对DCMD系统进行长时间运行测试。实验期间未发生通量剧变、膜润湿等现象,整个DCMD系统具备长期运行的可行性。渗透通量随运行时长的增加呈下降趋势,从7.7g/(m~2·s)逐步降低至5.8 g/(m~2·s)。最后,选取3种传质模型在不同膜孔尺寸下对DCMD进行模拟计算。研究发现,与孔径大小无关,纯Knudsen扩散几乎不存在,选择膜蒸馏传质模型时,应综合考虑各模型。DCMD的膜通量随孔径的增加呈增大趋势,在不同孔径下,能找到相应的传质模型。在本膜蒸馏系统中,当孔径为0.22μm时,推荐使用KMP模型或α取值较小(<0.1)的混合模型;当孔径为0.45μm时,推荐使用α-KM模型(α在0.2-0.3之间取值)或KMP模型;当孔径为1μm时,推荐使用α-KM模型(α在0.45-0.55之间取值)。结果表明,扰流板膜组件有效提升流体的紊乱度,但压力损失较高,进出口压力差随流速的增加而增大,呈抛物线趋势。