第2课 膜过滤工艺

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1、第2课膜过滤工艺过滤仅包括从液体中分离（去除）颗粒和胶体两类物质，但在膜过滤中却将颗粒粒径范围延伸至溶解组分（典型粒径为0.0001-1.0μm)。如图1所示，膜的作用是作为只允许液体中某些组分透过并使其他组分仍留存于液体中的一种选择性屏障。为了介绍膜技术及其应用，本节主要研究以下内容；(1)膜工艺术语；(2)膜的分类；(3)膜的配置；(4)膜技术的应用；(5)电渗析；(6)中间试验研究的必要性；(7)作为本节结束语将讨论浓缩废物流的处置问题。膜工艺术语在各种膜应用工艺中经常碰到的术语汇总于表1。参照图1和表1，膜组件的进水

2、被称为给水流（也称为给水），通过半透膜的液体称为透过液（也称为产品流或透过流）含有留存成分的液体称为浓缩液（也称为滞流、排斥液、保留相或废弃流）。透过膜的液体流量称为通量，以kg/(m2．d)[gal/(ft2．d)]表示。膜工艺分类膜工艺包括微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO)、渗析和电渗析(ED)。膜工艺有多种不同的分类方法，其中包括：（1）制膜材料的种类，（2）驱动力的性质，（3）分离机理，(4)完成分离目的的标称尺寸。下面将讨论每一种膜工艺的分类方法。膜工艺的一般特点包括其典型的操作范围列于表2中

3、。下面将集中讨论以压力为驱动力的各种膜工艺，然后将电渗析作为单独一节进行讨论。膜材料用于水和废水处理的膜，其典型结构是由厚度约为0.20-0.25μm的薄膜支撑于厚度为100μm的多孔结构上制成的。大多数工业用膜均生产成薄片、微细的空心纤维或管式膜。薄片式膜有非对称型和复合型两种。非对称型膜是一次注塑加工成型的，由一层极薄的膜(＜1μm)和一支带有支承结构的较厚的多孔层(100μm以上)组成，可允许很高的水流通量。薄膜复合(TFC)膜由一种很薄的醋酸纤维、聚酰胺或其他活性层(典型厚度0.15-0.25μm)联合在一较厚的多孔

4、基层上而制成的，这种膜的稳定性更好。膜可用多种有机材料和无机材料生产，废水处理膜多用有机材料生产。已经广泛使用的膜其主要类型包括聚丙烯膜、醋酸纤维膜、芳香族聚酰胺膜及薄膜复合膜(TFC)。膜的选择及其系统配置应以尽可能减轻膜的堵塞和损坏为原则，一般情况下，需根据中间试验装置的研究结果确定。驱动力表2中前四种膜工艺（MF，UF，NF及RO）的显明特点是利用水的压力完成分离过程，渗析是依靠浓度差输送水中组分并使其通过半透膜；电渗析是利用电动力和离子选择性膜实现各种离子的分离过程。去除机理如图2(a)所示，在微滤和超滤工艺中，颗粒

5、的分离主要是通过隔滤(筛滤)实现的。在纳滤和反渗透工艺中，小颗粒是由被称为一种致密膜表面上吸着的水层排斥的[参阅图2b，各种离子是通过扩散迁移作用穿过膜的大分子孔。典型的纳滤工艺可用于排斥0.001μm的组分，而反渗透可排斥0.0001μm的颗粒。在纳滤膜中隔滤作用也是很重要的，特别是孔径较大的纳滤膜。分离尺寸膜孔尺寸一般用大孔（＞50nm）、中孔（2-5nm）和微孔（＜2nm）进行识别。由于反渗透膜孔尺寸很小，这种膜被定义为致密膜。图2中所示为按分离尺寸的大小对膜工艺进行的分类。被去除的颗粒尺才有明显的重叠现象，特别在纳滤

6、和反渗透两种工艺之间这种重叠现象更为明显。在水的软化处理中经常用纳滤取代化学沉淀。膜的配置和膜工艺的操作在膜应用领域中，用膜组件一词描述由膜，压力容器，给水入口，透过液出口和滞流部分及单元支撑结构组成的完整系统。废水处理用膜组件的主要形式有：（1）管式膜，（2）中空纤维膜；（3）螺旋卷式膜。板框式及编织滤芯过滤器也经常用于工业生产中。膜工艺的操作是相当简单的，给水经泵加压后，通过膜组件循环，并用一阀门维持滞流部分的压力，而透过液通常在常压下徘出。由于给水中的组分积累在膜上(通常称为膜污染)，使给水侧压力上升，膜通量（即通过膜

7、的流量）则开始减少，同时脱盐率也开始下降（参阅图3）。当性能恶化到某一给定值时，膜组件应停止操作，进行反洗和/或化学清洗。各种膜工艺的可操作性配置及工艺参数将在后面讨论。微滤和超滤工艺如图4所示，微滤和超滤通常采用三种不同的工艺配置。第一种工艺配置为错流模式（图4a），给水经泵加压后沿膜的切线方向流动，未通过膜的水与新进入的给水温掺后通过膜进行循环。第二种工艺配置（如图4b）亦办为错流模式，它类似于第一种模式，但作为一种特例，未通过膜的水循环返回水箱。第三种工艺配置称为直流模式（也称死端）（图4c），这种配置不产生交错流动，

8、所有给水均通过膜并利用原水定期清洗膜表面积累的污染物。对错流操作模式（参阅图4a和b），膜的传输压力由下式表示：（1）式中——膜传输压力梯度，kPa；一—给水入口压力，kPa一一浓缩液压力，kPa，——透过液压力，kPa。通过错流过滤器膜组件的总压力降由下式给出：（2）式中—一通过膜组件的