膜法水處理技術(shù)
**節(jié)概論
膜，更準確而言是半滲透膜，它是一薄層物質(zhì)，當(dāng)一定的推動力應(yīng)用于膜兩側(cè)時，它能按照物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)使物質(zhì)進行分離。通常，膜是按照物質(zhì)的分離范圍和應(yīng)用的推動力來分類。
在解決水資源缺乏的問題上，膜分離過程起到了非常重要的作用。在廢水或污水排放之前，膜分離過程可以用于廢水或污水處理；在廢水進入污水系統(tǒng)之前，膜分離過程可以用于回收工業(yè)上有用的物質(zhì)；當(dāng)然膜分離過程也可以用于生產(chǎn)飲用水。在生產(chǎn)飲用水方面，使用膜人們可以利用大量的海水資源；此外，在水與廢水循環(huán)回用方面，膜的特殊作用顯得十分重要。
膜分離技術(shù)在水處理中的應(yīng)用，即可用于給水處理也可用于廢水處理。
膜技術(shù)應(yīng)用于水處理具有以下優(yōu)點：
1.處理各種濾液，能得到高質(zhì)量的濾出水；
2.膜過程可通過模擬裝置加以實現(xiàn)，而且可以連續(xù)操作；
3.對滲透液具有以一定比例循環(huán)作為工藝用水或再利用的潛力。
膜技術(shù)應(yīng)用于水處理具也存在以下缺點：
1.膜的相容性與孔的大小、水的ph值以及水的溫度等許多因素有關(guān)；
2.在某些情況下易生成污垢，使得在一些特殊應(yīng)用中膜的壽命較短
3.與傳統(tǒng)的物理化學(xué)處理相比，一般投資費用較高。
膜的使用壽命，短的只有幾個月，但通常是3-7年，有的管式膜系統(tǒng)可超過15年。影響膜的使用壽命的因素很多，通常有加料貯槽和泵的匹配性能，預(yù)處理效果，滲透液的貯存裝置以及膜的清洗系統(tǒng)和效果等。
21世紀膜分離的應(yīng)用將持續(xù)增長，尤其是微濾/超濾、微濾/反滲透、微濾/超濾/反滲透或鈉濾結(jié)合的膜處理過程。增長的領(lǐng)域包括：
1.飲用水處理
2.工業(yè)廢水的脫色
3.垃圾填埋場滲濾液處理
4.膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用
5.水的回收與循環(huán)利用等
**節(jié)膜分離過程
膜分離技術(shù)受到廣泛的注意，發(fā)展迅速，是因為膜分離對混合物中各組分的選擇性很高，在分離過程中混合物主體沒有相變，所用的設(shè)備裝填密度大、效率高。
1.水處理和膜分離
1）用水
水的凈化與純化包括從水中去除懸浮物、**、病毒、無機物、農(nóng)藥、有機物和溶解氣體，在這方面，膜分離技術(shù)發(fā)揮了其*的作用。
2）工業(yè)用水
日產(chǎn)高達數(shù)千噸以致數(shù)萬噸的反滲透水處理裝置廣泛地應(yīng)用于電子、電力、醫(yī)藥、化工、飲料、冶金等領(lǐng)域，反滲透是超純水和純水制備的優(yōu)選方法；膜軟化是基于鈉濾膜對二價離子，特別是二價陰離子的高脫除性而開發(fā)新型的膜分離過程，膜軟化工藝在美國應(yīng)用已很普遍，特別是新建的軟化廠多采用此新工藝。
3）工業(yè)廢水和市政廢水
城市污水處理達標排放僅僅是基本要求，污水是否能再生回用，能再生到什么程度，是否經(jīng)濟可行，這是廢水資源化的關(guān)鍵。實踐表明，常規(guī)處理與膜法結(jié)合可給出各種標準、供不同用途的再生水，*后反滲透的產(chǎn)水*符合飲用水標準。
近年來浸沒式膜生物反應(yīng)器在污水處理和資源化方面倍受重視，已有商品化設(shè)，適用于中小型污水處理廠。
2.膜的定義和分類
膜是分離兩相和作為選擇性傳遞物質(zhì)的屏障。
膜可以是固態(tài)的，也可以是液態(tài)的；膜的結(jié)構(gòu)可能是均質(zhì)的，也可能是非均質(zhì)的；膜可以是中性的，也可以是帶電的；膜傳遞過程可以是主動傳遞過程，也可以是被動傳遞過程。
膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)決定了分離機理，從而也決定了其應(yīng)用。按膜結(jié)構(gòu)分類可分為對稱膜和不對稱膜。
按化學(xué)組成分類可分為有機材料類和無機材料類。
按分離機理分類，膜大致可分為多孔膜、無孔膜和載體膜。多孔膜在處理溶液時根據(jù)顆粒大小進行分離，主要用于超濾和微濾。無孔膜利用分離體系中各組分溶解度或擴散系數(shù)的差異進行分離，主要用于氣體分離、透析、蒸汽滲透等過程。載體膜是通過載體分子對某一組分高度專一的親和性來實現(xiàn)不同組分間的分離的，通過膜的組分可以是氣體、液體、離子或非離子。
按幾何形狀分類，有平板式、管式、毛細管式和中空纖維式。后三種皆為管狀膜，直徑大于10mm的為管式膜；直徑在0.5-10mm之間的是毛細管式膜；直徑小于0.5mm的為中空纖維膜。管狀膜直徑越小，則單位體積里的膜面積越大。
3.膜分離的定義和分類
所有分離過程都是利用在某種環(huán)境中混合物各組分性質(zhì)的差異進行分離。膜分離過程是以選擇性透過膜為分離介質(zhì)，在兩側(cè)加以某種推動力時，原料側(cè)組分選擇性地透過膜，從而達到分離或提純的目的。
1）反滲透和納濾
反滲透已成為海水淡化*經(jīng)濟的技術(shù)，也是苦咸水淡化的主要手段，它已成為超純水和純水制備的優(yōu)選技術(shù)；另外在各種料液的分離、純化和濃縮以及廢液的再生回用方面都發(fā)揮了重大作用。
我國反滲透技術(shù)能在海水淡化、脫水濃縮、高溫水再用、市政和工業(yè)廢水處理與再用領(lǐng)域發(fā)揮其應(yīng)有的作用。
納濾膜介于反滲透膜和超濾膜之間，是近10多年發(fā)展較快的膜品種。
a.反滲透原理
當(dāng)用一個半透性膜分離兩種不同濃度的溶液時，膜僅允許溶劑分子通過。由于濃溶液中溶劑的化學(xué)勢低于它在稀溶液中的化學(xué)勢，稀溶液中的溶劑分子自發(fā)地透過半透膜向濃溶液中遷移。
b.反滲透膜與納濾膜及其組件
c.反滲透膜與納濾膜
由于反滲透膜與納濾膜多種多樣，主要有平板不對稱膜、不對稱平板復(fù)合膜、管式不對稱膜、中空纖維不對稱膜、中空纖維復(fù)合膜等。目前平板不對稱膜和中空纖維膜占據(jù)了市場絕大部分的份額。
d.反滲透膜與納濾膜組件
反滲透過程的經(jīng)濟性和實用性決定于組見的價格和性能。它對組件的機械強度、流體力學(xué)結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟性都有較高的要求。
e.反滲透與納濾工藝流程
反滲透與納濾工藝流程通常包括前處理工藝、膜分離工藝和后處理工藝三部分。為減少料液在膜分離過程中對膜的污染和化學(xué)損傷，必須對料液進行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理。在實際生產(chǎn)中對溶液的分離有不同的要求，必須選用合適的膜和組件形式，應(yīng)該通過計算確定組件的排列和操作條件。
f.反滲透與納濾應(yīng)用
反滲透應(yīng)用領(lǐng)域可分為兩大類：水純化和溶質(zhì)濃縮。主要用于水的純化，如海水和苦咸水脫鹽制飲用水，以及制備半導(dǎo)體工業(yè)、醫(yī)藥、化學(xué)工業(yè)中所需的超純水。
納濾膜對na+和cl-單價離子的截留率較低，實踐證明納濾可以代替沉淀、ph調(diào)節(jié)和蒸發(fā)等過程，達到產(chǎn)品純化和濃縮的目的，是一新的高效節(jié)能的過程。此外納濾在有機小分子與鹽的分離與濃縮、去除無脂奶粉的異味等方面得到了廣泛的應(yīng)用。
2）超濾
a.超濾原理
超濾膜多為不對稱結(jié)構(gòu)，由一層極薄、具有一定尺寸孔徑的表皮層和一層較厚、具有海綿狀或結(jié)構(gòu)的多孔層組成。前者起分離作用，后者起支撐作用。在超濾膜分離過程中，膜的孔徑大小和膜表面的化學(xué)性質(zhì)等將分別起著不同的分離作用。一般情況下，超濾膜的性能指標有滲透通量和截留率。
超濾膜的耐壓性、耐清洗性、耐溫性等性能對于工業(yè)應(yīng)用是非常重要的。目前商品化的有機材質(zhì)的超濾膜都是采用相轉(zhuǎn)化法制得的。
b.超濾操作工藝
超濾的基本操作有以下三種。
重過濾操作，用于大分子和小分子的分離。
間歇操作，常用于小規(guī)模生產(chǎn)。
連續(xù)式操作，常用于大規(guī)模生產(chǎn)。
c.超濾應(yīng)用
超濾在需將尺寸較大的分子或微粒與低分子物質(zhì)或溶劑分離的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。超濾裝置可單獨運行，也可與其他處理設(shè)備結(jié)合應(yīng)用于各種分離過程中。超濾已成為蛋白和酶純化和濃縮的高效過程。超濾濃縮的優(yōu)點是無相變、一般不需加熱、工序簡單、適用ph范圍寬和防止失活等，很適用于熱敏性物質(zhì)的分離濃縮。
3）微濾
微濾（mf）是一種與常規(guī)的粗濾十分相似的膜過程。微孔濾膜具有比較整齊、均勻的多孔結(jié)構(gòu)，孔徑范圍0.05-10um，使過濾從一般只有比較粗造的相對性質(zhì)過度到精密的優(yōu)良性質(zhì)，主要用于對懸浮液和乳液進行截留。
a.微濾原理
微濾又稱為精過濾，其基本原理屬于篩網(wǎng)狀過濾，在靜壓差作用下，小于膜孔的粒子通過濾膜，大于膜孔的粒子則被截留到膜表面，使大小不同的組分得以分離，操作壓力為0.7-7kpa。除此以外，還有膜表面層的吸附截留和架橋截留，以及膜內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)中截留。
b.微濾操作工藝
微濾有兩種操作工藝：
死端過濾
在死端過濾時，溶劑和小于膜孔的溶質(zhì)在壓力驅(qū)動下透過膜，大于膜孔的顆粒被截留，通常堆積在膜表面上。死端過濾是間隙式的，必須周期性地停下來清洗膜表面的污染層或更換膜。
錯流過濾
在泵的推動下料液平行于膜面流動，與死端過濾不同的是料液流經(jīng)膜面時產(chǎn)生的剪切力把膜表面上的滯留的顆粒帶走，從而使污染層保持在一個較薄的水平。
c.微濾膜
微濾膜屬于篩網(wǎng)狀過濾介質(zhì)，具有形態(tài)整齊的結(jié)構(gòu)，使所有比網(wǎng)孔大的粒子全部攔截在膜表面上。
目前市場上的微孔濾膜的材質(zhì)可分為有機和無機兩大類。有機材質(zhì)主要是聚合物，常通過相轉(zhuǎn)化、拉伸、燒結(jié)、徑跡刻蝕等方法制備。
d.微濾膜的應(yīng)用
微濾是所有膜過程中應(yīng)用*普遍、銷售額*大的一項技術(shù)。工業(yè)上，微濾主要用于將大于0.1um的粒子與溶液分開的場合，它的*大市場是制藥行業(yè)的**過濾和電子工業(yè)用高純水的制備。其*新的應(yīng)用領(lǐng)域是生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域技術(shù)。
4）滲析
滲析；也是透析，是溶質(zhì)自身濃度梯度作用下膜的上游傳下下游的過程。由于分子大小及溶解度不同，使得不同溶質(zhì)的擴散速率不同，從而實現(xiàn)分離。
a.傳質(zhì)理論
原料液和透析掖流向通常是逆向的，也可以是同向的。若溶劑與溶液中其他組分之間不存在耦合作用，則在滲透壓的作用下溶劑從低濃度側(cè)流向高濃度側(cè)；若原料液側(cè)壓力高于滲透壓側(cè)，則溶劑從原料液側(cè)流向滲透壓側(cè)。
b.滲析膜
透析主要用于從高分子量物質(zhì)中分離出低分子量組分，基于不同組分物化性質(zhì)和分子尺寸的差異，導(dǎo)致其在膜的擴散速率不同而實現(xiàn)分離的。
c.滲析應(yīng)用
目前滲析*主要的用途是血液透析，即以透析膜代替腎除去尿素、肌酸酐、磷酸鹽和尿酸等有毒的低分子量組分，以緩解腎衰竭和尿毒病患者的病情。
5）電滲析
電滲析是在直流電場作用下，以電位差為推動力，利用離子交換膜的選擇透過性，把電解質(zhì)從溶液中分離出來，從而實現(xiàn)溶液的濃縮、淡化、精制和提純。
a.電滲析的基本原理
在陰極和陽極之間交替排列一系列陰離子交換膜和陽離子交換膜。陰離子交換膜能使陰離子透過，陽離子交換膜能使陽離子透過。
b.離子交換膜
目前離子交換膜的種類很多，常用的膜按功能分有陰離子交換膜和陽離子交換膜。
強酸性陽膜
陽離子交換膜中等酸性陽膜
弱酸性陽膜
強堿性陰膜
陰離子交換膜中等堿性陰膜
弱堿性陰膜
c.電滲析的應(yīng)用
目前電滲析已是一種相當(dāng)成熟的膜分離技術(shù)，主要用途是苦咸水淡化、生產(chǎn)飲用水、濃縮海水制鹽以及體系中脫除電解質(zhì)。
第三節(jié)膜組件
工業(yè)應(yīng)用中通常需要較大面積的膜。安裝膜的*小單元稱為膜組件。膜組件的設(shè)計有很多種形式，它們均根據(jù)兩種膜結(jié)構(gòu)形式設(shè)計：
平板膜和管式膜。板框式和卷式膜組件使用平板膜，管式、毛細管式和中空纖維膜組件均使用管式膜。
1.板框式膜組件
板框式膜組件的突出優(yōu)點是操作靈活，其主要特點有：
1）組裝簡單、堅固，對壓力變動和現(xiàn)場作業(yè)的可靠性較大；
2）可以簡單的增加膜的層數(shù)實現(xiàn)增大處理量；
3）每兩片膜之間的滲透物都是被單獨引出來的，可以通過關(guān)閉個別膜來消除操作中的故障，而不必使整個組件停止運行。
板框式膜組件可用于反滲透、超濾和滲透汽化過程。在不同的過程中，組件的具體設(shè)計也不相同。
2.卷式膜組件
卷式膜組件是目前反滲透、超濾及氣體分離過程中*重要的膜組件形式，也有少量用于滲透汽化過程。
對于不同的處理對象，可對卷式膜組件的結(jié)構(gòu)作相應(yīng)的改進。
3.管式膜組件
管式膜組件是由園管式的膜及膜的支撐構(gòu)成。由于膜本身的強度不夠，因此在壓力下工作時需要具有良好透水性能和高強度的材料支撐。
管式膜的流道較大，對料液中雜質(zhì)含量的要求不高，可用于處理高固含量的料液。膜面的清洗不僅可以用化學(xué)方法，而且也可以用海綿球之類的機械清洗方法。
4.毛細管膜組件
毛細管膜組件的結(jié)構(gòu)類似于管式膜。由于膜的孔徑較小（0.5-6mm），能承受高壓，所以不用支撐管。毛細管膜組件裝填密度較大，制造費用較低，但壓縮強度較小，在多數(shù)情況下料液的流動為層流。目前用于超濾、滲析、滲透汽化過程以及某些氣體滲透過程。
5.中空纖維膜組件
中空纖維膜組件與毛細管膜組件的形式相同，差別在于膜的規(guī)格不同。通常中空纖維的外徑約40-250um，外徑與內(nèi)徑之比為2-4。
中空纖維*主要的優(yōu)點是裝填密度很高，可達16000-30000m2/m對反滲透、氣體分離、膜接觸器、液膜等單位面積滲透通量很小的過程是非常有利的。