第2课 膜过滤工艺

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。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(100 μm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（＞50 nm）、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，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：

pcfPPPP]2[tm
（1）
式中 tmP——膜传输压力梯度，kPa；

f
P
一—给水入口压力，kPa

c
P
一一浓缩液压力，kPa，

p
P
——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：

PPPPf
（2）
式中 P—一通过膜组件的总压力降，kPa；
f
P
和pP定义同前。
对于直流式操作模式（参阅图4c）膜的传输压力由下式表示：

PPPPftm
（3）
式中 tmP一一膜传输压力梯度，kPa；

f
P
和pP定义同前。
膜系统的透过液总量用下式表示：
AFQPw
(4)
式中 PQ——透过液流量，kg/s；

w
F
——透过膜的水通量流率，kg/(m2·s)

A—一膜面积m2。
根据预测，透过膜的水通量流率是给水水质、预处理预程度、膜的特性和系
统操作参数的函数。
回收率r的定义为：
100%rfpQQ，
（5）

P
Q
——透过液流量，kg/s

f
Q
——给水流量，kg/s
应注意回收率（以水为参照物）和脱盐率（以溶质为参照物）是有差别的，
回收率计算式如下：
1001100%rfpffpCCCCC，
（6）
相应的物料平衡式为：

cPf
QQQ
（7）

ccppff
CQCQCQ
（8）
可用三种不通的操作模式控制与通量和膜传输压力（TMP）有关的膜工艺的
操作。三种操作模式为：（1）恒通量模式，保持通量流量固定不变，允许膜传输
压力TMP随时间变化（增加）；（2）恒膜传输压力TMP模式，保持膜传输压力
TMP不变，允许通量流量随时间变化（增加）；（3）通量流率和膜传输压力均可
随时间变化。传统的操作方法均为恒通量模式。但是，由最近废水处理的研究结
果（Bourgeous et al.,1999）表明，通量流率和膜传输压力均随着时间不断改变的
模式，可能是一种最有效的操作模式。
反渗透 当利用半透膜将含有不同溶质浓度的两种溶液隔离时，膜的两侧将存在
不同的化学势（如图5），水则具有从较低浓度（较高的化学势）一侧向较高浓
度（较低的化学势）一侧扩散的趋势。在体积一定的系统中，在压力差与化学势
差达到平衡之前，水的流动一直会继续进行。该平衡压差被定义为渗透压，且为
溶质特性、浓度和温度的函数。如果穿过膜的压力梯度与水流方向相反，且大于
渗透压，则水会由浓度较高的区域向浓度较低的区域流动，将这种现象定义为反
渗透（参阅图5c）。
为了确定需要的膜面积和列数开发了多种不同的模型(参阅图6)。用于开发
模型的基本方程式如下，由图1可以看出，通过膜的水通量是压力梯度的函数：

A
Q
PkFpaww)(
（9）

式中 wF—— 水的通量流率，kg/(m2·s)

w
k
一—与温度、膜特性和溶质特性有关的水传质系数，s/m

a
P
——平均压力梯度，kPa

p
cf
PPP]2[


——渗透压梯度，kPa；
＝pcf]2[

P
Q
——透过液流量，kg/s
A——膜面积m2。
在任何情况下，某些溶质均能通过膜，溶质的通量可用下式描述：

A
CQ
CkFppiii
(10)

式中iF——溶质i的通量，kg/(m2·s)

i
k
——溶质的传质系数，m/s；
i
C
——溶质的浓度梯度，kg/m3

p
cf
CCC]2[

f
C
——给水中溶质浓度，kg/m3；

c
C
——浓缩液中涪质浓度，kg/m3；

p
C
——透过液中溶质浓度，kg/m3。