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三分鐘讀懂超濾技術(shù)超濾 超濾膜性能 膜最主要的性能參數是通量（產(chǎn)率）和分離能力（不同料液組分的分離率）。由于超濾膜的截留分子量較大，且大多數超濾膜的通量高，因此與反滲透系統相比，超濾膜的濃差極化和污染更為顯著(zhù)。 超濾及微濾工藝的優(yōu)點(diǎn) 對于一般的水處理，包括城市用水處理，UF的截留范圍都選擇在0.01－0.02微米的范圍，這個(gè)范圍包括了水源中最小的病毒。但超純水則需要更小數量級的孔徑和截留范圍來(lái)確保完全去除顆粒物，濾液要實(shí)現滅菌。 由于微濾具有深層過(guò)濾能力，所以在一定程度上能夠去除病毒。但微濾的確是細菌和隱孢子菌、鞭毛蟲(chóng)等原生寄生蟲(chóng)的絕對屏障，因此也用于市政水處理。 UF和MF的分離機理與顆粒、纖維介質(zhì)過(guò)濾器等傳統處理方式不同。介質(zhì)過(guò)濾依靠重力去除原理，它們的標稱(chēng)過(guò)濾孔徑比要捕集的顆粒大。顆粒介質(zhì)過(guò)濾器的濾料粒徑可能大于100微米。這樣的濾器其絕對截留范圍也是同樣的數量級。 然而由于介質(zhì)的深度、料液在通過(guò)介質(zhì)時(shí)的彎曲路徑，這種過(guò)濾器也可獲得高去除效率。150微米的沙濾床對10－20微米的顆粒的去除率可輕松達到90－99%。深層濾器的規定等級意味著(zhù)其去除效率是可變的，取決于許多環(huán)境因素及操作參數。 UF和MF膜完全是表面去除機理，就像非常細的篩子。膜表面的孔徑高度規整一致，孔徑的分布非常窄。大于孔徑的顆粒被膜表面排斥通過(guò)，留在料液或濃縮液一側。流體介質(zhì)本身及小于膜孔徑的顆粒會(huì )透過(guò)膜達到濾液一側。 這種尺寸選擇特性使得膜成為一種能夠滿(mǎn)足絕對過(guò)濾質(zhì)量需求的理想方式，無(wú)論是超純水方面的應用，還是市政法規當局的嚴格法定標準都沒(méi)有問(wèn)題。膜的初始完整性會(huì )一直保持下去，能夠保證去除率。 與傳統處理工藝相比，膜法處理工藝的優(yōu)點(diǎn)不僅僅在于其絕對高的去除率。膜系統更加簡(jiǎn)潔緊湊（占用空間一般下降33%），自動(dòng)化程度高（正常情況下無(wú)須人工操作），藥劑投加量少（藥劑費用低，產(chǎn)生廢水少）。 在水處理應用中，中空纖維超濾膜的操作方式即可以是外壓式的，也可以是內壓式的。采用外壓式時(shí)，料液先進(jìn)入組件外殼，從膜絲外壁施壓，產(chǎn)水透過(guò)膜壁，從膜絲內腔流出。內壓方式的過(guò)程相反。 有若干種商業(yè)化的水處理膜采用了內徑0.8mm外徑1.3mm的膜絲尺寸，這類(lèi)膜的外表面積至少是內表面積的兩倍。這意味著(zhù)在相同的膜通量下，外壓式的產(chǎn)水量是內壓式的兩倍。然而實(shí)際的情況卻并非如此，其他一些約束限制了外壓式膜的優(yōu)勢的發(fā)揮。 在一般的水處理應用中，比較典型的過(guò)濾通量是100lmh，通量值會(huì )在50－150 lmh之間變化，取決于料液的水質(zhì)和工藝操作條件。這種通量是0.8mm膜絲所產(chǎn)生的壓力降所能接受的。 內壓式操作過(guò)程中，料液在膜絲內腔流動(dòng)，濾液的滲透方向與反洗方向相反。反洗過(guò)程中，高速反洗液從膜絲的整個(gè)長(cháng)度上透過(guò)膜壁，主要的約束是從膜絲內腔排出反洗排水。對于將膜組件單排并聯(lián)排列的設計，可以從膜組件兩端同時(shí)排水，保證了清除積累顆粒物的效率。 外壓式操作在進(jìn)行反洗時(shí)就無(wú)法保證清洗的效率。過(guò)濾過(guò)程中料液從膜絲外壁進(jìn)入膜絲內腔，反洗時(shí)采用透過(guò)液，流道方向恰恰相反。為了保證反洗效果，需要大流量注入透過(guò)液。但膜絲內腔的流道狹小，限制了反洗液的流量，反洗的效果會(huì )大打折扣。最終的結果是膜污染和通量下降。 外壓式操作的反洗過(guò)程均采用了空氣輔助措施。空氣可以從膜絲內腔直接透過(guò)膜壁，也可以在反洗時(shí)在膜絲外側加入空氣擾動(dòng)膜絲。真正的空氣反沖洗可以徹底清除膜面的沉積物，但在清理膜面的同時(shí)對膜絲也會(huì )造成拉伸、疲勞等傷害，最終導致膜絲失效。 空氣擦洗也是有害的，會(huì )引起在膜絲與樹(shù)脂粘結面處的膜絲拉傷。為了避免拉傷，需要強度更大的膜。而且，無(wú)論是空氣反沖還是空氣擦洗，均能需要可觀(guān)的空氣供給，導致運行費用的明顯增加。 膜組件應該垂直排列還是水平排列 1990年代初期開(kāi)發(fā)出的新的水平安裝形式，完全模仿RO/NF中的標準結構。在這種結構中，4只1.5米長(cháng)的膜元件被安裝在一個(gè)6米長(cháng)的膜殼中，料液從組件的兩端引入，2只元件串聯(lián)，在組件的中心部位形成終端。 多元件設計的優(yōu)點(diǎn)在于膜殼的數量被大大減少了（雖然膜絲有了兩層外殼，一層是元件外殼，另外一層是單獨的壓力容器），連接管線(xiàn)及閥門(mén)同時(shí)減少了。這種結構自然簡(jiǎn)化了元件的進(jìn)出口，不需要在臺架之間進(jìn)行連接（雖然元件的維修更加困難且更加費時(shí)）。然而對于大規模裝置來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)模塊化的結構多層組件安裝，垂直排列的安裝密度與水平排列形式基本相近。 多元件水平設計有許多缺點(diǎn)。其中最主要的是在過(guò)濾循環(huán)中水力學(xué)無(wú)法實(shí)現優(yōu)化，以及反洗效果低下。在過(guò)濾循環(huán)中，膜殼中心部位的終端會(huì )形成高濃度的垢物，如果要進(jìn)行反洗，在中心部位的流速最低，所以清洗效率最低，要打通終端部位的機會(huì )幾乎等于零。在商業(yè)設計中，為了避免這一缺陷，與垂直結構相比，水平結構的設計通量要低15%。 垂直結構將單個(gè)組件排列起來(lái)，由于料液的引入和反洗排水的排放均可以從組件兩端同時(shí)或交替進(jìn)行，所以無(wú)需忍受水平設計的諸多限制。內壓式結構可以在相對好的水力學(xué)效率下進(jìn)行透過(guò)液反洗。 多元件水平結構更深一層的缺點(diǎn)是無(wú)法實(shí)施借助空氣的完整性測試。這種測試在市政水處理應用中是一個(gè)工業(yè)標準，多元件水平設計比單個(gè)元件水平結構更加難于進(jìn)行，原因是很難在測試結束后不損傷膜絲的情況下完全排除空氣。 內壓垂直結構的另外一個(gè)特點(diǎn)是可以采用空氣輔助反洗。在這里，空氣不穿過(guò)膜，也不進(jìn)行擦洗，沒(méi)有不良的機械作用，避免了額外的拉伸。使用空氣的目的是在過(guò)濾結束反洗之前從底部吹氣，這樣膜絲內腔的液體被排出，反洗液體進(jìn)入了一個(gè)空的流道，能夠增強從膜絲表面清除污物的效率。 加壓式和浸沒(méi)式 浸沒(méi)式系統的膜未經(jīng)封裝，一般只是簡(jiǎn)單地將膜浸沒(méi)在一個(gè)開(kāi)放的槽中，用真空泵抽吸便可。 浸沒(méi)式系統的膜一般是微濾或極粗的超濾，膜的透性非常高。加壓式系統的膜孔稍小，截留率較高且通量較小。浸沒(méi)式系統的通量一般比加壓式稍低，跨膜壓差也低。由于低跨膜壓差降低了固體堵塞膜孔的傾向，污染率降到了最低，所以適宜于處理高固含量料液。 在對加壓式系統和浸沒(méi)式系統的經(jīng)濟性進(jìn)行對比時(shí)，應該考慮到幾個(gè)因素。浸沒(méi)式系統節約了膜封裝的費用，但由于運行通量低，需要的膜面積卻更多了。由于膜比封裝材料的價(jià)格高，浸沒(méi)式系統的造價(jià)一般較高。在翻新設計中，槽體和容器的費用極低，浸沒(méi)式系統能夠獲得一些造價(jià)上的優(yōu)勢。 由于浸沒(méi)式系統的運行壓力和通量都低，料液輸送系統的造價(jià)和運行費用會(huì )節省，如果是建造在山坡上，浸沒(méi)式系統還能利用自然的落差來(lái)免除抽洗泵系統。當然如果建造在平地上，兩種系統都需要泵，雖然浸沒(méi)式系統的輸送系統的運行費用可能會(huì )低一些。 對于那些必須將濾液提升到更高的水庫中的情況，加壓式系統就有了優(yōu)勢，因為不必再加提升泵。 直流和錯流 直流操作是水處理應用中正在興起的一種工藝選擇。大多數水源的進(jìn)料固體荷載通常比在廢水和分離中使用傳統錯流應用的情況要低，所以膜公司可以開(kāi)發(fā)出錯流替代產(chǎn)品。首先錯流被減少到一次性排水，然后全部停止，所依賴(lài)的其實(shí)就是簡(jiǎn)單的脈沖反洗。這種操作叫做直流式或半死端過(guò)濾。由于消除了錯流，過(guò)濾循環(huán)壓力降不再是一個(gè)限制因素，使用更細的料液流道成為可能。這也大大增加了膜組件的裝填密度，低造價(jià)和低運行費用和結合開(kāi)啟了大型水處理市場(chǎng)的大門(mén)。 直流式膜絲的最佳的尺寸由反洗流量來(lái)決定，大多數制造商計算出膜絲的內徑應該在0.7－0.9mm，膜絲的長(cháng)度應該在1.0－1.5米。 親水和疏水 濕紡和干紡工藝都能制造中空纖維和毛細管膜。為了能夠進(jìn)行濕法紡絲，需要將聚合物或聚合物溶液溶解在溶劑中。CA和PS/PES是聚合物家族能夠進(jìn)行濕法紡絲的范例。PS/PES的溶解度使它們成為聚合物共混膜的理想材料，由于與其他聚合物可以共溶，使它們的親水性質(zhì)可以被改性。濕法紡絲的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是孔徑和其他膜性質(zhì)可以廣泛地改變，取決于所選擇的紡絲條件。PS/PES在與其他適當的聚合物共混之后可以變得親水，這樣便具備了CA的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了CA的主要缺點(diǎn)－耐苛性化學(xué)清洗能力差。 干洗紡絲用于生產(chǎn)PP一類(lèi)的疏水性膜，一般傾向于生產(chǎn)好的MF膜，但不能用于像濕法紡絲一樣的大范圍變化產(chǎn)品的生產(chǎn)。干法傾向于產(chǎn)生長(cháng)型孔，而不是像濕法一樣的規整的圓孔。長(cháng)型孔為去除率增加了不確定性。 在水處理中，親水性膜具有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)。首先，膜易于濕潤，透過(guò)性好。其次，地表水中的污染成分一般都是有機物，更加容易在疏水性表面上附著(zhù)。親水性表面傾向于抵制有機物吸附造成的附著(zhù)，這樣的表面稱(chēng)之為低污染表面。 像PS/PES一類(lèi)的膜，可以生產(chǎn)出涵蓋超濾和微濾所有孔徑范圍的膜產(chǎn)品，在水處理中的優(yōu)點(diǎn)在于能夠針對要去除的污染物來(lái)制備適當的膜。在超純水應用中，UF被用來(lái)制造無(wú)菌無(wú)顆粒的濾液，在市政應用中，較粗的超濾對病毒的去除率達到5log。針對應用對象的需求，可以在通量和脫出率之間形成優(yōu)化的選擇。 疏水性膜沒(méi)有這么大的伸縮性。孔徑也是可變的，但無(wú)法達到PS/PES那么大的變化范圍而不損失膜絲強度和透水性。孔徑0.2微米MF是PP膜的標準形式，這種膜對細菌的截留非常好，但對市政消毒所需的病毒去除還不夠高，還要進(jìn)行后續的氯化或超氯化消毒處理。疏水的PP的確可以進(jìn)行空氣反沖，但這種反沖的同時(shí)也需要強烈的化學(xué)清洗（PP的耐氯性能很低）。 互換性 從原理上就分為加壓式和浸沒(méi)式最適宜于大規模和翻新設計，以及高固含量的情況。加壓式設計最適宜于中小規模和低固含量的情況。由于地點(diǎn)環(huán)境，特別是由于輸送的需要，在兩種技術(shù)之間形成了一些中間地帶，兩種技術(shù)均可。 公共社區和翻新工程的機會(huì )，無(wú)疑是浸沒(méi)式技術(shù)的機會(huì )要大的多，因為那些輔助設施對于其他設備制造商來(lái)說(shuō)毫無(wú)意義。 另外，加壓系統不易進(jìn)行互換，大多數制造商以及采用了垂直安裝，但在不進(jìn)行大量改造的情況下無(wú)法更換其他的膜。 免責聲明：本內容整理自網(wǎng)絡(luò )，我方不對所包含內容的準確性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保證；請讀者自行參考并承擔全部責任。如遇版權問(wèn)題請與本號聯(lián)系處理！ |
