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《反渗透系统优化设计与运行》 靖大为、席燕林 编著 贾世荣 审核

第三章 分离膜工艺的技术基础

3.1膜分离的性能

3.2膜分离的分类

3.3膜过程的机理

3.4错流运行方式

3.5浓差极化现象

3.6分级工艺处理

摘要及总结

膜分离的性能

膜分离的性能主要取决于分离两组分之间的透速比、透速率和分辨率。

膜分离的分类

①按提取物的分类

提纯：以透过物为产物，水处理大部分属于此类。

浓缩：以截留物为产物。

分离：将透过物与截留物均作为产物。

提取：以截留精度之间物质作为产物，需要运用不同截留精度的膜分离。

②按膜的材料分类

有机膜：材料主要有聚砜、聚丙烯、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚醚砜、醋酸纤维素、磺化聚砜、芳香聚酰胺等。

无机膜：材料主要为金属、金属氧化物等金属类，以及陶瓷、玻璃等硅酸盐类。

反渗透膜材料多为芳香聚酰胺，超微滤膜则材料种类较多。

③按分离精度分类

微滤膜：截留精度为0.1-1.0μm，工作压力0.1-0.2MPa

超滤膜：截留分子量为5000-200000Da（道尔顿，分子量单位），工作压力0.1-0.3MPa

纳滤膜：脱盐率为0-95%，工作压力0.3-0.6MPa

反渗透膜：脱盐率为95.0-99.9%，工作压力0.7-7.0MPa

④按膜体结构划分

按有无孔结构分为多孔膜和致密膜，按膜体结构是否均匀分为均质膜和非均质膜。

微滤膜：多孔非均质膜，膜孔在透过膜体时的孔径无规律性变化，截留效率主要依靠平均孔径与孔隙率指标决定。

超滤膜：多孔非均质膜，膜体的给水侧具有一个致密层，致使给水侧孔径较小，净水侧孔径较大，以利透水。

电渗析离子交换膜：致密均质膜，其透水率有限，正离子或负离子的透过率极高。

芳香聚酰胺反渗透复合膜：致密非均质膜，该膜是在高透速率的较厚支撑多孔膜上复合一层高透速比的极薄复合层，以同时实现高透速率与高透速比。

致密均质膜具有高透速比，但透速率过低，一般不独立成膜，而多为复合膜的致密层。

⑤按元件结构分类

膜元件可分为板式、折叠、管式、中空、卷式等不同结构形式。

板式膜结构：精滤、微滤、超滤膜，形成板框式过滤器。容积面积小，需要频繁更换膜材料，仅可能以间歇方式运行，但膜片的支撑、导水等结构材料均非一次性使用，更换膜片时的材料费用最低。

折叠式膜结构：精滤、微滤膜，形成折叠式过滤器。其依靠折叠结构增加容积面积，并用膜体自身形成膜的背压支撑与导水通道，在更换折叠膜时增加了结构材料的费用。

管式膜结构：微滤、超滤、纳滤甚至反渗透膜，内压工作方式，膜内径10-15mm。管式膜无法反冲、容积面积小、设备成本高、设备效率低，但可进行彻底的正冲清洗，适合于高黏度、高浊度液体处理，是特殊料液浓缩及工业废液处理的良好膜结构形式。

中空膜结构：微滤、超滤、纳滤及反渗透膜，膜内径25-1200μm，膜外径50-2000μm。中空膜按压力方向可分为内压式与外压式。前者容积面积小、容污量小，便于水力冲洗，对进水水质要求高，后者则刚好相反。前者可采用错流方式或全流方式运行，后者多为全流方式运行。

卷式膜结构：纳滤与反渗透膜，近年来也有卷式超滤膜面世。该结构的容积面积适中，具有承受工作压力高、给水质要求低、容污量大、便于错流、可以进行正冲洗等优势。卷式复合膜不能进行反冲洗，清洗效果较差，因膜污染造成的性能衰减成为卷式结构的主要问题。

膜过程的机理

多孔膜的筛分理论（微滤、超滤）

多孔膜过程的机理可用筛分理论解释，粒径小于膜孔的颗粒可透过膜孔，粒径等于膜孔的颗粒可堵塞膜孔，粒径大于膜孔的颗粒被膜体截留。此外，带电颗粒在膜表面及膜孔中的吸附截留，小于孔径的颗粒在孔口处的架桥截留，也具有一定的截留作用。

致密膜的溶扩理论（反渗透）

反渗透膜属于致密膜，其膜过程机理可用溶解扩散理论解释。溶质与溶剂溶入膜表面的溶解速率不同，在膜体内的扩散速率不同，溶出膜体时的速率也不同。当溶剂的溶解与扩散速率远大于溶质的溶解与扩散速率时，溶质在原液侧富集，溶剂在透过液侧富集，从而实现了溶质与溶剂的相对分离，而不可能实现两者的绝对分离。

浓差极化现象

由于半透膜对溶质的截留作用，错流运行方式下的膜表面溶质浓度会相应提高，从而形成浓差极化现象。浓差极化仅使膜表面截留物浓度临时性提高，是可恢复过程，并不直接产生膜污染。

但浓差极化现象的存在，膜表面截留物质浓度的相应提高，加速了微滤、超滤等多孔膜表面凝胶层的形成，或加速了反渗透、纳滤等致密膜表面难溶盐的饱和析出，从加剧了各类膜的污染。

对于微滤、超滤等多孔膜，有机截留物在膜表面形成的浓差极化层，也具有一定的离与截留作用，故可有限地提高膜的分离精度，并相应增加溶剂的透过阻力。

对于纳滤、反渗透等致密膜，浓差极化现象将提高给浓水侧无机盐浓度，增加给浓水侧的渗透压，增加产水阻力，降低了产水流量。由于无机盐的透过率正比于膜两侧的盐浓度差，浓差极化现象还提高了无机盐的透过率，降低了膜过程的产水水质。

分级工艺处理

精滤截留≥5μm 粒径物质（可截留悬浮物）

微滤截留≥0.1μm 粒径物质（可截留细菌）

超滤截留≥0.01μm 粒径物质（可截留病毒）

纳滤截留≥1nm 粒径物质（可截留硬度物质）

反渗透截留≥0.1nm 粒径物质（可截留热源及大部分无机盐）

各级分离工艺精度最优设置的基本原则应为：

①低成本工艺在前，高成本工艺在后

②低成本工艺重载，高成本工艺轻载

③低成本工艺较高成本工艺清洗频率高

④低成本工艺较高成本工艺换膜周期短