膜过滤应用手册

膜過濾應用手冊

實踐技巧和提示

2000年6月

介紹

這是膜過濾應用手冊第二版。為了提高這本手冊的應用價值，新增了預處理、自動控制和泵的描述。

這本手冊是在膜過濾領域許多年實踐的產物，它也是一個資訊的綜合。目的是提供一些常见问题的信息，为初步介入膜过滤领域的新人提供一些帮助，回答一些问题。这本书对已从事膜设备设计及建设的工程师和在已建工厂工作的工程师都能提供许多有用的信息。同时对膜系统的设计和操作的学习也有较大的帮助。

本書提供的資訊相對於理論計算和思索，更多的是實踐經驗。因此，它並不是技術學院裏的一本傳統的教科書。雖然書中沒有太多的數學計算，但它對於工業和學術應用都是非常有用的，因為它含有膜過濾領域許多“老到”的經驗，即使對於業內行家而言，它也並不是一本出版物而已。

這本手冊並不適用於那些純粹的初學者，因為書中對膜和膜技術的描述比較具體，而簡略了一些基礎的膜和化學知識。

本書中大多數的實例是基於帄板膜（DDS板框系統）和卷式膜元件(DESAL)。卷式膜元件占了世界大多數的銷售市場份額，而纖維膜系統、陶瓷膜系統和管式膜系統分享的市場份額則相當小。由於他們在領域的地位，在2000年以前纖維膜系統、陶瓷膜系統和管式膜系統想成為市場主導的機會極小。因此在本書關於他們的資訊比較少。

在當今時代，膜正在被努力推廣，但還未被消費者熟知，因為膜一般都隱藏在整個工業系統中。有些行業依靠膜生產一些基礎的產品，有些則利用膜解決一些複雜的分離過程，另一些則用膜達到一些環保的標準。膜就象電腦一樣：很少人理解它們，而只有一些人喜歡它們，但是我們都需要它們。即使我們不喜歡它們，但我們知道它們可以使生活更簡便和舒適。

開發高效、完好、經濟的膜來處理各種液體包括廢水的工作已進行35年。但是對於如何讓人們普遍瞭解建設和操作一個膜工廠的工作還有很長的路要走。希望本書能幫助避免許多以往很容易的犯的錯誤。

同時我要真心感謝Bjame Nicolaisen提供的許多寶貴的技術上和語言上意見和建議，同時感謝我的妻子作為我的同事參與了許多技術問題的討論。同時也感謝以不同方式參與本書的其他朋友！

Jorgen Wagner

專業名詞解釋及約定表1、專業名詞解釋及約定

四種膜過程

反滲透（RO）是液體/液體分離過程中最可能使用的膜分離過程。原則上水是唯一通過膜

的物質；特別是所有的溶解和懸浮的物質被截留。有時一些開放類型的RO膜和納濾（NF）膜會產生混淆。

真正的納濾只截留超過一價的負電荷離子，如硫酸鹽、磷酸鹽,而能通過單價的負離子。根據分子的大小和形狀，納濾也能截留不帶電荷、溶解性物質和正電荷離子。納濾對氯化納0～50％的截留率主要決定於進水的濃度。而“寬松的反滲透”是一種減少了鹽截留率的反滲透膜。由於鹽截留率的減少可以降低壓力和能耗，因此在有些項目上也是可以被接受的。

超濾(UF)是大分子量組分(HMWC)，如蛋白質、懸浮固體被截留，而所有的小分子量組分自由通過膜的過程。因此，單價和二價的糖類、鹽、氨基酸、有機物、無機酸或氫氧化納都不能通過。

微濾(MF)過程理論上只有懸浮固體被截留，而其他甚至蛋白質都可以自由通過膜。但是實際情況和理想狀態有一定的差距。

下表是對以上內容的總結。

表二四種膜過程的比較

產品和膜過程

許多產品使用膜來處理，但已銷售的80％以上的膜用於水的脫鹽處理。剩餘的部分205%被用於乳製品的處理，其餘被用於各種液體的處理。其中某些液體屬於廢棄的產品，而某些則是非常貴重的只要產物。表3列出了一些典型的應用，陰影部分代表主要的產物。注意：透過液和濃水都可以是需要的產物，而可以同時成為產物。

表3 某些產物的膜過程類型

膜的材料、結構和使用限制

膜材料

在商務上由不同供應商提供的膜的選擇方案看起來令人迷惑，因為許多材料都可以用來做膜，而它們又有許多商務名稱，實際上，真正使用的材質很少，並且大多數銷售和使用的膜只是一些很基本的類型。

✧整膜

醋酸纖維素(CA)是“最初的”膜，被用作RO、NF和UF應用。這種材料有一些缺陷，特別是針對於pH和溫度。CA其主要的優點是低價，以及由於它的親水性使其不易阻塞污染。如今還有一些“頑固的”用戶堅持購買“同樣的膜直到最後”，他們堅持使用CA膜是因為它們還可以工作，但實際上CA膜的弱點是它們易被微生物吞噬。

聚碸(PSO)自從1975年以來已被廣泛應用於UF和MF膜。PSO的主要優點是它良好的耐溫和耐pH能力。實際上在食品和乳製品行業中，聚碸是唯一被大量使用的膜材料。原則上，聚碸(PSO)膜不能抗油、油脂、脂肪和兩極溶劑。然而，也有一種親水類型的聚碸膜能違反此原則，在乳化油行業應用良好。

聚偏二氟乙烯(PVDF)是一種傳統的膜材料，但是它並未被廣泛使用，因為它很難使膜具有良好且穩定的分離特性。它的主要優點是其高度的抗碳氫化合物和氧化環境的能力。

✧複合膜

也稱薄膜複合膜，它一般被縮寫為TFC和TFM，被用來代替醋酸纖維RO膜。其主要的優點是同時具有較高的通量和很高的鹽截留率，用複合RO膜氯化鈉的截留率一般可達99.5%。它們也有好的抗溫度和pH的能力，但不能耐氧化環境。

複合膜有二層和三層的設計，但所有的都有精確的組分。一般來講，一種薄膜複合膜由一個PSO(聚碸)膜作為其非常薄的表面層的支撐，在PSO超濾膜的表面層是一種聚合物。而三層設計則在PSO支撐膜的上部有二層薄膜。

大約在1980年，Film Tec主導了二層膜設計的市場，並很快成為水脫鹽處理的行業標準，直到現在這種類型的膜都佔領了水脫鹽處理的市場。

多年以來膜已有了很大的發展，但基礎設計沒有改變，如今已有好幾家公司製造這種類型的膜。

二十世紀八十年代中期，Desal開始進行三層複合膜的設計。在水脫鹽處理方面這種膜很難和二層競爭，但在工業分離領域被證明可以工作得更好。三層膜更穩定，更不易阻塞污染。它們一般用於RO和NF，對於處理許多較難的分離過程，也是最佳的選擇。Desal是唯一生產三層複合膜的製造商。

以下是根據膜的表面積來劃分的全世界膜的消耗量。

複合RO膜85％

複合NF膜3～5％

聚碸UF和MF膜5～7％

其他膜3～5％

“其他膜”包括聚丙烯(PAN)、陶瓷材料( SiO2)和纖維素(水解醋酸纖維素)等。

膜材料的選擇

對於一個給定的分離過程選擇合適的膜和膜材料是比較困難的，為了作出合適的選擇必須先提供一些有關分離過程環境的概要資訊。第一步現確定可取的過程(RO、NF、UF或MF)和適用的膜材料。可以選擇對於過程環境最適合的膜材料。表2(四種膜過程的比較)，表3(產品和過程)以及表4(一些膜材料的抗化學品性能)可能對膜的選擇有些幫助。