内、外压式超滤的比较

内、外压式超滤的比较
张磊;乔雪峰;徐军
【摘要】随着膜技术的发展,膜法逐渐成为目前水处理行业主要的制水方式.其中,超滤膜作为主要设备,其优劣直接影响着产水水质.目前,市售超滤膜组件品牌众多,主要以内、外压式为主.从膜材质、成膜工艺、膜孔及组件结构、操作方式及能耗等方面对两种主要的超滤方式进行了对比.
【期刊名称】《过滤与分离》
【年(卷),期】2017(027)004
【总页数】4页(P36-39)
【关键词】超滤;内压式;外压式;Liqui-Flux(R)超滤膜
【作者】张磊;乔雪峰;徐军
【作者单位】M中国有限公司,北京100176;M中国有限公司,北京100176;M中国有限公司,北京100176
【正文语种】中文
【中图分类】TQ028.8
随着膜技术的发展，膜法工艺逐渐取代传统工艺，成为目前水处理行业主要的制水方法。

膜过滤过程分为几个主要的级别：反渗透（RO）及纳滤（NF）用于去除分子及离子级溶解物质到分子水平；而超滤（UF）和微滤（MF）通常用于去除细颗粒。

以上膜过滤过程都是通过压力驱动的，随着分子或颗粒尺寸的增大，过滤所需要的压力随之减小。

超滤属于多孔膜，通过筛分来实现所需的机械分离：比截留层孔径大的物质被截留，保留在浓缩侧；而更细的颗粒和溶解的物质，则能够通过膜孔流向滤液测。

超滤能滤除水中的浊度、病原微生物、大分子有机物，还具有操作压力低、占地面积小、建设方式灵活等优点。

因此，超滤技术是未来水处理领域发展的重要方向。

根据膜的分离层在中空纤维的内表面还是外表面，中空纤维超滤膜可以分为内压式和外压式两种。

内、外压式中空纤维超滤膜在过滤方式、膜材质、安装方式等方面都有一定的差异［1］。

一系列聚合物可用于制作超滤膜，从具有很强亲水性的醋酸纤维素（CA）到非常
疏水的聚合物，比如聚丙烯（PP）。

目前，大部分市售的超滤膜由聚砜（PS）、
聚醚砜（PES）和聚偏氟乙烯（PVDF）等材料制成，由于这些聚合物是天然疏水
性的，必须与聚合物添加剂，例如聚乙烯吡咯烷酮（PVP）混合，使其具有亲水性。

目前，市售的中空纤维超滤膜，内压式以PES材质为主；外压式则以PVDF膜为主。

从材料本身来看，两种材质各有优势：PES的抗氧化能力非常强，耐酸、碱性能优异，具有很好的热稳定性（玻璃化转变温度Tg=230℃）［2］；而PVDF的拉伸性能优异，具有良好的韧性。

Liqui-Flux®超滤膜组件采用PES内压式中空纤维设计，爆破压力高达1 200 kPa，能够耐受高腐蚀性的化学清洗（pH值耐受范围可达1～13）和高强度的氧化剂清洗，大大增强了化学清洗的效果，能够有效恢复膜组件的性能。

目前制备微孔滤膜常用的两种方法有：溶剂致相分离（SIPS）和热致相分离（TIPS）。

在SIPS过程中，将聚合物溶解在混合溶剂中，并通过一个环形喷丝头泵送。

中心孔的液体也一同流出喷丝头，此液体是为了防止聚合物溶液塌陷成没有内腔的固体纤维。

聚合物溶液进入沉淀浴，它主要由一种非溶剂的聚合物组成。

聚合物溶液里的溶剂扩散进入沉淀浴，同时沉淀浴里的非溶剂也扩散进入聚合物溶液，导致聚合物重新固化，从而形成膜结构。

膜凝固后，再通过几个预萃取步骤，溶剂
残留被去除。

最后，膜干燥处理后，就会形成微孔滤膜结构。

TIPS的工艺过程及
原理是热塑性、结晶性高分子聚合物与某些高沸点的小分子化合物（称之为“稀释剂”）在高温下（一般要高于聚合物的熔点Tm）能形成均相溶液，在降低温度时发生固-液或液-液相分离，然后用溶剂萃取等方法把稀释剂脱除，就形成了多孔膜，其中的孔是由稀释剂被除去后由其原先占据的位置形成的［3］。

外压式中空纤维超滤膜一般采用SIPS或TIPS工艺制备，如果采用SIPS工艺，则生成指状膜孔；采用TIPS工艺，一般生成海绵状膜孔。

外压式超滤膜孔径一般在0.03～0.08 μm 间，且孔径分布宽。

UltraPESTM中空纤维（PES材质）超滤以良好控制的滤孔形成过程而闻名，可提供紧致精确的狭窄孔径尺寸分布。

这样的制造过程通常是溶剂致相分离过程。

图1是SIPS工艺示意图。

SIPS工艺还在预萃取后增加了一个膜排列步骤，先进的Multifiber P.E.T®技术可以增强膜丝的整体强度：每12根中空纤维膜丝通过坚固的聚酯纱线缠绕形成一束，与膜壳浇注在一起，为中空纤维在轴向提供额外的机械强度，在反洗时，可以减少膜丝的拉伸。

同时，由于聚酯纱线作为中空纤维膜束间的间隔物，在反洗过程中流体动力学得到改善。

反洗水能够直达中心区域的膜丝，保证了更好的反洗效果。

Multifiber P.E.T®技术的特点和优势可以描述为：
（1）有效增强并优化膜丝的稳定性；
（2）保持膜丝的完整性；
（3）更好的拓展膜组件内部空间；
（4）冲洗时改进水流体动力学布局。

由于精确控制的SIPS成膜工艺，UltraPESTM中空纤维膜丝可形成独特的3层结构。

图2是UltraPESTM中空纤维膜丝的截面电子显微镜照片。

由图2可见，膜
丝形成了不对称的海绵状孔隙结构。

中空纤维的内侧是紧致的分离层（PES膜通常
为内压式超滤）；中间层为分离层提供了高度开孔的支持，使分离层通过更厚实的聚合物连接后形成高机械强度；最外侧的保护层降低了膜的孔径，保持了膜结构的完整性。

PES膜孔径精细且孔径分布均匀，非对称的结构保证了出色的产水量和截留率，这使得UltraPESTM达到在低跨膜压差下的高通量，可以降低能耗，进而
达到减少操作费用的效果。

目前，大多数超滤膜组件生产厂家提供的超滤组件，无论内压式还是外压式，中空纤维膜丝以单一密集的方式封装在压力容器中。

Liqui-Flux®膜组件则是将压力容器分为9个独立的单元，这9个分开的元件单元被封装到一个坚固的PVC压力容器中。

各个单元之间的空间被优化，以确保在反洗操作过程中低的压差，使反洗比单一密集的封装更为有效。

这种独特的设计，确保了所有膜面积被有效地利用。

图3显示的是反洗操作中，水流在Liqui-Flux®各个膜元件单元的分布示意图。

图4显示的是通过计算流体动力学（CFD）模拟的膜元件单元中的压力分布，由图可见，流体在各单元分布均匀。

由于合理的填装方式，Liqui-Flux®W20膜组件有效滤
膜面积可达91 m2，在市售的单支超滤膜组件中是最大的。

在固定通量的情况下，大的滤膜面积可以减少膜组件的数量，降低成本。

此外，所有Liqui-Flux®超滤膜组件均不使用通常用于隔离进水和产水的O型圈
密封。

这样降低了微生物交叉污染的可能性。

超滤一般有两种运行模式：错流过滤（切向流过滤）和直流过滤（死端过滤）。

在错流过滤中，被过滤液体以高流速通过膜表面，形成的高剪切力和紊流，阻止污染物沉积在膜表面。

通常需要设置最佳的流速以防止或减少膜表面污垢的产生。

由于大部分的过滤介质都以高流速通过膜丝表面，在此运行模式下，被过滤液体需要进行再循环。

在直流过滤中，被过滤液体不需循环。

几乎所有的进水都从膜的一侧压到另一侧。

只有一小部分进水（甚至没有）能到达膜丝的另一端。

直流过滤通常在较低程度污
染的饮水水和地表水的超滤中应用。

与错流过滤相比，能耗较低。

工业水处理，一般采用直流过滤方式。

为了去除膜表面累积的污染物，膜组件需要定期反洗。

内压式超滤较外压式相比，无需气体擦洗，从而使超滤系统更紧凑、操作更简便。

这是由于内压式超滤膜组件正常操作时，原水通过底部的进水口进入膜组件中空纤维膜丝的内侧，在驱动压力作用下，原水通过膜丝，达到过滤的目的；当进行反洗时，流体流向逆转，由纤维外侧向内侧流动，由于纤维内体积远小于纤维外体积，故通过膜丝后，流体流速增加，故无需气体辅助，就可以将附着在纤维内壁的污染物冲洗下来。

而外压式超滤在反洗时，流体通过膜丝后，流速下降，低流速无法将污染物有效地冲洗，故需增加气体辅助冲洗，以提高清洗效果。

Liqui-Flux®膜作为内压式超滤组件，在进行反洗时无需气体辅助擦洗。

图5显示的是其简单的反洗流程图。

连续操作过程中不易被反洗掉的污染物会慢慢累积，膜组件需要定期进行化学加强反洗（CEB）。

通过在反洗水中加入化学药剂达到降低TMP的目的。

CEB可以自动执行。

它需要的时间较短，而且仅需要经济又常用的化学药剂。

通常认为以外压为主的PVDF材质，耐化学腐蚀性能优异，其实，以内压式为主的PES材质同样具备优良的耐酸、碱及氧化性能。

Liqui-Flux®膜采用PES材质，具有优良的耐化学性能：pH值耐受范围可达1～13；最大瞬时游离氯可耐受200 ppm，最大游离氯可耐受200 000 ppm*h（即200 ppm游离氯含量可耐受1 000 hr），也就是说，CEB对Liqui-Flux®膜丝的完整性不会产生影响。

有研究表明［1，4，5］，内、外压超滤膜组件对原水均有较好的适应性，二者与微絮凝工艺相结合，对浊度、CODMn、氨氮（低浓度）均具有较好的去除效果。

膜材料的亲水性以及过滤方向对膜比通量（SF）和运行压力的影响很大，内压式PES膜材料亲水性更强、其过滤方向由小空间向大空间，这使得在同一运行通量下
其膜比通量是外压式的两倍多，运行压力约为外压式的一半。

换句话说，内压式超滤的能耗低于外压式。

内、外压超滤是目前水处理行业中主要的两种超滤形式，且各自有各自的特点和优势。

表1为内、外压超滤的比较（内压式超滤以3M Liqui-Flux®膜组件为例）。

膜法制水已经成为目前主流的制水工艺，作为主要设备的超滤膜，其优劣直接影响着产水水质。

性能优良、品质稳定的超滤膜组件已经在众多领域应用，今后也必将为水处理行业作出更大贡献。

【相关文献】
［1］魏忠庆，范功端.内、外压超滤膜在净水中的对比试验研究［J］.中国给水排水， 2016，
32(21):55-59.
［2］ Marcel Mulder.膜技术基本原理［M］.北京:清华大学出版社，1999:38.
［3］祝振鑫，孟广祯.复合热致相分离制膜方法［J］.膜科学与技术，2010，30(6):1-6.
［4］郭栋，杨艳玲，李星，等.不同类型超滤工艺处理引黄水库水的效果对比［J］.中国给水排水，2012，28(11):33-35.
［5］张敬东，高顺明，刘炎伟，等.内外压式超滤组件在反渗透预处理中的应用比较［J］.工业用
水与废水，2005，36(4):55-58.。