水处理基础知识培训 第三节 各种水处理膜的技术特性

第三代RO 膜，膜性能大幅度提高，目前RO 已在许多领域得到广泛应用，例如，超纯水制造、锅炉
水软化，食品、医药的浓缩，城市污水处理，化工废液中有用物质回收。目前世界最大的反渗透苦咸 水淡化装置为位于美国亚利桑拿州的日产水量为28 万吨的运河水处理厂，最大的反渗透海水淡化装 置，位于沙特阿拉伯，日产水量为12.8 万吨。最大的纳滤脱盐软化装置位于美国佛罗里达州，日产 水量为3.8 万吨。
较好的双极膜
很好
蒸汽消毒膜
很好
电渗析现正进入食品和药剂工业，但消毒仍是问题
抗污染膜
很好
在某些电渗析应用中污染仍是一个问题
发展方向
实现前景
说明
商品聚酰胺反渗透膜在碰到氧化剂（如氯、过氧化氢 等）存在时迅速被破坏，这使反渗透在某些领域还迟 迟未能应用
抗氧化膜
好
改进预处理
好
改进现有的传统预处理方法使进料中悬浮固体减少 细菌污染膜表面使其透量减少，微生物对不同膜的亲 和力差别很大，阐明侵蚀机量有助于优选膜材料及表 面形态结构 由于膜的流量限制，商品超薄复合膜在理论效率30% 下操作运行，若进行适当的改进能显著减少反渗透过 程的能量消耗 膜的清洗前非总是成功的，需要进行实验，否则会导 致错误操作 为了控制微生物对膜的污染需要不会产生三卤甲烷的 消毒剂
耗仅为恒沸精馏的1/3～1/2，且不使用苯等挟带剂，在取代恒沸精馏及其它脱水技术上具有很大的经
济优势。德国GFT 公司是率先开发成功唯一商品GFT 膜的公司。
微滤的发展方向
发展方向
廉价膜组件
实现前景
非常好
说明
巨大的潜在市场需要远低于现在的价格的日用品价微 滤装置 陶瓷和无机膜更有可能，潜在的应用包括从煤和油的 液体中除去微滤粒以及取代 流动气体处理中的袋滤器 适用于屠宰场、乳制品、酿造和制酒，必需能适应工 业杀菌 用于必需证明能连续服从生物完整性的地方，特别是 遥控和自动操作之处
烟台金正环保科技有限公司
第三节 各种膜的技术特性
主讲：技术部
http://www.jinzhenghb.com
过滤是一种分离气体或液体中悬浮的或溶解的离子的技术，过滤由一定的过滤介质和相应的辅助 设备来完成。悬浮或溶解在液体中的各种微细离子直径范围如下： 粗粒 细粒 微粒 2~0.1mm 100~10μm 10~0.5μm 大分子 小分子和无机粒子 500~10nm 10~0.1nm
反渗透膜的分离机理众说纷纭，各不相同，有氢键理论、选择吸附、毛细管流动机理和溶解放散理 论等。
氢键理论主伙反渗透膜材料如醋酸纤维素是一种具有高度有序矩阵结构的聚合物，它具有与水 或醇等溶液形成氢键的能力，盐水中的水分子能与半透膜上的羰基形成氢键，在反渗透压的推动下， 以氢键结合的进入膜的水分子能够由一个氢键位置断裂而转移到另一个位置形成氢键。这些水分子 通过一连串的不断移位，直至离开表皮层而直入多孔支撑后，源源不断进流出淡水。 溶解扩散模型认为膜是非多孔性的，溶剂与溶质透过膜的机理是：溶剂与溶质的膜的料液侧表 面吸附溶解；在化学位差的推动下，以分子扩散形式透过膜，在膜中的扩散服从Fick 扩散定律，从 膜的侧表面解吸。
离子交换膜的应用和原理
电渗析的基本系统电渗析的原理:盐一般溶解在水溶液中形成阴离子和阳离子，在两个电极电场 的存在下，阳离子移向阳极，阴离子移向阳极（类似于电泳过程），这样就形成电流。在两个电极 间插入一张阳膜或一张阴膜将导致阳离子或阴离子通过膜的选择性迁移。
在电渗析时，一组交替排列的阳离子和阴离子交换膜固定在两个电极中间，用来分离和浓缩盐
比较便宜的、长寿命的组件
非常好
要求比较便宜能较好的控制污染
低能耗组件设计
非常好
目前组件设计是用大量能耗于原料液再循环以 控制浓差化和污染，更有效的组件设计将减少 能耗 超滤用于石油加工可能性很大， 它需要耐高温 ， 抗溶膜及组件，陶瓷膜可能对它合适 目前的膜由于温度，PH 值和对氧化剂的敏感所 限，不能处理重要的工业流， 这是陶瓷膜的另 一带的应用领域
实现前景
很好 很好
说明
使用先进的膜材料 实验材料已接近此
好
只需要少量的贵重的选择性材料 当从EOR Projects 的原料气中酸气中分 压增加更加重要 若是通用方法则很有只引力，用光化 学或氟化都已在一致密膜或一相对厚 度为1μm 的复合膜中得到证明 碳纤维，无机或促进传弟膜可能达到 这一α和通量目标。 已取得很多进展，但持久地创建这种 能力将为开辟所在的新市场打下良好 的基础
层组成，表面活性层很薄，厚度0.1-1.5μm膜的分离性能主要取决于这一层，表面活性层有孔径1~20nm
的膜为超滤膜；支撑层的厚度为50~250μm，起支撑作用，它决定膜的机械强度，呈多孔状，超滤膜的 大孔支撑层为指状孔。
超滤膜的另一种形式是中空纤维膜，超滤所用时不需专门的支撑结构，其另一个特点是单位体积 内膜具有非常大的表面积，能有效地提高渗透通量。 超滤过程中，在水透过膜的同时，大分子溶质被截留，而在膜的表面积聚，形成被截留的大分 子溶质的浓度边界层，这就是超滤过程中的浓差极化。由于浓差极化，膜表面处溶质的浓度高，可 以导致溶质截留率的下降和水的渗透压的增高，使超滤过程的有效压差减小，渗透通量降低。
非常好
目前组件不能用于有机溶剂分离且很昂贵
很好
需要更多的溶剂选择性膜，特别是对亲水性溶剂（酚 、乙酸、甲醇、乙醇等）
好
用于破坏很多常见的水—有机物共沸体系
渗透汽化将有可能用于混合物中的有机物—有机物分 离，系统设计的研究是进 行此类研究所必需的
好
发展方向
开发通用的制造皮层<500A 膜的生产技术 高O2/N2 选择性（α=7~10）和透 过性能（P=2—3Barrer For O2）的高分子 开发通用的制造复合膜皮层<500A 的生产术 具有在高CO2 和H2S 分压下从CH4 中高选择 性分离CO2（α>45 和H2（α>20）的膜材料 对已形成的超薄皮层进行活化处理增加其选 择性而不使流量严重下降 高氧选择性膜(α=12-15 forO2/N2)具有好的 稳定性和O2 通量0.5-1×104cm3(STP)/cm2.s.cmHg 用于有效地选择具有高分离性能聚合物膜材 料的指导原则
超滤主要用于溶液中分子量500~500000的高分子物质与溶剂或含小分子物质的溶液的分离，超 滤是目前应用最广的膜分离过程，它的应用领域涉及化工、食品、医药、生化等领域。
①纯水制备，超滤广泛用于水中的细菌、病毒、热源和其他异物的除去，用于制备高纯饮用水、
电子工业超净水和医用无菌水等。 ②应用超滤处理汽车、家具等制品电涂淋洗水，淋洗水中常含有1%-2%的涂料（高分子物质）， 用超滤装置可分离出清水，清水返回重复用于清洗，同时又使涂料得到浓缩重新用于电涂。 ③纺织工业中含聚乙烯醇废水的处理。 ④食品工业中废水处理，在牛仍加工厂中用超滤从乳清中分离蛋白和低分子量的乳糖。 ⑤果汁、酒等饮料的消毒与澄清，应用超滤可使果汁保持原有的色、香、味，产品清澈，而且操
起透过膜上的微孔，大于孔径的微粒被截留。
微孔滤膜是由纤维素酯等高分子材料在一定条件下制成的孔结构高度均匀的多也薄膜，可制成 指定孔径，通过电子显微镜观察微孔滤膜的断面结构，常见的有通孔型、海绵型、非对称型三种
结构。
微孔滤膜过滤的特点如下： ①微孔滤膜的孔径十分均匀，能将液体中所有大于指定孔径的微粒全部截留。 ②微孔滤膜的空隙率高达80%左右，因而阻力小，对清液或气体的过滤速度，可较同样效果的常用 过滤材料快数十倍。 ③滤膜为均一连续的高分子材料，过滤时没有纤维和碎屑脱落，从而能得到高度纯洁的滤液； ④大于也径的微粒不会因压力增高而穿过滤膜，当压力波动时也不致影响过滤效率； ⑤滤层薄，质量小，对滤液或滤液中有效成分的吸附量小，因而可减少贵重物料的损失。
(6)化学工业：各种化学品的过滤澄清。
超过滤简称超滤（UF），是以压力差为推动力的膜分离过程，分离截留的机量为筛分，小于孔径的
微粒随溶剂一起透过膜的微孔，大于孔径的微粒被截留。膜上微孔的尺寸和形状决定膜的的分离性质。 超滤所用的膜为不对称膜，它的特点是膜断面形态的不对称性，它是由表面活性层与大孔支撑层两
离子。盐由脱盐室移出进入相邻的浓缩室，这样电渗析器既可以用来脱盐也可以进行盐的浓缩。
1．微滤在30年代硝酸纤维素微滤膜商品化，60年代主要开发新品种。近年来以四氟乙烯和聚偏 氟乙烯制成的微滤膜已商品化，具有耐高温、耐溶剂、化学稳定性好等优点，使用温度在－100～ 260℃。目前销售量居第一位。
2．超滤从70年代进入工业化应用后发展迅速，已成为应用领域最广的技术。日本开发出孔径为 5～50nm的陶瓷超滤膜，截留分子量为2万，并开发成功直径为1～2mm，壁厚200～400的陶瓷中空 纤维超滤膜，特别适合于生物制品的分离提纯。
抗溶剂的膜及组件
尚可
适用于高温、高PH 值和抗氧化的 膜
好
发展方向
实现前景
说明
目前电渗析系统受操作温度限制， 抗高温组件将使电 阻降低和减少能耗
有较好的温度稳定性的膜
非常好
改进流液分布的空间设计
好
浓差极化极是电渗析中的一个问题，改进空间结构对此 有 如能制出好的膜，双极膜将是电渗析今后一个主要生长 区域
过滤分离不同的粒子要使用相应的过滤介质，过滤介质一般分为深层过滤介质和筛网过滤介质两 种类型。常规过滤中所用的多属深层过滤介质，如滤纸、滤布、沙等，它们呈不规则交错堆置折多 孔体，孔型不规则。以深层介质过滤时，不能保证没有少量大颗粒物质进入滤液，而微细粒子则由 于吸附而被阻留。 微孔过滤（简称微滤）是以压力差为推动力的膜分离过程，微孔滤膜具有形态整齐的多孔结构， 分离的机理是膜孔对溶液中的悬浮微粒的筛分作用，在压力差的作用下，小于孔径的微粒随溶剂一
耐高温、抗溶剂的膜及组件
好
不污染、易清洗长寿命膜
好
连续完整性试验
好
廉价、抗污染组件的设计
尚可
目前组件极易污染,特别在高颗料含量的进料液情况下 很需要更佳组件的设计
超滤的发展方向
发展方向
抗污染膜
实现前景
好
说明
污染是超滤的主要矛盾， 污染的消除将使超滤 整个过程提高>30%并减少投资15%，并能有较 好的分馏效果， 因而使超滤应用范围拓宽
细菌对膜表面的侵 蚀
非常好
增加透水性
非常好
改进清洗
非常好
消毒剂
好
发展方向
用于有机物—有机物分离 的膜
实现前景
说明
如能制备出有足够分离选择性的膜，渗透汽化可望在 很多分离过程中取代蒸馏
很好
具有较好抗溶剂性能的组 件 从水中除去有机溶剂性能 较好的膜 用于酸性、碱性以及被浓 缩了的水溶液溶剂蒸汽中 脱水的膜 装置的设计和研究
作方便，费用低。
⑥在生化工艺中用于处理热每性物质，分离浓Байду номын сангаас生物活性物质，从动、值物中提取药物等。 ⑦造纸工厂废水处理。
反渗透膜主要是不对称膜、复合膜和中空纤维膜，反渗透膜，反渗透不对称膜的表面活性层上的 微孔很小（约2nm），大孔支撑层为海绵状结构；复合膜由超膜和多孔支撑层等组成，超薄膜很薄， 只有0.4?m，有利于降低流动阻力，提高透水速率；中空纤维反渗透膜的直径极小，壁厚与直径之比 比较大，因而不需支持就能随较高的外压。
微滤可以分离溶液中大于0.05μm 左右的微细粒子，它的应用范围很广。 (1)水处理行业：水中悬浮物，微小粒子和细菌的去除; (2)电子工业：半导体工业超纯水、集成电路清洗用水终端处理; (3)制药行业：医用纯水除菌、除热原，药物除菌; (4)医疗行业：除去组织液、抗菌素、血清、血浆蛋白质等多种溶液中的菌体; (5)食品工业：饮料、酒类、酱油、醋等食品中的悬浊物、微生物和异味杂质、酵母 和霉菌的去除，果汁的澄清过滤。
3．离子交换膜和电渗析技术主要用于苦咸水脱盐，近年市场容量也近饱和。80年代新型含氟离 子膜在氯碱工业成功应用后，引起氯碱工业的深刻变化。离子膜法比传统的隔膜法节约总能耗30％，
节约投资20%。90年世界上已有34个国家近140套离子膜电解装置投产，到2000年全世界将1/3氯碱
生产转向膜法。
4．60 年发明了第一代高性能的非对称性醋酸纤维素膜,把反渗透(RO)首次用于海水及苦咸水淡化。 70 年代开发成功高效芳香聚酰胺中空纤维反渗透膜，为第二代膜。90 年代出现低压反渗透复合膜,为
5．1979 年Monsanto 公司用于H2/N2 分离的Prism 系统的建立,将气体分离推向工业化应用。1985 年Dow 化学公司向市场提供以富N2 为目的空气分离器“Generon”气体分离用于石油、化工、天然 气生产等领域,大大提高了过程的经济效益。
6．80 年代后期进入工业应用的膜分离技术是用渗透汽化进行醇类等恒沸物脱水，由于该过程的能