膜组件及膜材

膜材料及膜组件应用介绍摘要：MBR膜作为膜生物反应器系统中的核心部件，是工艺系统的“心脏”。

其作用是实现精密、高效的固液分离。

但是，在实际中，膜的成本高、寿命短、易受污染，成为了MBR应用的“瓶颈”。

因此需要进一步开发与研制低成本、高性能的耐污染、高通量的MBR膜。

关键词：膜分离膜组件膜材料有机膜无机膜正文：膜可定义为一定流体相中，有一均匀的一相或是由两相以上薄层凝聚物质将流体相分隔成了2部分，这一薄层物质被称为膜。

膜分离技术是近几十年来发展起来的一门新兴多学科交叉的高新技术，利用具有特殊选择透过性的有机高分子材料或无机材料，形成不同形态的膜，并在一定的驱动力作用下，将双元或者多元组分分离或浓缩。

膜材料研究进展:膜材料作为膜分离技术的核心越来越受到人们的关注。

最早的分离膜材料是纤维素及其衍生物，近年来，各种高性能纤维素及高分子有机聚合物膜材料的开发层出不穷，并出现了新型的陶瓷、多孔玻璃、氧化铝等无机膜材料和有机无机膜材料。

为了更好地发挥膜技术的优势，分离膜材料成为近年来研究的热点。

膜的分类：膜可以由很多种材料制备，可以是液相、固相甚至是气相的。

目前使用的分离膜绝大多数是固相膜。

一根据膜断面的物理形态，可将膜分为对称膜、不对称膜和复合膜；二按照膜的分离原理又可分为电渗析、反渗透、纳滤、超滤、微滤等，三按照膜结构分，可分为平板膜、管状膜、卷状膜和中空纤维膜；为了便于工业化生产和安装，提高膜的工作效率，在单位体积内实现最大的膜面积，通常将膜以某种形式组装在一个基本单元设备内，在一定的驱动力下，完成混合液中各组分的分离，这类装臵称为膜组件。

1 MBR 膜组件设计的一般要求：对膜提供足够的机械支撑，流道通畅，没有流动死角和静水区；能耗较低，尽量减少浓差极化，提高分离效率，减轻膜污染；尽可能高的装填密度，安装，清洗、更换方便；具有足够的机械强度、化学和热稳定性。

膜组件的选用要综合考虑其成本，装填密度、应用场合、系统流程、膜污染及清洗、使用寿命等。

2 膜组件分类工业上常用的膜组件形式有五种：板框式、螺旋卷式、圆管式、中空纤维式和毛细管式。

前两种使用平板膜，后三者使用管式膜。

圆管式膜直径>10mm; 毛细管式－0.5~10.0mm ；中空纤维式<0.5mm> 。

MBR 工艺中常用的膜组件形式有：板框式、圆管式、中空纤维式。

2.1板框式：是MBR 工艺最早应用的一种膜组件形式，外形类似于普通的板框式压滤机。

优点是：制造组装简单，操作方便，易于维护、清洗、更换。

缺点是：密封较复杂，压力损失大，装填密度小。

2.2 圆管式：是由膜和膜的支撑体构成，有内压型和外压型两种运行方式。

实际中多采用内压型，即进水从管内流入，渗透液从管外流出。

膜直径在6~24mm 之间。

圆管式膜优点是：料液可以控制湍流流动，不易堵塞，易清洗，压力损失小。

缺点是：装填密度小。

2.3中空纤维式：外径一般为40 ～250 μm ，内径为25 ～42μm 。

优点是：耐压强度高，不易变形。

在MBR中，常把组件直接放入反应器中，不需耐压容器，构成浸没式膜-生物反应器。

一般为外压式膜组件。

优点是：装填密度高；造价相对较低；寿命较长，可以采用物化性能稳定，透水率低的尼龙中空纤维膜；膜耐压性能好，不需支撑材料。

缺点是：对堵塞敏感，污染和浓差极化对膜的分离性能有很大影响。

3 应用现状及未来MBR的快速发展促成了一批专业化的膜生物反应器制造公司的出现。

目前市场上已经商品化的MBR系统中，其中大部分为浸没式MBR。

在全球MBR膜市场上，中空纤维膜组件的供应商主要有三菱丽阳(Mitsubishi Rayon)、通用泽能(Gem Zenon)和西门予(Siemens Memcor)等；平板式膜组件的主要供应商有久保田(Kubota)、东丽(Tomy)等：管式膜组件的供应商有诺利特(Norit X．Flow)等。

这些国际品牌膜组件占据了世界MBR膜市场的绝大部分。

由于我国对MBR这方面的研究起步较晚，再加上国外对这些膜的制备工艺实行保密和技术垄断，使得目前我国还只有为数极少的几家MBR膜与膜组件生产制造企业。

其中以天津膜天(MOTI．MO)为代表，它的中空纤维帘式膜组件在国内已有应用。

但是，这些国产的MBR膜和膜组件结构形式单一，产品质量和性能与国外的相比还存在着一定差距。

另外，由于膜制造技术的不成熟和许多主要制膜原材料仍依赖进口，使得国产膜组件产品在价格上的优势也不够明显。

所以今后仍需要注重新型膜组件及其集装式模块化的开发与设计，以促进MBR的大规模应用。

四按照膜制备材料，可分为无机膜和有机膜1 高分子有机膜材料：常用的有机膜材料有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚丙烯腈(PAN)、聚砜(PS)、聚醚砜(PES)、聚偏氟乙烯(PVDF)等。

其中PVDF膜具有较好的抗污染性和化学稳定性在MBR中受到最广泛的应用，不足之处是PVDF原材料价格相对较高。

有机膜成本相对较低，造价便宜，膜的制造工艺较为成熟，膜孔径和形式也较为多样，应用广泛，但运行过程易污染、强度低、使用寿命短。

2无机膜：是固态膜的一种，是由无机材料，如金属、金属氧化物、陶瓷、多孔玻璃、沸石、无机高分子材料等制成的半透膜。

无机分离膜于20世纪70年代末进人工业领域，80年代，工业用无机微滤膜和无机超滤膜得以发展。

目前在MBR 中使用的无机膜多为陶瓷膜，具有聚合物分离膜无法比拟的一些优点：化学稳定性好、机械强度大、抗微生物能力强、孔径分布窄、分离效率高,它可以在pH ＝0~14 、压力P<10MPa 、温度<350 ℃的环境中使用，其通量高、能耗相对较低，在高浓度工业废水处理中具有很大竞争力. 缺点是：造价昂贵、不耐碱、弹性小、膜的加工制备有一定困难。

无机膜包括致密膜和多孔膜，其中多孔膜又包括多孔金属膜、多孔陶瓷膜和分子筛膜。

陶瓷膜按物质组成可分为氧化铝膜、氧化钛膜、氧化锆膜、氧化硅膜等，在水处理领域中使用最多的是氧化铝陶瓷膜。

无机膜按膜孔径大小可分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜，反渗透膜等。

2.1应用现状我国膜市场与世界膜市场相比，无论开发的广度和深度都有一定差距。

不过，相比于有机膜与世界的差距，我国无机膜的发展与国外差距要小一些。

存在问题主要有，技术水平低．品种少，企业规模小，应用效益差。

陶瓷膜在水处理领域的应用，国内较多的是以现有的膜材料为基础，通过优化工艺条件充分发挥膜材料功能，以实现膜工程的高效运转，存在局限性。

应将工艺设计与材料微观结构设计相结合，实现依据应用过程的需要进行膜材料设计。

最早实现陶瓷膜商业化的Degremont公司，原来只是陶瓷膜用户，现在已根据需要在开发城市污水处理用陶瓷膜。

2.2发展前景陶瓷膜应用作为一种新型分离技术，成为国内外竞相研究开发的热点之一，在水处理领域有着良好的前景。

美国BCC统计结果显示，预计2005年全世界膜市场为70亿美元。

而有机膜约占整个膜市场的20％左右，在无机膜中，陶瓷膜的应用超过80%以上。

在我国，存在人均水资源少，水需求量大，水环境污染严重等问题．陶瓷膜技术在此问题的解决上可以发挥重要作用，所以，陶瓷膜技术在水处理领域有着巨大的市场发展空间。

2.3研究方向有关无机陶瓷膜的制备及在水处理中的应用，结合国际研究现状，归纳研究方向主要有两个方面：(1)在理论方面：膜制备与膜形成机理，膜性能与结构的关系，膜的传递机理等。

(2)在应用方面：开发新材料，增强陶瓷材料自身的韧性，改善制膜工艺，提高透过率及分离选择性；开发低成本制膜工艺。

降低膜法水处理的成本；将膜过滤技术与其它废水处理技术相将结合．减轻膜污染，充分发挥各自优势和协同作用。

3 新型膜材料3.1金属膜国外新研制的金属膜采用不对称结构，以粗金属粉末作支撑材料，以同种合金的细粉末喷涂作有效滤层（厚度小于200微米）；其孔径分布集中在1-2微米之间，属微滤范围；颗粒物难以进入滤膜内部堵塞滤道而滞留在膜表面，形成表面过滤。

与传统多孔烧结金属滤材相比，不对称金属膜滤通量高3-4倍，压降较小，反冲洗周期长达6-8个月，且反冲效果较好。

3.2有机无机混合膜制造有机无机混合膜，使之兼具有机膜及无机膜的长处。

无机矿物颗粒（如二氧化锆）掺入有机多孔聚合物（如聚丙烯腈）网状结构中形成的有机无机矿物膜，具有机膜的柔韧性及无机膜的抗压性能、表面特性，可显著提高表面孔隙率及通量。

填料类型、粒径、比表面积对膜性能均有影响。

3.3新型有机膜大连理工大学研究开发出一种新型含二氮杂萘铜结构类双酚单体，该单体具有芳环杂非共平面扭曲结构，由其合成的含二氮杂萘铜结构的聚芳醚铜和聚芳醚砜具有耐高温、可溶解的综合性能。

4 膜材料结论相对而言，当前MBR膜材料的种类还相当缺乏，这种状况也造成了膜性能低劣，但膜价格又居高不下的局面。

如何开发新型膜材料，提高膜的各项性能，拓宽膜的应用领域，成为众多膜技术专家们亟待解决的问题。

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