各种膜的分类及特性教学教材

各种膜的分类及特性

一）纯纯净水生产中膜分离技术及其特性

电渗析和离子交换树脂已经在原料水的处理过程详细介绍了。本节主要介绍纯净水生产过和程中膜也离（电渗析也是一种膜分离技术）的有关内容。用天然或人工合成的高分子膜，以外加压力或化学位差为推动力，对双组分或多组分溶液进行分离、分级、提纯和富集的方法，统称为膜分离法。纯净水生产过程中常使用的膜分为膜分离法。纯净水生产过程中常使用的膜分为4类，即微滤膜（Microfiltration MF）、超滤膜（Ultrafilrtaiton，UF）、反渗透膜（Reverse osmosis,RO）和纳滤膜（Nanofiltraiton，NF）。在膜分离发展史上，首先出现的是超滤和微滤，然后出反渗透和纳滤。这4种膜在分离过程中的动务是外加压力，在压力作用下溶济和定量的溶质能够透过膜，而其余组分被截留，四者组成了一可分离子到微粒有膜分离过程。MF能有效地去除菌，UF能去全部病毒和部分子高有机物，RO用于脱除盐份，近来开发的纳滤膜其分离径比UF更小，主要用于去除低分子有机物和盐类。

微滤（MF）的孔径为0.1～10υm，主要去除微粒和细粒物质，所用的膜一般为对称膜，操作压力0.01～0.2MPa。

超滤（UF）的孔径为0.001～0.1μm，截留分子量大于500μ的大分子和胶全，操作压力0.1～0.001μm，主要脱去水中的盐分，对氯化钠去除率为95﹪以上，操作压力为1～

10Mpa。

表1－6－8 反渗透、超滤、微滤3种膜的比较

项目 RO膜 UF膜 MF膜

膜的孔径/μm ＜0.001（＜10A）

膜材料醋酸纤维素膜、聚酰胺复合膜醋酸纤维素模、聚砜膜、聚酰胺膜、聚丙烯腈膜醋酸纤维素膜、复合膜、醋酸－硝酸纤维素混合膜、聚碳酸酯膜、聚酰胺膜

膜组件常用形式卷式膜、中空纤维素膜卷式膜、中空纤维素膜板式、折叠筒式

去除杂质能力无机盐√ √ ×

有机物相对分子质量＞500 √ 去除能力极小 ×

细菌√ √ √

病毒、热源√ √ ×

悬浊物粒径＞0.1μm √ √ √

胶体微粒粒径＞0.1μm√ √ ×

工作压力/Mpa 1.96～5.88 0.29～0.69 0.05～0.29

处量水流量/t·d－1·m2膜 50～75 90～95 100

PH 醋酸纤维维素膜4～6复合膜3～11 2～9 4～10

水温 20～30 5～40 5～40

出水电阻率变化适用于除盐部分，出水口电阻率升高约10倍应用精滤，出水溻阻率降低0.1～1MRΩ·cm（25℃）应用精滤，出水阻率降低0.1～0.6MΩ·cm（25℃）

性能不易者塞，可用水或药液清洗不易堵塞，可用水或药液清洗易堵塞，可用水液或药液清洗，但效果较差

寿命/年 3～5 1～3 ＜1

纳滤膜（NF）可以认为是由反渗透膜（RO）发展而来的一种超低压膜，分离范围介于反渗透膜和超滤膜之间，操作压力一般为0.5～2.0MPa，能耗较少，运行费用较低，对氯化钠的去除率为50﹪～70﹪，对有机物的去除率在90﹪以上。

1.微滤膜：微过滤是一种精密过滤技术，介于常规过滤和超过滤之间。过滤一般分深层过滤和筛网状过滤。常规过滤多属深层过滤，它所用的介质如纸、石棉、玻璃纤维、陶瓷、布、毡等，都是一些孔形极不整齐的多孔体，孔径分布范围较广，无法标明它的孔径大

小，过滤时粒子是靠陷入介质内部曲折的通道而被截留。截留率则随压力的增加而下降，因介质厚，对颗粒的容纳量大，相应截留率也高，主要用于一般澄清过滤。而微滤所用的过滤介质具有类似筛网状的结构，由天然或合成高分子材料制成，具有形态较整齐的多孔结构，孔径分布较均匀。过滤时使所有直径大的粒子全部被拦截在滤膜表面上，压力的波动不会影响它的过滤效果。与一般深层过滤介质相比具有以下特性。

（1）孔径均匀，过滤精度高微孔滤膜能制成比较均匀的孔径，这是它最重要的特点之一。在过滤时，它能使比孔径大的颗粒和细菌全部被拦截在滤膜表面，所以经常被作为起保证作用的手段，有“绝对过滤”之称。

（2）孔隙率高，流速快微孔滤膜上有千百万个微孔，其微孔的体积约占膜总体积的70﹪一80﹪。由于孔隙率高，膜又薄，因而阻力甚小，对液体和气体的过滤速度可比同等截面积的其他常用介质快几十倍。

（3）微孔滤膜薄，吸附少微孔滤膜的厚度一般为0.1～0.15mm（或100～150μm）。滤膜对溶质的吸附量极小，因而适用于微量溶液及贵重物粒的过滤。

（4）无介质脱落微滤膜是均匀的连续的整体结构，没有碎屑脱落，而一般深层过滤介质有可能脱落碎屑或纤维而使滤液再次污染。

（5）颗粒容纳量小，易堵塞’微孔滤膜质地薄、孔径均匀，阻留只限于表面，所以极易被滤液中与孔径大小相仿的微粒或凝胶物质堵塞。因此，微孔滤膜主要用来进行精密过滤，对于含杂质较多的液体，必须结合深层过滤或其他预处理方法才能得到好的过滤效果，延长膜的使用寿命。目前在纯净水的生产中微滤是必需的，用作精滤，作为反渗透膜和灌装前的保安过滤。

2.超滤膜超滤膜过程曾被看作是一种单纯的物理筛分过程。但在膜分离中，反渗透

（R0）、超滤（UF）和微滤（MF）之间，并不存在明显的界限，超滤膜的大孔径一端与微孔滤膜相重叠，其小孔径一端与反渗透膜相重叠，因此超滤过程不可能是单纯的物理筛分过程。特别是当超滤处理的是大分子有机物、胶体、蛋白质等，对于这些溶质与膜材料之间的相互作用所产生的物化影响更不能忽视。在这种情况下，超滤过程实际上同时存在着如下3种情形：①溶质在膜表面及微孔孔壁上产生吸附；②溶质的粒径大小与膜孔径相仿，溶质在孔中停留，引起阻塞；③溶质的粒径大于膜孔径，溶质在膜表面被机械截留。理想的超滤筛分，应尽力避免溶质在膜表面和膜孔壁上的吸附与阻塞现象的发生。所以用超过滤技术分离大分子有机物质溶液时，除了选择适当的膜孔径外，必须选用与被分离溶质之间相互作用弱的超滤膜。超滤膜与微滤膜同是多孔膜，但在膜的结构和微孔孔径大小上不一样。微孔滤膜通常为均质膜、孔径较本，而超滤膜是不对称膜、孔径较小。而且他们的过滤方式也不同。微孔过滤为静态过滤，过滤时随着时间的延伸，溶液中的不溶物被微孔滤膜截留沉积在膜表面上和微孔中，引起水流阻力不断增大，透水速率不断下降，直到微孔全被阻塞，水通量变零为止。一般为了消除过滤过程中产生的浓度极化层，需搅拌溶液。超滤过程是动态过滤，在超滤进行时，由泵给予溶液的推动力在超滤膜的表面产生两个分力：一个是垂直于膜面的法向力，在它的作用下，水分子透过膜面与被截留物质分离；另一个是与膜面平行的切向力，在它的作用下，被截留在膜表面的物质被冲开，并随着液流被排出。这样在超滤膜的表面就不易产生浓度极化现象，不易形成吸附沉积层。因此超滤过程可以较长时间地运行，超滤膜的使用寿命要比微孔滤膜高出许多倍，这便是超过滤技术的优越性所在。但是超滤到了一定的运行时间之后，由于截留污物的积累或依差极化层扩展变厚，透水速率还是出现明显下降的趋势。这时，一般只要减小膜面的法向压力，增加溶液的切向流速，进行短时间的冲洗（3～5mm），即可使透水速率得到较好的恢复。如此周而复始地进行下去，直到这种冲洗方法失效再把超滤膜取下来进行化学清洗。上述这种冲洗方法称为等压冲洗，即在膜的两侧无压力差的情况下进行冲洗。若在超