膜技术用于水处理

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膜技术概述
膜分离装置MBR及设计方法相关研究热点1.膜技术概述1.1基本概念膜是指在一种流体相内或是在两种流体相
之间有一层薄的凝聚相它把流体相分隔为互不
相通的两部分并能使这两部分之间产生传质作用。
膜的特性不管膜多薄它必须有两个界面。这两个界面
分别于两侧的流体相接触。膜传质有选择性它可以使流体相中的一种或
几种物质透过而不允许其他物质透过。水处理中膜的分类
电渗析离子交换膜
反渗透
其他膜分离类型纳滤超滤微滤各种分离膜的特征分离膜的基本功能是从物质群中有选择地透过或输送特定的物质如颗粒、分子、离子等。或者说物质的分离是通过膜的选择
性透过实现的。几种主要的膜分离过程及其传递机理如表2所示。表2 几种主要分离膜的分离过程膜过程推动力传递机理透过物截留物膜类型
微滤压力差颗粒大小形状水、溶剂溶解物悬浮物颗粒纤维多孔膜
超滤压力差分子特性大小形状水、溶剂小分子
胶体和超过截留
分子量的分子
非对称性膜
纳滤压力差离子大小及电荷
水、一价离子、
多价离子
有机物复合膜
反渗透压力差溶剂的扩散传递水、溶剂溶质、盐
非对称性膜
复合膜膜过程推动力传递机理透过物截留物膜类型
渗析浓度差溶质的扩散传递
低分子量物、
离子
大分子物
非对称性膜
电渗析电位差电解质离子的选择传递
电解质离子
非电解质
大分子物质离子交换膜
气体分离压力差
气体和蒸汽的
扩散渗透
气体或蒸汽
难渗透性
气体或蒸

均相膜、复
合膜非对
称膜
渗透蒸发压力差选择传递
易渗溶质或
溶剂
难渗透性
溶质或溶

均相膜、复
合膜非对
称膜
液膜分离浓度差
反应促进和
扩散传递
杂质待分离物
乳状液膜、
支撑液膜
续上表电渗析运行时可能发生的过程RO、NF、UF、MF的区别项目RO NF UF MF孔径(nm)0.3-0.7 1-2 1-100 50-10000截留粒径>0.06nm >1.0nm 2.0-100nm >100nm运行压力(Bar) 8-69 3.5-20 1-7 0.5-0.7能截留的物质盐分%98-99.6 20-90 0 0病毒完全完全部分不能细菌完全完全较完全部分自来水水质主要特点自来水大肠杆菌、细菌、CODcr 、BOD5、SS、色度含量水样指标原水含量处理后含量生活饮用水卫生标准大肠杆菌(个/L)700-1600 ~0<3
细菌(cfu/ml)100-40001~40<100
CODcr(mg/l)3-161.5<6
BOD5(mg/l)<5<1<4
SS (mg/l)20-401.2-2.0<3.0
色度(度)5-30<5<15分析自来水如果消毒

不严则可能会含少量细菌及相对较多的病毒如果消毒严格则会含较多余氯。微生物分类及其个体大小微生物按个体大小分为9类名称个体大小病名
酵母菌5-150m霉菌2-10m
螺旋体5-10m梅毒/回归热细菌0.5-5m痢疾等
支原体0.2-0.25m胸膜炎/肺炎
立克次氏体0.1-0.2m斑疹伤寒/羌虫热
衣原体0.1-0.2m砂眼/结膜炎
病毒0.05-0.1m流感/噬菌体/HIV
亚病毒(DNA/RNA)0.015-0.03m疯牛病/Kuru病NF、RO、UF、MF的孔径比较0
20
40
60
80
100
120
RONFUFMFPore size (nm)UFNFRO
肿瘤病毒
NF制造饮用水的最佳选择自来水
地表水
中水
井水
RO
NF高纯水纯净水
直饮水
唉! 寡淡无味
喔噻! 真好喝
分析由纳滤NF制得的直饮水因其口感好富含人体所需的营养元素而倍受国内外亲睐。用作分离膜的材料包括天然的与人工合成的有机高分子材料和无机材料。原则上讲凡能成膜的高分子材料和无机材料
均可用于制备分离膜。但实际上真正成为工业化
膜的膜材料并不多。这主要决定于膜的一些特定要
求如分离效率、分离速度等。此外也取决于膜
的制备技术。目前实用的有机高分子膜材料有纤维素酯
类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。从品种来说
已有成百种以上的膜被制备出来其中约40多种已
被用于工业和实验室中。以日本为例纤维素酯类膜占53聚砜膜占33.3聚酰胺膜占11.7其
他材料的膜占2可见纤维素酯类材料在膜材料中
占主要地位。1. 纤维素酯类膜材料纤维素是由几千个椅式构型的葡萄糖基通过1, 4-β-甙链连接起来的天然线性高分子化合物其结构式为
O
H
O
H
OH
H
OH
H
OH
HCH2OHH
H
OH
H
OH
H
O
CH2OHO
O
H
O
H
OH
H
OH
H
OH
HCH2OHH
H
H
OH
H
OH
H
OCH2OH
Hn
_
2
从结构上看每个葡萄糖单元上有三个羟基。在催化剂
如硫酸、高氯酸或氧化锌存在下能与冰醋酸、醋酸酐进行酯化反应得到二醋酸纤维素或三醋酸纤维素。C6H7O2+ (CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)2+ H2O
C6H7O2+ 3(CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)3+ 2 CH2COOH醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一。醋酸纤维素性能
稳定但在高温和酸、碱存在下易发生水解。纤维素醋类材料易受微生物侵蚀pH值适应范围较窄不耐高温和某些有机溶剂或无机溶剂。因此发展了非纤维素酯类合成高分子类膜。醋酸纤维素膜醋酸纤维素膜的结构示意图99表皮层孔径0.0008~0.001m过渡层
孔径0.02 m
多孔层
孔径0.10.4m1%显微镜下中空纤维膜膜丝结构图2. 常用于制备分离膜的合成高分子材料有聚
砜、聚酰胺

、芳香杂环聚合物和离子聚合物。聚砜类树脂具有良好的化学、热学和水解稳定性
强度也很高pH值适应范围为113最高使用温度
达120℃抗氧化性和抗氯性都十分优良。因此已成
为重要的膜材料之一。早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺如尼龙-4、尼龙-66等制成的中空纤维膜。这类产品对盐水的分离率在8090之间但透水率很低仅0.076 ml/cm2·h。以后发展了芳香族聚酰胺用它们制成的分离膜
pH适用范围为311分离率可达99.5对盐水
透水速率为0.6 ml/cm2·h。长期使用稳定性好。由于酰胺基团易与氯反应故这种膜对水中的游离氯有较高要求。聚酰亚胺具有很好的热稳定性和耐有机溶剂
能力因此是一类较好的膜材料。例如下列结
构的聚酰亚胺膜对分离氢气有很高的效率。N
C
C
O
O
N
C
C
O
O
Ar
离子性聚合物可用于制备离子交换膜。与离子交换树脂相同离子交换膜也可分为强酸型阳离子膜、弱酸型阳离子膜、强碱型阴离子膜和弱碱型
阴离子膜等。在淡化海水的应用中主要使用的是强酸型阳离子交换膜。
磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最常用的两种离
子聚合物膜。用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯、
聚丙烯酰胺等。共聚物包括聚丙烯醇/苯乙烯磺酸、
聚乙烯醇/磺化聚苯醚、聚丙烯腈/甲基丙烯酸酯、聚乙烯/乙烯醇等。聚乙烯醇/丙烯腈接枝共聚物也可用
作膜材料。名称温度℃CACellulose Acetate
聚酰胺聚苯并咪唑聚苯并咪唑酮
磺化聚苯醚磺化聚砜聚醚砜酮35
35 9070
70 120 无机膜多以金属及其氧化物、多孔玻璃、
陶瓷为材料。从结构上可分为致密膜、多孔膜和复合非对称修正膜三种。1. 分离膜制备工艺类型
膜的制备工艺对分离膜的性能十分重要。同样
的材料由于不同的制作工艺和控制条件其性能差别很大。合理的、先进的制膜工艺是制造优良性能分离膜的重要保证。目前国内外的制膜方法很多其中最实用的是相转化法流涎法和纺丝法和复合膜化法。2. 相转化制膜工艺相转化是指将均质的制膜液通过溶剂的挥发或
向溶液加入非溶剂或加热制膜液使液相转变为固
相的过程。相转化制膜工艺中最重要的方法是L—S
型制膜法。它是由加拿大人劳勃S.Leob和索里
拉金S. Sourirajan发明的并首先用于制造醋
酸纤维素膜。将制膜材料用溶剂形成均相制膜液在模具中
流涎成薄层然后控制温度和湿度使溶液缓缓蒸
发经过相转化

就形成了由液相转化为固相的膜
其工艺框图可表示如下聚合物溶剂添加剂均质制膜液流涎法制成平板型、圆管型纺丝法制成中空纤维蒸出部分溶剂凝固液浸渍
水洗
后处理
非对称膜
图2 L-S 法制备分离膜工艺流程3. 由L-S法制的膜起分离作用的仅是接触空气的极薄一层称为表面致密层。它的厚度约0.25
1 m相当于总厚度的1/100左右。理论研究表明可知膜的透过速率与膜的厚度成反比。而用L-S法
制备表面层小于0.1 m的膜极为困难。为此发展
了复合制膜工艺其方框图如图3所示。多孔支持膜涂覆交联
加热形成超薄膜亲水性高分子溶液的涂覆
复合膜形成超薄膜的溶液交联剂
图3 复合制膜工艺流程框图分离膜的保存对其性能极为重要。主要应防止
微生物、水解、冷冻对膜的破坏和膜的收缩变形。
微生物的破坏主要发生在醋酸纤维素膜
水解和冷冻破坏则对任何膜都可能发生。温度、pH值不适当和水中游离氧的存在均会造成膜的水解。冷冻会使膜膨胀而破坏膜的结构。2.膜分离装置平板膜板框式
卷式膜螺旋卷式
管式膜毛细管膜中空纤维膜MEMBRANE MODULESPlate-and-frame PLATE-AND-FRAME MODULEThe number of sets needed for a given membrane area furnished with sealing
ring and two end plates then builds up to a Plate-and-frame moduleAdvantages
-High allowable work
pressure
(high viscosity liquids)-Easy to clean
-Easy to replace membranes
Disadvantages-Low membrane area per volume (100-400 m2/m3)MEMBRANE MODULESSpiral-wound MEMBRANE MODULESTubular TUBULAR Tubular moduleSchematic drawing of tubular module
Cross section of monolithic ceramic moduleThe feed solution always flows through the centre of the tubes while the permeate flows
through supporting tube into the module housing 管

膜Tubular moduleAdvantages-Resistance for fouling-Easy to cleaningDisadvantages-Low packing density (300m2/m3)
-ExpensiveReverse osmosis, MEMBRANE MODULESCapillary MEMBRANE MODULESHollow-fiber Capillary moduleCapillary module consists of a large numbers of capillaries assembled
together in a module.
The free ends of the capillaries are potted agents such as epoxy resins,
CAPILLARY MODULEThe choice between the two concepts is mainly based on the application where the parameters such a pressure,
pressure drop, type of membrane available etc. are important.
Depending on the concept chosen, asymmetric capillaries are used with their skin on the outside or inside.Two

types of modulearrangementscan be
HOLLOW-FIBER MODULEThe difference –dimmensions of the tubes, but module concepts are the same.The hollow-fiber module –highest packing density 30000m2/m3.A perforated central pipe is located in the center of the module through which
the feed solution Hollow-fiber moduleAdvantageous to use the ‘inside-out’ type to avoid increase in permeatepressure within the fibers and it’s thin selective top-layer is better protected,
whereas a higher membrane area can beachieved with the ‘outside-in’ Hollow-fiber moduleAdvantages
-High packing density
500-9000 m2/m3-Low relative costsDisadvantages
-Poor resistance of
fouling
-Difficult to clean
-Difficult to change the membraneMicrofiltration, ultrafiltration, reverse osmosis, pervaporation,
liquid membranes and the membrane cofactors where the boundary layer
resistance may become very important as Comparison of module 3.膜生物反应器Membrane bioreactor, MBR及设计膜生物反应器是用膜分离微滤、超滤代替二沉池进行固液分离的
污水处理装置为膜分离技术与活性污泥法的有机结合。具有出水水质好、
容积负荷高、剩余污泥量少等优点。颇具发展前景的一种工艺。
出水去消毒
剩余污泥
膜生物反应器
a.一体式内置浸没式
进水
出水去消毒
剩余污泥
膜生物反应器
b.分置式外置式
进水
截留物回流





件一体式膜生物反应器中空纤维膜常用于一体式膜生物反应器
膜组件另






膜通透量理论一种基于粒子悬浊液在毛细管内流动的毛细管理论。
水通量Jw和截留率RW—透水量A—膜的有效面积t—时间c1—料液中溶质浓度c2—透过液中溶质浓度t
A
W
Jw1
21c
cc
R

膜分离基本原理一体式MBR设计方法原水条件一体式MBR设计方法原水条件消泡剂一体式MBR设计方法预处理一体式MBR设计方法活性污泥条件MLSS浓度5000~12000mg/L污泥粘度30mPa·s以下水温15~35℃一体式浸没式膜组件构成 上一页下一页返回一体式膜的技术参数表序号
名称特性参数
1材质聚氯乙烯
2膜孔直径0.4μm
3过滤方式重力过滤/吸引过滤
4最大过滤压力重力过滤12kPa/吸引过滤20kPa
5耐化学药品性耐酸耐碱性强pH值2~12
6膜支架尺寸(510型宽×高×厚490mm×1000mm×6mm
7膜支架有效面积0.8 m2/张
8膜通量0.4~0.8 m3/m2.d上一页下一页返回膜组件参数表说明ES、AS、FF主要区别在

于膜组件的散气框架高度有所不同。AS和FF
型分别适用于大型市政排水处理和地埋式小型净化槽ES型多用于生活污
水、中水、工业废水是常用的膜组件类型。
膜组件类型
膜组件支架张数(n)
张/组
膜组件有效面积
m2/组
ES(AS、FF)757560
ES(AS、FF)10010080
ES(AS、FF)175150120
ES(AS、FF)200200160上一页下一页返回膜通量(η)的确定
膜通量单位时间内通过单位膜面积的水量单位m3/m2.d
膜通量的选择与污泥过滤性能、污水水质
以及运行的环境条件有关一般情况下为0.40.8 m3/m2.d参考原水CODcr、BOD5浓度
较低可生化性强时,如洗浴废水,可取高限,反之
原水CODcr、BOD5浓度较高可生化性较差时如
工业废水,取低限。上一页下一页返回n1.设计流量:Qd(m3/d)2.每天运行时间:th(通常按每天24小时运行计算)3.膜通量η(m3/m2·d)4.膜片有效面积:0.8m2/张5.膜片张数:n=Qd÷t/24÷η÷0.8(张)返回上一页下一页1. 同一膜生物反映器内应选同型号的膜组件,膜
组件分为AS型、FF型、ES型三种.AS形适用于大型市政排水处理FF型适用于地埋式小型污水处理
ES型适用于生活污水、工业废水是常用膜组件,尤其推荐作为中水回用处理工艺。上一页下一页返回一体式MBR设计方法槽内膜组件配置旋回流一体式MBR设计方法槽内膜组件配置平面布局X
X
YY0.35X
0.35X
0.35X0.35X
0.35Y0.35Y0.35Y一体式MBR设计方法槽内膜组件配置断面布局膜组件平面尺寸注:①.膜组件间隔:1000-1300㎜
②.膜组件中心与池壁距离650mm型号长(㎜)宽(㎜)高(㎜)
ES7514805102000ES10018305102000ES15021805102000ES20028005102000上一页下一页返回膜组件型号池宽(㎜)
ES75
1800~2000
ES100
2300~2500
ES1503300~3800
ES2004300~4500上一页下一页返回MBR1、按所选膜组件确定MBR池容积平面面积首先按液中膜组件的安装要求来确
定平面尺寸.
池深设计可根据下图选择合适的池深。ES型
膜组件可适应2.50-3.00m水深当
鼓风机压力允许情况下可加大有
效水深对膜组件无影响。水面以上设0.5-1.0m保护高度.上一页下一页返回上一页下一页返回BOD5MBR)当膜生物反应器用来处理生活污水,特别是杂排水时,BOD5容积负荷(NV)取
1.0-1.5kgBOD5/m3·d。池有效容积V= Qd·S0NV (m3)平面尺寸可按膜组件安装要求确定。山东恩特水处理科技有限公司上一页下一页返回MBR)设计尺寸取上述两种算法中的较大值如
按BOD5容积负荷计算出的池容积大于按所
选膜组件需要的池容积时,可设前置曝气池。上一页下

一页返回比较按膜组件保持良好工作环境所需要的空气量
与按生物处理需要的空气量,取较大值.上一页下一页返回某住宅小区欲将生活污水进行处理作再生水回用,
处理水量为1000m3/d,其BOD5含量为200mg/l处
理后出水的BOD5为≤10mg/l。1. 膜通量η取0.4 m3/m2.d2. 膜片数计算(按每天24小时运行计算)n = Qd÷η÷24/24÷0.8
= 1000÷0.4÷1÷0.8= 3125张上一页下一页返回3. 膜组件选型ES200n0=200N=n÷n0=3125÷200≈16组
4. 膜装置分为两系列8组膜装置为一系列.
5. 膜生物反应器池有效容积计算:A.按膜组件安装尺寸计算
ES200平面布置尺寸为4.3×8.3m,
池深为3.0m
膜生物反应器有效容积:V=4.3×8.3×3.0m×2 =214 m3上一页
下一页返回取BOD5容积负荷NV为1.0kg/(m3.d)WBOD5=Qd×S0×10-3=1000×200×10-3=200kg.BOD5/d
V= WBOD5÷NV= 200÷1.0 = 200 m3由于根据BOD5容积负荷算出的池有效容积小于膜平面布置所得的池容积故MBR池容积及尺寸按
膜组件安装尺寸确定。B. 按BOD5容积负荷计算上一页下一页返回膜生物反应器池体平面布置如下上一页下一页返回A.膜装置洗净所需空气
每张膜洗净所需空气量q=12L/min
MBR所需鼓风量G=N×n0×q=3200×12=38.4m3/min上一页下一页返回B.生物处理所需空气量
需氧量OD=aLr+bSa=aQd(S0-Se)+bVXfMBR池内污泥浓度取X = 12000mg/l
由实际运行装置获得f=0.8b值取0.12
OD=0.5(200-10)×10-3×1000
0.12×214×12×0.8=95+246.5=341.5kg.O2/d
所需空气量:
G=OD/0.277e=341.5/0.277×0.03
=41100m3/d=28.55m3/min上一页下一页返回由于生物氧化所需空气量小于膜洗净所需空气
量鼓风机的选择应以膜洗净所需空气量为依据
可选送风量为40m3/min左右的风机或总风量相同
的数台风机并联运行。风口的压力以池深为依据本例池深为3.0m
考虑到风管的阻力降可取风压P=3500mm水柱
的风机。上一页下一页返回其他运行管理方面其他运行管理方面的注意内容见PDF文件1
或PDF文件膜污染Membrane foulingPolarisation极化phenomena are reversible processes,
but in practise, a continuous decline in flux can often be
observed.FOULING
CONCENTRATION
POLARISATION
TIME
FLUXFlux as a function of time. Both concentration polarization
and fouling can be Membrane foulingThe (ir)reversible deposition of retained particles, colloids,
emulsions乳化液, suspensions, macromolecules, salts etc. on
or in the membrane.The includes adsorption, pore blocking, precipitation and cake formation.
Occurs in microfiltration and ultrafiltration.Pressure driven processes, type of separation and the type of membrane used to determine the extent of fouling.
Depends:-concentration,-temperature,
-pH,-ion

ic strenght,-specific interactions (hydrogen bonding, dipole-dipole interactions)Methods to reduce foulingPretreatment of the feed solution-heat treatment-pH adjustment
-addition of complexing agents (EDTA(络合物)etc.)-adsorption onto active carbon-chemical clarification
-premicrofiltration -preultrafiltrationMembrane propertiesModule & process conditionsCleaning-hydraulic cleaning ( back-flushing )
-mechanical cleaning
-chemical cleaning
-electric Membrane foulingFlux versus time behaviour in a given microfiltration
process with and without back-flushingAlternate pressuring and depressuring and
by changing the flow direction at a given
frequency.
After a given period of time, the feed
pressure is released and the direction of the
permeate reversed from the permeate side
to the feed side in order to remove the
fouling layer within the membrane or at
the membrane 平均水通量及允许每年水通量衰减率水源
SDI水通量gal/(ft2d)
水通量衰减率%/a
地表水
2~58~147.3~9.9
井水
214 ~184.4~7.3
反渗透产品水
120~302.3~卷式反渗透元件对进水水质的要求项目
膜类型
悬浮物
含量
mg/L
淤塞密度
指数SDI
pH值化学需氧量
mg/L(KMnO4法以O2计
游离氯含
量mg/L
(以Cl2计
铁含量
mg/L(以
Fe计
醋酸纤维膜
0.345.0~
6.0
1.50.2~10.05
复合膜
153~111.50.1纳滤膜处理系统设计/运行几点考虑预处理方案方案一
方案二
方案三
在线混凝MMFMMFCF
SDI<4
CMFCF
SDI<3
在线混凝MMFGACCF
方案四絮凝
澄清MMFCF方案五国产UFCFMMF多介质过滤、GAC锰砂过滤、CF炭滤、CMF连续微滤、UF超滤纳滤膜处理系统设计/运行几点考虑消毒杀菌方案
1. 氧化性杀菌剂+ 还原剂Cl2/NaClO/O3/H2O2/其他+ NaHSO3/GAC
2. 非氧化性杀菌剂
陶氏公司DBNPA (50-170ppm, 3h/周)贝迪公司881(400ppm, 30min/周)甲醛(0.5-3.0%)
其他兼容性药剂
3. 氧化性杀菌剂+ 还原剂+ 非氧化性杀菌剂纳滤膜处理系统设计/运行几点考虑阻垢方案一个合理的阻垢方案必须建立在完整的水质分析之上。
垢的类型溶度积常数阻垢方案阻垢剂经验极限*
碳酸钙垢8.7X10-9加酸/阻垢剂/软化**LSI<2.5
硫酸钡垢***1.08X10-10加阻垢剂IP<50Ksp硫酸钙垢6.1X10-5加阻垢剂IP<2.0Ksp氟化钙垢3.95X10-11加阻垢剂IP<100Ksp硫酸锶垢2.81X10-7加阻垢剂IP<50Ksp二氧化硅垢****加阻垢剂1.* 具体某种阻垢剂的极限请参考其供应商的资料。
2.** 加酸时酸的类型和纯度都很重要。软化可能破坏水的口感。
3.*** 分享一个硫酸钡垢的经验。
4.**** 分享一个二氧化硅垢的经验。纳滤膜处理系统设计/运行几点考虑设计技巧1.完整的水质全分析
2.ROSA软件辅助设计(可从网址下载)
3.根据进水水质的好

坏选择合适的排列使单支元件回收率、
产水通量、给水流量、浓水流量不超过设计导则值。
4.纳滤系统运行压力极低整个系统的通量分配怎么做到尽可
能均匀一些是一个值得重点关注的问题。
对大系统浓水再循环/产品水背压/段间升压泵
可增加段数减少每个压力容器的元件数。
对小系统浓水再循环/产品水背压/段间升压泵
5.温度和压力对通量的显著影响纳滤膜处理系统设计/运行几点考虑清洗方案及时清洗是至关重要的。元件类型连续运行pH范围短时清洗pH范围NF903-101-12
NF2703-101-12
NF2003-101-12
NF3-101-11.5
最高温度35C30C
清洗pH范围1-111-12最佳清洗
温度20-30C标准清洗方案1.简单酸洗(0.2%HCl)+简单碱洗(0.1%NaOH+0.1-1%EDTA)2.严格酸洗(浸泡1-12h)+严格碱洗(浸泡1-12h)
清洗pH值与温度的关系4.研究热点膜技术用于新的领域污泥的减量化浓缩回收膜污染机理及控制
新膜材料开发在超倍电子显微镜下膜表面的形貌比较FILMTEC BW30-365 FR
抗污染膜表面
标准的复合膜表面?玻璃表面1 x?标准FILMTEC FT-301.80 x膜表面
?改进后的FR膜表面1.09 Thank you !

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