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第三章反渗透、纳滤基础知识

1 分离膜与膜过程
膜分离
物质世界是由原子、分子和细胞等微观单元构成的,然而这些微小的物质单元总是杂居共生,热力学第二定律揭示了微观粒子都会倾向于无序的混合状态。人们发明了过滤、蒸馏、萃取、电泳、层析和膜分离等分离技术来获取纯净的物质。
膜分离技术的基础是分离膜。分离膜是具有选择性透过性能的薄膜,某些分子(或微粒)可以透过薄膜,而其它的则被阻隔。这种分离总是要依赖于不同的分子(或微粒)之间的某种区别,最简单的区别是尺寸,三维空间之中,什么都有大小巨细,而膜有孔径。当然分子(或微粒)还有其它的特性差别可以利用,比如荷电性(正、负电),亲合性(亲油、亲水),深解性,等等。按照阻留微粒的尺寸大小,液体分离膜技术有反渗透(亚纳米级)、纳滤(纳米级)、超滤(10纳米级)和微滤(微米和亚微米级),另外还有气体分离、渗透蒸发、电渗析、液膜技术、膜萃取、膜催化、膜蒸馏等膜分离过程。
表-1 主要的膜分离过程
膜的种类
膜的功能
分离驱动力
透过物质
被截留物质
微滤
多孔膜、溶液的
微滤、脱微粒子
压力差
水、溶剂、溶解物
悬浮物、细菌类、微粒子
超滤
脱除溶液中的胶体、各类大分子
压力差
溶剂、离子和小分子
蛋白质、各类酶、细菌、病毒、乳胶、微粒子
反渗透
和纳滤
脱除溶液中的盐类及低分子物
压力差
水、溶剂
无机盐、糖类、氨基酸、BOD、COD等
透析
脱除溶液中的盐类及低分子物
浓度差
离子、低分子物、酸、碱
无机盐、尿素、尿酸、糖类、氨基酸
电渗析
脱除溶液中的离子
电位差
离子
无机、有机离子
渗透气化
溶液中的低分子及溶剂间的分离
压力差、浓度差
蒸汽
液体、无机盐、乙醇溶液
气体分离
气体、气体与蒸汽分离
浓度差
易透过气体
不易透过气体
薄膜复合膜
薄膜复合膜由超薄皮层(活性分离层)和多孔基膜构成。基膜一般是在多孔织物支撑体上浇筑的微孔聚砜膜(),超薄皮层是由聚酰胺和聚脲通过界面缩合反应技术形成的。
薄膜复合膜的优点与它们的化学性质有关,其最主要的特点是化学稳定性,在中等压力下操作就具有高水通量和盐截留率及抗生物侵蚀。它们能在温度0-40℃及pH2-l2间连续操作。像芳香聚酰胺一样,这些材料的抗氯及其他氧化性物质的性能差。
过滤图谱

平膜结构
图-1 非对称膜与复合膜结构比较

美国海德能公司的RO/NF膜(CPA, ESPA, SWC, ESNA, LFC)均是复合膜。CPA3的断面结构如图-2所示。可以看出在支撑层上形成褶皱状的表面致密层。原水以与皮层平行方向进入,通过加压使其透过密致分离层,产水从支撑层流出。
图-2 CPA3的断面结构
表面致密层构造
根据膜种类不同,制作平膜的表面致密层材质也有差异。大多数都是采用交链全芳香族聚酰胺。其构造如图-3所示。
図-3 交链全芳香族聚酰胺结构
不同的表面致密层构造的RO膜的性能有较大的差异。图-4是CPA3与ESPA2断面透射电镜TEM照片。可以发现ESPA2膜的褶皱形状明显高于CPA3。膜分离过程实际上是通过这些褶皱实现的,显然褶皱越高,比表面积越大,产水量越大。通过膜表面微观结构的精确控制来改善膜性能,这是海德能对于膜工业的重要贡献。ESPA系列产品是世界上性能最好的超低压膜,明显降低了反渗透运行成本,扩大了反渗透的应用范围。
图-3 CPA3与ESPA2的皮层断面TEM照片
卷式膜元件
卷式膜元件是由多个膜袋缠绕在一开有孔洞的工程塑料中心集水管上制成(图-5)。每个膜袋由两张相背的膜片构成,膜片中间夹一层聚酯纤维编织淡水网格,膜周围3条边用环氧或聚氨酯粘合剂密封,第四边留作产水通道与中心集水管连接。在相邻两膜袋之间铺夹塑料隔网构成进水流道(进水网格)。进水沿膜袋外侧的进水网格从膜元件的一端进入膜元件,部分作为产水透过膜,其余部分作为浓水从膜元件的另外一侧排出。透过膜的产水进入膜袋,沿产水网格呈螺旋状向内流动,经过中心管上的孔进入中心集水管,通过产水排出口流出。
全量过滤
全量过滤也称为直流过滤、死端过滤,与常规的滤布过滤类似,被处理物料进入膜组件,等量透过液流出膜组件,截留物留在膜组件内。为了保证膜性能的可恢复性,必须及时从组件内卸载截留物,因此需要进行定时反冲洗(过滤的反过程)等措施来去除膜面沉积物、恢复膜通量。膜组件污染后不能拆开清洗,通常采用在线清洗方式(CIP)。超滤/微滤水处理过程一般采用全量过滤模式。
错流过滤
被处理料液以一定的速度流过膜面,透过液从垂直方向透过膜,同时大部分截留物被浓缩液夹带出膜组件。错流过滤模式减小了膜面浓度极化层的厚度,可以有效降低膜污染。反渗透