——黃建偉膜分離技術膜分離概述微濾超濾反滲透主要內容膜分離概述膜，是指在一種流體相內或是在兩種流體相之間存在的一層薄的凝聚相，它把流體相分隔為兩部分，并能使這兩部分之間產生傳質作用。膜的特性：（1）不管膜多薄,它必須有兩個界面。這兩個界面分別與兩側的流體相接觸。（2）膜傳質有選擇性，它可以使流體相中的一種或幾種物質透過，而不允許其它物質透過。膜分離過程原理：以選擇性膜為分離介質，通過在膜兩邊施加一個推動力（如濃度差、壓力差等）時，使原料側組分選擇性地透過膜，以達到分離提純的目的。通常膜原料側稱為膜上游，透過側稱為膜下游。膜的種類根據膜的性質、來源、相態、材料、用途、形狀、分離機理、結構、制備方法等的不同，膜有不同的分類方法。例如：按膜的形狀分為平板膜(FlatMembrane)、管式膜(TubularMembrane)和中空纖維膜(HollowFibermembrane)。按膜結構可分為對稱膜（SymmeticMembrane）、非對稱膜(AsymmetricMembrane)和復合膜(CompositeMembrane)。膜性能的表示法膜的分離特性主要包括分離效率R、滲透通量J和通量衰減系數（m）表示。式中：c1—料液中溶質濃度，c2—透過液中溶質濃度W—透過物量，A—膜的有效面積，t—時間Jθ—時間θ的滲透物量，J0—初始滲透通量，θ—使用時間，m-衰減系數微濾是利用微孔膜孔徑的大小，在壓差的推動下，將溶液中大于孔徑的微粒、細菌及懸浮物質等截留下來，達到除去濾液中微粒與澄清溶液的目的。微孔膜是均勻的多孔薄膜，厚度在90～150μm左右，過濾粒徑在0.025～10μm之間，操作壓在0.01～0.2MPa。微濾微濾膜的機理一般認為微濾的分離機理為篩分機理，膜的物理結構起決定作用，此外，吸附和電性能等因素對截留也有影響。通過電鏡觀察可發現，截留作用主要分為膜表層截留和膜內部截留。（1）膜表層截留膜表層截留主要包括機械截留作用、物理作用或吸附截留作用以及架橋作用等。（2）膜內部截留相較于表層截留，內部截留雜質捕捉量較多，但不易清洗。微濾的操作模式（1）常規過濾（死端過濾）死端過濾原料液置于膜的上游，在壓差的推動下，溶劑和小于膜孔顆粒滲透過膜，大于膜孔的顆粒則被截留。隨時間的延長，膜表面將形成污染層，過濾阻力增加，操作壓力不變的情況下，膜的滲透速率將下降，因此常規操作只能是間歇的。（2）錯流過濾（動態過濾）原料液以切線方向流過膜表面，在壓力作用下透過膜，料液中的顆粒則被膜截留而停留在膜表面形成一層污染層。由于料液流經膜表面產生的高剪切力可使污染物重新返回主體流，達到平衡時，污染層將穩定在一個較薄的穩定水平，此時膜滲透率在長時間內也將保持在一個較高水平。微濾膜污染的原因膜污染通常是由于膜表面形成了附著層或膜孔道發生堵塞而引起的，主要原因有：（1）膜孔堵塞微濾膜的膜孔堵塞主要包括機械堵塞、架橋、吸附，其中機械堵塞是固體顆粒將膜孔完全堵住，而架橋和吸附并非完全堵住，而是形成濾餅過濾。大多數情況下，過濾前期主要是機械堵塞，過濾后期主要是濾餅過濾。（2）濃差極化及凝膠層料液中的溶質由于膜的截留而在膜上積累，使得邊界層中溶液濃度大大高于主體流溶液濃度，形成膜表面到主體流溶液間的濃度差，使得膜邊界層的溶質反向擴散到主體流溶液中，該現象稱為濃差極化。當膜表面溶質濃度超過凝膠濃度時，膜表面會形成凝膠層。形成凝膠層后，若再增大壓差，則凝膠層厚度會相應增加使凝膠層阻力增加，此時所增加壓力與增厚的凝膠層阻力相抵消，使得實際滲透速率沒有明顯增加。濃差極化的表現為減少膜的滲透通量，影響膜的截留率。（3）溶質吸附當膜與料液接觸，料液中的大分子、膠體或者細菌便會與膜相互作用而吸附或者粘附在膜面上，從而改變膜特性。（4）生物污染膜組件內部潮濕陰暗，是一個微生物生長的理想環境，所以一旦原水的生物活性水平較高，則極易發生膜的生物污染。超濾是通過膜的篩分作用將溶液中大于膜孔的大分子溶質截留，使溶質與溶劑及小分子組分分離的膜過程。超濾超濾過程的分離機理主要為機械篩分，主要有溶質在膜表面截留、在膜表面及微孔內吸附、膜孔的堵塞等。超濾膜屬于壓力驅動型膜分離過程；其分離的粒子直徑為0.005-0.1μm，相對分子質量為500-1000000的大分子和膠體物質；過濾方式一般為錯流過濾，主要應用于料液澄清、溶質的截留濃縮及溶質間的分離。超濾膜性能的表征（1）滲透速率J=Q/(At)[L/(m2*h)]一般情況下超濾膜的純水滲透速率約為20-1000L/(m2*h)，在料液體系中溶液的滲透率一般為1-100L/(m2*h)。（2）膜截留相對分子質量截留相對分子質量（MWCO）不僅可用來表示超濾膜的孔徑，也可表征膜的分離特性，通常定義為膜對某標準物截留率為90%時所對應相對分子質量。MWCO的確定例如，某種膜的截留分子量為10000，意味著分子量大于10000的所有溶質90%以上能被這種膜截留。標準物質的選擇一般具有以下要求：在溶液中為球形；標準物質的相對分子質量應涵蓋截留率從0-100%的范圍；標準物不易被膜吸附或污染；④標準物純度高、穩定且易分析。滲透速率的影響因素（1）料液濃度質量傳質模型的基本方程：

J=kln(cm/cb)式中：k為傳質系數，cm-膜表面的邊界層最大值，cb-料液溶質濃度一般來講，滲透速率隨料液濃度的增加按指數規律下降，但也有些不符合質量傳遞模型傳遞規律的例子。（2）溫度一般來講，膜的滲透速率隨操作溫度的提高而增大，這條規律排除一些異常情況比如較高溫度下鹽溶解度下降而沉積在膜表面或蛋白的變性及淀粉的凝膠化都將給膜造成污染。（3）壓力在膜控制區或者壓力控制區，膜的滲透速率與壓力成正比；在凝膠極化區，膜的滲透速率幾乎不隨壓力升高而升高。（4）料液流動狀態一般來講，湍流可以有效地減少濃差極化層的厚度，降低凝膠層厚度，可改善料液的流動狀態。(5)pHpH值會影響膜表面的電性及溶質的荷電，從而影響膜的滲透速率。膜污染膜污染的主要后果有：(1)導致滲透速率的下降。(2)由于膜污染的要求增加膜的面積及膜的清洗系統，設備成本增加（清洗成本約為操作成本的5%-20%）。(3)膜的頻繁清洗降低膜的壽命，生產成本高。(4)膜的污染也會影響膜的分離性能，從而影響產品質量。反滲透（RO）是借助半透膜對溶液中低分子量溶質的截留作用，以高于溶液滲透壓的壓差為推動力，使溶劑通過半透膜。由于截留溶質非常小，因此孔徑比一般的分離膜小，操作壓力也因此較大。目前反滲透不僅適用于海水和苦咸水淡化，在電子、石油化工、食品、醫療衛生等領域也有應用。反滲透滲透現象與反滲透現象用半透膜將兩種不同濃度的水溶液隔開，水會自然地透過半透膜滲透從低濃度水溶液向高濃度水溶液一側遷移，這一現象稱滲透，推動力是低濃度溶液中水的化學位與高濃度溶液中水的化學位之差。隨著水的滲透，高濃度水溶液一側的液面升高，壓力增大。當液面升高至H時，滲透達到平衡，兩側的壓力差就稱為滲透壓表現為水的滲透壓。范特荷夫滲透壓公式n-溶液中的組分數，ci-溶質的摩爾濃度如果在高濃度水溶液一側加壓，使高濃度水溶液側與低濃度水溶液側的壓差大于滲透壓，則高濃度水溶液中的水將通過半透膜流向低濃度水溶液側，這一過程就稱為反滲透。反滲透過程機理優先吸附-毛細孔流機理當水溶液與多孔膜接觸，如果膜的物化性質使得膜對水優先吸附，則膜于溶液界面附近溶質濃度會急劇下降，從而形成一層純水層。在外界壓力的作用下，水層就會透過膜表面的毛細孔，就有可能從水溶液中獲得純水，純水層的厚度與溶質及膜表面的化學性質有關。當膜表皮層的毛細孔徑接近或者等于2倍純水層厚度t時，此時可以獲得最高的滲透通量，該孔徑稱為“臨界孔徑”。孔徑小于2t時，膜的透水率降低；膜孔徑大于2t時，部分溶質會通過導致脫鹽率下降。在這一機理的指導下，研制而成性能優良的醋酸纖維素反滲透膜，奠定了實用反滲透膜的發展基礎。溶解-擴散機理該機理認為溶劑和溶質透過膜的過程分為三步：第1步：溶劑和溶質在膜上游側吸附溶解第2步:溶劑和溶質在化學位梯度的作用下，以分子擴散形式透過膜。第3步：透過物在膜下游解吸。根據Fick定律，假設溶劑在膜中溶解符合亨利定律，等溫情況下可得：式中：Jw-水的滲透通量，A-溶劑的滲透系數Δp-膜兩側壓力差，Δπ-溶液滲透壓差溶質的擴散通量可近似表示為：式中：Di,m-溶質i在膜中的擴散系數，Ki-分配系數cr,cp-分別為膜上游和膜下游溶質濃度反滲透性能的表征參數透水率Fw:Fw=A(Δp-Δπ)透鹽率Fs:Fs=B(c2-c3)式中：B-透鹽系數，c2、c3-分別為膜高壓側面上、低壓側水溶液濃度壓密系數：有機膜在長期高壓操作下必然會被越壓越緊，從而造成透水率不斷下降，這是一個不可逆的過程。式中：Fw1、Fwt-分別運行1h、th后膜的透水率;t-操作運行時間，h;m-膜的壓密系數m表示膜的使用壽命，m越小則膜的使用時間越長，當m=0.1時，一年后膜因壓密而失去的透水率達45%，一般反滲透膜要求m<0.03。反滲透預處理由于進水的種類很多、成分復雜，有各種天然水、市政水和工業廢水等，在反滲透過程中會產生沉淀，污染膜、損傷膜等，為確保反滲透的正常進行，需進行預處理。（1）除去懸浮固體，降低濁度。（2）抑制和控制微溶鹽的沉淀。（3）調節和控制進水的溫度和pH。（4）殺死和抑制微生物的生長。（5）去除各種有機物。（6）防止鐵、錳等金屬氧化物和二氧化硅的沉淀等。微濾、超濾、納濾的基本特性對比膜過程透過組分截留組分推動力傳遞機理膜類型微濾MF溶液、氣體0.02-10μm粒子壓差約100kpa篩分多孔膜超濾UF小分子溶液1-20nm大分子溶質壓差100-1000kpa篩分非對稱膜反滲透RO溶劑、可被電滲析截留組分0.1-1nm小分子溶質壓差1000-10000kpa優先吸附、毛細管流動、溶解擴散非對稱膜或對稱膜膜技術用于乳清處理乳清200m3/d蛋白質0.7%乳糖4.3%灰分0.5%脂肪0.05%總固含量5.55%預處理超濾滲透液190m3/d乳糖4.3%灰分0.5%反滲透滲透液144m3/dBOD<500g/m3濃縮液10m3/d蛋白質14.0%乳糖4.3%灰分0.5%脂肪1.0%濃縮液46m3/d乳糖