膜知识及应用手册

安徽普朗膜公司膜知识培训教材一、概述膜分离技术是近几十年发展起来的高新技术，这些年发展尤为迅速。１９５３年Ｒｅｉｄ等人第一次提出用反渗透技术进行海水淡化，１９６０年Ｌｏｅｄ和Ｓｏｕｒｉｒａｊｉｎ研制出了第一张具有实用价值的反渗透膜，这标志着现代膜科学技术的诞生。中国对膜的研究开发和使用已经有４０多年的历史。目前微滤、渗析、电渗析、人工肾、反渗透、超滤、纳滤、气体分离、无机膜、渗透汽化、液膜、控制释放以及膜接触和膜择应器等技术正在广泛用于石油、化工、环保、能源、电子、重工、轻工、食品、饮料、医药和生物工程等行业中，并产生了明显的经济效益、社会效益和环境效益，目前应用越来越广，作用也越来越大。膜可以是固相、液相、甚至是气相的。用各种天然或人工材料制造出来的膜品种繁多，在物理、化学、生物性质上呈现出各种各样的特性。一直以来，膜的概念都没有明确的定义，从事不同领域研究的专家们对于膜的定义理解并不完全相同，不过表达的基本意思是一样的。1984年，Lakshminarayanaiah把膜广义地定义为“起栅栏作用，阻止块体移动而允许一个或几个物类有序通过的相”。膜从广义上可定义为两相之间的一个不连续区间。这个区间的三维量度中的一度和其余两度相比要小的多。然而对于许多人来说，膜还是一个陌生的字眼，其实膜就在我们身边。如水、果汁、牛奶、保健品、中药、茶食品、饮料、调味品等我们随时可能接触到的，都会用到膜分离技术。随着国民经济的迅速发展，膜分离技术的应用领域不但会越来越广泛，而且其会被越来越多的人认识和接受。据初步统计，2001年全世界膜和膜组件的销售额已接近80亿美元，成套设备和膜工程的市场则已达到数百亿美元，而且每年还在以10%~20%的幅度递增，显示出这一新兴产业的广阔前景.我们公司在膜法物料提取领域有着丰富的经验，已成功开发出不少微滤、超滤、纳滤、反渗透膜的应用工艺。以下针对微滤、超滤、纳滤、反渗透膜的性质，结合我们公司生产的膜组件成套设备，作一些介绍，希望对大家有些帮助二脱盐技术及膜法分离过程目前常规的过滤过程可以按照脱除颗粒的大小进行分类，传统的悬浮物的过滤是通过水流垂直流过过滤介质来实现的，全部的水量完全通过过滤介质，全部变成出水流出系统，类似的过滤过程包括：滤芯式过滤、袋式过滤、砂滤和多介质过滤。这种大颗粒过滤形式仅仅对粒径大于1微米的不溶性固体颗粒有效。为了除去更小的颗粒和可溶性盐类，必须使用错流式的膜过滤，错流式膜过滤对与膜表面平行的待处理流体施加压力，其中部分流体就透过了膜表面，流体中的颗粒等被排除在浓水中，由于流体连续地流过膜表面，被排除的颗粒不会在膜表面上累积，而是被浓水从膜面上带走了，因此一股流体就变成两股流体，即透过液和浓缩液。膜法液体分离技术一般可分为四类：微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)，它们的过滤精度按照以上顺序越来越高。错流过滤示意图进水泵半透膜浓水阀浓水产水微滤(MF)微滤能截留0.1~1微米之间的颗粒，微滤膜允许大分子有机物和溶解性固体（无机盐）等通过，但能阻挡住悬浮物、细菌、部分病毒及大尺度的胶体的透过，微滤膜两侧的运行压差（有效推动力）一般为0.7bar。我们公司微滤膜的应用相对较少,其中一例是在南通柠檬酸项目中对BaSO4的截留.含CaSO4物料含BaSO4晶体加BaCL2微滤纳滤纳滤清液下道工序过滤清液废液超滤(UF)超滤能截留0.002~0.1微米之间的颗粒和杂质，超滤膜允许小分子物质和溶解性固体（无机盐）等通过，但将有效阻挡住胶体、蛋白质、微生物和大分子有机物，用于表征超滤膜的切割分子量一般介于1,000~100,000之间，超滤膜两侧的运行压差一般为1~7bar。我们对氨基酸等发酵液的处理,常采用30万管膜过滤掉其中的微生物和大分子有机物.发酵液过滤液3英寸管式膜纳滤(NF)纳滤是一种特殊而又很有前途的分离膜品种，它因能截留物质的大小约为1纳米（0.001微米）而得名，纳滤的操作区间介于超滤和反渗透之间，它截留有机物的分子量大约为200~400左右(也有报道说在200---1000)，截留溶解性盐的能力为20~98%之间，对单价阴离子盐溶液的脱除率低于高价阴离子盐溶液，如氯化钠及氯化钙的脱除率为20~80%而硫酸镁及硫酸钠的脱除率为90~98%。纳滤膜一般用于去除地表水的有机物和色度，脱除井水的硬度及放射性镭，部分去除溶解性盐，浓缩食品以及分离药品中的有用物质等，纳滤膜两侧运行压差一般为3.5~16bar。我们常用M5-1纳滤膜进行物料的脱色处理M5-1纳滤4040膜纳允许溶剂分子或某些低分子量溶质或低价离子透过的一种功能性的半透膜称为纳滤膜；反渗透(RO)反渗透是最精密的膜法液体分离技术，它能阻挡所有溶解性盐及分子量大于100的有机物，但允许水分子透过，醋酸纤维素反渗透膜脱盐率一般可大于95%，反渗透复合膜脱盐率一般大于98%。它们广泛用于海水及苦咸水淡化，锅炉给水、工业纯水及电子级超纯水制备，饮用纯净水生产，废水处理及特种分离等过程，在离子交换前使用反渗透可大幅度地降低操作费用和废水排放量。反渗透膜两侧的运行压差当进水为苦咸水时一般大于5bar，当进水为海水时，一般低于84bar。我们常用反渗透M1-1膜浓缩物料和制备纯水。M1-1反渗透4040膜允许溶剂分子透过而不允许溶质分子透过的一种功能性的半透膜称为反渗透膜；反渗透和纳滤过程渗透和反渗透及纳滤必须与具有允许溶剂(水分子)透过的半透膜(反渗透膜或纳滤膜)联系在一起才有意义，才会出现渗透现象和反渗透或纳滤操作。水分子扩散经过半透膜进入浓溶液侧以平衡溶液的离子强度，在平衡点，浓溶液和稀溶液间的高度差对应两侧间的渗透压差施加超过渗透压的压力反向水分子的流动方向，因而定义为反渗透浓溶液稀溶液浓溶液稀溶液压力渗透反渗透膜元件：将反渗透或纳滤膜膜片与进水流道网格、产水流道材料、产水中心管和抗应力器等用胶粘剂等组装在一起，能实现进水与产水分开的反渗透或纳滤过程的最小单元称为膜元件；由膜片粘成的滤袋产水中心管卷制卷膜流道膜组件：膜元件安装在受压力的压力容器外壳内构成膜组件；膜组件膜装置：由膜组件、仪表、管道、阀门、高压泵、保安滤器、就地控制盘柜和机架组成的可独立运行的成套单元膜设备称为膜装置，膜过滤过程通过膜装置来实现膜系统：针对特定水源条件和产水要求设计的，由预处理、加药装置、增压泵、水箱、膜装置和电气仪表连锁控制的完整膜法处理工艺过程称为系统。影响反渗透和纳滤膜性能的因素产水通量和脱除率是反渗透和纳滤过程中的关键参数，针对特定系统条件，通量和脱除率是膜的本征特性，而膜系统的水通量和脱除率则主要受压力、温度、回收率、进水含盐量和pH值影响。本文将对这些关键术语给出定义并扼要介绍影响反渗透和纳滤膜性能的因素，如操作压力、温度、进水含盐量、产水回收率和系统pH值。定义回收率：指膜系统中给水转化成为产水或透过液的百分率。膜系统的设计是基于预设的进水水质而定的，设置在浓水管道上的浓水阀可以调节并设定回收率。回收率常常希望最大化以便获得最大的产水量，但是应该以膜系统内不会因盐类等杂质的过饱和发生沉淀为它的极限值。脱盐率：通过反渗透膜从系统进水中除去总可溶性的杂质浓度的百分率，或通过纳滤膜脱除特定组份如二价离子或有机物的百分数。透盐率：脱盐率的相反值，它是进水中溶解性的杂质成份透过膜的百分率。渗透液：经过膜系统产生的净化产水。流量：流量是指进入膜元件的进水流率，常以每小时立方米（m3/h）或每分钟加仑表示（gpm）。通量：以单位膜面积透过液的流率，通常以每小时每平方米升（l/m2h）或每天每平方英尺加仑表示（gfd）。稀溶液：净化后的水溶液，为反渗透或纳滤系统的产水。浓溶液：未透过膜的那部分溶液，如反渗透或纳滤系统的浓缩水。压力的影响进水压力影响RO和NF膜的产水通量和脱盐率，我们知道渗透是指水分子从稀溶液侧透过膜进入浓溶液侧的流动，反渗透和纳滤技术即在进水水流侧施加操作压力以克服自然渗透压。当高于渗透压的操作压力施加在浓溶液侧时，水分子自然渗透的流动方向就会被逆转，部分进水（浓溶液）通过膜成为稀溶液侧的净化产水。产水通量脱盐率压力进水压力对脱盐率和产水通量的作用图1正如图1所示，透过膜的水通量增加与进水压力的增加存在直线关系，增加进水压力也增加了脱盐率，但是两者间的变化关系没有线性关系，而且达到一定程度后脱盐率将不再增加。由于RO和NF膜对进水中的溶解性盐类不可能绝对完美地截留，总有一定量的透过量，随着压力的增加，因为膜透过水的速率比传递盐分的速率快，这种透盐率的增加得到迅速地克服。但是，通过增加进水压力提高盐分的排除率有上限限制，正如图1脱盐率曲线的平坦部分所示那样，超过一定的压力值，脱盐率不再增加，某些盐分还会与水分子耦合一同透过膜。温度的影响如图2所示，膜系统产水电导对进水温度的变化非常敏感，随着水温的增加，水通量几乎线性地增大，这主要归功于透过膜的水分子的粘度下降、扩散能力增加。增加水温会导致脱盐率降低或透盐率增加，这主要是因为盐分透过膜的扩散速率会因温度的提高而加快所致。产水通量脱盐率进水温度对通量和脱盐率的作用图2温度盐浓度的影响渗透压是水中所含盐分或有机物浓度和种类的函数，盐浓度增加，渗透压也增加，因此需要逆转自然渗透流动方向的进水驱动压力大小主要取决于进水中的含盐量。图3表明，如果压力保持恒定，含盐量越高，通量就越低，渗透压的增加抵销了进水推动力，同时如图3所示，水通量降低，增加了透过膜的盐通量（降低了脱盐率）。产水量脱盐率增加盐浓度对产水量和脱盐率的影响图3盐浓度回收率的影响通过对进水施加压力当浓溶液和稀溶液间的自然渗透流动方向被逆转时，实现反渗透过程。如果回收率增加（进水压力恒定），残留在原水中的含盐量更高，自然渗透压将不断增加直至与施加的压力相同，这将抵销进水压力的推动作用，减慢或停止反渗透过程，使渗透通量降低或甚至停止（参见图4）RO系统最大可能回收率并不一定取决于渗透压的限制，往往取决于原水中的含盐量和它们在膜面上要发生沉淀的倾向，最常见的微溶盐类是碳酸钙、硫酸钙和硅，应该采用原水化学处理方法阻止盐类因膜的浓缩过程引发的结垢。脱盐率通量回收率图4pH值的影响各种反渗透和纳滤膜元件适用的pH值范围相差很大，膜脱盐率特性取决于pH值，水通量也会受到影响，图6表明FILMTECFT30膜在宽广的pH范围内水通量和脱盐率相当稳定。脱盐率水通量PH对脱盐率和水通量的影响第4部分水化学与预处理4-1序言为了提高膜系统效率，必须对物料进行有效地预处理。针对原水水质情况和系统回收率等主要设计参数要求，选择适宜的预处理工艺，就可以减少污堵、结垢和膜降解，从而大幅度提高系统效能，实现系统产水量、脱盐率、回收率和运行费用的最优化。【污堵】定义为有机物和胶体在膜面上的沉积。【结垢】定义为部分盐类的浓度超过其溶度积在膜面上的沉淀，例如碳酸钙、硫酸钡、硫酸钙、硫酸锶、氟化钙和磷酸钙等。【膜降解】定义为膜元件性能的衰减。预处理必须考虑全系统连续可靠运行的需要，例如，若混凝澄清池设计或操作不合理时，会对砂滤器或多介质滤器产生超过其极限的负荷。这样的不合理预处理常常造成膜的频繁清洗，其结果是清洗费用、停机时间和系统性能的衰减将会十分明显。当难溶盐类在膜元件内不断被浓缩且超过其溶解度极限时，它们就会在反渗透或纳滤膜膜面上发生结垢，如果反渗透水处理系统采用50%回收率操作时，其浓水中的盐浓度就会增加到进水浓度的两倍，回收率越高，产生结垢的风险性就越大。目前出于水源短缺或对环境影响的考虑，设置反渗透浓水回收系统以提高回收率成为一种习惯做法，在这种情况下，采取精心设计、考虑周全的结垢控制措施和防止微溶性盐类超过其溶解度而引发沉淀与结垢尤为重要，RO/NF系统中，常见的难溶盐为CaSO4、CaCO3和SiO2，其它可能会产生结垢的化合物为CaF2、BaSO4、SrSO4和Ca3(PO4)2，下表列举了难溶无机盐的溶度积数据。总含盐量（TDS）。总有机物含量（TOC）为了防止膜面上发生无机盐结垢，应采用如下措施：4-3.2加酸大多