超濾膜是什么？超濾膜具備哪些優(yōu)點？
2018-11-20 09:27:34
admin 
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超濾技術(shù)廣泛應(yīng)用于反滲透預(yù)處理、飲用水處理、中水回用等領(lǐng)域。那么超濾膜是什么？超濾膜具備哪些優(yōu)點？下面詳細(xì)介紹超濾膜的性能及超濾技術(shù)的特點。
超濾膜在水處理應(yīng)用中發(fā)揮著越來越重要的作用。超濾技術(shù)廣泛應(yīng)用于反滲透預(yù)處理、飲用水處理、中水回用等領(lǐng)域。那么超濾膜是什么？超濾膜具備哪些優(yōu)點？下面詳細(xì)介紹超濾膜的性能及超濾技術(shù)的特點。
一、超濾膜是什么？
超濾（UF）基本上是按分子量大小進(jìn)行分離的壓力驅(qū)動膜過程。超濾膜的孔徑一般在1—100nm之間，能夠截留分子量在300—500,000道爾頓的物質(zhì)，包括多糖、生物分子、聚合物和膠體物質(zhì)等。大多數(shù)超濾膜所標(biāo)稱的切割分子量一般定義為膜具有90%以上截留率的最小分子量。
二、超濾膜具備哪些性能？
對于確定膜在分離應(yīng)用中的適用性比較重要的幾個膜特性參數(shù)有：孔隙率、結(jié)構(gòu)形態(tài)、表面性能、機械強度和耐化學(xué)性。這些特性取決于膜的材料和制造技術(shù)。這些特性參數(shù)之間有很大程度的關(guān)聯(lián)性。例如只有高分子材料具有適宜的機械強度，膜才能保持高空隙度的結(jié)構(gòu)。耐壓實性能、耐化學(xué)清洗、耐細(xì)菌分解、耐溫度等性能對于膜的工業(yè)應(yīng)用都非常重要。膜的表面性能和孔的結(jié)構(gòu)形態(tài)對膜污染、膜通量和溶質(zhì)分離都有影響。
膜最主要的性能參數(shù)是通量（產(chǎn)率）和分離能力（不同料液組分的分離率）。由于超濾膜的截留分子量較大，且大多數(shù)超濾膜的通量高，因此與反滲透系統(tǒng)相比，超濾膜的濃差極化和污染更為顯著。
三、超濾具備哪些優(yōu)點？
超濾能夠去除水中能夠找到的任何最為細(xì)小的顆粒物，超濾的顆粒截留范圍一般可達(dá)到0.001－0.01微米，微濾的顆粒截留范圍比超濾要高出1－2個數(shù)量級，一般為0.1－0.2微米。
對于一般的水處理，包括城市用水處理，UF的截留范圍都選擇在0.01－0.02微米的范圍，這個范圍包括了水源中最小的病毒。但超純水則需要更小數(shù)量級的孔徑和截留范圍來確保完全去除顆粒物，濾液要實現(xiàn)滅菌。
由于微濾具有深層過濾能力，所以在一定程度上能夠去除病毒。但微濾的確是細(xì)菌和隱孢子菌、鞭毛蟲等原生寄生蟲的絕對屏障，因此也用于市政水處理。
UF和MF的分離機理與顆粒、纖維介質(zhì)過濾器等傳統(tǒng)處理方式不同。介質(zhì)過濾依靠重力去除原理，它們的標(biāo)稱過濾孔徑比要捕集的顆粒大。顆粒介質(zhì)過濾器的濾料粒徑可能大于100微米。這樣的濾器其絕對截留范圍也是同樣的數(shù)量級。
然而由于介質(zhì)的深度、料液在通過介質(zhì)時的彎曲路徑，這種過濾器也可獲得高去除效率。150微米的沙濾床對10－20微米的顆粒的去除率可輕松達(dá)到90－99%。深層濾器的規(guī)定等級意味著其去除效率是可變的，取決于許多環(huán)境因素及操作參數(shù)。
UF和MF膜完全是表面去除機理，就像非常細(xì)的篩子。膜表面的孔徑高度規(guī)整一致，孔徑的分布非常窄。大于孔徑的顆粒被膜表面排斥通過，留在料液或濃縮液一側(cè)。流體介質(zhì)本身及小于膜孔徑的顆粒會透過膜達(dá)到濾液一側(cè)。
與傳統(tǒng)處理工藝相比，膜法處理工藝的優(yōu)點不僅僅在于其絕對高的去除率。膜系統(tǒng)更加簡潔緊湊（占用空間一般下降33%），自動化程度高（正常情況下無須人工操作），藥劑投加量少（藥劑費用低，產(chǎn)生廢水少）。
四、外壓膜與內(nèi)壓有什么區(qū)別？
在水處理應(yīng)用中，中空纖維超濾膜的操作方式即可以是外壓式的，也可以是內(nèi)壓式的。采用外壓式時，料液先進(jìn)入組件外殼，從膜絲外壁施壓，產(chǎn)水透過膜壁，從膜絲內(nèi)腔流出。內(nèi)壓方式的過程相反。
在一般的水處理應(yīng)用中，比較典型的過濾通量是100lmh，通量值會在50－150 lmh之間變化，取決于料液的水質(zhì)和工藝操作條件。這種通量是0.8mm膜絲所產(chǎn)生的壓力降所能接受的。
內(nèi)壓式操作過程中，料液在膜絲內(nèi)腔流動，濾液的滲透方向與反洗方向相反。反洗過程中，高速反洗液從膜絲的整個長度上透過膜壁，主要的約束是從膜絲內(nèi)腔排出反洗排水。對于將膜組件單排并聯(lián)排列的設(shè)計，可以從膜組件兩端同時排水，保證了清除積累顆粒物的效率。
外壓式操作在進(jìn)行反洗時就無法保證清洗的效率。過濾過程中料液從膜絲外壁進(jìn)入膜絲內(nèi)腔，反洗時采用透過液，流道方向恰恰相反。為了保證反洗效果，需要大流量注入透過液。但膜絲內(nèi)腔的流道狹小，限制了反洗液的流量，反洗的效果會大打折扣。最終的結(jié)果是膜污染和通量下降。
外壓式操作的反洗過程均采用了空氣輔助措施?？諝饪梢詮哪そz內(nèi)腔直接透過膜壁，也可以在反洗時在膜絲外側(cè)加入空氣擾動膜絲。真正的空氣反沖洗可以徹底清除膜面的沉積物，但在清理膜面的同時對膜絲也會造成拉伸、疲勞等傷害，最終導(dǎo)致膜絲失效。
空氣擦洗也是有害的，會引起在膜絲與樹脂粘結(jié)面處的膜絲拉傷。為了避免拉傷，需要強度更大的膜。而且，無論是空氣反沖還是空氣擦洗，均能需要可觀的空氣供給，導(dǎo)致運行費用的明顯增加。
五、膜組件應(yīng)該垂直排列還是水平排列
在UF的開發(fā)早期，系統(tǒng)設(shè)計采用平行排列的方式，膜組件的安裝或者采用垂直、或者采用水平，隨具體的情況而定。但垂直安裝有一個非常重要的好處，就是排出空氣。這樣就大大簡化了開車調(diào)試，使得采用空氣進(jìn)行完整性測試更加容易操作，而且可以使用空氣反沖洗或空氣增強反洗。
1990年代初期開發(fā)出的新的水平安裝形式，完全模仿RO/NF中的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，4只1.5米長的膜元件被安裝在一個6米長的膜殼中，料液從組件的兩端引入，2只元件串聯(lián)，在組件的中心部位形成終端。
多元件設(shè)計的優(yōu)點在于膜殼的數(shù)量被大大減少了（雖然膜絲有了兩層外殼，一層是元件外殼，另外一層是單獨的壓力容器），連接管線及閥門同時減少了。這種結(jié)構(gòu)自然簡化了元件的進(jìn)出口，不需要在臺架之間進(jìn)行連接（雖然元件的維修更加困難且更加費時）。然而對于大規(guī)模裝置來說，可以通過模塊化的結(jié)構(gòu)多層組件安裝，垂直排列的安裝密度與水平排列形式基本相近。
多元件水平設(shè)計有許多缺點。其中最主要的是在過濾循環(huán)中水力學(xué)無法實現(xiàn)優(yōu)化，以及反洗效果低下。在過濾循環(huán)中，膜殼中心部位的終端會形成高濃度的垢物，如果要進(jìn)行反洗，在中心部位的流速最低，所以清洗效率最低，要打通終端部位的機會幾乎等于零。在商業(yè)設(shè)計中，為了避免這一缺陷，與垂直結(jié)構(gòu)相比，水平結(jié)構(gòu)的設(shè)計通量要低15%。
垂直結(jié)構(gòu)將單個組件排列起來，由于料液的引入和反洗排水的排放均可以從組件兩端同時或交替進(jìn)行，所以無需忍受水平設(shè)計的諸多限制。內(nèi)壓式結(jié)構(gòu)可以在相對好的水力學(xué)效率下進(jìn)行透過液反洗。
多元件水平結(jié)構(gòu)更深一層的缺點是無法實施借助空氣的完整性測試。這種測試在市政水處理應(yīng)用中是一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，多元件水平設(shè)計比單個元件水平結(jié)構(gòu)更加難于進(jìn)行，原因是很難在測試結(jié)束后不損傷膜絲的情況下完全排除空氣。
內(nèi)壓垂直結(jié)構(gòu)的另外一個特點是可以采用空氣輔助反洗。在這里，空氣不穿過膜，也不進(jìn)行擦洗，沒有不良的機械作用，避免了額外的拉伸。使用空氣的目的是在過濾結(jié)束反洗之前從底部吹氣，這樣膜絲內(nèi)腔的液體被排出，反洗液體進(jìn)入了一個空的流道，能夠增強從膜絲表面清除污物的效率。
六、加壓式和浸沒式
加壓式組件將膜絲封閉在外殼內(nèi)，膜殼有一定的壓力等級，需要時，可以讓組件背壓運行。
浸沒式系統(tǒng)的膜未經(jīng)封裝，一般只是簡單地將膜浸沒在一個開放的槽中，用真空泵抽吸便可。
浸沒式系統(tǒng)的膜一般是微濾或極粗的超濾，膜的透性非常高。加壓式系統(tǒng)的膜孔稍小，截留率較高且通量較小。浸沒式系統(tǒng)的通量一般比加壓式稍低，跨膜壓差也低。由于低跨膜壓差降低了固體堵塞膜孔的傾向，污染率降到了最低，所以適宜于處理高固含量料液。
在對加壓式系統(tǒng)和浸沒式系統(tǒng)的經(jīng)濟性進(jìn)行對比時，應(yīng)該考慮到幾個因素。浸沒式系統(tǒng)節(jié)約了膜封裝的費用，但由于運行通量低，需要的膜面積卻更多了。由于膜比封裝材料的價格高，浸沒式系統(tǒng)的造價一般較高。在翻新設(shè)計中，槽體和容器的費用極低，浸沒式系統(tǒng)能夠獲得一些造價上的優(yōu)勢。
由于浸沒式系統(tǒng)的運行壓力和通量都低，料液輸送系統(tǒng)的造價和運行費用會節(jié)省，如果是建造在山坡上，浸沒式系統(tǒng)還能利用自然的落差來免除抽洗泵系統(tǒng)。當(dāng)然如果建造在平地上，兩種系統(tǒng)都需要泵，雖然浸沒式系統(tǒng)的輸送系統(tǒng)的運行費用可能會低一些。
對于那些必須將濾液提升到更高的水庫中的情況，加壓式系統(tǒng)就有了優(yōu)勢，因為不必再加提升泵。
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