饮用水深度处理技术—超滤膜

[2013/3/12]

　　超滤原理超滤是一种分离技术，能够将溶液净化、分离或者浓缩。超滤是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程，膜孔径范围为0.5µm(接近微滤)～1nm(接近纳滤)。

　　(1)超滤的典型应用是从溶液中分离大分子物质(如细菌)和胶体，通常认为，所能分离的溶质相对分子质量下限为几千。超滤膜可视为多孔膜，其截留取决于膜的过滤孔径和溶质的大小、形状。溶剂的传递正比于操作压力。

　　(2)超滤膜的类型超滤膜是多孔的，但与微滤膜相比，其结构更具有不对称性，这种不对称膜包括一个很薄的皮层(一般<1µm)和一个多孔亚层。所以超滤膜的表征主要是皮层表征即厚度。孔径分布和表面孔隙率，超滤膜皮层典型的孔径在2～100nm范围内。

　　按制膜材料分类，超滤膜可分为有机膜和无机膜。

　　按膜的外形特征可将超滤膜分为：平板膜、管式超滤膜，内径>10nm、毛细管式超滤膜，内径0.5～10.0nm、中空纤维超滤膜，内径<0.5nm、多孔超滤膜。

　　(3)制膜材料可用于制造超滤膜的材料很多，分为有机高分子材料和无机材料两大类。

　　①有机高分子材料

　　纤维素酯类：主要有二醋酸纤维素(CA)，三醋酸纤维素(CTA)，混合纤维素(CACN)等。这类材料制造的超滤膜亲水性好、成孔性好，材料来源广泛、稳定，成本较低。但这种材料耐酸碱性能差。

　　聚砜类如聚砜(PS)和磺化聚砜(SPS)和聚醚砜(PES)等;用这种材料制膜，易成型，膜机械强度好，耐热、耐化学性能也较好。是目前用得较多的材料。

　　聚烯烃类：主要是聚丙烯(PP)和聚丙烯腈(PAN)。同聚砜相似。它的机械和化学性能较好。PAN的腈基是强极性基因，但PAN并不十分亲水，通常引入另一种共聚单体(如醋酸乙烯酯或甲基丙烯酸甲酯)，以增加链的柔韧性和亲水性，从而改变其加工性。

　　氟材料：目前主要用的是聚偏氟乙烯(PVDF)和聚四氟乙烯(PTEE)，这种材料的超滤膜具有极优良的机械强度和耐高温、耐化学侵蚀性性能，使用温度40～260℃，可在强酸、强碱和多种有机溶剂条件下使用，但成本很高。

　　聚氯乙烯(PVC)：这种材料制造的超滤膜具有优良的机械强度和极佳的化学侵蚀性性能，材料来源广泛、稳定，成本适中，可以制造出优良的超滤膜，尤其是可以制造出在跨膜压差很低的条件下，单位膜面积产水量却很高的超滤膜。

　　其他材料：除上述材料外，还有聚砜酰胺、聚醚酮、聚脂肪酰胺、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺等。

　　②无机材料：这是近几年来开发的新型制膜材料，主要有陶瓷、玻璃、氧化铝(Al2O3)、氧化锌(ZnO2)和金属，目前国内还处于实验室研究阶段，尚未商品化生产，这种材质的超滤膜最突出的优点是耐高温，耐有机溶剂性能好，不易老化，可再生性强，适用于特种分离。

　　(3)超滤膜的保存方法膜制成成品后，需要对其进行保存，膜保存的方法有湿态和干态两种，其目的是为防止膜水解、微生物侵蚀、冻结及收缩变型、膜失效等。

　　①膜的湿态保存方法：保存湿态膜最主要的一点就是始终让膜呈现湿润状态。一般常用膜保存液的配方为：

　　水﹕甘油﹕亚硫酸氢钠=79.1﹕20﹕0.9

　　保存液温度在5～40℃.亚硫酸氢钠的作用是防止微生物在膜表面繁殖及侵蚀膜。甘油的目的为了降低保存液的冰点。防止因结冰而损坏膜，配方中的亚硫酸氢钠可用戊二醛、硫酸铜等其他对膜无伤害的抑菌剂代替。

　　对醋酸纤维素膜，pH值在4.5～5，可降低膜的水解速度，一般在抽真空的条件下，保存液的有效期为1年。

　　湿态膜会由于脱水产生收缩变形现象，使膜孔大幅度缩小，或使膜结构遭到破坏，同时使膜的质地变脆，甚至使膜的过滤作用完全失效。

　　②干态膜的保存方法目前商品化的超滤膜，基本上都是干态膜的形式。因为这不仅有利于存放和运输，而且也是制作膜组件所必需的(封胶时要求膜是干态)。

　　制备干态膜，普遍采用脱水剂，VanOss等,用50%的甘油水溶液或0.1%的十二烷基磺酸钠(SDS)水溶液浸渍醋酸纤维素超滤膜1h，然后进行干燥处理，使用前需洗净浸渍液。

　　现在常用的干化处理液的配方为：

　　水﹕甘油﹕SDS=97.2﹕20﹕0.2

　　膜置于其中浸渍5～6天后在一定的温度环境中干燥。

　　(5)超滤膜的结构特点目前商品化的超滤膜都是不对称膜，由致密的表皮层和多孔的支撑层构成。皮层的厚度约为0.1～0.25µm，多孔支撑层的厚度约为100～250µm，而多孔支撑层在靠近皮层部分是具有微细孔结构的过渡层，最下层是具有较大孔径的支持层。

　　(6)超滤膜的表征膜的特征分为外观表征及性能表征。外观表征是指膜的厚度、皮层结构等，性能表征是指膜的理化性能和分离透过性能。膜的理化性能主要包括膜的结构强度、耐化学性、耐热温度范围和适用pH值范围，分离透过性能主要是指透水速率和截留分子量、截留率等。

　　①厚度：在其他表征相同的条件下，其厚度越小，通量越大，压损越小，支撑层的厚度的大小，取决于膜的强度和刚性。

　　②膜内径：对管式膜而言，膜的内径与厚度的比值直接影响了膜的强度和刚性，它的大小也是区分管式膜、毛细管膜及中空纤维膜的主要依据，也是决定单位体积内膜充填密度的主要因素。

　　③支撑层结构：一般有两种类型，指状孔结构和海绵状结构，指状孔结构阻力小，海绵状结构强度高。

　　④膜孔径：超滤膜孔径一般为0.05µm～1µm。

　　⑤截留能力：通常用截留分子量(90%能被膜截留的分子量)来表示，膜的截留值通常以绝对方式给出。(某膜的截留分子量为10000万，即为分子量大于10000万的所有物质90%以上被截留)。当分子量一定时，刚性分子较之柔性分子、球形和侧链分子较直线型分子有更大的截留值。

　　⑥孔径分布：孔径分布的范围是表征膜孔径是否均匀的一种方法，孔径分布越窄，分离效果和抗污染性越好。

　　⑦空隙率：对于非对称膜而言，存在着两种空隙率，分离层空隙率和整体空隙率，目前测定的方法，所测定的结果实际上是整体空隙率，而影响分离效果的是分离层空隙率。

　　⑧过滤速率：一般超滤膜的透过能力，以纯水的透过速率表示，并标明测定条件，实际应用中膜的过滤速率比它小得多，其原因是浓差极化和膜污染，增加了过滤时的流体阻力，水流速度、压力、温度、原水预处理程度均影响超滤的速率。

　　⑨抗污染能力：膜的抗污染能力决定于膜材料的物理和化学特性和分离体等物化特性之间的关系。对于水溶液体系来说，亲水性膜的抗污染性比疏水性膜好。

　　(7)密封中空纤维及毛细管膜器件的密封主要在它们之间端头环氧密封及端头环氧与外壳间的密封，可采用通常的橡胶密封垫圈等方法密封。

　　(8)外壳常用的膜过滤器可分为两种：卫生过滤用外壳和工业过滤用外壳。外壳要求能承受工作压力，一定的防碰撞能力。常用的外壳材料有：不锈钢、ABC、UPVC、玻璃钢等。

　　(9)外接口与连接膜组件与应用工程中的工艺管线，配套设备的接口以及与自控仪表阀门等相连接的部位叫外接口。大部分的超滤膜组件都有三个外接口，即原水入口、出水口和浓水出口，其连接方式视具体情况而定。一般可分为可拆卸连接和不可拆卸连接。可拆卸的连接有螺纹连接、快装连接、活接等，不可拆卸的连接有焊接、粘接等。

　　(10)超滤膜的清洗超滤膜在使用一段时间后，由于被截留物对膜表面的污染会使膜的产水量下降，为了维持膜通量的稳定，必须定期对膜进行清洗，每次30秒～60秒。化学清洗间隔时间相对物理清洗时间长。一般最短的间隔为1天，最长的间隔时间为6个月。对有机物的清洗一般采用碱液清洗，蛋白质采用酶剂,细菌、微生物,藻类采用过氧化氢、次氯酸钠等氧化剂进行清洗。欢迎新老客户前来咨询相关技术问题（www.zhyico.com）

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