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小的顆粒物，超濾的顆粒截留范圍一般可達到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。空氣可以從膜絲內(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中的標準結(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出口，不需要在臺架之間進行連接（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)標準，多元件水平設(shè)計比單個元件水平結(jié)構(gòu)更加難于進行，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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