详解膜法水处理技术
一、概述
膜，更准确而言是半渗透膜，它是一薄层物质，当一定的推动力应用于膜两侧时，它能按照物质的物理化学性质使物质进行分离。通常，膜是按照物质的分离范围和应用的推动力来分类。
在解决水资源缺乏的问题上，膜分离过程起到了非常重要的作用。在废水或污水排放之前，膜分离过程可以用于废水或污水处理；在废水进入污水系统之前，膜分离过程可以用于回收工业上有用的物质；当然膜分离过程也可以用于生产饮用水。在生产饮用水方面，使用膜人们可以利用大量的海水资源；此外，在水与废水循环回用方面，环保小蜜蜂膜的特殊作用显得十分重要。
膜分离技术在水处理中的应用，即可用于给水处理也可用于废水处理。
膜技术应用于水处理具有以下优点：
1. 处理各种滤液，能得到高质量的滤出水；
2. 膜过程可通过模拟装置加以实现，而且可以连续操作；
3. 对渗透液具有以一定比例循环作为工艺用水或再利用的潜力。
膜技术应用于水处理具也存在以下缺点：
1. 膜的相容性与孔的大小、水的pH值以及水的温度等许多因素有关；
2. 在某些情况下易生成污垢，使得在一些特殊应用中膜的寿命较短
3. 与传统的物理化学处理相比，一般投资费用较高。
膜的使用寿命，短的只有几个月，但通常是3-7年，有的管式膜系统可超过15年。影响膜的使用寿命的因素很多，通常有加料贮槽和泵的匹配性能，预处理效果，渗透液的贮存装置以及膜的清洗系统和效果等。
21世纪膜分离的应用将持续增长，尤其是微滤/超滤、微滤/反渗透、微滤/超滤/反渗透或钠滤结合的膜处理过程。增长的领域包括：
1. 饮用水处理
2. 工业废水的脱色
3. 垃圾填埋场渗滤液处理
4. 膜生物反应器的应用
5.水的回收与循环利用等
二、膜分离过程
膜分离技术受到广泛的注意，发展迅速，是因为膜分离对混合物中各组分的选择性很高，在分离过程中混合物主体没有相变，所用的设备装填密度大、效率高。
1.水处理和膜分离
1）用水
水的净化与纯化包括从水中去除悬浮物、细菌、病毒、无机物、农药、有机物和溶解气体，在这方面，膜分离技术发挥了其独特的作用。
2）工业用水
日产高达数千吨以致数万吨的反渗透水处理装置广泛地应用于电子、电力、医药、化工、饮料、冶金等领域，反渗透是超纯水和纯水制备的优选方法；膜软化是基于钠滤膜对二价离子，特别是二价阴离子的高脱除性而开发新型的膜分离过程，膜软化工艺在美国应用已很普遍，特别是新建的软化厂多采用此新工艺。
3）工业废水和市政废水
城市污水处理达标排放仅仅是基本要求，污水是否能再生回用，能再生到什么程度，是否经济可行，这是废水资源化的关键。实践表明，常规处理与膜法结合可给出各种标准、供不同用途的再生水，最后反渗透的产水完全符合饮用水标准。
近年来浸没式膜生物反应器在污水处理和资源化方面倍受重视，已有商品化设，适用于中小型污水处理厂。
2.膜的定义和分类
膜是分离两相和作为选择性传递物质的屏障。
膜可以是固态的， 也可以是液态的；膜的结构可能是均质的，也可能是非均质的；膜可以是中性的，也可以是带电的；膜传递过程可以是主动传递过程，也可以是被动传递过程。
膜的形态结构决定了分离机理，从而也决定了其应用。按膜结构分类可分为对称膜和不对称膜。
按化学组成分类可分为有机材料类和无机材料类。
按分离机理分类，膜大致可分为多孔膜、无孔膜和载体膜。多孔膜在处理溶液时根据颗粒大小进行分离，主要用于超滤和微滤。无孔膜利用分离体系中各组分溶解度或扩散系数的差异进行分离，主要用于气体分离、透析、蒸汽渗透等过程。载体膜是通过载体分子对某一组分高度专一的亲和性来实现不同组分间的分离的，通过膜的组分可以是气体、液体、离子或非离子。
按几何形状分类，有平板式、管式、毛细管式和中空纤维式。后三种皆为管状膜，直径大于10mm的为管式膜；直径在0.5-10mm之间的是毛细管式膜；直径小于0.5mm的为中空纤维膜。管状膜直径越小，则单位体积里的膜面积越大。
3.膜分离的定义和分类
所有分离过程都是利用在某种环境中混合物各组分性质的差异进行分离。膜分离过程是以选择性透过膜为分离介质，在两侧加以某种推动力时，原料侧组分选择性地透过膜，从而达到分离或提纯的目的。
1）反渗透和纳滤
反渗透已成为海水淡化最经济的技术，也是苦咸水淡化的主要手段，它已成为超纯水和纯水制备的优选技术；另外在各种料液的分离、纯化和浓缩以及废液的再生回用方面都发挥了重大作用。
我国反渗透技术能在海水淡化、脱水浓缩、高温水再用、市政和工业废水处理与再用领域发挥其应有的作用。
纳滤膜介于反渗透膜和超滤膜之间，环保小蜜蜂是近10多年发展较快的膜品种。
a. 反渗透原理
当用一个半透性膜分离两种不同浓度的溶液时，膜仅允许溶剂分子通过。由于浓溶液中溶剂的化学势低于它在稀溶液中的化学势，稀溶液中的溶剂分子自发地透过半透膜向浓溶液中迁移。
b. 反渗透膜与纳滤膜及其组件
c. 反渗透膜与纳滤膜
由于反渗透膜与纳滤膜多种多样，主要有平板不对称膜、不对称平板复合膜、管式不对称膜、中空纤维不对称膜、中空纤维复合膜等。目前平板不对称膜和中空纤维膜占据了市场绝大部分的份额。
d. 反渗透膜与纳滤膜组件
反渗透过程的经济性和实用性决定于组见的价格和性能。它对组件的机械强度、流体力学结构及经济性都有较高的要求。
e. 反渗透与纳滤工艺流程
反渗透与纳滤工艺流程通常包括前处理工艺、膜分离工艺和后处理工艺三部分。为减少料液在膜分离过程中对膜的污染和化学损伤，必须对料液进行适当的预处理。在实际生产中对溶液的分离有不同的要求，必须选用合适的膜和组件形式，应该通过计算确定组件的排列和操作条件。
f. 反渗透与纳滤应用
反渗透应用领域可分为两大类：水纯化和溶质浓缩。主要用于水的纯化，如海水和苦咸水脱盐制饮用水，以及制备半导体工业、医药、化学工业中所需的超纯水。
纳滤膜对Na+和Cl-单价离子的截留率较低，实践证明纳滤可以代替沉淀、pH调节和蒸发等过程，达到产品纯化和浓缩的目的，是一新的高效节能的过程。此外纳滤在有机小分子与盐的分离与浓缩、去除无脂奶粉的异味等方面得到了广泛的应用。
2）超滤
a. 超滤原理
超滤膜多为不对称结构，由一层极薄、具有一定尺寸孔径的表皮层和一层较厚、具有海绵状或指定结构的多孔层组成。前者起分离作用，后者起支撑作用。在超滤膜分离过程中，膜的孔径大小和膜表面的化学性质等将分别起着不同的分离作用。一般情况下，超滤膜的性能指标有渗透通量和截留率。
超滤膜的耐压性、耐清洗性、耐温性等性能对于工业应用是非常重要的。目前商品化的有机材质的超滤膜都是采用相转化法制得的。
b. 超滤操作工艺
超滤的基本操作有以下三种。
重过滤操作，用于大分子和小分子的分离。
间歇操作，常用于小规模生产。
连续式操作，常用于大规模生产。
c. 超滤应用
超滤在需将尺寸较大的分子或微粒与低分子物质或溶剂分离的领域得到广泛应用。超滤装置可单独运行，也可与其他处理设备结合应用于各种分离过程中。超滤已成为蛋白和酶纯化和浓缩的高效过程。超滤浓缩的优点是无相变、一般不需加热、工序简单、适用pH范围宽和防止失活等，很适用于热敏性物质的分离浓缩。
3）微滤
微滤（MF）是一种与常规的粗滤十分相似的膜过程。微孔滤膜具有比较整齐、均匀的多孔结构，孔径范围0.05-10um，使过滤从一般只有比较粗造的相对性质过度到精密的绝对性质，主要用于对悬浮液和乳液进行截留。
a. 微滤原理
微滤又称为精过滤，其基本原理属于筛网状过滤，在静压差作用下，小于膜孔的粒子通过滤膜，大于膜孔的粒子则被截留到膜表面，使大小不同的组分得以分离，操作压力为0.7-7kPa。除此以外，环保小蜜蜂还有膜表面层的吸附截留和架桥截留，以及膜内部的网络中截留。
b. 微滤操作工艺
微滤有两种操作工艺：
死端过滤
在死端过滤时，溶剂和小于膜孔的溶质在压力驱动下透过膜，大于膜孔的颗粒被截留，通常堆积在膜表面上。死端过滤是间隙式的，必须周期性地停下来清洗膜表面的污染层或更换膜。
错流过滤
在泵的推动下料液平行于膜面流动，与死端过滤不同的是料液流经膜面时产生的剪切力把膜表面上的滞留的颗粒带走，从而使污染层保持在一个较薄的水平。
c. 微滤膜
微滤膜属于筛网状过滤介质，具有形态整齐的结构，使所有比网孔大的粒子全部拦截在膜表面上。
目前市场上的微孔滤膜的材质可分为有机和无机两大类。有机材质主要是聚合物，常通过相转化、拉伸、烧结、径迹刻蚀等方法制备。
d. 微滤膜的应用
微滤是所有膜过程中应用最普遍、销售额最大的一项技术。工业上，微滤主要用于将大于0.1um的粒子与溶液分开的场合，它的最大市场是制药行业的除菌过滤和电子工业用高纯水的制备。其最新的应用领域是生物技术和生物医学领域技术。
4）渗析
渗析；也是透析，是溶质自身浓度梯度作用下膜的上游传下下游的过程。由于分子大小及溶解度不同，使得不同溶质的扩散速率不同，从而实现分离。
a. 传质理论
原料液和透析掖流向通常是逆向的，也可以是同向的。若溶剂与溶液中其他组分之间不存在耦合作用，则在渗透压的作用下溶剂从低浓度侧流向高浓度侧；若原料液侧压力高于渗透压侧，则溶剂从原料液侧流向渗透压侧。
b. 渗析膜
透析主要用于从高分子量物质中分离出低分子量组分，基于不同组分物化性质和分子尺寸的差异，导致其在膜的扩散速率不同而实现分离的。
c. 渗析应用
目前渗析最主要的用途是血液透析，即以透析膜代替肾除去尿素、肌酸酐、磷酸盐和尿酸等有毒的低分子量组分，以缓解肾衰竭和尿毒病患者的病情。
5）电渗析
电渗析是在直流电场作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，把电解质从溶液中分离出来，从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯。
a. 电渗析的基本原理
在阴极和阳极之间交替排列一系列阴离子交换膜和阳离子交换膜。阴离子交换膜能使阴离子透过，阳离子交换膜能使阳离子透过。
b. 离子交换膜
目前离子交换膜的种类很多，常用的膜按功能分有阴离子交换膜和阳离子交换膜。
c. 电渗析的应用
目前电渗析已是一种相当成熟的膜分离技术，主要用途是苦咸水淡化、生产饮用水、浓缩海水制盐以及体系中脱除电解质。
三、膜组件
工业应用中通常需要较大面积的膜。安装膜的最小单元称为膜组件。膜组件的设计有很多种形式，它们均根据两种膜结构形式设计：
平板膜和管式膜。板框式和卷式膜组件使用平板膜，管式、毛细管式和中空纤维膜组件均使用管式膜。
1. 板框式膜组件
板框式膜组件的突出优点是操作灵活，其主要特点有：
1）组装简单、坚固，对压力变动和现场作业的可靠性较大；
2）可以简单的增加膜的层数实现增大处理量；
3）每两片膜之间的渗透物都是被单独引出来的，可以通过关闭个别膜来消除操作中的故障，而不必使整个组件停止运行。
板框式膜组件可用于反渗透、超滤和渗透汽化过程。在不同的过程中，组件的具体设计也不相同。
2.卷式膜组件
卷式膜组件是目前反渗透、超滤及气体分离过程中最重要的膜组件形式，也有少量用于渗透汽化过程。
对于不同的处理对象，可对卷式膜组件的结构作相应的改进。
3.管式膜组件
管式膜组件是由园管式的膜及膜的支撑构成。由于膜本身的强度不够，因此在压力下工作时需要具有良好透水性能和高强度的材料支撑。
管式膜的流道较大，对料液中杂质含量的要求不高，可用于处理高固含量的料液。膜面的清洗不仅可以用化学方法，而且也可以用海绵球之类的机械清洗方法。
4.毛细管膜组件
毛细管膜组件的结构类似于管式膜。由于膜的孔径较小（0.5-6mm），能承受高压，所以不用支撑管。毛细管膜组件装填密度较大，制造费用较低，但压缩强度较小，在多数情况下料液的流动为层流。目前用于超滤、渗析、渗透汽化过程以及某些气体渗透过程。
5.中空纤维膜组件
中空纤维膜组件与毛细管膜组件的形式相同，差别在于膜的规格不同。通常中空纤维的外径约40-250um，外径与内径之比为2-4。
中空纤维最主要的优点是装填密度很高，可达16000-30000m2/m对反渗透、气体分离、膜接触器、液膜等单位面积渗透通量很小的过程是非常有利的。