#水处理膜分离工艺#

今天的内容是膜分离工艺中最后一部分内容—微滤和超滤。

主要还是从分离原理及过程，工艺计算这几个方面进行介绍。

膜的分离原理及过程

分离原理

在《膜分离技术概述》中介绍过，微滤（Micro-Filtration）膜的孔径大于0.1μm，超滤（Ultra-Filtration）膜的孔径则是介于2nm到0.1μm之间。

所以在过滤含有部分杂志的原水时，离子是可以透过微滤膜和超滤膜的，也就是说不会存在渗透压的现象，整个系统就可以在较低的压力下工作。

微滤和超滤的分离机理涉及两个方面：一个是杂质在膜表面及微孔中被吸附而被去除；二是比膜孔大的杂质在膜表面由于筛分作用被机械截留去除。

实际运行过程中，筛分作用是两者主要的分离机理。

关于两者的分离对象，微滤膜主要分离的是悬浮物和细菌等颗粒物质；超滤膜则主要是水中的胶体和一些生物大分子等。

膜材料

微滤和超滤的膜材料种类是比较广泛的，主要分为有机膜和无机膜两大类，具体分类如下：

膜材料分类

膜分离孔径特征

从微观结构上来看，微滤和超滤膜都属于孔状结构，因此孔径的分布就成了两者分离性能的重要技术指标。

对于微滤膜，通常使用孔径分布曲线来表示，根据孔径分布曲线，可以得到最大值出现的微孔直径，即标称孔径。

下图即为某种微滤膜的孔径分布曲线：

某种微滤膜的孔径分布曲线

如图所示，孔径最大值对应的微孔直径即为该微滤膜的标称孔径。

而对于超滤膜，其孔径分布一般以截留相对分子质量（Molecular Weight CutOff，即MWCO）来表示，这个数据一般是通过试验就行测定的。

截留相对分子质量测定实验

具体的方法是通过测定膜对于其具有相似的化学结构，但是相对分子质量不同的一系列化合物（如聚乙二醇，PEG等）的截留率，从而得到截留相对分子质量曲线。

从该曲线上寻找截留率为90%时，对应的最小相对分子质量，即为该膜的截留相对分子质量。

下面是一组表示几种超滤膜的截留相对分子质量的曲线：

截留相对分子质量曲线

当截留率为90%时，可以查到对应型号超滤膜的截留相对分子质量。

膜组件的形式

然后我们再了解下微滤和超滤膜的膜组件的形式，主要有板框式、管式和中空纤维膜组件等形式。

膜的过滤模式

微滤和超滤膜再运行过程中有两种过滤模式，分别是死端过滤和错流过滤，下面分别介绍一下。

首先是死端过滤：料液在压力的推动下，垂直于膜表面进行的过滤，料液中大的颗粒被直接截留在膜的表面。

其操作简单易行，通常适用于实验室或小规模的场合。

死端过滤

在这种过滤模式中，随着过滤时间的增加，被截留在膜表面的颗粒将逐渐积累形成污染层，会使过滤阻力逐渐增加，导致膜通量下降。

因此死端过滤通常是间歇运行的，需要有一个清洗阶段。

而错流过滤中的料液在泵的推动作用下，平行于膜面流动。

该过滤模式又分为外压型和内压型两种。

错流过率

其中外压型模式中，过滤面为膜的外表面，料液在膜的外侧流动，在压力的作用下从膜外侧进入膜内侧。

内压型则相反。

错流过滤中，料液流经膜面产生的剪切力会将膜面截留的颗粒带走，所以其污染层的厚度会保持在一个较薄的水平。

一旦污染层达到稳定，膜通量则会在较长的时间内保持相对的稳定：

由于错流过滤对于膜污染较好的处理能力，在实际工程中应用更为广泛。

膜的基本工艺参数

下面介绍一下微滤和超滤膜相关的几个基本工艺参数，分别是水通量、操作压力和截留率。

水通量

水通量与施加在膜两侧的过滤压差是成正比的，与过滤的阻力成反比，过滤阻力则包含膜本身的阻力、浓差极化阻力和凝胶层的阻力，其计算公式如下：

过滤阻力计算

那么，什么是浓差极化与凝胶层呢？

浓差极化现象

首先是浓差极化现象，以超滤膜为例，在其过滤过程中，含有不同分子大小的混合液会流过超滤膜。

在压力差的作用下，混合液中小于膜孔的部分就会透过膜成为滤过液，大于膜孔的部分则会被截留。

被截留的部分会在膜表面逐渐积累，形成浓度边界层。

边界层中溶质的浓度要远远的高于主体溶液中溶质的浓度，形成膜表面到主体溶液之间的浓度差，导致紧靠膜表面的溶质反向向主体溶液中扩散。

，浓差极化现象是不可避免的，但是一旦过滤压差消失，浓差极化现象也会消失，所以这种现象是可逆的。

当浓差极化达到稳定时，可得如下的物料平衡方程：

浓差极化-物料平衡公式

根据边界条件进行积分，假设滤过液中的溶质浓度CP很小，可得：

上式反应了浓差极化现象的严重程度，即浓差极化比越大，浓差极化现象越严重。

当浓差极化现象比较严重时，胶体和大分子溶质在膜表面的浓度远大于其在主体溶液中的溶解度时，就会形成一层凝胶层，此时的浓度即为凝胶浓度Cg。

操作压力

操作压力作为微滤和超滤膜的推动力，会直接影响水通量，即操作压力越高，水通量越大。

但是当膜表面形成凝胶层时，操作压力的大小还会影响到凝胶层的阻力。

我们来看一下用超滤膜过滤某种含乳化油废水时，水通量与压力的关系曲线：

水通量与压力的关系曲线

当乳化油含量较高时，由于乳化油形成的凝胶层的阻力随着压力增加而增加，抵消了操作压力增大对于水通量的提升效果，所以水通量并未随着操作压力的增加而产生线性增加。

由此我们可以了解到，凝胶层的形成对于过滤过程是不利的，会影响到过滤过程的能耗水平。

由于凝胶层也是因为浓差极化现象引起的，所以在实际运行过程中，我们可以通过提高料液的流速、增加膜面的紊动、不断地清洗膜面和控制料液浓度等措施，来减轻浓差极化及凝胶层的影响。

膜的截留率

这个就简单易理解了，可以使用进、出水中杂质浓度与进水杂质浓度的比值来表示：