淺談膜法用于水處理

王壯瑞（青島科技大學，山東 青島 266042）

1 膜分離技術簡介

膜技術是當前高效的分離技術。在現(xiàn)代工業(yè)技術和人們的日常生活中扮演著相當重要的角色。膜技術已應用于國民經(jīng)濟的各個領域，如環(huán)境、醫(yī)療、食品，而最廣泛的應用則是水處理。膜分離技術與傳統(tǒng)分離技術相比，具有常溫操作、無相態(tài)變化、分離效率高、能耗低、過程簡單、操作方便、易于放大與自控等優(yōu)點。然而，在膜分離技術中，膜材料的損耗及污染一直是影響膜技術全面大規(guī)模應用的障礙。

最初用于鹽水過濾的膜分離技術始于1960年，美國的Loeb和Sourirajan制備出了第一張用于分離的不對稱醋酸纖維素膜，具有較高的脫鹽率和通量，用于反滲透技術。到70年代初期，三醋酸中空纖維膜和芳香族聚酰胺中空纖維膜的研制成功更促進了反滲透海水淡化的工業(yè)應用。同時，經(jīng)過多年的技術改進，反滲透海水淡化在膜材料的合成、工藝的優(yōu)化、能量的回收方面都有了極大的提升，使得膜法成為性價比最高的海水淡化方法，已發(fā)展為全球最主要的海水淡化技術。

現(xiàn)階段，用于分離的膜一般為有機膜，其材料包括纖維素衍生物、聚砜類、聚酰胺類以及雜環(huán)含氮高聚物、聚酯類、聚烯烴、乙烯類高聚物、含硅高聚物、含氟高聚物、甲殼素類等。其分離機理是以外界能量或者化學位差為推動力，對氣體或者液體進行分離、分級、濃縮、提純凈化等。膜分離現(xiàn)象在18世紀末，由法國的Abbe Nollet發(fā)現(xiàn)水能自然滲透到裝有酒精溶液的豬膀胱內(nèi)而發(fā)現(xiàn)的。直到19世紀初，出現(xiàn)了第一家制造過濾膜的企業(yè)。而后到20世紀50年代，膜分離技術得到大規(guī)模應用開發(fā)。

2 膜分離種類

目前，已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化的膜分離技術主要有微濾（MF）、超濾(UF)、納濾(NF)、電滲析(ED)、反滲透(RO)、滲透汽化(PV)等。其中電滲析以電位差作為推動力，通過離子在電場中的傳遞，使得離子選擇性的透過膜，使膜一側(cè)為淡水，一側(cè)為濃鹽水。而其余過程均以壓力差作為推動力，通過篩分或者擴散的機理，根據(jù)截留微粒的尺寸大小進行篩分過濾。其主要分離機理以及適用范圍見表1和圖1。

表1 主要膜分離方法及適用范圍Table 1 Main methods and applications of membrane separation

水、溶劑篩分與擴散水、溶劑脫除溶液中無機鹽、離子、小分子物質(zhì)、氨基酸、糖類分子量大于100的有機物及溶解性鹽水溶液中酸堿鹽的脫除離子混合氣體分離氣體納濾反滲透電滲析氣體分離滲透汽化用于不水-有機物的分離蒸汽壓力差壓力差電位差壓力差分壓差溶解-擴散離子在電場中的傳遞篩分、溶解-擴散溶解-擴散0.001-0.01 0.001-0.01 0.001-0.01 0.0001-0.001 0.0001-0.001

圖1 幾種膜的分離性能Figure 1 The performance of membrane separation

3 膜分離機理

圖2表示了截留的兩種機理：

（1）膜表面截留

膜表面截留包括機械截留、吸附截留以及架橋作用。其中機械截留截留的是比膜孔徑大的物質(zhì)。而吸附截留是在物理吸附力的作用下吸附在孔壁上、架橋作用是截留的比膜孔徑小的微粒。

（2）膜內(nèi)部截留

膜內(nèi)部截留是指微粒的截留發(fā)生在膜的內(nèi)部而非表面。相對于膜面截留，膜內(nèi)截留更不易清洗，膜內(nèi)阻塞較多會使膜造成永久性污染。

圖2 篩分機理截留示意圖Figure 2 Scheme of interception mechanism

4 膜法進行水處理過程中存在的阻力

在膜法進行水處理過程中，通量的降低主要來源于過濾阻力的增加。膜的總體過濾阻力R可以分為以下六個部分：

Rm為膜面阻力；Rsad、Rpads分別為膜面吸附阻力和膜孔吸附阻力，都為物理吸附力；Rcp為濃差極化現(xiàn)象產(chǎn)生的阻力；Rpb為膜孔阻塞阻力；Rcr為膜表面濾餅產(chǎn)生的阻力。

其中Rm、Rsad、Rpads、Rcp為過濾過程中必然存在的阻力。吸附阻力為弱作用力，可利用高速水流沖洗來減小。Rcp為濃差極化現(xiàn)象產(chǎn)生的阻力。濃差極化現(xiàn)象是由于進液側(cè)靠近膜的位置由于溶劑的滲透導致濃度升高，而引起流體阻力和滲透壓的升高。其機理如圖3所示。Rpb、Rcr是由進料液的雜質(zhì)帶來的，其中分為半可逆阻力和不可逆阻力，需要用化學清洗（酸、堿、氧化劑）來去除。

圖3 濃差極化現(xiàn)象示意圖Figure 3 Scheme of concentration polarization

5 結(jié)語

膜法作為一種新型有效的分離方法利用于水處理具有較高的應用價值。選擇一種合適孔徑的膜對過濾具有重要的意義。克服過濾過程中不同的阻力可以有效的提高過濾效率。提升過濾通量和過濾效果。