淺談膜法用于水處理

王壯瑞（青島科技大學(xué)，山東 青島 266042）

1 膜分離技術(shù)簡(jiǎn)介

膜技術(shù)是當(dāng)前高效的分離技術(shù)。在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和人們的日常生活中扮演著相當(dāng)重要的角色。膜技術(shù)已應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如環(huán)境、醫(yī)療、食品，而最廣泛的應(yīng)用則是水處理。膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)分離技術(shù)相比，具有常溫操作、無(wú)相態(tài)變化、分離效率高、能耗低、過(guò)程簡(jiǎn)單、操作方便、易于放大與自控等優(yōu)點(diǎn)。然而，在膜分離技術(shù)中，膜材料的損耗及污染一直是影響膜技術(shù)全面大規(guī)模應(yīng)用的障礙。

最初用于鹽水過(guò)濾的膜分離技術(shù)始于1960年，美國(guó)的Loeb和Sourirajan制備出了第一張用于分離的不對(duì)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(shù)。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(jìn)了反滲透海水淡化的工業(yè)應(yīng)用。同時(shí)，經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)改進(jìn)，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(jià)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(shù)。

現(xiàn)階段，用于分離的膜一般為有機(jī)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(jī)理是以外界能量或者化學(xué)位差為推動(dòng)力，對(duì)氣體或者液體進(jìn)行分離、分級(jí)、濃縮、提純凈化等。膜分離現(xiàn)象在18世紀(jì)末，由法國(guó)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(jì)初，出現(xiàn)了第一家制造過(guò)濾膜的企業(yè)。而后到20世紀(jì)50年代，膜分離技術(shù)得到大規(guī)模應(yīng)用開發(fā)。

2 膜分離種類

目前，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的膜分離技術(shù)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(dòng)力，通過(guò)離子在電場(chǎng)中的傳遞，使得離子選擇性的透過(guò)膜，使膜一側(cè)為淡水，一側(cè)為濃鹽水。而其余過(guò)程均以壓力差作為推動(dòng)力，通過(guò)篩分或者擴(kuò)散的機(jī)理，根據(jù)截留微粒的尺寸大小進(jìn)行篩分過(guò)濾。其主要分離機(jī)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(kuò)散水、溶劑脫除溶液中無(wú)機(jī)鹽、離子、小分子物質(zhì)、氨基酸、糖類分子量大于100的有機(jī)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(jī)物的分離蒸汽壓力差壓力差電位差壓力差分壓差溶解-擴(kuò)散離子在電場(chǎng)中的傳遞篩分、溶解-擴(kuò)散溶解-擴(kuò)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(jī)理

圖2表示了截留的兩種機(jī)理：

（1）膜表面截留

膜表面截留包括機(jī)械截留、吸附截留以及架橋作用。其中機(jī)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(duì)于膜面截留，膜內(nèi)截留更不易清洗，膜內(nèi)阻塞較多會(huì)使膜造成永久性污染。

圖2 篩分機(jī)理截留示意圖Figure 2 Scheme of interception mechanism

4 膜法進(jìn)行水處理過(guò)程中存在的阻力

在膜法進(jìn)行水處理過(guò)程中，通量的降低主要來(lái)源于過(guò)濾阻力的增加。膜的總體過(guò)濾阻力R可以分為以下六個(gè)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(guò)濾過(guò)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(lái)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(jìn)液側(cè)靠近膜的位置由于溶劑的滲透導(dǎo)致濃度升高，而引起流體阻力和滲透壓的升高。其機(jī)理如圖3所示。Rpb、Rcr是由進(jìn)料液的雜質(zhì)帶來(lái)的，其中分為半可逆阻力和不可逆阻力，需要用化學(xué)清洗（酸、堿、氧化劑）來(lái)去除。

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

5 結(jié)語(yǔ)

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(yīng)用價(jià)值。選擇一種合適孔徑的膜對(duì)過(guò)濾具有重要的意義?？朔^(guò)濾過(guò)程中不同的阻力可以有效的提高過(guò)濾效率。提升過(guò)濾通量和過(guò)濾效果。