高分子超濾膜法在水處理及其他工業淨化、濃縮、分離過程中，可以作為工藝過程的預處理，也可以作為工藝過程的深度處理。在廣泛套用的水處理工藝過程中，常作為深度淨化的手段。
基本介紹
- 中文名：高分子超濾膜
- 第一步：微生物(細菌、藻類)的殺滅
- 第二步：降低進水混濁度
- 第三步：懸浮物和膠體物質的去除
概述,供水水質調整,流速,淨化過程,
概述
高分子超濾膜法在水處理及其他工業淨化、濃縮、分離過程中，可以作為工藝過程的預處理，也可以作為工藝過程的深度處理。在廣泛套用的水處理工藝過程中，常作為深度淨化的手段。根據中空纖維超濾膜的特性，有一定的供水前處理要求。因為水中的懸浮物、膠體、微生物和其他雜質會附於膜表面，而使膜受到污染。由於超濾膜水通量比較大，被截留雜質在膜表面上的濃度迅速增大產生所謂濃度極化現象，更為嚴重的是有一些很細小的微粒會進入膜孔內而堵塞水通道。另外，水中微生物及其新陳代謝產物生成粘性物質也會附著在膜表面。這些因素都會導致超濾膜透水率的下降以及分離性能的變化。同時對超濾供水溫度、 PH 值和濃度等也有一定限度的要求。因此對超濾供水必須進行適當的預處理和調整水質，滿足供水要求條件，以延長超濾膜的使用壽命，降低水處理的費用。
A 、微生物(細菌、藻類)的殺滅：
當水中含有微生物時，在進入前處理系統後，部分被截留微生物可能粘附在前處理系統，如多介質過濾器的介質表面。當粘附在超濾膜表面時生長繁殖，可能使微孔完全堵塞，甚至使中空纖維內腔完全堵塞。微生物的存在對中空纖維超濾膜的危害性是極為嚴重的。除去原水中的細菌及藻類等微生物必須重視。在水處理工程中通常加入 NaClO 、 O 3 等氧化劑，濃度一般為 1 ～ 5mg/l 。此外，紫外殺菌也可使用。在實驗室中對中空纖維超濾膜組件進行滅菌處理，可以用雙氧水( H 2 O 2 )或者高錳酸鉀水溶液循環處理30 ～ 60min 。殺滅微生物處理僅可殺滅微生物，但並不能從水中去除微生物，僅僅防止了微生物的滋長。
B 、降低進水混濁度：
當水中含有懸浮物、膠體、微生物和其他雜質時，都會使水產生一定程度的混濁，該混濁物對透過光線會產生阻礙作用，這種光學效應與雜質的多少，大小及形狀有關係。衡量水的混濁度一般以蝕度表示，並規定1mg/lSiO 2 所產生的濁度為1 度，度數越大，說明含雜量越多。在不同領域對供水濁度有不同的要求，例如，對一般生活用水，濁度不應大於5 度。由於濁度的測量是把光線透過原水測量被水中顆粒物反射出的光量、顏色、不透明性，顆粒的大小、數量和形狀均影響測定，濁度與懸浮物固體的關係是隨機的。對於小於若干微米的微粒，濁度並不能反映。
在海德能超濾膜法處理中，精密的微結構，截留分子級甚至離子級的微粒，用濁度來反映水質明顯是不精確的。為了預測原水污染的傾向，開發了SDI 值試驗。
SDI 值主要用於檢測水中膠體和懸浮物等微粒的多少，是表征系統進水水質的重要指標。 SDI 值的確定方法一般是用孔徑為0.45μ m微孔濾膜在0.21MPa 恆定水流壓水力下，首先記錄通水開始濾過 500ml 水樣所需的時間 t0 ，然後在相同條件下繼續通水15min ，再次記錄濾過500ml 水樣所需時間t15 ，然後根據下式計算：SDI= ( 1-t0/t15 ) ×100/15
超濾技術對 SDI 值的降低最為有效，經中空纖維超濾膜處理水的 SDI=0 ，但當 SDI 過大時，特別是較大顆粒對中空纖維超濾膜有嚴重的污染，在超濾工藝中，必須進行預處理，即採用石英砂、活性炭或裝有多種濾料的過濾器過濾，至於採取何種處理工藝尚無固定的模式，這是因為供水來源不同，因而預處理方法也各異。
C 、懸浮物和膠體物質的去除：
對於粒徑 5μ m以上的雜質，可以選用 5μ m過濾精度的濾器去除，但對於 0.3 ～ 5μ m間的微細顆粒和膠體，利用上述常規的過濾技術很難去除。雖然超濾對這些微粒和膠體有絕對的去除作用，但對中空纖維超濾膜的危害是極為嚴重的。特別是膠體粒子帶有電荷，是物質分子和離子的聚合體，膠體所以能在水中穩定存在，主要是同性電荷的膠體粒子相互排斥的結果。向原水中加入與膠體粒子電性相反的荷電物質(絮凝劑)以打破膠體粒子的穩定性，使帶荷電的膠體粒子中和成電中性而使分散的膠體粒子凝聚成大的團塊，而後利用過濾或沉降便可以比較容易去除。常用的絮凝劑有無機電解質，如硫酸鋁、聚合氯化鋁、硫酸亞鐵和氯化鐵。有機絮凝劑如聚丙稀醯胺、聚丙稀酸鈉、聚乙稀亞胺等。由於有機絮凝劑高分子聚合物能通過中和膠粒表面電荷，形成氫鍵和 “ 搭橋 ” 使凝聚沉降在短時間內完成，從而使水質得到較大改善，故近年來高分子絮凝劑有取代無機絮凝劑的趨勢。
在絮凝劑加入的同時，可加入助凝劑，如 PH 調節劑石灰、碳酸鈉、氧化劑氯和漂白粉，加固劑水下班及吸附劑聚丙稀醯胺等，提高混凝效果。
絮凝劑常配製成水溶液，利用計量泵加入，也可使用安裝在供水管道上的噴射器直接將其只入水處理系統。
D 、可溶性有機物的去除：
可溶性有機物用絮凝沉降、多介質過濾以及超濾均無法徹底去除。目前多採用氧化法或者吸咐法。
( 1 )氧化法 利用氯或次氯酸鈉( NaClO )進行氧化，對除去可溶性有機物效果比較好，另外臭氧( O 3 )和高錳酸鉀( KMnO 4 )也是比較好的氧化劑，但成本略高。
( 2 )吸附法 利用活性炭或大孔吸附樹脂可以有效除去可溶性有機物。但對於難以吸附的醇、酚等仍需採用氧化法處理。
供水水質調整
( 1 )供水溫度的調整
超濾膜透水性能的發揮與溫度高低有直接的關係，超濾膜組件標定的透水速率一般是用純水在 25 ℃條件下測試的，超濾膜的透水速率與溫度成正比，溫度係數約為 0.02/1 ℃，即溫度每升高 1 ℃，透水速率約相應增加 2.0 %。因此當供水溫度較低時(如< 5 ℃)，可採用某種升溫措施，使其在較高溫度下運行，以提高工作效率。但當溫度過高時，同樣對膜不利，會導致膜性能的變化，對此，可採用冷卻措施，降低供水溫度。超濾膜在水處理套用中的工藝。
( 2 )供水 PH 值的調整
用不同材料製成的超濾膜對 PH 值的適應範圍不同，例如醋酸纖維素適合 pH=4 ～ 6 ， PAN 和 PVDF 等膜，可在 PH=2 ～ 12 的範圍內使用，如果進水超過使用範圍，需要加以調整，目前常用的 PH 調節劑主要有酸( HCl 和 H 2 SO 4 )等和鹼( NaOH 等)。
由於溶液中無機鹽可以透過超濾膜，不存在無機鹽的濃度極化和結垢問題，因此在預處理水質調整過程中一般不考慮它們對膜的影響，而重點防範的是膠質層的生成、膜污染和堵塞的問題。
2 操作參數
正確的掌握和執行操作參數對超濾系統的長期和穩定運行是極為重要的，操作參數一般主要包括：流速、壓力、壓力降、濃水排放量、回收比和溫度。
流速
流速是指原液(供給水)在膜表面上的流動的線速度，是超濾系統中的超濾一項重要操作參數。流速較大時，不但造成能量的浪費和產生過大的壓力降而且加速超濾膜分裂性能的衰退。反之，如果流速較小，截留物在膜表面形成的邊界層厚度增大，引起濃度極化現象，既影響了透水速率，又影響了透水質量。最佳流速是根據實驗來確定的。中空纖維超濾膜，在進水壓力維持在 0.2MPa 以下時，內壓膜的流速僅為 0.1m/s ，該流速的流型處在完全層流狀態。外壓膜可獲得較大的流速。毛細管型超濾膜，當毛細管直徑達 3mm 時，其流速可適當提高，對減少濃縮邊界層有利。必須指出兩方面問題，其一是流速不能任意確定，由進口壓力與原液流量有關，其二是對於中空纖維或毛細管膜而言，流速在進口端是不一致的，當濃縮水流量為原液的 10 %時，出口端流速近似為進口端的 10 %，此外提高壓力增加了透過水量，對流速的提高供獻極微。因此增加毛細管直徑，適當提高濃縮水排量(回流量)，可以使流速獲得提高，特別是在超濾濃縮過程中，如電泳漆的回收時可有效提高其超濾速率。
在允許的壓力範圍內，提高供給水量，選擇最高流速，有利於中空纖維超濾膜性能的保證。
淨化過程
薄膜複合膜
>薄膜複合膜由超薄皮層(活性分離層)和多孔基膜構成。基膜一般是在多孔織物支撐體上澆築的微孔聚碸膜(即0.2μm厚)，超薄皮層是由聚醯胺和聚脲通過界面縮合反應技術形成的。
>薄膜複合膜的優點與它們的化學性質有關，其最主要的特點是化學穩定性，在中等壓力下操作就具有
>高水通量和鹽截留率及抗生物侵蝕。它們能在溫度0-40℃及pH2-l2間連續操作。像芳香聚醯胺一樣，這些材料的抗氯及其它氧化性物質的性能差。
第二部分：反滲透膜基本原理
反滲透是在壓力驅動下，水分子通過半透膜，而離子大部分被截留，從而達到水、離子分離的過程。
半透膜
半透膜是具有選擇性透過性能的薄膜。當液體或氣體通過半透膜時，一些組分透過，而另外一些組分被截留。實際上半透膜對於任何組分都有透過性，只是透過的速率相差很大。在反滲透過程中，溶劑(水)的透過速率遠遠大於溶解在水中的溶質(鹽分)。通過半透膜實現了溶劑和溶質的分離，得到純水以及濃縮的鹽溶液。
滲透與反滲透
超濾膜規格區別滲透是當流體在跨越半透膜屏障時的一種自然過程。如果將一箱純水用一張半透膜垂直分為兩部分，純水與理想半透膜的兩面以相同的溫度和壓力接觸，在這樣的條件下沒有跨越半透膜的水的流動產生，因為在膜兩側的化學勢完全相等。如果在其中一側加入溶解性鹽，鹽溶液一邊的化學勢降低了。純水便會向鹽溶液一側滲透，從而產生一個滲透流，直到化學勢的平衡重新建立為止。膜的物理和化學性質決定了在傳遞過程中水比鹽的優先地位。
膜系統
膜系統是指膜分離裝置單元。壓力驅動膜系統主要由預處理系統、升壓泵、膜組件(壓力容器和膜組件)、管道閥門和控制系統構成。
超濾膜是最早開發的高分子分離膜之一，在60年代超濾裝置就實現了工業化。超濾膜，是一種孔徑規格一致，額定孔徑範圍為0.001-0.02微米的微孔過濾膜。在膜的一側施以適當壓力，就能篩出小於孔徑的溶質分子，以分離分子量大於500道爾頓、粒徑大於2～20納米的顆粒。
有機膜
純淨水飲用設備有機膜主要是由高分子材料製成，如醋酸纖維素、芳香族聚醯胺、聚醚碸、聚偏氟乙烯等等。根據膜形狀的不同，可分為平板膜、管式膜、毛細管膜、中空纖維膜等。目前，市面上家用淨水器用的膜基本上都是中空纖維膜。
無機膜
反滲透純淨水設備無機膜中，陶瓷超濾膜在家用淨水器中套用比較多。陶瓷膜壽命長，耐腐蝕，但出水有土味，影響口感。同時陶瓷膜易堵塞，清洗不易。中空纖維超濾膜由於其填充密度大，有效膜面積大，純水通量高，操作簡單易清洗等優勢，被廣泛套用於家用淨水行業。
超濾膜篩分過程，以膜兩側的壓力差為驅動力，以超濾膜為過濾介質，在一定的壓力下，當原液流過膜表面時，超濾膜表面密布的許多細小的微孔只允許水及小分子物質通過而成為透過液，而原液中體積大於膜表面微孔徑的物質則被截留在膜的進液側，成為濃縮液，因而實現對原液的淨化、分離和濃縮的目的。每米長的超濾膜絲管壁上約有60億個0.01微米的微孔，其孔徑只允許水分子、水中的有益礦物質和微量元素通過，而最小細菌的體積都在0.02微米以上，因此細菌以及比細菌體積大得多的膠體、鐵鏽、懸浮物、泥沙、大分子有機物等都能被超濾膜截留下來，從而實現了淨化過程。
在單位膜絲面積產水量不變的情況下，濾芯裝填的膜面積越大，則濾芯的總產水量越多
其計算公式為： S內=πdL×n S外=πDL×n
其中：S內為膜絲總內表面積，d為超濾膜絲的內徑;
S外為膜絲總外表面積，D為超濾膜絲的外徑;
L為超濾膜絲的長度; n為超濾膜絲的根數。
內壓式和外壓式中空纖維超濾膜
一支超濾膜由成百到上千根細小的中空纖維絲組成，一般將中空纖維膜內徑在0.6-6mm之間的超濾膜稱為毛細管式超濾膜，毛細管式超濾膜因內徑較大，不易被大顆粒物質堵塞。
反滲透設備裝置是藉助壓力使水分子強迫透過對水分子有選擇透過作用的反滲透膜，即是反滲透淨水的原理，這種裝置為反滲透裝置根椐各種物料的不同滲透壓，可以大於滲透壓的反滲透法進行分離、提取、純化和濃縮。反滲透法的分離過程不需要加熱，沒有相變具有能耗少、設備體積小、工藝簡單、操作維修方便、無污染、適應性強、套用範圍廣泛等優點，已成為水處理技術的重要方法之一。可除去水中98%以上的溶解性鹽類和99%以上的膠體、微生物、微粒和有機物等，成為現代純水、太空水(超純水)工程首選的最佳設備。廣泛套用於：電子、醫療、食品、鍋爐補給水等工業中純水、超純水的製備。太空水、蒸餾水的製備及啤酒和飲料用水的淨化。高壓鍋爐補給水的預脫鹽處理。海水、苦鹹水的脫鹽淡化。製藥、輕紡、化工、食品等工業用於分離、濃縮、液體脫色為目的的工藝。工業生產中對水溶液進行有用物質的回收及套用。其它以分離細菌、熱源、膠體微粒及有機物為目的的分離過程。
影響膜性能的因素
反滲透過程的主要指標是產水通量和脫鹽率。對於一定的膜組件，產水量和脫鹽率受到給水水質條件和系統運行參數的影響，最基本的給水水質因素有含鹽量(濃度)、溫度和pH值等，運行參數有壓力、給水流量和回收率等。下面就關於對產水量和脫鹽率產生影響的各操作因子做一般論述。
給水濃度
一定壓力下當供給的原水濃度增高時，產水量就會減少。這是因為供給水的滲透壓變高，有效壓力降低的緣故。脫鹽率受濃度影響非常大。通常濃度提高，產水量就會降低的同時，脫鹽率也會降低。但是當非常低的濃度下，起初濃度增加，脫鹽率率也會稍許增加。隨後，隨著濃度的不斷增加脫鹽率就變的低下。
pH的影響
給水的pH值定義了它的酸鹼性。進水pH值對產水量幾乎沒有影響，而對脫鹽率有較大影響。由於水中溶解的CO2受pH值影響較大，pH值低時以氣態CO2形式存在，容易透過反滲透膜，所以pH低時脫鹽率也較低，隨pH升高，氣態CO2轉化為HCO3-和CO3-離子，脫鹽率也逐漸上升，在pH7.5～8.5間，脫鹽率達到最高。
溫度的影響
反滲透膜產水電導對進水水溫的變化十分敏感，隨著水溫的增加，水通量也線性的增加，進水水溫每升高1℃，產水通量就增加2.5%～3.0%;其原因在於透過膜的水分子粘度下降、擴散性能增強。進水水溫的升高同樣會導致透鹽率的增加和脫鹽率的下降，這主要是因為鹽分透過膜的擴散速度會因溫度的提高而加快。
