膜过滤应用手册.pdf

网易网易给排水给排水（） 膜过滤应用手册 膜过滤应用手册 实践技巧和提示 实践技巧和提示 2000 年 6 月 2000 年 6 月 介 绍介 绍 这是膜过滤应用手册第二版。为了提高这本手册的应用价值，新增了预处理、自动控制 和泵的描述。 这本手册是在膜过滤领域许多年实践的产物，它也是一个信息的综合。目的是提供一些 常见问题的信息，为初步介入膜过滤领域的新人提供一些帮助，回答一些问题。这本书对已 从事膜设备设计及建设的工程师 和在已建工厂工作的工程师都能提供许多有用的信息。 同时 对膜系统的设计和操作的学习也有较大的帮助。 本书提供的信息相对于理论计算和思索，更多的是实践经验。因此，它并不是技术学院 里的一本传统的教科书。虽然书中没有太多的数学计算，但它对于工业和学术应用都是非常 有用的，因为它含有膜过滤领域许多“老到”的经验，即使对于业内行家而言，它也并不是 一本出版物而已。 这本手册并不适用于那些纯粹的初学者，因为书中对膜和膜技术的描述比较具体，而简 略了一些基础的膜和化学知识。 本书中大多数的实例是基于平板膜（DDS 板框系统）和卷式膜组件DESAL。卷式膜组 件占了世界大多数的销售市场份额，而纤维膜系统、陶瓷膜系统和管式膜系统分享的市场份 额则相当小。由于他们在领域的地位，在 2000 年以前纤维膜系统、陶瓷膜系统和管式膜系统 想成为市场主导的机会极小。因此在本书关于他们的信息比较少。 在当今时代，膜正在被努力推广，但还未被消费者熟知，因为膜一般都隐藏在整个工业 系统中。有些行业依靠膜生产一些基础的产品，有些则利用膜解决一些复杂的分离过程，另 一些则用膜达到一些环保的标准。膜就象计算机一样很少人理解它们，而只有一些人喜欢 它们，但是我们都需要它们。即使我们不喜欢它们，但我们知道它们可以使生活更简便和舒 适。 开发高效、完好、经济的膜来处理各种液体包括废水的工作已进行 35 年。但是对于如何 让人们普遍了解建设和操作一个膜工厂的工作还有很长的路要走。希望本书能帮助避免许多 以往很容易的犯的错误。 同时我要真心感谢 Bjame Nicolaisen 提供的许多宝贵的技术上和语言上意见和建议，同时 感谢我的妻子作为我的同事参与了许多技术问题的讨论。同时也感谢以不同方式参与本书的 其它朋友 Jorgen Wagner Jorgen Wagner 1 网易网易给排水给排水（） 专业名词解释及约定 专业名词解释及约定 表 1、专业名词解释及约定 表 1、专业名词解释及约定 ATD 反套装置，可以防止卷式膜由于液体流动的张力而压缩。 CA 醋酸纤维素，一般有二价或三价醋酸。 CIP 清洗装置。在不拆除的情况下清洗系统。 Concentrate浓水 流经系统但不通过膜的液体的体积。可解释为进水不透过部分，也可称为盐水、 废弃物或在渗析过程中未通过半透膜而保留下来的滞留物。 Feed进水 进入膜系统的液体的体积。 Flow流量 一般指流经膜表面的液体的体积。 Lph 升/小时 Gpm 加仑/分钟 Gpd 加仑/天 Flux,water水通量 在特定条件的水的通量。在反渗透系统中水通量有特定的意义，而在其它的膜 系统中，它只用来指示膜是干净的，运行良好。 Flux通量 每单位面积、时间渗透的体积。 Lmh 升/（平方米.小时） lmhgfd*1,7 基于 US 加仑 gfd 加仑/（平方英尺.天） gfdlmh/1.7 基于 US 加仑 Gallon加仑 1 美国加仑3.785 升 1 英国加仑4.546 升 HF 超过滤;反渗透RO的另一名称. HMWC 大分子组分,如蛋白分子. Housing膜壳 安装卷式膜组件或其它类型膜膜元的膜过滤设备，也指压力容器 IC 内部接头，用于连接两个卷式膜组件。 Langelier index见 SDSI. 如果指标是正值，则可能指 CaCO3 比例。 如果指标是负值，则不可能指 CaCO3 比例。 2 网易网易给排水给排水（） MWCO（切割值） 分子量切割被称为道尔顿值，意味着超过 MWCO 的 90的分子量将被截留。对 于反渗透， MWCO 有一个清楚的定义， 但随着其值越高， 它的含义和值越含糊。 它和测试的膜的类型有关，对微滤则没有意义。 PAN 聚丙烯腈 Permeate透过液 透过膜的液体的体积（也可称滤液） ppm 每百万分子一。严格的讲，为每 1000 毫克溶液的毫克溶质。 与 mg/l 相当。 Pressure,average平均压 力 平均压力， （P 进水P 浓水）/2 Pressure,average平均压 力 NDP 平均净驱动压力是驱动液体通过膜的可用压力。 （P 进水P 浓水）/2P 透过液（H 浓水H 透过液） Pressure drop压降 膜系统、膜壳（压力容器）或膜组件进出口的压力损失 进水压力 进水泵的压力标准说法或在循环系统中进口至膜室的压力 渗透压 事实上是理论值。渗透压是盐含量和其它小分子量溶质的函数。理论上大分子 量组分不产生渗透压，但实际现象却象渗透压。电解液和小分子组分的渗透压 可以比较精确地计算，但大分子量组分的“渗透压”只能根据经验来定。渗透 压一般写成 PI 或П，ПI*n*R*T 压力单位 PSI磅/平方英寸14.5PSI1bar Bar 1bar0.1mPa100kPa PSPSO 聚砜聚醚砜或聚芳香醚砜 PVDF 聚偏二氟乙烯 Rentate滞留物 浓液的另一种名称 SDSI 索引 Stiff 和 David 饱和度索引。同 Langelier 索引，但用于高盐度水。见 Langelier 索 引 TFC,TFM 复合薄膜的缩写 THM 三卤甲烷。未说明其化学特性的一些化学组分，同卤素反应如氯生成有机基质， 如腐殖酸。它们被认为是致癌物质。 TMP 传导膜压。见平均压力 TS TDS 总固体；溶解性和悬浮固体的总和。 总溶解性固体。 以上值可表示为mg/l，ppm 或 3 网易网易给排水给排水（） 四种膜过程 四种膜过程 反渗透（RO）是液体/液体分离过程中最可能使用的膜分离过程。原则上水是唯一通过膜 的物质；特别是所有的溶解和悬浮的物质被截留。有时一些开放类型的 RO 膜和纳滤（NF） 膜会产生混淆。 真正的纳滤只截留超过一价的负电荷离子，如硫酸盐、磷酸盐,而能通过单价的负离子。 根据分子的大小和形状，纳滤也能截留不带电荷、 溶解性物质和正电荷离子。 纳滤对氯化 纳 0～50％ 的截留率主要决定于进水的浓度。而“ 宽 松 的 反 渗 透”是一种减少了盐截 留率的反渗透膜。由于盐截留率的减少可以降低压力和能耗，因此在有些项目上也是可以被 接受的。 超滤UF是大分子量组分HMWC，如蛋白质、悬浮固体被截留，而所有的小分子量组分 自由通过膜的过程。因此，单价和二价的糖类、盐、氨基酸、有机物、无机酸或氢氧化纳都 不能通过。 微滤MF过程理论上只有悬浮固体被截留，而其它甚至蛋白质都可以自由通过膜。但是 实际情况和理想状态有一定的差距。 下表是对以上内容的总结。 表二 四种膜过程的比较 表二 四种膜过程的比较 反渗透 RO 纳滤 NF 超滤 UF 微滤 MF 膜类型 非对称膜 非对称膜 非对称膜 对称膜 非对称膜 厚度 薄膜厚度 150μm 1μm 150μm 1μm 150250μm 1μm 10150μm 孔径 0,002μm 0,002μm 0,20,02μm 40,02μm 截流组分 HMWC，LMWC 氯化纳 葡萄糖 氨基酸 HMWC 单糖、多糖 和多聚糖、 多价负离子 小分子组分， 蛋白质， 多糖，病毒 颗粒， 粘土， 细菌 膜材质 醋酸纤维素CA, 薄膜 醋酸纤维素CA, 薄膜 陶瓷， 聚砜PSO, 聚偏二氟乙烯 PVDF, 醋酸纤维素CA, 薄膜 陶瓷， 聚丙烯PP, 聚偏二氟乙烯PVDF 膜组件类型 管式， 卷式, 管式， 卷式, 管式， 中空纤维， 管式， 中空纤维 4 网易网易给排水给排水（） 板框式 板框式 卷式, 板框式 操作压力 bar 15150 535 110 2 产品和膜过程 产品和膜过程 许多产品使用膜来处理， 但已销售的 80％以上的膜用于水的脱盐处理。 剩余的部分 205 被用于乳制品的处理，其余被用于各种液体的处理。其中某些液体属于废弃的产品，而某些 则是非常贵重的只要产物。表 3 列出了一些典型的应用，阴影部分代表主要的产物。注意 透过液和浓水都可以是需要的产物，而可以同时成为产物。 表 3 某些产物的膜过程类型 表 3 某些产物的膜过程类型 透过液 浓水 染色工艺排水 洁净水 BOD，盐，化学品，废弃产品 纯水 低盐水 含盐水 RO 乳清 低 BOD 透过液 乳清浓水 抗生素 含盐废弃物 脱盐浓缩抗生素 染色工艺排水 澄清含盐水 BOD/COD，色素 纯水 软化水 废弃物 NF 乳清 含盐废水 脱盐的乳清浓缩液 抗生素 澄清的发酵肉汤 废弃物 生物废气 用于交换的澄清液 可循环的微生物 胶 废弃物 浓缩胶 酶 废弃物 高价值产品 牛奶 乳糖溶液 用于奶酪产品的蛋白质浓缩液 乳化油 含油水游离油10ppm 高度浓缩的乳化油 洗涤废水 清水 脏水废弃物 纯水 清水 废弃物 乳清 乳糖溶液 乳清蛋白浓缩液 UF 黄原胶 废弃物 浓缩黄原胶 5 网易网易给排水给排水（） 膜的材料、结构和使用限制 膜的材料、结构和使用限制 膜材料 膜材料 在商务上由不同供货商提供的膜的选择方案看起来令人迷惑，因为许多材料都可以用来 做膜，而它们又有许多商务名称，实际上，真正使用的材质很少，并且大多数销售和使用的 膜只是一些很基本的类型。 整膜 整膜 醋酸纤维素CA醋酸纤维素CA是“最初的”膜，被用作 RO、NF 和 UF 应用。这种材料有一些缺陷， 特别是针对于 pH 和温度。 CA 其主要的优点是低价， 以及由于它的亲水性亲水性使其不易阻塞污染不易阻塞污染。 如今还有一些“顽固的”用户坚持购买“同样的膜直到最后” ，他们坚持使用 CA 膜是因为它 们还可以工作，但实际上 CA 膜的弱点是它们易被微生物吞噬易被微生物吞噬。 聚砜PSO聚砜PSO自从 1975 年以来已被广泛应用于 UF 和 MF 膜。PSO 的主要优点是它良好的耐 温和耐 pH 能力。实际上在食品和乳制品行业中，聚砜是唯一被大量使用的膜材料。原则上， 聚砜PSO膜不能抗油、油脂、脂肪和两极溶剂。然而，也有一种亲水类型的聚砜膜能违反此 原则，在乳化油行业应用良好。 聚偏二氟乙烯PVDF聚偏二氟乙烯PVDF是一种传统的膜材料，但是它并未被广泛使用，因为它很难使膜具 有良好且稳定的分离特性。它的主要优点是其高度的抗碳氢化合物和氧化环境的能力。 复合膜 复合膜 也称薄膜复合膜，它一般被缩写为 TFC 和 TFM，被用来代替醋酸纤维 RO 膜。其主要的 优点是同时具有较高的通量和很高的盐截留率， 用复合RO膜氯化钠的截留率一般可达99.5。 它们也有好的抗温度和 pH 的能力，但不能耐氧化环境。 复合膜有二层和三层的设计，但所有的都有精确的组分。一般来讲，一种薄膜复合膜由 一个 PSO聚砜膜作为其非常薄的表面层的支撑，在 PSO 超滤膜的表面层是一种聚合物。而 三层设计则在 PSO 支撑膜的上部有二层薄膜。 大约在 1980 年，Film Tec 主导了二层膜设计的市场，并很快成为水脱盐处理的行业标 准，直到现在这种类型的膜都占领了水脱盐处理的市场。 多年以来膜已有了很大的发展，但基础设计没有改变，如今已有好几家公司制造这种类 型的膜。 二十世纪八十年代中期，Desal 开始进行三层复合膜的设计。在水脱盐处理方面这种膜很 难和二层竞争，但在工业分离领域被证明可以工作得更好。三层膜更稳定，更不易阻塞污染。 它们一般用于 RO 和 NF，对于处理许多较难的分离过程，也是最佳的选择。Desal 是唯一生产 三层复合膜的制造商。 以下是根据膜的表面积来划分的全世界膜的消耗量。 复合 RO 膜 85％ 复合 NF 膜 3～5％ 聚砜 UF 和 MF 膜 5～7％ 其它膜 3～5％ “其它膜”包括聚丙烯PAN、陶瓷材料 SiO2和纤维素水解醋酸纤维素等。 膜材料的选择 膜材料的选择 6 网易网易给排水给排水（） 对于一个给定的分离过程选择合适的膜和膜材料是比较困难的，为了作出合适的选择必 须先提供一些有关分离过程环境的概要信息。第一步现确定可取的过程RO、NF、UF 或 MF 和适用的膜材料。可以选择对于过程环境最适合的膜材料。表 2四种膜过程的比较，表 3产 品和过程以及表 4一些膜材料的抗化学品性能可能对膜的选择有些帮助。 表 4 一些膜材料的抗化学性能 表 4 一些膜材料的抗化学性能 复合膜 CA PSO PVDF PAN SiO2纤维素 3Ph35℃ √ ╳ √ √ √ √ √ 腐殖酸 √ √ ╳ ╳ √ ╳ √ 蛋白质 √ √ √ √ √ √ √ 多糖 √ √ √ √ ╳ 纺织品 √ √ √ √ ╳ ╳ 脂肪族烃 ╳ ╳ ╳ √ √ √ √ 芳香烃 ╳ ╳ ╳ √ √ √ 氧化剂 ╳ √ √ √ √ √ √ 酮，酯 ╳ ╳ √ √ √ 酒精 √ ╳ √ √ √ √ √ √ 表示基于理论的信息或在实践应用中有不确定性。 除了已经应用的案例外，膜材料的选择是比较困难的，因为可以考虑的往往不止一种材 料。按一般原则，对于一个分离过程只有通过良好的计划和成功的试验才能为膜的选择提供 最佳方案。 PH 和温度耐受力 PH 和温度耐受力 在“膜材料”部分已讨论了不同的材料的 pH 耐受力。当确定一个膜过程的时候，仅仅考 虑膜材料是不够的。膜有好多种构型板框式、管式、卷式等。同一个膜系统包括许多其它的 组件，它们都有严格的 pH 限制。许多膜供货商规定的 pH 限制实际上是存在于整个膜系统中 的限制，而不只是膜本身，在整个系统中耐受力最差的材料决定了整个系统的 pH 限定范围。 目前主要的膜类型是卷式膜组件，虽然以下的说法对所有膜类型都适用，但我们还是以 卷式膜为例。 通常膜表面的衬背材料是一个限制因素。目前使用最广泛的衬背材料是聚酯PE。它具 有非常良好的温度稳定性，但受限于高 pH 环境。因此，许多膜说明书中列出了最高 pH 11.5 的限制。然而，许多膜可以以聚丙烯PP作为衬背，它具有非常良好的 pH 稳定性，但温度受 7 网易网易给排水给排水（） 限制，会给膜产品带来麻烦。因此我们的观点是当选定了合适的膜材料和膜构型后，必须确 定这种组合对于耐受过程的工作环境是可行的。 由于卷式膜组件含有许多其它的不同的高分子材料， 因此除了 PE 衬背材料外， 还可能有 一些其它的限制因素。一般中心管和反套装置/内部接头由 PVC 或 ABS 制成，这些材料都没 有良好的温度耐受力。聚砜PSO是一种价格贵得多的材料，但是可以提供良好的 pH 和温度 耐受力，因此它一般在工业过程中被选作中心管和反套装置/内部接头。 一个规定的 pH 限制一般有一个灵活的变化范围， 在其它条件正常的情况下短时间超过范 围不会有太大影响。通常低 pH 比高 pH 要好些。温度和 pH 同时超出范围一般都会引起较大 的问题。 复合膜和氧化环境 复合膜和氧化环境 目前世界上还在寻找能耐受 20ppm次氯酸钠的用于RO和NF的好的复合膜。 一些现有的复 合RO膜有氯耐受力，但它们仍不能满足目前的一般行业需要。 。相反，多数 薄膜复合膜TFM能较好地耐受过氧化氢，至少在限制浓度、低温和较短持续时间的条件下。 膜结构 膜结构 从表面看，所有的 RO、NF 和 UF 膜都是非对称型的。这将多数膜和一般的过滤器区分 开来，如咖啡过滤器，它们是对称型的，换句话说，在过滤器的两侧是对称的。 面向被处理的产品一侧膜有一个不透水的致密表层， 这也称为皮肤层。 它很薄， 一般0.1 μm。而膜本身在 150～250μm，大多数膜为皮肤层提供结构支撑。非对称结构意味着膜孔径 远大于致密表层的孔径，这样可以避免膜孔被堵塞。因此膜具有较好的抗污染能力，污染物 要么被完全截留要么全部通过。 以下是在较宽范围内列出的膜的孔径。 表 5 一般的膜孔径，μm 表 5 一般的膜孔径，μm MF 50.1 UF 0.10.01 NF，RO 0.001 理论上 迄今为止，还无法用显微镜从 RO 膜和 NF 膜中观察到小孔，但水还是透过了膜而盐被截 留了。 这意味着自从制造出第一张膜后的 35 年来研究膜的科学家并不真正了解膜是怎样的或 为什么有这些功能的，或至少他们并不了解其中的细节。而第一张膜是有人亲眼看到脱盐水 通过膜而产生的。如果他只是通过显微镜来观察膜，则他可能会拒绝接受这个事实，因为显 微镜中根本无法看到小孔，因此也不可能透过水。 尽管我们还无法了解以上的现象，但我们可以预言 RO 膜的应用将得到推广。而 NF 膜则 更困难些。但如果现在有三种溶剂在一种溶液中，我们只能选作 NF 膜进行分离，当然必须 先对进水进行精确而完整的分析。 8 网易网易给排水给排水（） 表 6 膜制造商 1996 年以来主要制造商的不完全统计 表 6 膜制造商 1996 年以来主要制造商的不完全统计 所属 公司 规模 管 式 膜 卷 式 膜 纤维 系统 陶 瓷 膜 R O N F U F M F 分离 水 ATM 小 √ 美国 √ √ DESAL Osmonics 中等 √ 美国 √ √ √ √ √ DSS 小 √ 丹麦 √ √ √ √ √ Film Tec Dow Chemicals 大 √ 美国 √ √ √ √ Fluid Systems Koch 中等 √ 美国 √ √ √ √ √ Hoechst 小 √ 德国 √ √ √ Hydranautics Toray 中等 √ 美国 √ √ Kiryat Weizman Koch 小 √ √ 以色 列 √ √ √ √ √ Koch/Abcor 中等 √ √ √ 美国 √ √ √ √ Membratek 小 √ SA √ √ √ Osmonics 中等 √ 美国 √ √ √ √ √ √ PCI Thames Water 小 √ UK √ √ √ √ SCT 小 √ 法国 √ √ Stork Friesland 小 √ 荷兰 √ √ Tami 小 √ 法国 √ √ Toray 中等 √ 日本 √ √ √ Trisep 中等 √ 美国 √ √ √ √ XFLOW 小 荷兰 √ √ √ √ 膜组件/组件设计 膜组件/组件设计 就象前面所提到的那样，目前市场上有许多种膜构型。 9 网易网易给排水给排水（） 卷式构型卷式构型占膜市场的主导。卷式膜的设计原本专用于水脱盐处理，但其紧凑的设计、低 廉的价格已吸引了其它行业。经过了许多试验和失败后，重新设计的组件已经可以用于许多 工业行业，如乳制品行业、纸浆和造纸行业、高纯水以及一些高温和极端 pH 的场合。但是， 大多数膜公司只为极端项目提供一种卷式膜。 管式膜管式膜已存在较长一段时间了。它的设计简洁而易于理解。许多大学院校喜欢用管式膜， 因此它易于计算雷诺数并将其传递系数理论化。管式膜有一个较大的优点，它们能较大范围 地耐悬浮固体和许多令人讨厌的纤维。 但所有的管式膜有以下几个缺点 占地面积大； 膜的更换困难且耗时多； 大口径1 英寸的管式系统能耗大； 内部体积大，周期性使用化学品和水冲洗和反冲洗耗费昂贵； 制造商改变管式设计投资大且困难。 有时管式系统的优点超过缺点，管式膜在市场上有一定的地位，虽然比较小。 板框式（板式）板框式（板式）系统早先由 DDS 主导，并在欧洲占据乳制品市场 15 年了。在 1989 年∽ 1995 年期间缺乏研发和居高不下的价格结构或多或少地扼杀了其设计进步。 目前在欧洲有一些新的适用的板框式系统。最有名的由 ROCHEM 设计。板式系统虽然价 格较贵，但能提供周密而完善的设计。现代的板式系统可以耐非常高的压力，超过 100bar。 因此在处理垃圾填埋沥出液和船上海水脱盐处理中需要极端压力情况下有一定的应用市场。 纤维构型纤维构型（有一种例外）类似于管式系统。只是纤维的内径很小，一般2mm。同大口径 管式膜最大的不同点在于纤维系统通常无需支撑，它们上市容易但价格相当昂贵。纤维系统 抗机械力差。因此它们一般仅在一定范围内使用，如纯牛奶超滤和乳化油等。 陶瓷膜构型陶瓷膜构型也非常昂贵。理论上说，陶瓷系统对微滤（MF）非常有效。事实上，其市场 非常小。 中空纤维构型中空纤维构型早先由杜邦公司用于海水脱盐。由于需要非常严格的预过滤，它们几乎不 用于销售。 卷式膜组件的分类和参数 卷式膜组件的分类和参数 市场上有许多种卷式膜组件。下表列出一部分。更多信息见 P16。 表 7 卷式膜组件的分类和参数 表 7 卷式膜组件的分类和参数 尺寸 组件外径；组件长度；中心管内径 外包装 纤维玻璃；带子；一些卫生级设计 组件末端 雄接头；雌接头 中心管 使用多种类型的聚合材料，聚砜成为工业应用的标准。 产品流道 30mil 相当于 0，75mm 47mil 相当于 1，20mm 90mil 相当于 2，30mm 甚至还有更宽的流道。1mil-1/1000 英寸 10 网易网易给排水给排水（） 流道类型 菱形标准；市场上有些自由通道设计 膜支撑 聚酯；聚丙烯 密封 U 形密封；唇形密封；无密封 ATD 防压缩装置 星形；盘孔形hole-plate type 胶水 较多类型 管式膜的分类和参数 管式膜的分类和参数 表 8 管式膜的分类和参数 表 8 管式膜的分类和参数 尺寸 管内径，一般 10.5 英寸； 管长，一般 3.35 米； 每个模块管的数量。 膜壳材料 不锈钢；PVC；无支撑 端盖 在一个包内平行并列连接管子； 串联连接管子。 板框系统的分类和参数 板框系统的分类和参数 “板框式”这个名称包括了许多不同构型的膜组件，所有的都使用平板式膜。其它系统 则包括卷式组件、管式膜或纤维系统。对于板框式系统，除了它们都是平板膜外，在组件中 板和模的排列有较大的区别。表 9 列出了主要的板框式产品。 表 9 板框式产品和组件列表（不完全） 表 9 板框式产品和组件列表（不完全） DDS M30 用作 RO 和 NF 的带有圆形膜的垂直组件，这种构型已陈旧。 DDS M35-M39 编号 3539 的具有椭圆形膜的一组平行组件。用作 UF 和 MF， 多数用于乳制品行业。特别适用于高粘滞性的产品。膜装于聚 砜支撑盘上。 Millipore 正方形盘式系统，多数用于实验室或小形制药产品。 Rochem 为圆盘管式的 8inch 圆形膜，用于 RO、NF 和 UF，使用与卷 式膜类似的膜壳。 这种类型的组件的工作压力可以超过 200bar。 Rhone Poulenc 同位素正方形组件，类似于一个盘式热交换器，只用于 UF 系 统。这种系统使用许多大的垫圈。几乎因陈旧而废除。 Valmet Flootek CR 过滤器是一个独特的系统， 可以在很脏的水中操作， 还能达 到高通量。但是其投资非常高。 11 网易网易给排水给排水（） 纤维系统的分类和参数 纤维系统的分类和参数 表 10 纤维系统的分类和参数 表 10 纤维系统的分类和参数 尺 寸 纤维的内径 纤维的长度 每个模块纤维的数量 壳材料 不锈钢 PVC 聚砜 不同膜组件之间的比较见表 11。 膜组件和组件的比较 膜组件和组件的比较 下表是不同类型膜组件和组件性能的定性比较。 表 11 几种膜组件的比较 表 11 几种膜组件的比较 管式膜 卷式膜 高价 低价 板框式 中空促纤维 系统 中空精细纤 维系统 陶瓷 膜密度m2/m3 高 低 平均 平均 很高 低 设备投资 低 高 低 高 很高 中等 很高 污染趋势 平均 低 平均 低 很高 中等 清洗难易 易 易 易 低 不能 易 可变成本 低 高 低 平均 平均 低 高 膜的更换，见 “注意 1” 不能 可以 不能 可以 不能 不能 可以 流量要求 中等 大 中等 中等 大 小 很大 预处理也可见 表 26 ≤50μm 不含纤维 滤网 ≤100μm 很少纤维 ≤100μm 很少纤维 ≤5μm 严格预处理 滤网 注意1膜系统只能按一种方式设计，膜的更换意味着整个硬件的更换。但管式和板式 膜换膜时可以仅换膜，其余系统不变。 12 网易网易给排水给排水（） 卷式膜组件 卷式膜组件 膜壳设计 在市场上有许多不同的膜壳设计，可以根据材料不锈钢和高分子或功能侧 面端口进出或通过端盖进出进行分类。 高分子膜壳一般都由加固的聚酯玻璃钢制成。这种设计已有 30 多年并工作良好。但也并 不是毫无问题。它们在地面水和海水的脱盐处理中运用良好，但对其余的产品却有些问题。 多数高分子膜壳使用一个拉紧环来稳固端盖。 不锈钢膜壳早先专用于乳制品行业。如今它们的应用已越发广泛了。结构上以侧端口作 为标准。一些不锈钢膜壳的结构和玻璃钢膜壳相同，这样会造成其端盖的难以移开。不锈钢 膜壳的内部需电镀磨光。否则几乎不可能将组件推进推出。 玻璃钢膜壳只有三种标准直径2.5 英寸、4 英寸和 8 英寸。不锈钢膜壳则有一个非常宽 泛的标准范围，且无标准直径。 不幸地是在欧洲，使用的大多数不锈钢膜壳运用的都是美国英寸度量标准，且标准的乳 制品尺寸较常见，但 2.5 英寸、4 英寸和 8 英寸直径的膜壳却较难找到。 表 12 是以上内容的总结。 表 12 玻璃钢和不锈钢膜壳的比较 表 12 玻璃钢和不锈钢膜壳的比较 玻璃纤维 不锈钢 压力 200bar 极少超过 80bar 温度 50℃ 100℃ 侧端进入 困难/很少 简单/标准 端盖进入 标准 非标/难用 卫生级 非 是可能 价格 100％ 150～200％ 2.5″，4.0″， 8.0″ 纯水标准 很少 3.8″，5.8″， 6.3″ 不适用 乳制品标准 6.0″ 军用标准 不使用 4.3″， 8.3″ 不适用 KOCH 乳制品标准 13 网易网易给排水给排水（） 图图 1 侧端进出口的不锈钢膜壳有两种4 口型，使用这种膜壳可以作为无外部产品副件的模 块，且另一种类型则使用内部副件的排列。见图 1使用者可以自己确定使用哪种类型，但 事实上大多数的系统都建成外部副件型。 侧端进入型的主要优点是在卫生级系统中允许高流量。但在水脱盐中很少使用。 卷式膜组件的尺寸在当今是非常关键的。外径、组件长度和中心管的内径都没有标准化。 因此更换组件使供货商变得非常困难，也给模块制造商带来许多麻烦。 每个膜壳内的组件数量－压降 为了确定每个膜壳内的组件数量，必须考虑以下几点 首先确定使用的是 RO/NF 还是 UF/MF； 然后审查整个处理过程； 第三，确定每个膜组件能耐受的压降值。 以下两点应更值得注意 传导膜压TMP膜壳进口和出口之间的压力变化； 通过每个膜壳的压降。 传导膜压代表了一个膜壳进口和出口之间的压力改变值。压力的降低是负荷通过膜组件 的结果。具体例子见表 13。 我们很容易理解的是，如果进水压力是 10bar，则进出口之间的压力变化很小，并可忽略 不计。但如果进水压力只有 1～5bar，那就完全不同了。因此，在一个膜壳中所有的组件最好 有相同的传导压力。而在低压操作中，组件的最大数量将减少。下表将作出相应说明 表 13 卷式膜组件的压降举例 表 13 卷式膜组件的压降举例 例如一个膜壳中有 4 个组件，每个组件的压降是 0.7bar，相当于每个膜壳的压降为 2.8bar。 进口压力，bar 出口压力，bar 平均传导压力，bar 4，0 1，2 2，6 16，0 13，2 14，6 表 14 每个 40″组件的压降bar 表 14 每个 40″组件的压降bar 组件类型 Mil 尺寸 最大运行压力， bar 一般压力， bar 最终用户使用 压力，bar 标准纯水 30 2.5″ 4.0″ 8.0″ 0.7 0.3 0.1～0.7 乳制品 30 3.8″ 4.2″ 5.8″ 6.3″ 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.7 0.7 0.7～1.2 0.7～1.2 0.5～1.2 0.5～1.2 14 网易网易给排水给排水（） 特殊场合 47 90 90 4″ 4″ 6″ 1,2 1,2 1,0 1,0 1,2 1,0 0,5～1,0 0,5～2,0 0,5～1,2 表 15 每个膜壳内的组件数量 表 15 每个膜壳内的组件数量 RO NF UF MF 纯水 一般 范围 6 1～8 6 1～6 3 1～4 2 1～2 液体分离 一般 范围 4 1～4 4 1～4 3 1～3 2 1～2 膜和系统的局限性 膜和系统的局限性 温度 温度 膜的一般简介 膜的一般简介 以醋酸纤维作材料的膜有其本身的温度限制，其上限操作温度大约在 35℃。 PSO、PVDF 和 PAN 材料能耐较高的温度。PSO 和 PVDF 膜据称可在 95℃下操作而没问 题。PSO 的操作温度更可达 120℃。 一般来说复合膜的操作温度至少可达 80℃，在低压情况下，它们可经受更高的温度，如 热消毒时。 膜系统的耐温能力大多数情况下并不仅受膜本身的温度限制而限制，而更主要受膜的构 型和膜系统中的其它组件的限制。 卷式膜组件 卷式膜组件 一般卷式膜组件的温度上限为 45℃。这个限制对用于水脱盐的标准组件是有效的，但目 前市场上已有能耐更高温度的卷式膜组件。虽然在水脱盐中 45℃并不是一个最高温度限制， 但对于食品和分离行业的个案却有问题。经过了许多试样和失败后，一些公司已经成功地研 制出了耐温稳定的膜组件。 多年来用于乳制品行业的组件已可以在比供货商原先说明的更高的温度和压降下操作 了。如今，在乳制品行业标准组件的真正温度限制是 55℃，在正常操作中很少会在这个温度 下操作。 一种新型的具有标准的 30mil 菱形流道的组件可以耐受更高的温度。这种组件的销售名 称为 Duratherm。这些组件可以在 70℃下持续操作，短时期可加温到 90℃，而同时可保持正 常的膜使用寿命。但必须注意通量，并保持低于 35lmh，这样可以确保操作压力保持低压。关 于标准进水流道的使用，这种类型的组件只用于纯水操作。 有较宽进水流道的组件可以在进水含较高溶解性固体的情况下操作。标准膜组件使用 50mil的流道，但较宽的流道可达 90mil，可以处理较难处理的液体。用这种类型的膜，这些组 件可以持续操作在 90℃温度下。来自DESAL TM 公司的此种类型的膜其销售名称为 15 网易网易给排水给排水（） DURATHERMEXCEL。好的温度稳定性可以确保这些组件彻底灭菌，或者它们可以持续操 作在理论上微生物不会有任何生长的温度下。 胶的超滤中的膜可以喜爱 80～90℃下操作多年。最近一个个案表明除硅石的蒸发器冷凝 物的 RO 处理其操作温度接近 90℃。 记录表明DESAL TM膜组件已经在工业领域起主导地位，可以在 140℃无水操作。这可能 已经非常接近高分子膜的极限。 表 16 卷式膜已经的温度限制 表 16 卷式膜已经的温度限制 持续最大温度， ℃短时间最大温度，℃ 标准纯水组件 最大温度，℃ 最大压力，bar 45 42 50 42 4″，6″乳制品组件 最大温度，℃ 最大压力，bar 50 42 55 42 DESAL TM组件，特殊流道 最大温度，℃ 最大压力，bar 45 42 80 5 Duratherm组件 最大温度，℃ 70 90 DurathermEXCEL 组件 最大温度，℃ 80 90 请仔细阅读供货商提供的有关膜组件的说明书请仔细阅读供货商提供的有关膜组件的说明书，关注如 pH、通量和压力等方面的限制关注如 pH、通量和压力等方面的限制。 高温操作一个正面的影响是 高温可以增加通量见优化压力和温度一节。 90℃下操作可 以在相同压力下将通量从 100％提高到 300％。但更好的方法是将压力NDP减少到三分之一， 这样可以减少电耗。 高温一般被认为问题比较多。但作者也经常发现即使在高温下比常温必须对一些细节 予以更多的关注和重视，但高温膜操作还是有许多优点。我们应注意主要的原则温度越高， 必须越关注其组件和膜的物理特性。 －过大的传导膜压力将使膜变得非常平压紧，导致不可挽回的通量的下降。 －过大的压降将导致膜和/或构件的高分子材料移动， 有时破裂， 最终导致膜的彻底损坏。 除了卷式膜外的其它系统。 纤维系统一般可耐温达 80℃； 无支撑磨管的低价管式膜系统一般注明最大操作温度为 35℃； 有支撑的高价管式膜系统，如一个不锈钢的支撑排列可以耐温超过 80℃； 中空精细纤维系统温度限制80℃，但一些较陈旧的系统在高温操 作时压力稳定性有些问题。 压力 压力 所有的膜对压力都是敏感的。 “压紧”compaction一词常用于描述由于压力而导致膜的不 可反转的“变平” 。除了膜本身受到的危害外，其至关重要的是要有适当的支撑，防止压力将 16 网易网易给排水给排水（） 膜挤压入支撑材料。 因此仔细地阅读和遵守供货商的说明书是非常重要的。通常这类说明书不仅基于理论计 算而且得之于实践经验，因此我们何必去重复别人的失败经历呢 表 17 典型的压力限制，bar 表 17 典型的压力限制，bar 标 准 特 殊 管式膜，有支撑 42 70 管式膜，无支撑 7 － 管式膜系统 42 70，120 板框式系统 40 200 粗纤维系统 25 － 精细纤维系统 70 200 “压紧”是由于压力和温度引起的。见表 18 表 18 避免压紧的指导方针不适用于 CA 膜 表 18 避免压紧的指导方针不适用于 CA 膜 压 力 80℃ 保持压力低于 5bar，有些不可避免的压紧 关于膜的最大允