膜分離設(shè)備原理

液膜分離所用的設(shè)備取決于液膜的類型。采用乳化液膜時(shí)，以通用的萃取設(shè)備為主，輔以制乳的混合裝置和破乳的分離裝置。采用支持液膜時(shí),根據(jù)支持材料(微孔膜)的構(gòu)型，采用板框式或中空纖維式結(jié)構(gòu)。

由有機(jī)合成膜構(gòu)成的膜分離設(shè)備，主要類型為:①板框式裝置。在尺寸相同的片狀膜組之間，相間地插入隔板，形成兩種液流的流道。由于膜組可置于均勻的電場中，這種結(jié)構(gòu)適用于電滲析器。板框式裝置也可應(yīng)用于膜兩側(cè)流體靜壓差較小的超過濾和滲析。②螺卷式裝置。把多孔隔板(供滲透液流動(dòng)的空間)夾在兩張膜之間，使它們的三條邊粘著密合，開口邊與用作滲透液引出管的多孔中心管接合。再在上面加一張作料液流動(dòng)通道用的多孔隔板,并一起繞中心管卷成螺卷式元件(圖1)。料液通道與中心管接合邊及螺卷外端邊封死。多個(gè)螺卷元件裝入耐壓筒中，構(gòu)成單元裝置。操作時(shí)料液沿軸向流動(dòng)，可滲透物透過膜進(jìn)入滲透液空間，沿螺旋通道流向中心管引出。該設(shè)備適用于反滲透和氣體滲透分離，不能處理含微細(xì)顆粒的液體。③管式裝置。用管狀膜并以多孔管支撐，構(gòu)成類似于管殼式換熱器的設(shè)備，分內(nèi)壓式和外壓式，各用多孔管支撐于膜的外側(cè)或內(nèi)側(cè)。內(nèi)壓式的膜面易沖洗，適用于微過濾和超過濾。④中空纖維式裝置。中空纖維不需要支撐而能承受較高的壓差，在各種膜分離設(shè)備中，它的單位設(shè)備體積內(nèi)容納的膜面積最大。用中空纖維構(gòu)成類似于管殼式換熱器的設(shè)備(圖2)。中空纖維直徑約0.1~1mm，并列達(dá)數(shù)百萬根，纖維端部用環(huán)氧樹脂密封，構(gòu)成管板，封裝在壓力容器中。中空纖維式適用于反滲透和氣體滲透分離。

用于超過濾、反滲透、氣體滲透分離、滲析、電滲析以及液膜分離等一系列膜分離操作的設(shè)備。由于膜的構(gòu)型和分離過程各具特點(diǎn)，設(shè)備也有多種類型。有時(shí)根據(jù)過程目的或用途，分別稱為超過濾器、滲透器、滲析器、電滲析器或淡化器等，其未來發(fā)展趨勢為自動(dòng)化，簡潔化。

膜分離設(shè)備的核心技術(shù)就是膜分離技術(shù)，分離膜是具有選擇性分離功能的材料，工作原理是物理機(jī)械篩分原理，分離過程是利用膜的選擇性分離機(jī)理實(shí)現(xiàn)料液的不同組分間的分離或有效成分濃縮的過程。

膜分離技術(shù)設(shè)備與傳統(tǒng)的過濾不同在于:膜可以在分子范圍內(nèi)進(jìn)行選擇性地分離，膜的錯(cuò)流式運(yùn)行工藝可以解決污染堵塞問題，是一種科學(xué)先進(jìn)的分離技術(shù)和工藝。

膜分離的工藝應(yīng)用開發(fā)需以物料體系特性和工藝要求為基準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)開展科學(xué)驗(yàn)證，在解決物料精制難題的同時(shí)，還要保證工藝的可行性，并適合于工業(yè)化的清潔生產(chǎn)為標(biāo)準(zhǔn)。

城市污水深度處理和回用開始于20世紀(jì)60年代。城市污水具有量大、集中、水質(zhì)較為穩(wěn)定的特點(diǎn)，是一種潛在的水資源。城市污水深度處理通常以污水處理廠的二級(jí)或三級(jí)排放液為水源，用反滲透(RO)對它進(jìn)行最后的脫鹽，脫COD、BOD以及微量有機(jī)物和重金屬離子的脫除，出水水質(zhì)可達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。但由于某些主觀原因，大多不直接用作飲用水。國外常將其注入地下蓄水層或淡水水庫進(jìn)行自然凈化(通常需存放兩年)，也有用作工業(yè)冷卻水，鍋爐用水等非飲用目的。城市缺水制約著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，把城市的二級(jí)出水進(jìn)行處理后再生回用是解決水源短缺的一條途徑。二級(jí)排放液在進(jìn)RO裝置前需進(jìn)行預(yù)處理，以使進(jìn)水水質(zhì)符合RO裝置的使用要求。預(yù)處理的好壞是RO技術(shù)應(yīng)用成敗的關(guān)鍵。RO前采用MF或UF預(yù)處理的深度水處理過程已成為非直接飲用水回用工程中城市廢水處理的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外都在積極地采用膜技術(shù)大規(guī)模地把城市污水開發(fā)為新的水資源。我國采用"微絮凝纖維過濾+膜濾"對洗浴廢水進(jìn)行了研究，試驗(yàn)表明，此工藝具有出水穩(wěn)定、占地面積小的特點(diǎn)。天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)污水處理廠引進(jìn)挪威SBR序批式活性污泥法先進(jìn)工藝，每天可提供10萬噸二級(jí)生化處理出水作為水源，使污水深度處理后回用成為可能。我國的城市污水再生回用并不普及，膜技術(shù)在深度處理的應(yīng)用相對也很少，今后我們還需在污水的再生回用和深度處理技術(shù)上進(jìn)行研究。

由于工業(yè)的發(fā)展，大量工業(yè)廢水排入水體，這些工業(yè)廢水，面廣量大、危害深，大多含有不同濃度的化學(xué)物質(zhì)，其中有些具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而有些則具有毒性，對人類環(huán)境有害。為保護(hù)環(huán)境不受污染，并回收有用物質(zhì)，在工業(yè)廢水排放之前必須進(jìn)行凈化處理，膜分離技術(shù)既能對工業(yè)廢水進(jìn)行有效的凈化，又能回用其中的有用物質(zhì)，同時(shí)還可節(jié)省能源。膜技術(shù)在處理電鍍廢水、造紙廢水、重金屬廢水、含油廢水和印染廢水這五大類主要工業(yè)廢水中都得到了廣泛的應(yīng)用。

隨著人們生活水平的提高，對飲用水的水質(zhì)要求也越來越高，加上傳統(tǒng)工藝中的某些弊端，如加氯殺菌會(huì)使氯與水中的某些有機(jī)物反應(yīng)生成新的危害巨大的三致(致癌、致突變、致畸變)化合物。膜技術(shù)用于飲用水處理是一個(gè)重大突破。

水的凈化與純化是從水中去除懸浮物、細(xì)菌、病毒、無機(jī)物、農(nóng)藥、有機(jī)物和溶解氣體等，在這方面，膜分離技術(shù)發(fā)揮了其獨(dú)特的作用。膜分離中的微濾、超濾和納濾所組成的水處理方法，對去除水中的微米級(jí)的顆粒優(yōu)于常規(guī)水處理技術(shù)中的過濾能力，而且還具有去除過濾所不具備的納米級(jí)微粒的能力，可有效去除水中的懸浮物、細(xì)菌、病毒、無機(jī)物、農(nóng)藥、有機(jī)物和溶解氣體等雜質(zhì)。符合飲用水水質(zhì)不提高的要求。

我國是水資源大國，同時(shí)也是水資源貧國。海水作為水資源的重要組成部分，有效利用是解決我國水資源危機(jī)的重要措施之一。用于海水淡化的膜技術(shù)主要有反滲透、電滲透(ED)和膜蒸餾(MD)等。2002年，萬噸級(jí)反滲透海水淡化及其組器技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程被列入國家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目。海水淡化用發(fā)滲透膜的脫鹽率高達(dá)99.6%.反滲透技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展大大降低了海水淡化的成本，現(xiàn)在反滲透已成為海水淡化制取飲用水最經(jīng)濟(jì)的手段。電滲析技術(shù)可直接將海水淡化為飲用水，但其過程對不帶電荷的物質(zhì)，如有機(jī)物、膠體、細(xì)菌、懸浮物等無脫除能力，并且能耗高，水回收率低。所以，由于反滲透海水淡化技術(shù)的出現(xiàn)，電滲析法海水淡化的比例正在逐漸降低。膜蒸餾技術(shù)具有很高的脫鹽率，可達(dá)到99.7%以上，被用于小型海水淡化，對離子、膠體、大分子等不揮發(fā)組分和無法擴(kuò)散透過膜的組分的截留可到100%，并且具有設(shè)備簡單，操作容易，膜使用壽命長，能耗低等優(yōu)點(diǎn)。

我國西部省區(qū)嚴(yán)重缺水問題在中國這個(gè)缺水國家尤為突出，苦咸水淡化是解決我國西部省區(qū)缺水的一個(gè)有效途徑。用于苦咸水淡化的膜技術(shù)主要有:電滲析技術(shù)、反滲透技術(shù)、納濾技術(shù)。我國西部油田幾乎都用電滲析法制取生活飲用水。電滲析不能去除水中的有機(jī)物和細(xì)菌，設(shè)備運(yùn)行能耗大，這使其在苦咸水淡化工程的應(yīng)用受到限制?？嘞趟部捎靡患?jí)反滲透裝置脫鹽制得飲用水。反滲透系統(tǒng)淡化苦咸水，其出水水質(zhì)優(yōu)于我國飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。對含高氟、低礦化度苦咸水通過反滲透淡化，出水水質(zhì)可達(dá)到我國飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。反滲透法比電析法生產(chǎn)成本低，無污染，是苦咸水淡化最經(jīng)濟(jì)的方法。納濾是一種低壓反滲透技術(shù)，在較低的壓力下具有較高的脫鹽性能。對特定溶質(zhì)，尤其是苦咸水的表征離子，具有很好的脫鹽效果。對苦咸水較多的西部省區(qū)，納濾將是制取優(yōu)質(zhì)飲用水的有效途徑。