一探膜分離技術，從“基礎夯實”到“高手對答”

時間：2016-07-08 來源：水世界-中國城鎮水網 作者：hong6601

膜分離技術是指在分子水平上不同粒徑分子的混合物在通過半透膜時，實現選擇性分離的技術，半透膜又稱分離膜或濾膜；如今膜分離技術的應用日益廣泛，前景廣闊，為當今分離科學中最重要的手段之一。

本文分為兩大部分，第一部分是膜分離技術的基礎的梳理，第二部分是對膜分離的問題的深入探究。

本文整理自水世界論壇膜技術專區“膜分離”討論帖，作者hong6601，關于膜的問題，大家可以登陸水世界論壇積極提問，在討論中收獲啟發。點擊閱讀原文訪問論壇。

一、基礎夯實

膜是具有選擇性分離功能的材料，利用膜的選擇性分離實現料液的不同組分的分離、純化、濃縮的過程稱作膜分離。它與傳統過濾的不同在于，膜可以在分子范圍內進行分離，并且這過程是一種物理過程，不需發生相的變化和添加助劑。

膜的孔徑一般為微米級，依據其孔徑的不同（或稱為截留分子量），可將膜分為微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜。根據材料的不同，可分為無機膜和有機膜，無機膜主要是陶瓷膜和金屬膜，其過濾精度較低，選擇性較小。有機膜是由高分子材料做成的，如醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。

膜分離圖譜

膜法液體分離技術一般在精度上可以分為四類：微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）和反滲透（RO）�？蓞⒖枷旅娴姆蛛x圖譜。

膜結構的分類

膜根據結構主要分為四大類：管式、中空纖維、卷式和平板式。

（流道變化示意圖）

（不同種膜構成形式的優缺點）

錯流過濾與全流過濾

全流過濾：原液中的水分子全部滲透過超濾膜，沒有濃縮液流出，當原液中被分離物質濃度很低時,為了降低能耗，通常采用死端過濾，或全量過濾。

錯流過濾：在過濾時有一部分的濃縮液體從超濾膜的另一端排掉，當原液中能被膜截留的物質濃度很高時，膜的過濾阻力增長很快，此時多采用錯流過濾。

內壓式與外壓式

外壓式超濾膜元件的進水是在中空膜絲的外相走，也就是說壓力在膜的外側，過濾液在壓力的作用下從中空超濾膜絲的中間滲透出來 ；內壓式的進水是從中空膜的內相走，也是在壓力的作用下透過液滲出中空膜絲的外側來。在選用外壓式、還是選用內式？一要看膜的種類。二要看被處理的對象。

針對原水水質較好的情況下，內壓膜的優勢就來了，一方面，材料成本低一些，相對外壓膜 二方面，運行通量可以很大 綜合以上總成本都會比外壓式更有優勢

（內壓式與外壓式示意圖）

膜的構造示意圖

（超濾膜構造示意圖）

二、重要參數

進水水質是關鍵

今年以來，很多的耗材更換項目，更換反滲透膜的尤為多，由于系統不是我們做的，只要你換膜，其實不是那么簡單的事情，雖只是更換反滲透膜，現場的預處理工藝與你是息息相關的，像這樣的項目，希望大家務必要提高警惕，要盡可能將現場的各種運行參數了解清楚，這樣才好評估反滲透膜更換后的效果，否則，膜安裝了達不到效果，極難驗收。水質是源頭，源頭抓不準，早晚會出問題。

不同水質，通量等參數千差萬別

針對不同的進水水質，我們設計反滲透時要選擇的通量等參數可能千差萬別 大家務必要注意。隨便舉兩個例子，表1是是針對原水是自來水的水質要求，COD僅小于1.5�，F在對于反滲透進水的COD要求已經沒有特定的數據要求了，我們目前正在運行的一套中水回用系統，反滲透進水COD有80多。

設計通量與寬流道

設計通量是指：在標準溫度及標準液下膜的最大平均通水量。這個參數是超濾、RO及MBR共有的。設計通量的確定對于最終的設計尤為重要。不同種膜，參數差別很大，像設計通量 ，一般超濾的設計通量都在50以上 而大部分的MBR設計通量僅是10-20。

寬流道：反滲透膜在卷制的過程中，滲透側有較細的格網防止膜片粘粘，濃水側有較粗的格網，這個格網的厚度就是進水流道的厚度，如400ft2的膜，其進水流道厚度在28mil（約合0.7mm），而365ft2的膜，其進水流道厚度在31mil（約合0.8mm）；目前的反滲透膜，34mil當是最寬流道。原則上流道厚度較大的膜具有較好的抗污染性能，抗污染膜一般為31密耳或34密耳；選購時要根據水質、水型選擇膜，如果水質不是太好的話，則盡量選擇寬流道的膜，水質比較好的話，則選擇窄流道的膜。

三、故障與診斷

（反滲透故障診斷一覽表）

背壓及危害

反滲透水處理領域，背壓指的是產品水側的壓力大于給水側的壓力的情況。 卷式膜元件類似一個長信封狀的膜口袋，開口的一邊粘接在含有開孔的產品水中心管上。將多個膜口袋卷繞到同一個產品中心管上，使給水水流從膜的外側流過，在給水壓力下，使淡水通過膜進入膜口袋后匯流人產品水中心管內。 為了便于產品水在膜袋內流動，在信封狀的膜袋內夾有一層產品水導流的織物支撐層；為了使給水均勻流過膜袋表面并給水流以擾動，在膜袋與膜袋之間的給水通道中夾有隔網層。 膜口袋的三面是用粘結劑粘接在一起的，如果產品水側的壓力大于給水側的壓力，那么這些粘接線就會破裂而導致膜元件脫鹽率的喪失或者明顯降低，因此從安全的角度考慮，反滲透系統不能夠存在背壓。 由于反滲透膜過濾是通過壓力驅動的，在正常運行時是不會存在背壓的，但是如果系統正常或者故障停機，閥門設置或者開閉不當，那么就有可能存在背壓，因此必須妥善處理解決背壓的問題。

產水背壓

任何時刻，產水壓力高于進水或濃水0.3bar，復合膜就可能發生復合層間的剝離，可通過產水探測法來確定這類損壞， 當打開受到產水背壓嚴重損壞的膜葉時，通常還會看到平行于產水管的膜最外邊出現拆痕，常�？拷钔鈧鹊哪ご辰泳�處。膜的破裂最有可能出現在進水側、最外側和濃水側這三處粘接密封線附近，其他位置受到進水網絡地支撐，很多網格的小格內就會出現很多氣泡狀剝離，使得膜脫鹽層受到強烈拉伸，元件的脫鹽率降低。

四、清洗的必要性

給水進入反滲透系統后分成兩路，一路透過反滲透膜表面變成產水，另一路沿反滲透膜表面平行移動并逐漸濃縮，在這些濃縮的水流中，包含了大量的鹽分，甚至還有有機物、膠體、微生物和細菌、病毒等。在反滲透系統正常運行時，給水/濃水流沿著反滲透膜表面以一定的流速流動，這些污染物很難沉積下來，但是如果反滲透系統停止運行，這些污染物就會立即沉積在膜的表面，對膜元件造成污染。所以要在反滲透系統中設置自動沖洗系統，利用干凈的水源對膜元件表面進行停運沖洗，以防止這些污染物的沉積。

二、高手對答

①關于TMP

Q1：問個問題，我們uf規格寫的是tmp為2.1bar，應該指的是單支膜吧，我們uf是16支，可設計的tmp也是2.1bar，看nf的是單支膜最大壓降是1bar，每組膜最大不超過3.4bar，有點不懂，uf的16支膜tmp應該比2.1大吧，還是因為nf每組膜里面有4支膜，所以不一樣？

A1：平均跨模壓差=（P進+P濃）/2-P產水 壓差=P進-P濃 P進：進水壓力 P濃：濃水壓力 P產水：產水壓力。

Q2：追問，就是說uf不管幾支膜，只要計算平均壓差就可以？ 有點難以理解，假設我進水壓力5bar，濃水壓力為4bar，產水壓力為2.5把進水分成10份進入每支膜，那么每支膜的進水壓力肯定小于5，每支膜的濃水壓力肯定會小于4，每支膜的產水壓力也小于2.5，假設其中一支膜的壓力都取1/5，，則進水為1bar，濃水為0.8，產水為0.5，則單支膜的tmp為0.4，不知道我這樣說是否正確?

A2：超濾裝置一般是同一根母管，然后在分水到各超濾膜元件 我們一般都以整套裝置為準計算跨模壓差的

這樣給他解釋可能更清楚一些，超濾大多數情況下是并聯的。

②關于最高操作壓力

Q1：看dow說明書，nf90—400的，最高操作壓力是41bar，但是我們在運行的時候壓力才5bar左右，差這么遠？還有就是這最高壓降指的什么，難道是跨膜壓差？

A1：41是該款膜元件的最大承受壓力 你可以看看該款膜元件的測試條件。運行壓力常規就是這樣，大多在8公斤以內 1bar是單支膜的最大壓降。

A2：最高操作壓力指的是膜能承受的最高壓力，實際操作壓力不能高于這個，否則膜就廢了，但低于和遠低于這個數值都是沒有問題的。 除了家用膜（300psi）和海淡膜（1200psi），其他系列的膜最高操作壓力大部分都是600psi，因為它要適應不同的水質。

③關于拉伸強度

Q1：紅版給解釋一下超濾膜的拉伸強度和爆膜強度這些參數應用的意義吧，現在看看超濾膜(包括MBR)都很少提這此參數。

A1：拉伸強度應是膜絲斷裂為止所能承受的最大拉力 爆膜強度應屬于非主流叫法，意義應該相當 不過目前膜技術發展已經日新月異 強度問題已經不是什么難題了 故而，廠家可能也就很少宣傳這方面的參數了；目前拉伸強度最好的當屬PVDF材質 不過同樣PVDF材質，不同廠家的產品也存在較大差異。

④關于斷絲

Q1：紅版，講講斷絲神馬的唄。 比如，斷絲的原因、現象、危害等等。

A1：除去質量問題，由于單個膜組件就含萬根膜絲,由于長期運行過程中膜絲反復受拉擠作用,不可避免會出現少量斷絲。膜絲斷絲后出水水質將受到嚴重危害，水質將下降。這個回答不知對否？

A2：斷絲主要應該是來自兩個方面 1、操作導致 2、本身強度不夠導致。強度主要體現在材質方面，當屬PVDF較好。

⑤關于無機膜

Q1：無機膜使用壽命和耗材、強度都很好，好像很少用在MBR。不知什么原因？

A1：與有機膜相比，無機膜具有以下優點： 1、熱穩定性好，耐高溫，一般可以在400℃下使用，最高可達800℃ 以上,不老化、壽命長。 2、化學穩定性好，耐有機溶劑，耐酸堿，抗微生物侵蝕。3、機械強度大，擔載無機膜可承受幾十個大氣壓的外壓，并可反 向沖洗。 4、凈化操作簡單、迅速，價格便宜，保存方便。 5、孔徑分布窄，分離效率高。

目前，從技術上看，無機膜還存在如下缺點： 1、生產成本高，制造技術難度大。 2、無機膜易發脆，給膜的成型加工及組件裝備帶來一定的困難。 3、膜器安裝因密封的緣故，使其性能不能得到充分利用。

Q2：那么是否PVDF比PES強度更高，所以更不容易斷絲呢？

A2：是的 PVDF化學穩定性好，物理強度高 也是現在MBR膜的主流材質。

⑥關于內壓膜

Q1：內壓膜的優勢在哪里呢？

A1：針對原水水質較好的情況下，內壓膜的優勢就來了 一方面，材料成本低一些，相對外壓膜 二方面，運行通量可以很大，綜合以上總成本都會比外壓式更有優勢。

⑦關于膜通量一

Q1：污水回用，如果一級RO的膜通量為18 L/m2.h（回收率75%），那么濃水RO膜通量選取多少？（回收率60%） 麻煩紅版解答一下？

A1：參照下海淡系統，通量做到14LMH以下。 另，濃水的TDS是多少？主要是哪種鹽？濃水RO的濃水量有多少？如何處理？

Q2：濃水電導8000，鹽不知，濃水62.5噸每小時。原水250噸每小時。

A2：不知是哪個行業的回用系統，針對濃水的處理，通量、最小濃水量是一定要能保證的，通量14左右可以，不過我們也有系統是做到16的 最小濃水量格外重要的，要不然再低的通量也會很快堵塞。

A3：常規8寸膜的單支膜面積是37.2，照這么算下來，通量是13.44LMH

Q3：數據是怎么算出來的？

A4：就是 單只膜的產水量0.5T/H即500L/H 除以單只膜面積37.2m2 最終單位LMH。計算：500/37.2=13.44

⑧關于膜通量二

Q1：石油化工企業。通量最小可取到多少？

A1：通量建議不要低于0.5噸水每只膜 更要關注最小濃水量 當原水流經膜元件時，本身水源的水質就較差，如果最小濃水量得不到保證，那就會造成膜表面很低的流速，這樣污染物更容易在膜表面沉積，也就很容易造成堵塞。

⑨關于最小濃水量

Q1：紅版還要問一下最小濃水量怎么確定的？

A1：你用RO的計算軟件模擬一下。 如果低于最小濃水量，軟件會有報警提示的。可以采用濃水回流的方式調整。

A2：針對一般水源，最小濃水量是2.95T 水源水質較差的話（有機物含量高），最小濃水量可能要到9T（這個數據是小試做出來的）。

⑩關于流速問題

Q1：管道不變的情況下，我如何增加流速（cfv），增加一臺泵肯定沒問題是吧，那么泵出口的壓力應該是增加的吧 有本資料介紹說：“流速過大時反而會導致膜組件的產水量下降，這主要是因為由于流速加快增加了組件壓力損失而造成的，有效壓力降低“ 比如說進口壓力是5bar，出口是4bar， 增加流速后假設進口是6bar，出口是4bar，這樣也會降低通量嗎？（壓力都在中壓范圍內，既不考慮壓力過大使膜致密從而導致膜通量下降） 或者在不增加進口壓力的情況下，如何能提高流速，能一一解答最好。

A1：管徑≈18.8倍根號（流量/流速） 反之，流速≈流量/(管徑/18.8)的平方 通常，低壓管道流速控制在2m/s以內，高壓3m/s左右 泵的揚程是為了克服阻力損失和滲透壓而選定的 不明白為什么要通過提高泵的揚程來提高流速。

⑪關于溫度

Q1：請教紅版，關于水溫對UF膜和RO膜的影響。 1、最主要受影響的是哪些方面？產水量、產水水質，還是能耗神馬的？ 2、影響的趨勢和程度？尤其程度，有沒有經過測試的確切數值，或者僅僅是經驗值？ 3、不同品牌的膜受影響的趨勢是否相似？

A1：水溫對超濾及反滲透的影響主要表現就是產水量的變化 對超濾的產水水質影響不大 下面這組數據供你參考，是之前檢測出來的。

對反滲透來講，溫度下降1度，水量衰減3%，在操作壓力不變的情況下。

A2：當水溫太低時可能更困難！

嗯，是的 溫度控制應遵循反滲透的進水指標要求。

⑫關于納濾

Q1：紅版，要不給咱講講納濾唄。，我對NF一直云里霧里的。

A1：傳統的NF使用與反滲透類似 不過NF的優勢在于 1、操作壓力低，能耗低 2、對高價離子去除率高，尤其是硬度離子 3、綜合脫鹽率適中，針對有些場合較為核實，比如說食品飲料行業。

Q2：貌似垃圾滲濾液處理中也常用NF，是因為滲濾液中二價離子較多的緣故么？

A2：在垃圾滲濾液中采用納濾工藝主要有三方面的考慮 1、納濾對一價離子去除率很低，可確保相當一部分鹽分透過去，進而排掉，濃縮液如回灌填埋場或預處理后回調節池均不會引起鹽份在填埋場和滲濾液處理系統中的富集 2、運行成本低，操作壓力低能耗就低 3、產水率高。目前垃圾滲濾液的處理中，主要有兩種工藝 1、傳統工藝：外置式MBR+NF2、兩級DTRO。

Q3：目前的確如此，比較過沒，那個工藝優越一些？

A3：納濾相比反滲透可以做出更高的回收率這兩種工藝，第一種工藝，工藝路線廠，完善，穩定性較好，運行條件較為苛刻，維護繁瑣；第二種工藝，穩定性差，工藝路線短，維護方便，比較適合開開停�！�

Q4：完全理解，1、3有點兒不明白。 1、相當一部分的一價鹽跟著產水排掉，大部分的二價鹽跟著濃水回灌。

這樣理解不曉得對不對？ 3、產水率高何解？是因為NF通量可以選得比RO大么？還是回收率可以適當高一些呢？

A4：垃圾滲濾液項目的濃縮液處理是一個世界性的難題 目前大部分國家都是采用回灌 而回灌要盡可能降低鹽分的累計 如此，納濾就登場了 若是用反滲透，所有的鹽分都會截留在濃縮液中，若是這樣回灌就會造成鹽分成倍的累計，很有可能就不能滿足回灌的要求。

Q5：關于第2條，追問一句：結垢傾向如何？ 另外，NF系統的回收率一般怎么取？

A5：都得投加阻垢劑。

⑬關于通量三

Q1：請教紅版，最小的規格反滲透膜，是多少通量的，假如一天20m3水量，如何進行設備匹配，選型？

A1：通量的單位是LMH（即L/m2*h），是根據水質選擇的，設計導則上有不同水質的通量推薦范圍。 比較常用的小規格RO膜是2540的，即直徑2.5英寸長度40英寸。 當然還有更小的2521、2514等，常用于實驗裝置�；㈡ぴ涀鲞^一個產水量4噸每天的海淡裝置，用了3支2540的膜，通量在21LMH左右（其實是偏高了）。 傳個設計導則的截圖供你參考。

小結

膜分離與傳統過濾的不同在于，膜可以在分子范圍內進行分離，并且這過程是一種物理過程，不需發生相的變化和添加助劑。膜分離是在20世紀初出現，20世紀60年代后迅速崛起的一門分離新技術。膜分離技術由于兼有分離、濃縮、純化和精制的功能，又有高效、節能、環保、分子級過濾及過濾過程簡單、易于控制等特征，目前已廣泛應用于食品、醫藥、生物、環保、化工、冶金、能源、石油、水處理、電子、仿生等領域。

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