浅谈膜法用于水处理

王壮瑞（青岛科技大学，山东 青岛 266042）

1 膜分离技术简介

膜技术是当前高效的分离技术。在现代工业技术和人们的日常生活中扮演着相当重要的角色。膜技术已应用于国民经济的各个领域，如环境、医疗、食品，而最广泛的应用则是水处理。膜分离技术与传统分离技术相比，具有常温操作、无相态变化、分离效率高、能耗低、过程简单、操作方便、易于放大与自控等优点。然而，在膜分离技术中，膜材料的损耗及污染一直是影响膜技术全面大规模应用的障碍。

最初用于盐水过滤的膜分离技术始于1960年，美国的Loeb和Sourirajan制备出了第一张用于分离的不对称醋酸纤维素膜，具有较高的脱盐率和通量，用于反渗透技术。到70年代初期，三醋酸中空纤维膜和芳香族聚酰胺中空纤维膜的研制成功更促进了反渗透海水淡化的工业应用。同时，经过多年的技术改进，反渗透海水淡化在膜材料的合成、工艺的优化、能量的回收方面都有了极大的提升，使得膜法成为性价比最高的海水淡化方法，已发展为全球最主要的海水淡化技术。

现阶段，用于分离的膜一般为有机膜，其材料包括纤维素衍生物、聚砜类、聚酰胺类以及杂环含氮高聚物、聚酯类、聚烯烃、乙烯类高聚物、含硅高聚物、含氟高聚物、甲壳素类等。其分离机理是以外界能量或者化学位差为推动力，对气体或者液体进行分离、分级、浓缩、提纯净化等。膜分离现象在18世纪末，由法国的Abbe Nollet发现水能自然渗透到装有酒精溶液的猪膀胱内而发现的。直到19世纪初，出现了第一家制造过滤膜的企业。而后到20世纪50年代，膜分离技术得到大规模应用开发。

2 膜分离种类

目前，已经实现商业化的膜分离技术主要有微滤（MF）、超滤(UF)、纳滤(NF)、电渗析(ED)、反渗透(RO)、渗透汽化(PV)等。其中电渗析以电位差作为推动力，通过离子在电场中的传递，使得离子选择性的透过膜，使膜一侧为淡水，一侧为浓盐水。而其余过程均以压力差作为推动力，通过筛分或者扩散的机理，根据截留微粒的尺寸大小进行筛分过滤。其主要分离机理以及适用范围见表1和图1。

表1 主要膜分离方法及适用范围Table 1 Main methods and applications of membrane separation

水、溶剂筛分与扩散水、溶剂脱除溶液中无机盐、离子、小分子物质、氨基酸、糖类分子量大于100的有机物及溶解性盐水溶液中酸碱盐的脱除离子混合气体分离气体纳滤反渗透电渗析气体分离渗透汽化用于不水-有机物的分离蒸汽压力差压力差电位差压力差分压差溶解-扩散离子在电场中的传递筛分、溶解-扩散溶解-扩散0.001-0.01 0.001-0.01 0.001-0.01 0.0001-0.001 0.0001-0.001

图1 几种膜的分离性能Figure 1 The performance of membrane separation

3 膜分离机理

图2表示了截留的两种机理：

（1）膜表面截留

膜表面截留包括机械截留、吸附截留以及架桥作用。其中机械截留截留的是比膜孔径大的物质。而吸附截留是在物理吸附力的作用下吸附在孔壁上、架桥作用是截留的比膜孔径小的微粒。

（2）膜内部截留

膜内部截留是指微粒的截留发生在膜的内部而非表面。相对于膜面截留，膜内截留更不易清洗，膜内阻塞较多会使膜造成永久性污染。

图2 筛分机理截留示意图Figure 2 Scheme of interception mechanism

4 膜法进行水处理过程中存在的阻力

在膜法进行水处理过程中，通量的降低主要来源于过滤阻力的增加。膜的总体过滤阻力R可以分为以下六个部分：

Rm为膜面阻力；Rsad、Rpads分别为膜面吸附阻力和膜孔吸附阻力，都为物理吸附力；Rcp为浓差极化现象产生的阻力；Rpb为膜孔阻塞阻力；Rcr为膜表面滤饼产生的阻力。

其中Rm、Rsad、Rpads、Rcp为过滤过程中必然存在的阻力。吸附阻力为弱作用力，可利用高速水流冲洗来减小。Rcp为浓差极化现象产生的阻力。浓差极化现象是由于进液侧靠近膜的位置由于溶剂的渗透导致浓度升高，而引起流体阻力和渗透压的升高。其机理如图3所示。Rpb、Rcr是由进料液的杂质带来的，其中分为半可逆阻力和不可逆阻力，需要用化学清洗（酸、碱、氧化剂）来去除。

图3 浓差极化现象示意图Figure 3 Scheme of concentration polarization

5 结语

膜法作为一种新型有效的分离方法利用于水处理具有较高的应用价值。选择一种合适孔径的膜对过滤具有重要的意义。克服过滤过程中不同的阻力可以有效的提高过滤效率。提升过滤通量和过滤效果。