内压超滤膜丝单双端给水的纯水通量分布

张智超，苑宏英，汪艳宁，张玉忠，靖大为

（1.天津城建大学环境与市政工程学院，天津市水质科学与技术重点实验室，天津300384；2.天津工业大学材料工程学院，天津300387）

内压超滤膜丝单双端给水的纯水通量分布

张智超1，苑宏英1，汪艳宁1，张玉忠2，靖大为1

（1.天津城建大学环境与市政工程学院，天津市水质科学与技术重点实验室，天津300384；2.天津工业大学材料工程学院，天津300387）

强调了研究内压中空超滤膜丝纯水通量分布特性对于研究超滤工艺的意义，给出了单端给水方式与双端给水方式内压膜丝沿程通量的变化规律，分析了单端与双端给水内压膜丝沿程通量的压力特性及温度特性，比较了长膜丝与短膜丝沿程通量特性的差异，明确了内压中空超滤膜丝双端给水方式所具有的多项技术优势，为中空超滤膜组件及膜系统的运行分析提供参考。

中空超滤；内压膜丝；双向给水；通量分布

目前国内水处理领域中超滤（包括微滤）已成为广泛应用的典型工艺，其使用范围与处理水量远超反渗透等其他分离膜工艺。国内关于超滤膜领域的研究中，对其材料、结构、制备工艺及工作机理等方面的研究较多，而对于运行状态及运行特性方面的研究偏少〔1-2〕。该现象在一定程度上阻碍了超滤工艺优化的水平，降低了超滤工艺的效益，而超滤运行特性研究的一个重要方面就是膜丝的运行特性及其影响因素〔3〕。

超滤膜大多是中空结构，超滤膜丝是形成膜组件与膜系统的基本单元，研究膜丝运行特性是研究膜组件与膜系统运行特性的基础，研究膜丝运行特性的重点是研究膜丝的通量分布特性〔4〕。影响膜通量分布特性的内部因素主要包括膜丝径向的透水系数与膜丝轴向的阻力系数。膜丝的透水系数决定于膜丝材料、亲水性能、膜丝壁厚、膜孔径及孔隙率等参数。膜丝的阻力系数决定于膜丝内径及亲水性能等参数。影响膜通量分布特性的外部因素主要包括工作方式（内压与外压）、径流方式（全流与错流）、给水方式（单端与双端）、给水水质（纯水与污水）、给水压强、给水温度、膜丝长度等诸多参数。

笔者以较为简单的内压、全流方式及纯水水质为背景，研究中空超滤膜丝的单端与双端运行特性，重点是分析膜通量沿流程的分布特性。内压膜丝的纯水通量特性分析是内外压膜丝污水通量特性分析的基础，以及构建内外压膜组件与膜系统运行数学

模型的基础。

笔者针对天津工业大学产聚醚砜超滤内压中空“特定膜丝”（膜丝内、外直径分别为0.8、1.4mm，截留相对分子质量65 000，孔隙率85%）进行典型分析，重点针对给水压强、给水温度、膜丝长度及给水方式等影响通量分布的运行条件。文中后续内容中将该“特定膜丝”简称为膜丝。

中空超滤膜工艺的传统分析指标是特定跨膜压差条件下产水流量。如忽略产水侧压强，跨膜压差包括了膜丝给水压强与膜丝沿程压降的双重因素，且简单的产水流量数值掩盖了膜丝全境的通量变化过程。笔者在假设产水侧压强为零的前提条件下，将跨膜压差分解为给水压强与沿程压降，从而突出了膜通量沿膜丝流程的分布特性。

1 试验装置

在图1所示膜丝通量分布的试验装置中，以反渗透产水为超滤给水，以温控器控制给水温度，以减压阀控制工作压强，以压力表检测膜丝给水端及浓水端的压强。当控制阀全关时，为单端给水方式，两压力表分别显示膜丝的给水压强与浓水压强；当控制阀全开时，为双端给水方式，两压力表分别显示膜丝的两端给水压强。

图1 内压中空超滤膜丝通量分布试验装置

以漏斗与量筒组成的多个集水器收集并计量单位长度膜丝的产水流量，进而可换算出膜丝的局部产水通量。无论超滤器是卧式或立式运行，由位置高程产生的膜丝内外水体的重力压强均可相互抵消，故试验装置的悬空卧式膜丝放置方式等效于产水侧零压强的卧式或立式内压超滤丝的运行环境。文中所谓给水压强均为排除了静压的动压概念。

对于内压膜丝而言，由于丝内壁沿程阻力的存在，丝内的沿程压强必然逐渐降低，沿程通量随之逐渐下降。所谓通量分布特性，系指给水压强、给水温度、单端与双端给水及不同丝长对膜丝沿程通量分布的影响。

2 单端给水膜丝的通量压强特性

作为压力驱动膜过程，超滤膜丝运行的重要特点之一是其通量随压强的上升而增加。此外，图2所示膜丝的沿程通量压强特性表明，不同给水压强条件下，膜丝沿程通量的下降速率差异较小，而沿程通量的下降幅度差异较大。换言之，膜丝的给水压强越高，则给水流量越高，沿程的压降幅度越大，通量下降幅度越大。

图2 单端给水时产水通量的给水压强特性（20℃）

从污染概念分析，高压条件下的膜丝平均通量较高，平均污染速度较快，而低压条件下的沿程通量的差异较大，其污染失衡较为严重。

将图2曲线中的数据进行数值拟合〔5〕可得到膜丝通量F〔L/（m2·h）〕与给水压强P（MPa）及沿程位置L（cm）之间的函数关系，如式（1）所示。

根据该式揭示的函数关系，在给水温度20℃条件下，膜丝首端（L=0处）给水压强约为12.5 kPa时将开始出现初始产水通量。就整个膜丝而言，在给水温度为20℃时的膜丝“初始产水流量的临界压强”约为12.5 kPa。

此外，随着给水压强的上升，平均通量上升；但是，上升速率逐渐减缓，上升幅度逐渐降低。换言之，给水压强越高，以平均通量与给水压强的比值表征的膜丝运行效率越低。

3 单端给水膜丝的通量温度特性

源于超滤膜丝的材料特性与水体的温度特性，超滤膜丝运行的另一重要特点是其通量随温度的上升而增加。但是，与膜丝的通量压强特性不同，不同给水温度条件下，膜丝沿程通量的下降速率与下降幅度均很明显。如图3膜丝的沿程通量温度特性曲线所示，高给水温度条件下沿程通量的下降速率与下降幅度，均远高于低给水温度条件下的相应参数。

图3 单端给水时产水通量的给水温度特性（0.13MPa）

从污染概念分析，高温条件下的膜丝平均通量较高，平均污染速度较快，而低温条件下的沿程通量差异较小，其污染失衡程度的差异有限。

将图3曲线中的数据进行数值拟合，可得到膜丝通量F〔L/（m2·h）〕与给水温度T（℃）及沿程位置L（cm）之间的函数关系，如式（2）所示。

该式揭示的通量温度关系，既包含了膜材料的温度特性，也包含了水黏度的温度特性。

此外，膜丝的平均通量随给水温度的增加呈现出加速上升的趋势。

4 双端给水膜丝的通量特性

所谓双端给水系指立式或卧式膜丝两端给水且给水动压相等的运行方式。图4与图5分别是膜丝双端给水条件下的通量压强特性曲线与通量温度特性曲线。两图曲线的共同特点是，相同压强与相同温度条件下的膜丝两端位置的通量相等，而丝内径流从两端流向中端位置，进而中端位置的通量最低。

图4 双端给水时产水通量的给水压强特性（20℃）

图5 双端给水时产水通量的给水温度特性（0.13MPa）

与单端给水方式的数据相比较，双端给水方式的通量均衡优势明显。从图2与图4的相应曲线的比较以及从图3与图5的相应曲线的比较，可以看到双端给水与单端给水两方式的区别：

（1）宏观层面看，双端给水方式下，膜丝左右两段通量对称（而非另一段更低现象），相同给水压强条件下的平均通量较高，即膜丝运行效率或称膜丝利用率较高。

（2）微观层面看，单端给水的膜丝内前半段径流中存在后段的给水成分，因径流的流量较大故压降也大。双端给水的膜丝内前半段径流中没有后段的给水成分，因径流流量较小故压降也小。因此双端给水条件下，膜丝前后半段的压强与通量较单端给水更高，即膜丝运行效率或称膜丝利用率得到进一步提高。

（3）双端给水条件下的丝内压强与通量较为均衡，致膜丝污染趋于均衡。将图4曲线中的数据进行数值拟合，可得到膜丝通量F与给水压力P及沿程位置L之间的函数关系，如式（3）所示。将图5曲线数据进行数值拟合，可得到膜丝通量F与给水温度T及沿程位置L之间的函数关系，如式（4）所示。

5 不同长度膜丝的通量特性

无论是单端或双端给水，针对相同给水温度与给水压强条件，不同长度膜丝的通量分布的特性有二。其一，膜丝给水端的通量数值相等；其二，沿程通量的衰减速率与膜丝长度正相关。

膜丝越长，膜丝的总产水量越大，给水流量就越

大，接近给水端部分的压降就越大，且远离给水端部分的压强越低，并远离给水端部分的通量越低。因此，无论是单端或双端给水，膜丝长度越长，通量分布的均衡程度越差。图6与图7所示单端与双端给水条件下的通量分布曲线佐证了上述分析结论。

图6 单端给水时产水通量的膜丝长度特性（0.13MPa，20℃）

图7 双端给水时产水通量的膜丝长度特性（0.13MPa，20℃）

此外，较长的膜丝及膜组件具有平均造价较低的优势；但是，较长的膜丝及膜组件易于产生断丝等不利现象，因此膜丝及膜组件的长度选择需要由经济与技术的多项指标综合考虑。

6 结论

大量试验数据表明，由于制膜材料的不均匀与工艺参数的非恒定等因素的不可避免，即使是同一厂商、同一材质、同一工艺、同一批次的各棵膜丝，测得的通量分布特性仍然存在一定的差异。相对而言，大量同型膜丝并联形成的膜组件沿流程的通量分布特性具有较强的一致性，但试验与测试装置较为复杂。

笔者相关试验所得内压膜丝纯水通量分布特性数据表明：

（1）单端给水的平均通量与给水压强呈正相关关系，且随着给水压强的上升，平均通量趋于饱和。膜丝通量沿流程逐渐下降，但在不同给水压强条件下，沿程通量的下降速率变化较小，下降幅度的变化较大。

（2）单端给水的平均通量与给水温度呈正相关关系，且随着给水温度的增加，产水流量加速上升。膜丝通量沿流程逐渐下降，且在不同给水温度条件下，沿程通量的下降速率及下降幅度的差异均较大。

（3）双端给水方式较单端给水方式，在通量均衡程度、污染均衡程度、膜丝运行效率及膜丝利用率等方面均有明显优势。

（4）无论是单端或双端给水方式，较长膜丝的通量均衡程度均较差。

（5）关于污染速度问题的观点还有待进一步的试验验证。

［1］陈欢林.新型分离技术［M］.北京：化学工业出版社，2005：57-69.

［2］曹志普.介孔Al2O3/PVDF复合中空纤维膜的制备及其性能［J］.工业水处理，2015，35（5）：62-66.

［3］Li Xianhui，Li Jianxin，Wang Hong，etal.A filtrationmodel for prediction of local flux distribution and optimizationofsubmerged hollow fibermembranemodule［J］.AIChE Journal，2015，61（12）：4377-4386.

［4］靖大为，严丹燕，马孟，等.平板超滤膜元件的微分方程模型［J］.工业水处理，2012，32（4）：62-64.

［5］李志西，杜双奎.试验优化设计与统计分析［M］.北京：科学出版社，2010：212-242.

Pure water flux distribution in form ofsingle-ended and double-ended water supp ly of the internalpressure-type ultra-filtrationm em brane fiber

Zhang Zhichao1，Yuan Hongying1，Wang Yanning1，Zhang Yuzhong2，Jing Dawei1
（1.Key Laboratory of Tianjin Aquatic Scienceand Technology，Schoolof Environmentaland Municipal Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；2.Schoolof Materials Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

The significance of studying the pure water flux distribution characteristics of the internal pressure-type ultra-filtrationmembrane fiber to the study ofultra-filtration technology isemphasized.The change law of the internal pressuremembrane fiber along-path pure water flux in forms of single-ended water supply and double-ended water supply is given，and the pressureand temperature characteristicsof them analyzed.The differences of the characterstics of longmembrane fiber and shortmembrane fiber along-path flux are compared.Various technicaladvantages of the internal pressure type hollow ultra-filtrationmembrane fiber in form of double-ended water supply aremade clear.A reference hasbeen provided for the runninganalysison hollow ultra-filtrationmembranemodulesandmembrane systems.

hollow ultra-filtration；internalpressure-typemembrane fiber；bi-directionalwatersupply；fluxdistribution

TQ028.8

A

1005-829X（2016）11-0070-04

张智超（1991—），硕士研究生，技术研究方向为膜工艺。通信作者：靖大为，电话：13902085201，E-mail：david_j5996@sina.com。

2016-08-25（修改稿）