【2017年整理】膜水的基本原则

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1、膜水的基本原则 治疗 Alyson Sagle 和 Benny 弗里曼 1 简介 膜的出现与发展在 20 世纪 60 年代作为净化水质的一种可行的手段 高性能合成膜。 水处理膜的执行情况 使用新材料制成，并受聘于的更先进的膜已取得进展 各种配置。 在淡水资源的日益匮乏，助长了对推 如海水替代资源。 在 20 世纪 70 年代，勘探开始考虑使用膜 海水淡化。 证明是成功的在生产纯净水从盐水， 在水处理膜蒸发技术成为一种可行的替代 市场。 多年来，纯净水的标准更加严格，以及大量的 新的应用出现。 然而，膜具有上升的挑战，并继续 高效和有效地执行 1 。 背景 膜 水处理工艺 类型 采用几种类型的膜

2、 1 。 他们 包括微滤（MF），超滤（UF），反渗透（RO）和纳滤（NF） 膜（图 1） 2 。 MF 膜的最大孔径，通常拒绝大 颗粒和各种微生物。 超滤膜比 MF 膜收细毛孔 因此，除了大颗粒和微生物，它们可以拒绝细菌和 水溶性大分子，如蛋白质。 反渗透膜是有效的非多孔， 因此，排除颗粒，如盐离子，有机物，甚至许多低摩尔质量的物种 ， 等 2 NF 膜的相对较新，有时也被称为“松散”的反渗透膜 。 他们 多孔膜，但因为毛孔是 10 埃或更少的顺序上，他们表现出 反渗透和超滤膜之间的性能 3 。 标称孔直径（A） 1 10 100 1000 MF 用友 NF 反渗透 标称孔直径（A） 1 1

3、0 100 1000 MF 用友 NF 反渗透 图 1 名义膜孔径大小的范围 。 2 。 1 德克萨斯大学奥斯汀分校 1 第 2 页 膜特性。 膜一般分类为各向同性或各向异性。 整个截面各向同性膜的组成和物理性质的统一 膜。 各向异性膜在膜的横截面，非均匀 他们通常由层结构和/或化学成分各不相同。 各向同性膜可分为不同的子类。 例如，各向同性 可能是微孔膜。 微孔膜往往是准备从刚性 高分子材料与创建互连毛孔的大空隙 3 。 最常见的 微孔膜的相位反转膜（图 2a） 3 。 这是由 铸造聚合物和溶剂的解决方案，从电影，沉浸在流延膜 无溶剂的聚合物。 在这类应用中使用的大多数聚合物具有疏水性，使水

4、 是最常见的无溶剂 4 。 与水接触后，聚合物沉淀形成 膜。 另一种类型的微孔滤膜轨道蚀刻膜（图 2b ） 3 。 这种类型的膜是准备与带电粒子照射聚合物薄膜 攻击的聚合物链，留下损坏分子。 这部电影，然后通过 蚀刻液，和损坏的分子溶解产生圆柱形的毛孔，许多 这是垂直于膜表面 。 一个不太常见的微孔滤膜是一种 扩大膜膜（图 2c） 3 。 扩大电影膜导向的结晶 聚合物挤压和拉伸过程中创建的空隙。 首先，物 质是 使用快速提取率接近其熔点温度挤压。 然后，挤压材料 冷却，退火和延伸到其原始长度的 300 。 这种伸展的过程 创建裂隙状，大小不等，从 200 到 2500 A 的毛孔。 各向同性膜

5、也可以 要么缺乏毛孔或含有这么小的毛孔，以使膜的致密薄膜 有效的非多孔 3 。 这些影片是准备用溶剂的解决方案铸造 蒸发或熔融挤出。 （一） （二） 1 微米| | | | | | | | （三） 图 2。 倒相膜的 SEM 图像显示的顶面） 5 ，B）轨道蚀刻膜 5 ， 和 c）扩大菲林膜 6 。 2 第 3 页 （一） （二） 图 3）各向异性的微孔滤膜断面的 SEM 照片 。 7 和 b）交叉 薄膜复合膜的条 8 。 主要有两种类型的各向异性膜相分离的膜和薄膜 复合膜。 各向异性相分离的膜通常被称为勒布 Sourirajan 膜，指的是那些最初发展贷记人 3 。 这些相分离的膜化学成分均

6、匀，但不能在 结构。 勒布- Sourirajan 膜产生相位反转技术，如通过 如上所述，除非穿过膜的孔径和孔隙率不同 厚度（图 3a）。 勒布- Sourirajan 膜通常由一个相当致密层 聚合物表面上日益多孔层。 薄膜复合膜 化学和结构异质性（图 3b） 3 。 薄膜复合材料通常 包括一个高度多孔基板涂上薄薄的不同的聚合物致密膜。 他们 可以通过几种方法，包括界面聚合，溶液涂层，等离子 聚合或表面处理 3 。 以上的描述各向同性和各向异性 膜是指平板配置。 然而， 中空纤维膜也可以产生 3 。 像 平板，这些纤维可以各向同性或 各向异性。 他们也可以是致密或多孔。 通用 今天在工业上使用

7、的纤维是一个密集的各向异性 围绕一个多孔管的外层（图 4） 。 一个优势 中空纤维膜的是，他们有更多的表面 每单位体积的平板膜面积比 3 。 图 4。SEM 图像的空心 纤维的横截面 9 。 3 第 4 页 大多数的 MF，用友，反渗透和纳滤膜 膜材料 是人工合成的有机聚合物。 MF 和 UF 膜通常是由相同的材料，但他们准备下 不同的膜的形成条件，使不同孔径生产 4 。 典型的 MF 用友聚合物包括聚偏氟乙烯，聚砜，聚（丙烯腈） 聚（丙烯腈）聚（氯乙烯）共聚物 3 。 保利（聚醚砜）也是常用 用于超滤膜 3 。 MF 膜还包括醋酸纤维素，硝酸纤维素的混合物， 尼龙，聚（四氟乙烯） 3 。 反

8、渗透膜通常要么醋酸纤维素或 与芳香族聚酰胺涂层的聚砜 3 。 NF 膜是由醋酸纤维素 混纺或聚酰胺复合材料，如反渗透膜，或者他们可以修改用友形式 磺化聚砜膜如 10 。 也可准备从无机材料，如陶瓷或金属膜 3 。 陶瓷 膜微孔，热稳定性，耐化学腐蚀，通常用于 微滤 3 。 但是，如成本高的缺点和机械脆性 阻碍其广泛使用。 金属膜通常是由不锈钢制成，并可以 非常精巧多孔。 他们的主要应用是在气体分离，但它们也可以用于 在高温或作为膜支持的水过滤 11 。 膜组件 的模块有四个主要类型：板和框架，管状，螺旋 。 伤口，中空纤维（图 5） 3 。 模块板和框架，是最简单的配置 ， 两个端板，平板膜，

9、和垫片组成。 在管状模块， 膜往往是管内，料液通过泵管。 “ 纳滤或反渗透膜在工业上最流行 的模块是螺旋 伤口模块。 这个模块有一个平板膜穿孔的周围包裹渗透 收集管 3 。 饲料流量在膜的一侧 。 渗透是搜集有关 （二） （四） （三） 图 5。示意图一）板框，B）管状，C）的缠绕和 D）中空纤维模块 12 。 （一） 4 第 5 页 另一边向中心收集管膜和螺旋。 中空纤维用于海水淡化的模块组成，在中空纤维束 压力容器 3 。 他们可以有一个壳侧饲料配置饲料沿传递 纤维和出口之外的光纤末端。 在孔中空纤维模块也可以用来 方饲料配置，其中饲料是通过纤维分发 3 。 受雇的中空纤维 用于废水处理和

10、膜生物反应器中并不总是在压力容器使用。 纤维束可以暂停在饲料中的解决方案，并渗透是从一个收集 结束纤维 13 。 理论 通过膜流体输送的理论往往表现为如下 14 ： 一 AB 公司 一 一 v - = v v v （1） 其中 N 一 是组件的质量通量一个通过膜（每时间单位面积质量） ， 一 是 组件 A， V 的质量密度 v 通过质量流体的平均速度 膜 ， D AB 公司 组件膜的有效扩散系数 ， 一 v 是物质的密度梯度。 在膜的孔隙流作出了重大贡献通量， 达西定律是经常被用来表征质量平均速度 14 ： ） （ 克 p v v v v - - = （2） 其中 介质的达西定律通透性 ， 是

11、流体的粘度 ， P v 是压力 梯度（即压力变化率的位置 ）， 是溶液的密度 和 g v 重力矢量。 介绍式。 代入式（2） 1，限制运输的只有 X - 方向，这通常是膜表面垂直的方向， 忽略重力，收益率： DX DX DP 一 AB 公司 一 斧头 - = （3） 式中的第一个任期内。 3 表示由于压力驱动，通过毛孔对流质量通量 ， 第二项代表由于扩散通量。 通过多孔膜的扩散 通常可以忽略不计的相对对流 。 在这种情况下，流量是成正比的 压力梯度穿过细胞膜。 穿过细胞膜施加的压力差， 通常被称为跨膜压差，是执政的动力运输 液体通过多孔膜。 在应用方程的对流项 。 3 通过 UF 和 MF 膜

12、运输， 透气性好 ， ， 依赖，往往在一种复杂的方式，如孔隙度和因素 曲折的膜。 Tortuousity，是“曲折”的平均长度的比例 路径，流体必须前往透过膜传递到膜的厚度。 对于 例如，一个圆柱形孔垂直于表面的一个 tortuousity。 大多数阶段 5 第 6 页 反转膜有从 1.5 到 2.5 tortuousities 3 。 孔隙率，是空隙率 膜。 UF 和 MF 膜的孔隙率通常范围从 0.3 到 0.7 3 。 由于反渗透膜的有效无孔，整个分子的运输 膜扩散控制。 这意味着，该方程的第二个任期 。 3 控制助焊剂 穿过细胞膜。 水分子膜的上游面 SORB，弥漫 从下游穿过细胞膜，

13、并解吸下来的化学势梯度 面对膜。 第二步，通过膜的扩散速率决定 加强水上运输穿过细胞膜。 这种集体运输机制跨越 膜是通常被称为“溶解扩散”模式 14 。 开始与 更为普遍的大众运输模式，而不是由化学势梯度驱动 浓度梯度，反渗透的溶解扩散输运方程可 派生 14,15 ： - = p 大号 胡 （ ） （4） 其中 N 胡 是通过膜的水通量 ， P 是跨膜压差， 之间的饲料和渗透渗透压的差异， 和 L 是一个常数 描述膜本身的物理特性。 上下文内的 用来形容无孔薄膜的运输解决方案-扩散模型 ， L 是由 15 ： RTL DSV L = （5） 其中 D 是 S 是在膜的水扩散，在膜的水溶解度 ，

14、 V 是 水的摩尔体积 ， R 为理想气体常数 ， T 是环境温度 ， L 是 膜的厚度。 贝克和 Wijmans 审查中可以找到一个完整的推导 溶解扩散模型 15 最近在保罗的溶解扩散复检 反渗透模型 16 。 从式。 4，渗透压饲料和渗透的解决方案中起着作用 分离。 渗透压的压力需要引起溶剂（水）离开的解决方案 （海水，废水等），并通过膜的渗透。 对于一个理想的解决方案，与 完整的盐离子的解离，被定义为渗透压 17 ： CRT 显示器 = （6） 其中 是渗透压 ， C 是盐离子浓度 ， R 是理想气体常数， 和 T 溶液温度。 盐离子浓度，C 是给定的离子数量 每克水的水的体积除以解决方

15、案 。 表一列出的渗透 为水处理应用相关的几个解决方案的压力。 6 第 7 页 表一，典型的解决方案的渗透压值在 25 C 17 溶质 集中 （mg / L 的） 渗透压（PSI） 氯化钠 氯化钠 苦咸水 海水 2000 35000 2,000-5,000 32000 23 397 15-39 339 在反渗透，盐跨越膜的运输是水上运输的重要。 然而，不像水通量，这是都适用的跨膜压力驱动， 渗透压，盐通量只有盐的浓度的函数 3 ： ） （ 渗透 饲料 小号 彗星 彗星 乙 - = （7） 其中 N 小号 是通过膜的盐通量 ， B 是盐渗透不断描述 膜的物理特性 ， C 饲料 料液中盐的浓度，并 彗星 渗透 是渗透的解决方案中的盐分浓度。 类似于在 L 溶液- 扩散方程 ， B 是由 3 ： 升 K 乙 小号 小号 = （8） 其中 D 小号 是在膜中的盐 ， 钾扩散 小号 盐分配系数 ， L 是 膜的厚度。 然而，报告盐通量的值，而不是最膜 性能规格提供脱盐率值。 脱盐率，R 定义如下： 3 ： 100 x 1 - = 饲料 渗透 彗星 彗星 （9） 此外，水通量和盐通量互相依赖。 方程 10 有关水通量