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1、膜过滤应用手册 实践技巧和提示 2000年6月 介 绍 这是膜过滤应用手册第二版。为了提高这本手册的应用价值，新增了预处理、自动控制和泵的描述。 这本手册是在膜过滤领域许多年实践的产物，它也是一个信息的综合。目的是提供一些常见问题的信息，为初步介入膜过滤领域的新人提供一些帮助，回答一些问题。这本手册对已从事膜设备设计及建设的工程师 和在已建工厂工作的工程师都能提供许多有用的信息。同时对膜系统的设计和操作的学习也有较大的帮助。 本手册提供的信息相对于理论计算和思索，更多的是实践经验。因此，它并不是技术学院里的一本传统的教科书。虽然书中没有太多的数学计算，但它对于工业和学术应用都是非常有用的，因为
2、它含有膜过滤领域许多“老到”的经验，即使对于业内行家而言，它也并不是一本出版物而已。 这本手册并不适用于那些纯粹的初学者，因为书中对膜和膜技术的描述比较具体，而简略了一些基础的膜和化学知识。 本手册中大多数的实例是基于平板膜（DDS板框系统）和卷式膜组件(DESAL)。卷式膜组件占了世界大多数的销售市场份额，而纤维膜系统、陶瓷膜系统和管式膜系统分享的市场份额则相当小。由于他们在领域的地位，在2000年以前纤维膜系统、陶瓷膜系统和管式膜系统想成为市场主导的机会极小。因此在本书关于他们的信息比较少。 在当今时代，膜正在被努力推广，但还未被消费者熟知，因为膜一般都隐藏在整个工业系统中。有些行业依靠膜
3、生产一些基础的产品，有些则利用膜解决一些复杂的分离过程，另一些则用膜达到一些环保的标准。膜就象计算机一样：很少人理解它们，而只有一些人喜欢它们，但是我们都需要它们。即使我们不喜欢它们，但我们知道它们可以使生活更简便和舒适。 开发高效、完好、经济的膜来处理各种液体包括废水的工作已进行35年。但是对于如何让人们普遍了解建设和操作一个膜工厂的工作还有很长的路要走。希望本书能帮助避免许多以往很容易的犯的错误。 同时我要真心感谢Bjame Nicolaisen提供的许多宝贵的技术上和语言上意见和建议，同时感谢我的妻子作为我的同事参与了许多技术问题的讨论。同时也感谢以不同方式参与本书的其它朋友！ Jorg
4、en Wagner 专业名词解释及约定 表1、专业名词解释及约定 ATD 反套装置，可以防止卷式膜由于液体流动的张力而压缩。 CA 醋酸纤维素，一般有二价或三价醋酸。 CIP 清洗装置。在不拆除的情况下清洗系统。 Concentrate(浓水) 流经系统但不通过膜的液体的体积。可解释为进水不透过部分，也可称为盐水、废弃物或在渗析过程中未通过半透膜而保留下来的滞留物。 Feed(进水) 进入膜系统的液体的体积。 Flow(流量) 一般指流经膜表面的液体的体积。 Lph 升/小时 Gpm 加仑/分钟 Gpd 加仑/天 Flux,water(水通量) 在特定条件的水的通量。在反渗透系统中水通量有特定
5、的意义，而在其它的膜系统中，它只用来指示膜是干净的，运行良好。 Flux(通量) 每单位面积、时间渗透的体积。 Lmh 升/（平方米.小时）：lmh=gfd*1,7 (基于US加仑) gfd 加仑/（平方英尺.天）：gfd=lmh/1.7 (基于US加仑) Gallon(加仑) 1美国加仑=3.785升 1英国加仑=4.546升 HF 超过滤;反渗透(RO)的另一名称. HMWC 大分子组分,如蛋白分子. Housing(膜壳) 安装卷式膜组件或其它类型膜膜元的膜过滤设备，也指压力容器 IC 内部接头，用于连接两个卷式膜组件。 Langelier index(见SDSI.) 如果指标是正值，则
6、可能指CaCO3比例。 如果指标是负值，则不可能指CaCO3比例。 MWCO（切割值） 分子量切割被称为道尔顿值，意味着超过MWCO的90%的分子量将被截留。对于反渗透，MWCO有一个清楚的定义，但随着其值越高，它的含义和值越含糊。它和测试的膜的类型有关，对微滤则没有意义。 PAN 聚丙烯腈 Permeate(透过液) 透过膜的液体的体积（也可称滤液） ppm 每百万分子一。严格的讲，为每1000毫克溶液的毫克溶质。 与mg/l相当。 Pressure,average(平均压力) 平均压力，（P进水+P浓水）/2 Pressure,average(平均压力) NDP 平均净驱动压力是驱动液体通
7、过膜的可用压力。 （P进水+P浓水）/2P透过液（H浓水H透过液） Pressure drop(压降) 膜系统、膜壳（压力容器）或膜组件进出口的压力损失 进水压力 进水泵的压力(标准说法)或在循环系统中进口至膜室的压力 渗透压 事实上是理论值。渗透压是盐含量和其它小分子量溶质的函数。理论上大分子量组分不产生渗透压，但实际现象却象渗透压。电解液和小分子组分的渗透压可以比较精确地计算，但大分子量组分的“渗透压”只能根据经验来定。渗透压一般写成PI或，=I*n*R*T 压力单位 PSI(磅/平方英寸)：14.5PSI=1bar Bar: 1bar=0.1mPa=100kPa PS(PSO) 聚砜(聚
8、醚砜或聚芳香醚砜) PVDF 聚偏二氟乙烯 Rentate(滞留物) 浓液的另一种名称 SDSI索引 Stiff和David饱和度索引。同Langelier索引，但用于高盐度水。见Langelier索引 TFC,TFM 复合薄膜的缩写 THM 三卤甲烷。未说明其化学特性的一些化学组分，同卤素反应如氯生成有机基质，如腐殖酸。它们被认为是致癌物质。 TMP 传导膜压。见平均压力 TS TDS 总固体；溶解性和悬浮固体的总和。 总溶解性固体。 以上值可表示为：mg/l，ppm或% 四种膜过程 反渗透（RO）是液体/液体分离过程中最可能使用的膜分离过程。原则上水是唯一通过膜的物质；特别是所有的溶解和悬
9、浮的物质被截留。有时一些开放类型的RO膜和纳滤（NF）膜会产生混淆。 真正的纳滤只截留超过一价的负电荷离子，如硫酸盐、磷酸盐,而能通过单价的负离子。根据分子的大小和形状，纳滤也能截留不带电荷、 溶解性物质和正电荷离子。 纳滤对氯化纳050 的截留率主要决定于进水的浓度。而“ 宽 松 的 反 渗 透”是一种减少了盐截 留率的反渗透膜。由于盐截留率的减少可以降低压力和能耗，因此在有些项目上也是可以被接受的。 超滤(UF)是大分子量组分(HMWC)，如蛋白质、悬浮固体被截留，而所有的小分子量组分自由通过膜的过程。因此，单价和二价的糖类、盐、氨基酸、有机物、无机酸或氢氧化纳都不能通过。 微滤(MF)过
10、程理论上只有悬浮固体被截留，而其它甚至蛋白质都可以自由通过膜。但是实际情况和理想状态有一定的差距。 下表是对以上内容的总结。 表二 四种膜过程的比较 反渗透RO 纳滤NF 超滤UF 微滤MF 膜类型 非对称膜 非对称膜 非对称膜 对称膜 非对称膜 厚度 薄膜厚度 150m 1m 150m 1m 150250m 1m 10150m 孔径 8 温度35 腐殖酸 () () 蛋白质 () () () 多糖 () () 纺织品 () 脂肪族烃 () 芳香烃 () 氧化剂 () () () 酮，酯 () 酒精 表示基于理论的信息或在实践应用中有不确定性。 除了已经应用的案例外，膜材料的选择是比较困难的，
11、因为可以考虑的往往不止一种材料。按一般原则，对于一个分离过程只有通过良好的计划和成功的试验才能为膜的选择提供最佳方案。 PH和温度耐受力 在“膜材料”部分已讨论了不同的材料的pH耐受力。当确定一个膜过程的时候，仅仅考虑膜材料是不够的。膜有好多种构型(板框式、管式、卷式等)。同一个膜系统包括许多其它的组件，它们都有严格的pH限制。许多膜供货商规定的pH限制实际上是存在于整个膜系统中的限制，而不只是膜本身，在整个系统中耐受力最差的材料决定了整个系统的pH限定范围。 目前主要的膜类型是卷式膜组件，虽然以下的说法对所有膜类型都适用，但我们还是以卷式膜为例。 通常膜表面的衬背材料是一个限制因素。目前使用
12、最广泛的衬背材料是聚酯(PE)。它具有非常良好的温度稳定性，但受限于高pH环境。因此，许多膜说明书中列出了最高pH 11.5的限制。然而，许多膜可以以聚丙烯(PP)作为衬背，它具有非常良好的pH稳定性，但温度受限制，会给膜产品带来麻烦。因此我们的观点是当选定了合适的膜材料和膜构型后，必须确定这种组合对于耐受过程的工作环境是可行的。 由于卷式膜组件含有许多其它的不同的高分子材料，因此除了PE衬背材料外，还可能有一些其它的限制因素。一般中心管和反套装置/内部接头由PVC或ABS制成，这些材料都没有良好的温度耐受力。聚砜(PSO)是一种价格贵得多的材料，但是可以提供良好的pH和温度耐受力，因此它一般
13、在工业过程中被选作中心管和反套装置/内部接头。 一个规定的pH限制一般有一个灵活的变化范围，在其它条件正常的情况下短时间超过范围不会有太大影响。通常低pH比高pH要好些。温度和pH同时超出范围一般都会引起较大的问题。 复合膜和氧化环境 目前世界上还在寻找能耐受20ppm次氯酸钠的用于RO和NF的好的复合膜。一些现有的复合RO膜有氯耐受力，但它们仍不能满足目前的一般行业需要。 ？ 。相反，多数薄膜复合膜(TFM)能较好地耐受过氧化氢，至少在限制浓度、低温和较短持续时间的条件下。 膜结构 从表面看，所有的RO、NF和UF膜都是非对称型的。这将多数膜和一般的过滤器区分开来，如咖啡过滤器，它们是对称型
14、的，换句话说，在过滤器的两侧是对称的。 面向被处理的产品一侧膜有一个不透水的致密表层，这也称为皮肤层。它很薄，一般80，但一些较陈旧的系统在高温操作时压力稳定性有些问题。 压力 所有的膜对压力都是敏感的。“压紧”(compaction)一词常用于描述由于压力而导致膜的不可反转的“变平”。除了膜本身受到的危害外，其至关重要的是要有适当的支撑，防止压力将膜挤压入支撑材料。 因此仔细地阅读和遵守供货商的说明书是非常重要的。通常这类说明书不仅基于理论计算而且得之于实践经验，因此我们何必去重复别人的失败经历呢？ 表17 典型的压力限制，bar 标 准 特 殊 管式膜，有支撑 42 70 管式膜，无支撑
15、7 管式膜系统 42 70，120 板框式系统 40 200 粗纤维系统 25 精细纤维系统 70 200 “压紧”是由于压力和温度引起的。(见表18) 表18 避免压紧的指导方针(不适用于CA膜) 压 力 50 可能引起严重压紧 80 保持压力低于5bar，有些不可避免的压紧 关于膜的最大允许温度和压力没有固定的准则。表18内的指导方针除了CA膜外适用于所有的膜。表18A提供了一些用Wagner单位换算的关于温度/压力关系的一般原则。注意：温度比压力更危险！因此，当操作接近上限温度时，建议尽可能限制压力。 表18A 避免或使压紧最小化的指导方针 压力(bar)温度()Wagner单位 200
16、0 很困难，不太可能实现，非常特殊的组件设计 pH 除了CA膜外大多数的膜对极端pH有较好的耐受力。一般对许多膜主要的限制是因为使用了聚酯衬背，经实践应用其pH上限为11.5。在很高的pH值下许多膜的性能将发生改变，但还可以用。多数膜在低pH值下比较稳定。 表19 不同膜材料的pH限制 pH下限 PH上限 PSO *) 1 14 PVDF 0 12 CA 4 7 TFM 1 *) 12 *) 陶瓷 0 1214 *)同时低pH和高温可能减少水通量，有时会达到零，并不可逆转。 *)目前的趋势应增加TFM的高pH稳定性。 *)在室温下有效。温度提高膜的损坏老化将加快。不同类型的聚酯胺薄膜在低pH下稳定性方面有较大不同。 进水流量 对膜没有
