超滤膜应用

一、超滤的基本概述

超滤是一种将溶液进行净化、分离或浓缩的膜透过法分离技术。其应用面非常广泛，小至家用净水器，大到现代工业生产，从普通民用到高新技术领域都有不同规模的应用，甚至于在环境保护方面也有极大的使用潜力，超滤是一种最有发展前途的膜法分离技术。

二、超滤膜组件的基本类型

目前，工业上常用的超滤膜器件主要有下列五种类型：板框式、园管式、螺旋卷式、中空纤维式、毛细管式。在工业上应用最为广泛的是中空纤维式，特别是在净化、分离的应用中。

三、超滤膜的超滤特性

在膜分离技术范畴内，分离精度自滤至微反渗透逐渐提高，超滤介于纳滤与微滤之间。简单的理解，超滤膜如同筛子，在一定压力下，允许溶剂和小于膜孔径的溶质透过，而阻止大于孔径的溶质通过，以完成溶液的净化、分离和浓缩。

超滤过程有如下特点：

（1）超滤过程无相际变化，可以在常温及低压下进行分离，因而能耗低；

（2）设备体积小，结构简单，故投资费用低，易于实施；

（3）超滤分离过程只是简单的加压输送液体，工艺流程简单，易于操作管理；

（4）溶液在分离、浓缩过程中不发生质的变化，因而适合于保味及热敏性溶液的处理；

（5）适合于从稀溶液中分离微量贵重大分子物质的回收和低浓度大分子物质的回收；

（6）能将不同分子量的物质分级分离；

（7）在使用过程中无任何杂质的脱落，保证被处理溶液的纯净。

四、中空纤维式超滤膜

中空纤维超滤膜为超滤技术中的一个重要分支，由于中空纤维式超滤膜结构的特殊性，膜无支承体，成型工艺连续性、均一性良好，结构简单，超滤液易于保持纯洁等优点，在超滤领域中的应用已占首要地位。中空纤维超滤膜分为内压型及外压型两种。外压型原液在中空纤维外侧加压流动，而内压型在中空纤维内腔中加压流动。

制造超滤膜的材料很多，但用于制造中空纤维超滤膜材料主要为一部分成纤性能良好的高分子材料。对膜材料的要求是具有良好的成膜性、热稳定性、化学稳定性、耐酸碱性、微生物侵蚀性和抗氧化性。并且具有良好的亲水性，以得到高的水通量和抗污染能力。

目前常用的中空纤维超滤膜材料有如下几种：聚砜、聚醚砜属于疏水性膜材料，机械强度高，耐热、耐化学性良好，为目前应用较多的膜材料之一。

聚偏氟乙稀（PVDF）膜材料为含氟材料中适用于超滤膜制备的最好材料，有极优良的机械强度和耐高温、耐化学侵蚀性。可以在强酸、强碱和有机溶剂条件下使用。

五、超滤膜在水处理应用中的工艺

1、前处理：超滤法在水处理及其他工业净化、浓缩、分离过程中，可以作为工艺过程的预处理，也可以作为工艺过程的深度处理。在广泛应用的水处理工艺过程中，常作为深度净化的手段。根据中空纤维超滤膜的特性，有一定的供水前处理要求。因为水中的悬浮物、胶体、微生物和其他杂质会附于膜表面，而使膜受到污染。由于超滤膜水通量比较大，被截留杂质在膜表面上的浓度迅速增大产生所谓浓度极化现象，更为严重的是有一些很细小的微粒会进入膜孔内而堵塞水通道。另外，水中微生物及其新陈代谢产物生成粘性物质也会附着在膜表面。这些因素都会导致超滤膜透水率的下降以及分离性能的变化。同时对超滤供水温度、PH值和浓度等也有一定限度的要求。因此对超滤供水必须进行适当的预处理和调整水质，满足供水要求条件，以延长超滤膜的使用寿命，降低水处理的费用。

A、微生物（细菌、藻类）的杀灭：

当水中含有微生物时，在进入前处理系统后，部分被截留微生物可能粘附在前处理系统，如多介质过滤器的介质表面。微生物的存在对中空纤维超滤膜的危害性是极为严重的。除去原水中的细菌及藻类等微生物必须重视。在水处理工程中通常加入NaClO、O3等氧化剂，浓度一般为1～5mg/l。此外，紫外杀菌也可使用。

B、降低进水混浊度：

当水中含有悬浮物、胶体、微生物和其他杂质时，都会使水产生一定程度的混浊，该混浊物对透过光线会产生阻碍作用，这种光学效应与杂质的多少，大小及形状有关系。

C、悬浮物和胶体物质的去除：

向原水中加入与胶体粒子电性相反的荷电物质（絮凝剂）以打破胶体粒子的稳定性，使带荷电的胶体粒子中和成电中性而使分散的胶体粒子凝聚成大的团块，而后利用过滤或沉降便可以比较容易去除。

D、可溶性有机物的去除：

可溶性有机物用絮凝沉降、多介质过滤以及超滤均无法彻底去除。目前多采用氧化法或者吸咐法。

（1）氧化法：利用氯或次氯酸钠（NaClO）进行氧化，对除去可溶性有机物效果比较好，另外臭氧（O3）和高锰酸钾（KMnO4）也是比较好的氧化剂，但成本略高；

（2）吸附法：利用活性炭或大孔吸附树脂可以有效除去可溶性有机物。但对于难以吸附的醇、酚等仍需采用氧化法处理。

E、供水水质调整：

（1）供水温度的调整：超滤膜透水性能的发挥与温度高低有直接的关系，当供水温度较低时，可采用某种升温措施，使其在较高温度下运行，以提高工作效率。但当温度过高时，同样对膜不利，会导致膜性能的变化，对此，可采用冷却措施，降低供水温度；

（2）供水PH值的调整：用不同材料制成的超滤膜对PH值的适应范围不同，如果进水超过使用范围，需要加以调整。

2、操作参数：

正确的掌握和执行操作参数对超滤系统的长期和稳定运行是极为重要的，操作参数一般主要包括：流速、压力、压力降、浓水排放量、回收比和温度。

A、流速：

流速是指原液（供给水）在膜表面上的流动的线速度，是超滤系统中的超滤一项重要操作参数。流速较大时，不但造成能量的浪费和产生过大的压力降而且加速超滤膜分裂性能的衰退。反之，如果流速较小，截留物在膜表面形成的边界层厚度增大，引起浓度极化现象，既影响了透水速率，又影响了透水质量。在允许的压力范围内，提高供给水量，选择高流速，有利于中空纤维超滤膜性能的保证。

B、压力和压力降：

在选择工作压力时除根据膜及外壳耐压强度为依据外，必须考虑膜的压密性，及膜的耐污染能力，压力越高透水量越大，相应被截留的物质在膜表面积聚越多，阻力越大，会引起透水速率的衰减。此外进入膜微孔中的微粒也易于堵塞通道。总之，在可能的情况下，选择较低工作压力，对膜性能的充分发挥是有利的。

C、回收比和浓缩水排放量：

在超滤系统中，回收比与浓缩水排放量是一对相互制约的因素。回收比是指透过水量与供给量之比率，在多数情况下，也可以采用较小的回收比操作，而将浓缩液排放回流入原液系统，用加大循环量来减少污垢层的厚度，从而提高透水速率，有时并不提高单位产水量的能耗。

D、工作温度：

超滤膜的透水能力随着温度的升高而增大，一般水溶液其粘度随着温度而降低，从而降低了流动的阻力，相应提高了透水速率。在工程设计中应考虑工作现场供给液的实际温度。特别是季节的变化，当温度过低时应考虑温度的调节。

六、超滤系统的运行管理

1、预处理系统

预处理系统是指原液在进入超滤装置之前去除各种有害杂质的工艺过程及设备。预处理工艺是根据原液情况及处理的要求来确定的，没有固定模式，但下述选择原则可供参考。

⑴地下水及含悬浮物、胶体物质小于50mg/l时宜采用直接过滤或者在管道中加入絮凝剂过滤；

⑵地面水及含悬浮物、胶体物质大于50mg/l应采用混凝沉淀、过滤工艺；

⑶原水中含有细菌、藻类及其他微生物较多时，必须先行杀菌，然后再按常规程序处理，灭菌剂有氯、次氯酸钠、臭氧等，而过氧化氢、高锰酸钾等多用清洗组件时用来杀菌，因为预处理用量大，不经济；

⑷原水经杀菌剂处理后，如果水中含有较多的余氯或其他强氧化剂，可加入亚硫酸钠等还原剂或者用活性碳吸附去除。

2、运行前的准备工作

⑴进水水质的检查，重点是检查进水的浊度或SDI值、PH值和细菌、微生物、余氯等项目，应达到设计要求的进水指标后方可输入超滤系统；

⑵清洗设备及管道，超滤系统组装完成后，在启动之前还必须对系统中所有过流部分进行清洗；

⑶管路系统检查，操作人员必须掌握工艺流程路线，检查各有关设备和管是否有误接的地方，同时还要检查进、出口阀门的启闭情况。

3、启动

当做完上述各项准备工作后，可先进行试启动，即接通电源，打开进水阀门，开动泵后立即停止，观察水泵叶轮转动方向是否正确，检查水泵在启动时有无反常的噪音产生，以判断水泵是否能正常运行。对于全自动的控制装置必须预先设置操作程序，以便启动后进入正常顺序运行。

4、运行

a、升压：水泵转动后，逐渐打开超滤系统的进水阀门，相应调节浓缩水出口阀门使系统升压及保持浓缩水的流动，通常情况下，应当缓慢转动阀门，大约在1min左右时间内升至所需的工作压力，有利于对设备及膜的保护；

b、监控及记录：注意超滤设备进出口压力差的变化，进口压力应按设计值操作，但随着运行时间延长，出口处压力会逐渐降低，即压力差会逐渐增大，应当采取相应措施，即采取物理或化学方法进行清洗。运行中定时分析供水水质和超滤水水质，发现有突然变化现象，应立即采取措施；

c、回收比及其调节：运行中观察浓缩水的排放量及透水量，始终保持在允许的回收比范围内运行。回收比过大或过小，于超滤膜的正常运行都是不利的；

d、膜的清洗：判断超滤膜是否需要清洗的原则如下：

⑴根据超滤装置进出口压力降的变化，多数情况下，压力降超过初始值0.05MPa 时，说明流体阻力已经明显增大，作为日常管理可采用等压大流量冲洗法冲洗，如无效，再选用化学清洗法；

⑵根据透水量或透水质量的变化，当超滤系统的透过水量或透水质量下降到不可接受程度时，说明透过水流路被阻，或者因浓度极化现象而影响了膜的分离性能，此种情况，多采用物理——化学相结合清洗法，即进行物理方法快速冲洗去大量污染物质，然后再用化学方法清洗，以节约化学药品；

⑶定时清洗：运行中的超滤系统根据膜被污染的规律，可采用周期性的定时清洗。可以是手动清洗，对于工业大型装置，则宜通过自动控制系统按顺序设定时间定时清洗。

e、灭菌：一般采用定期灭菌的方法，灭菌的操作周期因供给原水的水质情况而定。灭菌药品可用500～1000mg/l次氯酸钠溶液或1％过氧化氢水溶液循环即可。

5、超滤系统常见故障及处理措施

a、供水压力低或供水量不足，有可能水泵转动方向相反，或水泵进水管泄漏，此时水泵可能激烈震动；

b、压力降增大，系统内受阻或流速过大，应疏通水道或减少浓缩水排放量；

c、透水量下降，可能膜被压密或膜被污垢堵塞，前者停机松弛，一般不易恢复，后者则应进行清洗；

d、截留率下降，水质恶化，有多种可能，浓差极化时应用大流量冲洗，密封损坏应更换或修补。中空纤维断裂或破损，则应更换膜组件。

6、中空纤维超滤膜的污染及清洗再生技术：膜的堵塞是绝对的，一般超滤系统都应当建立清洗和再生技术。清洗膜的方法可分为物理方法和化学方法两大类。

a、中空纤维超滤膜的物理清洗法：该方法是利用机械的力量来去除膜表面污染物。整个清洗过程不发生任何化学反应。

①水气混合清洗法：将净化过的压缩空气与水流一道进入超滤膜内，水——气混液会在膜表面剧烈的搅运作用而去除比较坚实的杂质。效果比较好，但应注意压缩空气的压力与流量；

②负压反向冲洗法：是一种从膜的负面向正面进行冲洗方法，对内外有致密层的中空纤维或毛细管超滤膜是比较适宜的。

b、中空纤维超滤的化学清洗法：利用某种化学药品与膜面有害物质进行化学或溶解作用来达到清洗的目的。

①酸洗法：常用的酸有盐酸、草酸、柠檬酸等；

②碱洗法：常用的碱主要有氢氧化钠、氢氧化钾和碳酸钠等；

③氧化性清洗剂：利用1～3％H2O2，500～1000mg/LNaClO等水溶液清洗超滤膜，既去除了污垢，又杀灭了细菌；

④加酶洗涤剂清洗：加酶洗涤如0.5％～1.5％胃蛋白酶、胰蛋白酶。

七、中空纤维超滤膜在使用中应注意事项

1、过滤系统要定期灭菌

超滤膜可以截留细菌，但不可以杀死细菌，截留率再好的超滤膜也不能长期保证干净区不长一个细菌，有细菌就可能大量繁殖。因此，必须定期对周转环境及过滤系统进行定期灭菌，灭菌的操作周期因供给原水的水质情况而定。

2、过滤系统所用组件数量是根据设计总透水量而定的。

由于装置的透水速率随运转时间而逐渐下降，但经清洗后基本上可以回复到一个相对稳定值，此外，超滤组件的透水量还受到温度、压力、料液浓度、给水浊度的影响，因此设计时必须考虑以上因素。

3、由于每根超滤组件在出厂前加入保护液，使用前要彻底冲洗组件中的保护液。

4、超滤组件要轻拿轻放，并注意保护，由于超滤组件是精密器材，所以在使用安装时要小心，要轻拿轻放，更不能甩坏。

5、使用中空纤维超滤膜前必须认真阅读使用说明，按照超滤膜在水处理应用工艺进行操作。

八、中空纤维超滤膜的应用

超滤作为一种膜分离技术，在工业生产、医药卫生、环境保护和人民生活等国民经济的各个领域都得到了广泛的应用。