主要膜分离技术简介

1.电渗析 （Electrodialysis，ED）

电渗析是一种成熟的水处理技术。这种设备由于其能耗低、产水量大、脱盐率高、稳定性强等特点，现已被广泛应用于医药、电子、化工、食品、硬水软化、海水淡化等领域。

(1)分离机理。在外加电场作用下，利用阴阳离子交换膜对溶液中电解质离子的选择透过性，使溶液中的阴阳离子发生分离。

将溶液置于直流电场中，它所含的带电离子就向带相反电荷的电极移动。如果在溶液中装设离子交换树脂膜将溶液隔开成几部分，这些膜会选择性地让某些离子通过，而将另一些离子阻挡住。这样就使被树脂膜隔开的某些部分含电解质较多，而另外的部分则相反。这就是电渗析作用，借此可以分离和除去溶液中的电解质，即将溶液脱盐。

电渗析所用的离子交换树脂膜有两类：①只能透过阳离子，简称为阳膜，它通常含有带负电的活性基团，能透过阳离子，但它的负电极则将溶液中的负离子排斥在外并阻挡其通过；②只能透过阴离子，简称阴膜，它通常含有带正电的活性基团，能透过阴离子，但排斥和阻挡阳离子。将阳膜和阴膜交替排列成多个组合，两侧置电极，就成为电渗析器。

(2)滤除范围。离子。

(3)应用领域。电渗析可以应用于以下领域：

1)海水与苦咸水淡化；

2)制备纯水时的初级脱盐以及锅炉、动力设备给水的脱盐软化等；

3)适用于电子、医药、化工、火力发电、食品、啤酒、饮料、印染及涂装等行业的给水处理；

4)可用于物料的浓缩、提纯、分离等物理化学过程。

(4)对进水水质要求：

1)水温5～40℃；

2)浑浊度小于1～2度；

3)耗氧量小于3mg/L；

4)含铁量小于0.3mg/L；

5)含锰量小于0.1mg/L；

6)有机物含量小于20mg/L；

7)游离性余氯小于0.2mg/L。

2.反渗透 （Reverse Osmosis，RO）

反渗透是近年来应用最成功、发展最快、普及最广的一种膜分离技术。已广泛用于工业和人民生活各领域，如：大型锅炉补给水，各种工业纯水、饮用水、电子和半导体、制药和医疗、食品、饮料和酒类、化工和环保等。

(1)分离机理。渗透现象在自然界是常见的。如果用一个只有水分子才能透过的薄膜将一个水池隔断成两部分，如图5-16所示。

图5-16　渗透与反渗透现象

在隔膜两边分别注入纯水和盐水到同一高度。过一段时间就可以发现纯水液面降低了，而盐水的液面升高了。我们把水分子透过这个隔膜迁移到盐水中的现象叫做渗透现象。盐水液面升高不是无止境的，到了一定高度就会达到一个平衡点。这时隔膜两端液面差所代表的压力被称为渗透压。渗透压的大小与盐水的浓度直接相关。

在以上装置达到平衡后，如果在盐水端液面上施加一定压力，此时，水分子就会由盐水端向纯水端迁移。液剂分子在压力作用下由稀溶液向浓溶液迁移的这一现象被称为反渗透现象。如果将盐水加入以上设施的一端，并在该端施加超过该盐水渗透压的压力，我们就可以在另一端得到纯水。这就是反渗透净水的原理。

利用反渗透设施进行水处理的关键有两个：①一个有选择性的膜；②施加一定的压力。理论研究认为，反渗透工艺中的半透膜可以看作是对扩散的非孔屏障，水和溶质被溶解在膜内，靠浓度梯度和压力梯度扩散过去。即当盐的水溶液与多孔的半透膜表面接触时，则在膜的溶液界面上选择吸附一层水分子，在反渗透压力的作用下，通过膜的毛细管作用流出纯水。

(2)操作压力。在系统和膜强度允许的范围内，必须远大于溶液渗透压值，一般为渗透压值的几倍到几十倍。目前进入商业应用的反渗透装置的操作压力大多为5.6MPa。

(3)滤除范围。反渗透膜孔径很小，大都不大于10×10-10(10A)，它能去除滤液中的离子范围和分子量很小的有机物，如细菌、病毒、热源等，可以有效地除去水中的溶解盐、胶体。具有能耗低、无污染、工艺先进、操作简便等优点，如图5-17所示。

图5-17　反渗透膜构造示意图

(4)性能规律。反渗透膜对水中离子和有机物的去除性能具有以下规律：

1)高价离子的去除率大于低价离子；

2)去除有机物的特性受分子结构和膜材料亲和性影响，大致趋势为：①分子量，高分子量大于低分子量；②亲和性，醛类大于醇类大于胺类。

(5)反渗透膜。反渗透膜是反渗透技术的关键元件。利用它可在常温条件下，对溶质和水进行分离或浓缩。

近年来，反渗透膜开发有了重大突破，膜材料从初期单一的醋酸纤维素非对称膜(CA膜)发展到表面聚合技术制成的交联芳香族聚酰胺复合膜(TFC膜)等新型材料与高效膜。

在水中的众多种杂质中，溶解性盐类是最难清除的。因此，经常根据除盐率的高低来确定反渗透的净水效果。反渗透除盐率的高低主要决定于反渗透半透膜的选择性。目前，较高选择性的反渗透膜元件除盐率可以高达99.7%。

RO装置一般要求SDI小于4 (具体要求随不同膜元件生产商有所不同，使用时应了解清楚)。

3.纳滤 （Nanofiltration，NF）(www.xing528.com)

纳滤技术是从反渗透技术中分离出来的一种膜分离技术，是超低压反渗透技术的延续和发展分支。在过去的很长一段时间里，纳滤膜被称为超低压反渗透膜 (Low Pressure Reverse Osmosis，LPRO)，或称选择性反渗透膜或松散反渗透膜 (Loose Reverse Osmosis，Loose RO)。现在，纳滤技术已经从反渗透技术中分离出来，成为介于超滤和反渗透技术之间的独立的分离技术。纳滤已经广泛应用于海水淡化、超纯水制造、食品工业、环境保护等诸多领域，成为膜分离技术中的一个重要的分支。

(1)分离机理。纳滤膜的一个很大特性是膜本体带有电荷，这是它在很低压力下具有较高除盐性能和截留相对分子质量为数百的物质，也可脱除无机盐的重要原因。

纳滤可有效地去除循环冷却排污水中的悬浮物和总硬度，降低含盐量，其中总溶解性固体和总硬度的去除率达到90%以上，含盐量去除率达到80%以上，处理后的水质符合工业用水和循环水补充用水的水质要求。

纳滤膜的透过物大小在1～10nm，科学家们推测纳滤膜表面分离层可能拥有纳米级(10nm以下)的孔结构，故习惯上称之为“纳滤膜”又叫 “纳米膜”、“纳米管”。它的分离作用受两种机理的支配：溶解—扩散原理和电效应。

1)溶解—扩散原理，渗透物溶解在膜中，并沿着它的推动力梯度扩散传递；

2)电效应，纳滤膜与电解质离子间形成静电作用，电解质盐离子的电荷强度不同，造成膜对离子的截留率有差异，在含有不同价态离子的多元体系中，由于道南(DONNAN)效应，使得膜对不同离子的选择性不一样，不同的离子通过膜的比例也不相同。(道南平衡：当把荷电膜置于盐溶液中会发生动力学平衡。膜相中的反离子浓度比主体溶液中的离子浓度高而同性离子的浓度低，从而在主体溶液中产生道南能位势，该能位势阻止了反离子从膜相向主体溶液的扩散和同性离子从主体溶液向膜的扩散。当压力梯度驱动水通过膜进同样会产生一个能位势，道南能位势排斥同性离子进入膜，同时保持电中性，反离子也被排斥)。

(2)操作压力。NF膜的操作压力比较低，比反渗透低一个数量级，大多为0.7MPa，最低为0.3MPa。

(3)滤除范围。纳滤膜存在着纳米级的细孔，主要去除直径为1nm左右的溶质粒子，故被命名为“纳滤膜”(其截留率大于95%的最小分子约为1nm)，截留分子量200～1000道尔顿，NaCl的截留率不大于90%。它具有中到高程度的透盐率和中等程度钙的透过率(40%～60%)，是脱除地表水和地下水中的有机物并进行部分软化的理想膜元件，满足维持口感和输送管网所需的最低硬度。很低的操作压力下有效地脱除有毒有害物质，又能有效地保留部分营养离子。NF/RO就是将纳滤与反渗透的性能优势结合起来，在需要保留部分离子的行业得到完美的运用。

(4)纳滤膜。纳滤膜是一种特殊而又很有前途的分离膜品种，其操作区间介于超滤和反渗透之间，如图5-18所示。目前纳滤膜多为薄层复合膜和不对称合金膜，还具有如下特点：

图5-18　纳滤膜 (海德能系列)

1)对二价或高价离子，特别是阴离子的截留率比较高，可大于98%，而对一价离子的截留率一般低于90%；

2)多数为荷电膜，因此，其截留特性不仅取决于膜孔大小，而且还有膜静电作用。

(5)纳滤膜的保存。纳滤膜的保存目标是防止微生物在膜表面的繁殖及破坏，防止膜的水解、冻结及膜的收缩变形(防止膜的水解，对任何膜都很重要)。

温度和p H值是醋酸纤维素膜水解的两个主要因素。对芳香聚酰胺膜，p H值及水中游离氯的含量则是其水解的主要因素。纳滤膜的冻结在冬季运输过程中常常发生。

膜的冻结使膜中的水分形成冰晶而使膜结构膨胀，造成膜的性能大幅度下降或破坏。

膜的收缩变形，发生在湿态膜保存时的失水，及膜在与高深度溶液接触时膜中的水急剧向溶液中扩散。

不同种类的纳滤膜，其保存方法不同。醋酸纤维素纳滤膜在干态时应避免阳光直接照射，要保存在荫凉、干燥的地方。保存温度宜为8～35℃。

4.超滤 （Ultrafiltration，UF）

超滤是超过滤的简称，是一种固液分离的技术。利用超滤膜能够分离固液的特性以去除液体中的固体粒子，也可以利用特定孔隙的膜将液体中某些成分提炼出来。UF在水处理中的应用见表5-7。

图5-19　超滤分离示意

(1)分离机理。超滤是一种以机械筛分原理为基础，利用超滤膜不同孔径对液体进行分离的物理过程，其推动力是压力，如图5-19所示。

(2)操作压力。超滤膜的操作压力多为0.5～0.6MPa。

(3)滤除范围。在分离范围的谱图中，超滤居于纳滤与微滤之间。

表5-7　UF在水处理中的应用

图5-20　中空纤维膜

(4)超滤膜。超滤膜的类型有板式、管式、中空纤维、涡卷式等多种类型。其中中空纤维膜是超滤技术中最为成熟与先进的一种形式，如图5-20所示。它与其他形状的膜相比，具有体积小、膜面积大、水通量大、不易堵塞、清洗性好、膜阻力小、微孔分布均匀、无内部内阻力等优点。其纤维内径可做成多种规格。工业用中空纤维设备具有可自动、频繁脉冲式冲洗中空纤维管的性能。

5.微滤 （Microfiltration，MF）

微滤又称微孔过滤，它属于精密过滤。

(1)分离机理。对微粒的截留机理是筛分作用。原料液在压差作用下，其中水 (溶剂)透过膜上的微孔流到膜的低压侧，为透过液，大于膜孔的微粒被截留，从而实现原料液中的微粒与溶剂的分离。溶剂和小的溶质粒子从较高压力料液侧透过膜到低压侧，所得到的液体称为滤出液或透过液，决定膜的分离效果的因素是膜的物理结构，孔的形状和大小。

(2)操作压力。微滤膜操作压力可控制在0.7～7kPa之间。

(3)滤除范围。在静压差作用下滤除0.1～10μm的微粒。微滤膜允许大分子有机物和溶解性固体(无机盐)等通过，但能阻挡住悬浮物、细菌、部分病毒及大尺度的胶体的透过。主要应用于：

1)生物制药提取液的精滤系统；

2)环保工程中水回用的终端精滤；

3)给水处理系统的精滤；

4)超滤、反渗透装置的预处理。