管式膜与中空纤维膜的比较分析

（一）管式膜组件

与毛细管组件和中空纤维不同，管式膜组件不是自支撑的。这种膜被固定在一个多孔的不锈钢、陶瓷或塑料管内，管直径通常6～24mm，每个膜组件中膜管数目一般为4～18根，当然也不局限于这个数目。如图2-20所示，原料一般是流经膜管中心，而渗透物通过多孔支撑管流入膜组件外壳。这种管状膜的装填密度是很低的，一般低于300m2/m3。陶瓷膜组件的一种特殊类型为蜂窝结构，如图2-21所示，在陶瓷“块”中开有若干个孔，用溶胶—凝胶法在这些管的内表面上覆盖一层很薄的γ-氧化铝或氧化锆（ZrO2）皮层。

图2-20　管式膜组件

图2-21　蜂窝结构陶瓷膜组件截面图

管式膜组件的主要优点是能有效地控制浓差极化，流动状态好，可大范围地调节料液的流速；膜生成污垢后容易清洗；对料液的预处理要求不高，并可处理含悬浮固体的料液。其缺点是投资和运行费用较高；单位体积内膜的面积较低。

选择使用管式膜组件时的注意事项：

①按照料液中最大粒子的大小应为管道直径的1/10的原则。对于直径为0.5英寸和1英寸的管式膜组件，料液中的粒子直径应分别小于1.25mm和2～5mm。

②管式膜组件推荐料液流速一般为2～6m/s。例如，对于PCI和KOCH管式膜组件，要求每个膜组件的进液量为16～34t/h，而CeraMemPMA和US Filter无机膜组件，要求每个膜组件的进液量为64t/h。

③管式膜组件的清洗系统可以采用CIP技术，也可以采用海绵球清洗的方法。

④由于管式膜组件具有低的填充密度，组件中含有较大的料液量，在进行浓缩操作时要加以注意。

（二）毛细管膜组件

在管式膜组件和板式膜组件中，膜必须被某种多孔支撑结构机械地支撑着，但毛细管膜组件具有自支撑的特点。毛细管膜组件是将很多的毛细管安装在一个膜组件中，如图2-22所示。膜组件的安装方式有两种：一种是原料液流经毛细管内腔，而在毛细管外侧收集得到渗透物[图2-22（a），从内向外流动]；另一种是原料液从毛细管外侧进入膜组件，而渗透物通过毛细管内腔[图2-22（b），从外向内流动]。这两种方式的选择主要取决于具体应用场合，要考虑到压力、压降、膜的种类等因素。根据所选择的膜组件方式，再决定不对称毛细管膜的皮层是在内侧还是在外侧。毛细管膜组件的装填密度为600～1200m2/m3，介于管式膜组件与中空纤维膜组件之间。

图2-22　毛细管和中空纤维膜组件示意图

毛细管膜组件特点：投资费用较低；该系统也提供了良好的供料控制条件，且单位体积中膜的比表面积较大。但是操作压力受到限制，而且系统对操作出现的错误比较敏感。当毛细管的内径非常小时，毛细管的堵塞可能也是个问题。总之，料液必须进行有效的预过滤处理，这是很重要的。

选择毛细管膜组件注意事项；(www.xing528.com)

①料液通过膜组件的流速推荐值一般为0.5～2m/s，相对应的雷诺系数为500～3000，因此，料液在该类型组件的流动状态经常处于层流状态。

②毛细管膜组件操作的跨膜压差较低，一般限制在172.5kPa（25psi）内。

③由于毛细管膜组件的直径较小，膜组件的入口处可能发生堵塞。采用孔径比毛细管膜的内径小10倍的过滤器对料液进行预过滤可有效地解决这个问题，也可采用料液进出口倒换方式解决膜组件入口处堵塞的问题。

④由于毛细管膜组件具有自支撑的特点，膜的清洗方法一般选择反冲洗的方法。另外可以采用在透过液出口带压的方法用于减少膜的污染。

（三）中空纤维膜组件

在中空纤维膜组件中装配的中空纤维膜的直径要比毛细管膜组件中装配的毛细管膜细得多。中空纤维膜组件可用于超滤、反渗透和气体分离等过程。在多数应用情况下，被分离的混合物流经中空纤维膜的外侧，而渗透物则从纤维管内流出。因此，中空纤维膜组件和毛细管膜组件不同，多数情况下作为外压膜使用。由于这个原因，它们比毛细管膜组件和管式膜组件更为耐压，可以承受高达10MPa的压差。除了Toyobo公司生产的中空纤维膜之外，绝大多数实用的中空纤维膜都是非对称结构。

中空纤维膜组件与毛细管膜组件的形式是相同的，差异仅仅在于膜的规格不同。中空纤维膜组件是装填密度最高的一种膜组件构型，可以达到30000m2/m3。在膜组件中装有一个有孔的中心管，原料液从该管流入，这种情况下纤维呈环状排列并在渗透物侧予以封装。从外向内流动式的一个缺点是可能发生沟流，即原料倾向于沿固定路径流动而使有效膜面积下降。采用中心管可以使原料液在腹内分布得更为均匀，从而提高膜面积利用率。

新的膜组件的开发主要是为了最大程度地减少污染和浓差极化。实现这一目的的方法之一就是改变流道形状，如用横向流代替切向流。使用皮层在外侧的中空纤维膜或毛细管膜的横向流膜组件就是一个例子。在这种膜组件中，原料垂直于纤维流动，强化了边界层的传质过程。此时纤维本身起到湍流强化器的作用。如图2-23所示，纤维可以有不同的排列方式，（a）为顺排，（b）为错排。这种膜组件结构不仅有利于微滤、超滤和反渗透等压力驱动过程，而且也有利于渗透汽化、液膜和膜接触反应器等过程。

图2-23　横向流膜组件示意图

中空纤维膜组件的开发成功经历了很长的时间，它有两项关键技术：一是制作能长期耐压的中空纤维并实现工业化生产；二是要使水在纤维间均匀流动，并且将湿态的中空纤维完全黏结密封。中空纤维膜组件的主要特点是：

①组件能做到非常小型化。由于不用支撑体，在组件内能装几十万到上百万根中空纤维，所以有极高的膜装填密度，一般为16000～30000m2/m3。

②透过水侧的压力损失大。透过膜的水是由极细的中空纤维膜的中心部位引出，压力损失能达数个大气压。

③膜面污垢去除较困难。只能采用化学清洗而不能进行机械清洗。

④中空纤维膜组件一旦损坏而无法更换。

⑤对进料液要求严格的预处理。

尽管中空纤维膜组件存在一些缺点，但由于中空纤维膜组件生产的工业化，以及膜组件的高装填密度和高产水量，因此它和螺旋卷绕式膜组件一样，是重点研究发展的型式之一。