特殊膜组件设计及应用

（一）旋转式膜组件

设计旋转式膜组件的目的是采用使膜旋转的方法达到减少膜的浓差极化效果，进而防止膜污染问题。该建议是Lopez-leiva在1979年提出来的，20世纪80年代有商业化产品。图2-27描述了该组件的原理，膜固定在旋转的圆筒上，并放入一个静止的圆筒内，料液在压力下沿轴向低流速地通过两圆筒间的环形间隙，透过液从内筒引出，其中内筒的旋转速度为500～4000r/min。当转速超过一定值时，产生Taylor涡流，这种涡流能产生巨大的湍流并将溶质从膜表面上带走。由于旋转膜表面可以产生100000s-1的剪切速度，这相当于10倍的常规错流设备产生的效果。如图2-28所示，该组件确实能有效地控制膜的浓差极化，进而减轻膜的污染。因此该系统特别适合应用于环境工程与生物工程等领域。

图2-27　旋转式膜组件工作原理示意图

图2-28　旋转式膜组件与卷式膜组件性能对比

旋转式膜组件允许压力和剪切速度的独立控制，膜组件的入口与出口没有明显的压降，因此可以准确控制跨膜压差。该组件的渗透速度比传统的切线流系统高出3～10倍，而能耗比其他组件要低。

另外一种该类型的膜组件是将膜固定在一个静止圆筒的外面，在此圆筒的外面安装旋转的圆筒并形成环隙。这两种类型的组件可以做得很小，如Membrex的Benchmark（0.02～0.04m2）和Pacesetter（0.04m2、0.125m2、0.25m2）型号的旋转式膜组件。但由于大型的旋转圆筒的不稳定性及较低的装填密度，这种旋转式膜组件难以放大为工业化装置。

旋转圆盘式设计是旋转式膜组件的另外一种形式，可以更好地适应大规模的操作，不过至今还未在水处理等领域大规模地应用。如图2-29所示，膜固定在含有透过液出口的中空平板或圆盘的两面，含膜的圆盘不能转动，而在膜盘的两侧放置固定在中心棒可旋转的圆盘，距离约几个毫米，该旋转圆盘的转速可以达到6000r/min，剪切速度达到400000s-1。该类型的膜组件适合于精密分离及其他较难的分离，如大小相近的蛋白质分离。但是，如果该组件的膜被污染之后，即使旋转速度再大效果也不明显。

（二）振动式膜组件

膜运动概念的另外一种形式是由New Logic International公司发展的振动式膜组件，简称V-SEP（图2-30），并由Pall公司投入市场，型号为Pall-Sep VMF。该组件是由1～2mm的垫圈隔离的一系列平板膜的圆盘构成，并制作成直径为30～50cm的圆盘叶片式元件，每个元件两面固定好膜。工业化组件含有150个圆片，面积30m2，用于振动的耗能约为25kW。

图2-29　旋转圆盘式膜组件工作原理示意图

图2-30　振动式膜组件工作原理示意图

如图2-31所示，料液从膜堆的上部进入，流过膜的表面，并从底部的浓缩液出口排出，透过液从中心管中排出。V-SEP膜堆类似于洗衣机，以扭力摆动的方式振动。摆动频率为60次/s，对于45.72cm（18英寸）的膜堆其边缘的剪切速度为150000s-1。如此高的剪切力将使料液浓缩至很高的浓度，回收率可高达90%～95%。该组件构型可有效地改善膜的通量，减少膜的污染。该膜组件可采用超滤膜、微滤膜、纳滤膜及反渗透膜等。此类型组件已工业化，已用于废油回收等对膜污染严重的体系。

（三）浸没式膜组件(www.xing528.com)

与传统的压力膜组件不同，浸没式膜组件是在较低负压状态下运行的，其原理是将膜组件直接浸没于膜池中，利用虹吸或泵抽吸的方式将水由外向内进行负压抽滤，使被处理水由外侧向内侧渗滤，以实现低跨膜压差（TMP）以及适度膜通量的平稳运行。浸没式膜组件有以下优点：

图2-31　浸没式平板膜组件工作原理示意图

①运行成本与能耗低；

②有较高的回收率；

③有优良的过滤特性，固液分离效率高；

④膜压差沿中空纤维膜长度方向均匀分布，在膜的进水一侧没有压降损失；

⑤设备紧凑，占地面积小；

⑥过程易于自动控制，运行管理方便等。

浸没式膜组件包括平板膜组件以及中空纤维膜组件两种构型。平板膜组件一般由膜支撑框和膜片组成。如图2-31所示，污水在压力作用下，净水由膜外侧穿过进入净水室，再由出水口流出；而污染物质如悬浮物（SS）、有机物、微生物被截留在膜外侧，大部分通过生物作用去除，较少部分排泥处理。浸没式平板膜组件具有清洗效率高、处理通量高等优点。但同时也存在单位体积膜面积较小、板状膜密封问题不易解决、操作压力要求严格、反洗难等缺点。

浸没式中空纤维膜组件以其填充密度高、可自支撑、结构简单、造价低、可反洗等特点在浸没式膜组件领域中有着最为广泛的应用。常见的浸没式中空纤维膜组件包括帘式、柱式、U形等形式，如图2-32所示。

图2-32　浸没式中空纤维膜组件类型

浸没式中空纤维膜组件工作原理如图2-33所示，由于中空纤维膜丝是管状结构，污水在压力作用下，净水穿过膜，进入膜管内，再由出水口流出，净水在膜丝末端出口进行汇集，而污染物质如悬浮物、有机物、微生物被截留在膜管外，化学需氧量（COD）主要依靠生物处理去除。

图2-33　浸没式中空纤维膜组件工作原理示意图