反渗透膜组件及其应用

反渗透膜组件是由膜、支撑物和容器按一定的技术要求制成的组合构件，它是安装膜的最小单元。由于成品膜的外形有片状、管状和中空纤维状，因此膜组件可相应的制成卷式、板式、管式、中空纤维式。卷式、板式膜组件均使用平板膜；管式、中空纤维式膜组件均使用管式膜。膜组件可分为内压式和外压式两种，适用于不同的膜分离过程。

一般而言，性能优良的膜组件应有如下的特点：

（1）对膜可提供足够的机械支撑，死角较小，流道良好，并可使原料侧与透过侧严格分开。

（2）在能耗最小的条件下，使原料在膜面上的流动状态均匀合理，以减少浓差极化，提高分离效率。

（3）具有尽可能高的装填密度（即单位体积的膜组件中填充较多的有效膜面积），并使膜的安装和更换方便。

（4）装置牢固，安全可靠，价格低廉和容易维护。

目前，卷式、中空纤维式膜组件由于其自身的特点，多用于大水量的脱盐处理；而对含有悬浮物或黏度较高的液体，一般采用板式或管式膜组件。

（一）卷式膜组件

卷式膜组件是由片状平板膜围绕一开有孔的聚氯乙烯或聚丙烯中心透过液管绕制而成。二叶膜或多叶膜与中心管相连并卷绕在其上。每叶由被支撑着的两膜片构成，两膜片被聚酯编织纤维或其他薄塑料网隔开，膜边端用环氧或聚氨酯黏合剂密封，把它卷绕在中心管上成为一个膜卷，将膜卷装到圆柱形压力容器内，就成为一个卷式膜组件。

卷式膜组件的原料液从一端进入组件，在压力的推动下，沿着平行于中心管的轴向流过膜袋之间的网状分隔层从另一端流出；而渗透液在膜袋内的多孔网状支撑层中沿径向垂直方向螺旋式流向中心管。为了减少膜组件的持液空间，料液通道高度应尽可能小，但由此会导致沿流道的压降增大。为了减少透过侧的压降，膜袋不宜太长。由于狭窄的流道与料液通道网的存在，料液中的微粒或悬浮物会导致膜组件流道的阻塞，因而必须对料液进行前处理。膜袋的数目称为叶数，叶数越多，对密封的要求越高。但是叶数增加之后，原料的流程可变短，阻力减少，不过产水量的回收率会下降。在实际应用时，可将几个膜卷的中心管串联起来，装入一个压力容器中，形成一个串联式膜组件单元；也可将几个膜组件并联使用。装载膜组件的压力容器一般由玻璃钢或不锈钢材料制成，一般这种压力容器可串联装入不多于7个的膜卷。

影响卷式膜组件效率的因素有原液浓度、进口流速、操作压力和间隔层的厚度等。卷式膜组件的优点有：①单位体积内膜的填充密度相对较高，因此单位容积的生产能力大；②结构简单紧凑、造价低廉，同时还具有一定的抗污染性；③制作工艺相对简单；④安装、操作比较方便；⑤由于有进料分隔板，物料交换效果良好。卷式膜组件的缺点是：①在使用过程中，膜一旦被污染，不易清洗，因而对料液的前处理要求较严格；②渗透液流体流动路径较长；③膜必须是可焊接或可粘贴的；④膜元件如有一处破损，将导致整个元件失效。

（二）中空纤维式膜组件

中空纤维式膜组件是把一束（几万根）外径为80～400μm、内径为40～100μm的中空纤维膜弯成U形，纤维束的一端或两端用环氧树脂铸成管板或封头，再把它装入圆筒形的耐压容器中而形成的（见图4-1）。原料液通过安装在纤维束中间的分布管均匀地径向流过纤维束，纤维束外部包网布，使纤维束固定并促使原液呈湍流状态，淡化水透过纤维膜的管壁后，沿纤维的中空内腔经开口端引出，浓缩原水则在压力容器的另一端排出。

图4-1　中空纤维膜装置

1—盐水；2—进料水；3—采样；4—中空纤维膜；5—环氧管板；6—多孔支撑塞；7—产品水；8—壳体；9—环氧节

中空纤维式膜组件按操作形式分为外压式和内压式。外压式中空纤维式膜组件即高压原料液从中空纤维的外腔进入，其优点：①纤维壁承受的向内压力要比向外的能力大；②如果一旦纤维强度不够，纤维只能被压缩，直至中空内腔被堵死，但纤维不会破裂，防止了透过液被原料液污染。内压式膜组件原料液由纤维束的内腔进入，透过液由外腔流出，这种操作方式的缺点：①很难避免膜面污染甚至是堵塞通道；②如果纤维强度不够，将使纤维束产生裂缝。中空纤维式膜组件的压力容器材料一般采用不锈钢和玻璃钢，两端的端板也使用相同的材料。

中空纤维式膜组件按原料液的流动方式可分为三种：轴流式、径流式、纤维卷筒式。轴流式是原料液流动的方向与装在筒内的中空纤维方向相平行。径流式的中空纤维排列与轴流式一样，原料液从设在组件中心的多孔配水管流出，然后通过纤维层从壳体侧部的导管排出。商品化的中空纤维式膜组件大都采用这种类型。纤维卷筒式的中空纤维以螺旋式卷绕在中心多孔管上，原料液通过中心管上的微孔径向流出，然后从壳体的侧部导管排出。纤维卷筒式膜组件制造比较容易，但与轴流式和径流式中空纤维膜组件相比，装填密度最小。

中空纤维式膜组件在结构上可分为单封头式和双封头式两种。单封头式是指中空纤维束装在耐压的金属壳体中，纤维束一端用环氧树脂封闭，另一端是开口的，用环氧树脂封管板固定。原料液一般从中空纤维的外侧进入（即外压式），在推动力的作用下，可渗透物质由纤维外侧进入纤维内腔，并从纤维束的开口端排出。双封头式纤维束的两端都是开口的，并用环氧树脂管板固定在不锈钢或玻璃钢壳体的两端。原料液即可以从纤维的腔外、也可以从纤维的腔内进入，在推动力的作用下，实现物质分离。

中空纤维式膜组件的主要优点是单位体积内的膜装填密度很大，产水率高，无需承压材料，结构紧凑，中空纤维本身可以受压而不破裂，因此膜组件可以小型化。主要缺点是容易堵塞，膜面去污困难，对原料液的前处理要求较高（污泥指数SDI≤3），膜的制作相对比较困难，价格较高。(www.xing528.com)

（三）板框式膜组件

图4-2　平板式膜组件

板框式膜组件也叫平板式膜组件，其外形类似化工单元操作的板框式压缩机，它是以隔板—膜—支撑板—膜的顺序，多层交替重叠压紧，组装在一起制成的（见图4-2），隔板表面上有许多小的沟槽，作为原料液和未透过液的流动通道。当原料液进入系统后，沿沟各个槽流动均匀进入膜表面，一部分原料液将从膜的一面透过到膜的另一面，并经支撑板上的小孔流向其边缘上的导流管排出。为防止原料液集中于某一特定通道流动的趋势，也为了形成均一的流量分布，设置适当的挡板，或设置凸凹、波纹结构的原料液导流板，对原料液进行湍流处理。板框式膜组件主要分为系紧螺栓式、耐压容器式、折叠式和垫套式几种。

板框式膜组件是一种简单的压力过滤容器，是最早设计的反渗透装置。同其他膜组件相比，板框式膜组件的突出特点是操作灵活，其优点是制造组装简单可靠，操作比较方便，膜的维护、清洗、更换都比较容易，体积比管式膜组件装置小，在小规模的生产场所和研究中使用具有一定的优越性。板框式膜组件的缺点是进料分布不均匀，溜槽窄，单位体积中膜的比表面积低，多极膜装卸复杂，制造成本、安装和维护费用高。

（四）管式膜组件

管式膜组件是由圆管式的膜及膜的支撑体构成。其结构主要是把膜和支撑体均制成管状，使两者安装在一起，或者将膜直接刮制在制成管内或管外，再将一定数量的这种膜管按一定方式连成一体而成（见图4-3）。管式膜组件中耐压管的直径一般在6～24mm，管子长度为3～4m，压力容器内装有4～100根膜管或更多。

图4-3　圆管式膜组件

1—膜；2—排流纤维网；3—布满钻孔眼的支撑管；4—渗透物收集管

管式膜组件的形式较多，按连接方式可分为单管型和管束型，按作用方式可分为内压式和外压式。内压式膜组件是膜处于支撑管的内壁上，外压式膜组件是膜处于支撑管的外壁上。无论是内压式还是外压式，都可以依据需要进行串联或并联使用。内压式管式膜组件其原料液从管内流过，通过膜的透过液在管外侧被收集，浓缩液从管子的另一端排出；外压式管式膜组件其原料液从管外侧流过，透过液则由膜管外侧渗透通过膜进入膜中心的多孔支撑管。

管式膜组件的优点是：①流动状态好，多属于湍流流动，压力损失小，对原料液的前处理要求不高；②机械清除杂质较容易，可防止浓差极化和污染；③安装、拆卸、换膜和维修均较方便。其缺点是：①设备和操作费用很高；②单位体积内装填密度较小，占地面积和空间体积大；③制备条件较难控制，管口密封困难。

（五）四种反渗透膜组件的比较

上述各种膜组件由于结构和制作工艺的不同，其制造成本差别较大，因而四种反渗透膜组件有各自不同的用途。管式膜组件造价昂贵，它特别适用于高污染水的处理；中空纤维膜组件容易污染且清洗困难，对原料液的前处理的要求较高。表4-1给出了四种反渗透膜组件的比较，表4-2是四种反渗透膜组件的优缺点比较。

表4-1　四种膜组件的比较

续表

注　RO—反渗透；NF—纳滤；UF—超滤；MF—微滤；PV—渗透蒸发；GS—气体分离；ED—电渗析。

表4-2　四种膜组件的优缺点比较

续表