分离膜与膜过程基础知识

一、膜分离

物质世界是由原子、分子和细胞等微观单元构成的，然而这些微小的物质单元总是杂居共生，热力学第二定律揭示了微观粒子都会倾向于无序的混合状态。人们发明了过滤、蒸馏、萃取、电泳、层析和膜分离等分离技术来获取纯净的物质。

膜分离技术的基础是分离膜。分离膜是具有选择性透过性能的薄膜，某些分子（或微粒）可以透过薄膜，而其它的则被阻隔。这种分离总是要依赖于不同的分子（或微粒）之间的某种区别，最简单的区别是尺寸，三维空间之中，什么都有大小巨细，而膜有孔径。

当然分子（或微粒）还有其它的特性差别可以利用，比如荷电性（正、负电），亲合性（亲油、亲水），深解性，等等。按照阻留微粒的尺寸大小，液体分离膜技术有反渗透（亚纳米级）、纳滤（纳米级）、超滤（10纳米级）和微滤（微米和亚微米级），另外还有气体分离、渗透蒸发、电渗析、液膜技术、膜萃取、膜催化、膜蒸馏等膜分离过程。

二、薄膜复合膜

薄膜复合膜由超薄皮层（活性分离层）和多孔基膜构成。基膜一般是在多孔织物支撑体上浇筑的微孔聚砜膜(即 0.2mm 厚)，超薄皮层是由聚酰胺和聚脲通过界面缩合反应技术形成的。

薄膜复合膜的优点与它们的化学性质有关，其最主要的特点是化学稳定性，在中等压力下操作就具有高水通量和盐截留率及抗生物侵蚀。它们能在温度0－ 40℃ 及pH2－12间连续操作。像芳香聚酰胺一样，这些材料的抗氯及其他氧化性物质的性能差。

过滤图谱

非对称膜与复合膜结构比较

复合膜在支撑层上形成褶皱状的表面致密层。原水以与皮层平行方向进入，通过加压使其透过密致分离层，产水从支撑层流出。

断面结构

根据膜种类不同，制作平膜的表面致密层材质也有差异。大多数都是采用交链全芳香族聚酰胺。

交链全芳香族聚酰胺结构

三、卷式膜元件

卷式膜元件是由多个膜袋缠绕在一开有孔洞的工程塑料中心集水管上制成。每个膜袋由两张相背的膜片构成，膜片中间夹一层聚酯纤维编织淡水网格，膜周围3条边用环氧或聚氨酯粘合剂密封，第四边留作产水通道与中心集水管连接。在相邻两膜袋之间铺夹塑料隔网构成进水流道（进水网格）。

进水沿膜袋外侧的进水网格从膜元件的一端进入膜元件，部分作为产水透过膜，其余部分作为浓水从膜元件的另外一侧排出。

透过膜的产水进入膜袋，沿产水网格呈螺旋状向内流动，经过中心管上的孔进入中心集水管，通过产水排出口流出。

全量过滤

全量过滤也称为直流过滤、死端过滤，与常规的滤布过滤类似，被处理物料进入膜组件，等量透过液流出膜组件，截留物留在膜组件内。

为了保证膜性能的可恢复性，必须及时从组件内卸载截留物，因此需要进行定时反冲洗（过滤的反过程）等措施来去除膜面沉积物、恢复膜通量。膜组件污染后不能拆开清洗，通常采用在线清洗方式（CIP）。超滤/微滤水处理过程一般采用全量过滤模式。

错流过滤

被处理料液以一定的速度流过膜面，透过液从垂直方向透过膜，同时大部分截留物被浓缩液夹带出膜组件。错流过滤模式减小了膜面浓度极化层的厚度，可以有效降低膜污染。反渗透、纳滤均采用错流过滤方式。

四、膜系统

膜系统是指膜分离装置单元。压力驱动膜系统主要由预处理系统、升压泵、膜组件（压力容器和膜元件）、管道阀门和控制系统构成。

五、膜污染

各种原水中均含有一定浓度的悬浮物和溶解性物质。悬浮物主要是无机颗粒物、胶体和微生物、藻类等生物性颗粒。溶解性物质主要是易溶盐（如氯化物）和难溶盐（如碳酸盐、硫酸盐和硅酸盐）。

在反渗透过程中，进水的体积在减少，悬浮颗粒和溶解性物质的浓度在增加。悬浮颗粒会沉积在膜上，堵塞进水流道、增加摩擦阻力（压力降）。

难溶盐会从浓水中沉淀出来，在膜面上形成结垢，降低RO膜的通量。这种在膜面上形成沉积层的现象叫做膜污染，膜污染的结果是系统性能的劣化。