膜分离技术——反渗透、超滤与微滤

逍遥小鱼儿

反渗透法的问世最早是在1953年，由美国里德（Reid）研究发明的，其后在1960年，洛布（Loeb）与索里拉（Sourirajan）对其共同改进和提高，于同年制成了世界上第一张具有高脱盐率、高透水量的非对称性醋酸纤维半透膜，并首次用于海水和苦咸水的淡化工作，1971年开始有工业性反渗透装置在电厂投入运行，现在反渗透技术已有大范围的应用。

工作原理
  用一张透溶剂而不透溶质的理想半透膜把盐水和水隔开，会出现水分子从纯水侧透过膜向盐水侧扩散的现象，此即渗透现象；如在盐水侧加压，就会使水分子从盐水侧透过膜向纯水侧扩散，这就是反渗透。很明显，只有盐水侧的压力大于渗透压时，水才可能从盐水向纯水方向流动。由于反渗透膜是致密膜，阻力很大，在实际的反渗透过程中，为增加透水速度，所加外压常为渗透压的若干倍。

膜材料
醋酸纤维素、聚酰亚胺、改性聚丙烯晴、芳香聚酰胺等。
工业应用
1)  盐水(海水、苦盐水)淡化；
2)  超纯水制备；
3)  工业废水处理。

  据预测，2030年中国人口将达到16亿，届时人均水资源量仅有1750立方米，预计用水总量为7000亿-8000亿立方米，要求供水能力比现在增长1300亿-2300亿立方米，全国实际可利用水资源量接近合理利用水量上限，因此开发新的水资源如进行海水淡化势在必行，而目前采用反渗透膜进行海水淡化是最经济而又清洁的方法。

[ 本帖最后由 逍遥小鱼儿 于 2008-9-3 21:32 编辑 ]

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1960年，在Loeb-Sourirajan试制成功不对称RO  CA膜的影响下，1963年Michaels开发了不同孔径的不对称CA超滤膜，基于CA膜物化性质的限制，1965年开始，不断有新品种的高聚物超滤膜问世，并很快商品化，1965－1975年是UF大发展的阶段，膜材料有无机材料(如氧化铝、二氧化锆等)，合成高分子材料：聚砜、聚酰胺、醋酸纤维素、聚醚砜、聚丙烯晴等。

工作原理
    利用膜表面孔径机械筛分作用，膜孔阻塞、阻滞作用和膜表面及膜孔对杂质的吸附作用，去除废水中的大分子物质和微粒。一般认为主要是筛分作用，其有效分离范围为0.005-0.1μm的粒子或大分子，操作静压差为0.2-1MPa。

说明：在外力的作用下，被分离的溶液以一定的流速沿着超滤膜表面流动，溶液中的溶剂和低分子量物质、无机离子，从高压侧透过超滤膜进人低压侧，并作为滤液而排出；而溶液中高分子物质、胶体微粒及微生物等被超滤膜截留，溶液被浓缩并以浓缩液形式排出。

工业应用
1)  食品工业，如乳制品工业，果汁饮料和酒类的加工；
2)  生物工程，如酶的精制，生物活性物质的浓缩分离；
3)  环境工程，如在纺织、造纸、金属加工中废水的处理；
4)  医疗卫生，如血液、腹水的超滤净化，人体生长激素提取等。

超滤膜组件
超滤膜：常用的有，醋酸纤维素膜和聚砜膜
超滤的膜组件（同反渗透组件）：分为，板式、管式、卷式和中空纤维组件

浓差极化
1.概念：溶液在膜的高压侧，由于溶剂和低分子物质不断透过超滤膜，结果在膜表面溶质（或大分子物质）的浓度不断上升，产生膜表面浓度与主体流浓度的浓度差，这种现象称为膜的浓差极化。
2.影响：发生浓差极化时，由于高分子物质和胶体物质在膜表面截留会形成一个凝胶层。有凝胶层时，超滤的阻力增加，因为除了膜阻力外，又有凝胶层的阻力，在给定的压力下，凝胶层势必影响水透过超滤膜的通量。
3.减缓措施：一是提高料液的流速，控制料液的流动状态，使其处于紊流状态，让膜面处的液体与主流更x好地混合；二是对膜面不断地进行清洗，消除已形成的凝胶层。

影响因素
    料液流速、操作压力、温度、运行周期、进料浓度、料液的预处理、膜的清洗

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微滤膜若从1907年Bechhold制得系列化多孔火棉胶膜问世算起，至今有近百年历史。而微孔膜的广泛应用是从二战之后开始的，最初只有CN膜，随着聚合物材料的开发，成膜机理的研究和制膜技术的进步。
    我国MF研究始于70年代初，开始以CA－CN膜片为主，于80年代相继开发成功CA、CA－CTA、PS、PAN、PVDF、尼龙等膜片，并进而开发出褶筒式滤芯；开发了控制拉伸致孔的PP、PE和PTFE  膜；也开发出聚酯和聚碳酸酯的核径迹微孔膜，多通道无机微孔膜也实现产业化 。并在医药、饮料、饮用水、食品、电子、石油化工、分析检测和环保等领域有较广泛的应用。
膜材料
1) 烧结金属微孔滤膜(如不锈钢)；
2) 无机微孔滤膜(如氧化铝、玻璃、二氧化硅等)；
3) 有机高分子微孔滤膜(如聚乙烯、聚砜、聚酰胺、醋酸纤维素等)。

工作原理
  一般认为MF的分离机理为筛分机理，膜的物理结构起决定作用。此外，吸附和电性能等因素对截留率也有影响。其有效分离范围为0.1-10μm的粒子，操作静压差为0.01-0.2MPa。微孔滤膜的截留机理因其结构上的差异而不尽相同。如图
微孔膜各种截留作用的示意图

(a)在膜的表面层截留；    (b)在膜内部的网络中截留
    微滤能截留0.1～1微米之间的颗粒，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，微滤膜两侧的运行压差（有效推动力）一般为0.7bar。


典型超滤和微滤通量特性
工业应用
1) 除去水中的细菌和其它微粒；
2) 除去组织液、抗菌素、血清、血浆蛋白质等多种溶液中的菌体；
3) 除去饮料、酒类、酱油、醋等食品中的悬浊物、微生物和异味杂质。