1 概述

膜，更準確而言是半滲透膜，它是一薄層物質，當一定的推動力應用于膜兩側時，它能按照物質的物理化學性質使物質進行分離。通常，膜是按照物質的分離范圍和應用的推動力來分類。

在解決水資源缺乏的問題上，膜分離過程起到了非常重要的作用。在廢水或污水排放之前，膜分離過程可以用于廢水或污水處理；在廢水進入污水系統之前，膜分離過程可以用于回收工業上有用的物質；當然膜分離過程也可以用于生產飲用水。在生產飲用水方面，使用膜人們可以利用大量的海水資源；此外，在水與廢水循環回用方面，環保小蜜蜂膜的特殊作用顯得十分重要。

膜分離技術在水處理中的應用，即可用于給水處理也可用于廢水處理。

膜技術應用于水處理具有以下優點：

（1）處理各種濾液，能得到高質量的濾出水。

（2）膜過程可通過模擬裝置加以實現，而且可以連續操作。

（3）對滲透液具有以一定比例循環作為工藝用水或再利用的潛力。

膜技術應用于水處理具也存在以下缺點：

（1）膜的相容性與孔的大小、水的pH值以及水的溫度等許多因素有關。

（2）在某些情況下易生成污垢，使得在一些特殊應用中膜的壽命較短。

（3）與傳統的物理化學處理相比，一般投資費用較高。

膜的使用壽命，短的只有幾個月，但通常是3-7年，有的管式膜系統可超過15年。影響膜的使用壽命的因素很多，通常有加料貯槽和泵的匹配性能，預處理效果，滲透液的貯存裝置以及膜的清洗系統和效果等。

21世紀膜分離的應用將持續增長，尤其是微濾/超濾、微濾/反滲透、微濾/超濾/反滲透或鈉濾結合的膜處理過程。增長的領域包括：

（1）飲用水處理。

（2）工業廢水的脫色。

（3）垃圾填埋場滲濾液處理。

（4）膜生物反應器的應用。

（5）水的回收與循環利用等。

2 膜分離過程

膜分離技術受到廣泛的注意，發展迅速，是因為膜分離對混合物中各組分的選擇性很高，在分離過程中混合物主體沒有相變，所用的設備裝填密度大、效率高。

2.1 水處理和膜分離

（1）用水

水的凈化與純化包括從水中去除懸浮物、細菌、病毒、無機物、農藥、有機物和溶解氣體，在這方面，膜分離技術發揮了其獨特的作用。

（2）工業用水

日產高達數千噸以致數萬噸的反滲透水處理裝置廣泛地應用于電子、電力、醫藥、化工、飲料、冶金等領域，反滲透是超純水和純水制備的優選方法；膜軟化是基于鈉濾膜對二價離子，特別是二價陰離子的高脫除性而開發新型的膜分離過程，膜軟化工藝在美國應用已很普遍，特別是新建的軟化廠多采用此新工藝。

（3）工業廢水和市政廢水

城市污水處理達標排放僅僅是基本要求，污水是否能再生回用，能再生到什么程度，是否經濟可行，這是廢水資源化的關鍵。實踐表明，常規處理與膜法結合可給出各種標準、供不同用途的再生水，最后反滲透的產水完全符合飲用水標準。

近年來浸沒式膜生物反應器在污水處理和資源化方面倍受重視，已有商品化設，適用于中小型污水處理廠。

2.2 膜的定義和分類

膜是分離兩相和作為選擇性傳遞物質的屏障。

膜可以是固態的，也可以是液態的；膜的結構可能是均質的，也可能是非均質的；膜可以是中性的，也可以是帶電的；膜傳遞過程可以是主動傳遞過程，也可以是被動傳遞過程。

膜的形態結構決定了分離機理，從而也決定了其應用。按膜結構分類可分為對稱膜和不對稱膜。

按化學組成分類可分為有機材料類和無機材料類。

按分離機理分類，膜大致可分為多孔膜、無孔膜和載體膜。多孔膜在處理溶液時根據顆粒大小進行分離，主要用于超濾和微濾。無孔膜利用分離體系中各組分溶解度或擴散系數的差異進行分離，主要用于氣體分離、透析、蒸汽滲透等過程。載體膜是通過載體分子對某一組分高度專一的親和性來實現不同組分間的分離的，通過膜的組分可以是氣體、液體、離子或非離子。

按幾何形狀分類，有平板式、管式、毛細管式和中空纖維式。后三種皆為管狀膜，直徑大于10mm的為管式膜；直徑在0.5-10mm之間的是毛細管式膜；直徑小于0.5mm的為中空纖維膜。管狀膜直徑越小，則單位體積里的膜面積越大。

2.3 膜分離的定義和分類

所有分離過程都是利用在某種環境中混合物各組分性質的差異進行分離。膜分離過程是以選擇性透過膜為分離介質，在兩側加以某種推動力時，原料側組分選擇性地透過膜，從而達到分離或提純的目的。

（1）反滲透和納濾

反滲透已成為海水淡化最經濟的技術，也是苦咸水淡化的主要手段，它已成為超純水和純水制備的優選技術；另外在各種料液的分離、純化和濃縮以及廢液的再生回用方面都發揮了重大作用。

我國反滲透技術能在海水淡化、脫水濃縮、高溫水再用、市政和工業廢水處理與再用領域發揮其應有的作用。

納濾膜介于反滲透膜和超濾膜之間，環保小蜜蜂是近10多年發展較快的膜品種。

a.反滲透原理

當用一個半透性膜分離兩種不同濃度的溶液時，膜僅允許溶劑分子通過。由于濃溶液中溶劑的化學勢低于它在稀溶液中的化學勢，稀溶液中的溶劑分子自發地透過半透膜向濃溶液中遷移。

b.反滲透膜與納濾膜及其組件

c.反滲透膜與納濾膜

由于反滲透膜與納濾膜多種多樣，主要有平板不對稱膜、不對稱平板復合膜、管式不對稱膜、中空纖維不對稱膜、中空纖維復合膜等。目前平板不對稱膜和中空纖維膜占據了市場絕大部分的份額。

d.反滲透膜與納濾膜組件

反滲透過程的經濟性和實用性決定于組見的價格和性能。它對組件的機械強度、流體力學結構及經濟性都有較高的要求。

e.反滲透與納濾工藝流程

反滲透與納濾工藝流程通常包括前處理工藝、膜分離工藝和后處理工藝三部分。為減少料液在膜分離過程中對膜的污染和化學損傷，必須對料液進行適當的預處理。在實際生產中對溶液的分離有不同的要求，必須選用合適的膜和組件形式，應該通過計算確定組件的排列和操作條件。

f.反滲透與納濾應用

反滲透應用領域可分為兩大類：水純化和溶質濃縮。主要用于水的純化，如海水和苦咸水脫鹽制飲用水，以及制備半導體工業、醫藥、化學工業中所需的超純水。

納濾膜對Na⁺和C1^-單價離子的截留率較低，實踐證明納濾可以代替沉淀、pH調節和蒸發等過程，達到產品純化和濃縮的目的，是一新的高效節能的過程。此外納濾在有機小分子與鹽的分離與濃縮、去除無脂奶粉的異味等方面得到了廣泛的應用。

（2）超濾

a.超濾原理

超濾膜多為不對稱結構，由一層極薄、具有一定尺寸孔徑的表皮層和一層較厚、具有海綿狀或指定結構的多孔層組成。前者起分離作用，后者起支撐作用。在超濾膜分離過程中，膜的孔徑大小和膜表面的化學性質等將分別起著不同的分離作用。一般情況下，超濾膜的性能指標有滲透通量和截留率。

超濾膜的耐壓性、耐清洗性、耐溫性等性能對于工業應用是非常重要的。目前商品化的有機材質的超濾膜都是采用相轉化法制得的。

b.超濾操作工藝

超濾的基本操作有以下三種。

重過濾操作，用于大分子和小分子的分離。間歇操作，常用于小規模生產。

連續式操作，常用于大規模生產。

c.超濾應用

超濾在需將尺寸較大的分子或微粒與低分子物質或溶劑分離的領域得到廣泛應用。超濾裝置可單獨運行，也可與其他處理設備結合應用于各種分離過程中。超濾已成為蛋白和酶純化和濃縮的高效過程。超濾濃縮的優點是無相變、一般不需加熱、工序簡單、適用pH范圍寬和防止失活等，很適用于熱敏性物質的分離濃縮。

（3）微濾

微濾（MF）是一種與常規的粗濾十分相似的膜過程。微孔濾膜具有比較整齊、均勻的多孔結構，孔徑范圍0.05-10μm，使過濾從一般只有比較粗造的相對性質過度到精密的絕對性質，主要用于對懸浮液和乳液進行截留。

a.微濾原理

微濾又稱為精過濾，其基本原理屬于篩網狀過濾，在靜壓差作用下，小于膜孔的粒子通過濾膜，大于膜孔的粒子則被截留到膜表面，使大小不同的組分得以分離，操作壓力為0.7-7kPa。除此以外，環保小蜜蜂還有膜表面層的吸附截留和架橋截留，以及膜內部的網絡中截留。

b.微濾操作工藝

微濾有兩種操作工藝：

①死端過濾

在死端過濾時，溶劑和小于膜孔的溶質在壓力驅動下透過膜，大于膜孔的顆粒被截留，通常堆積在膜表面上。死端過濾是間隙式的，必須周期性地停下來清洗膜表面的污染層或更換膜。

②錯流過濾

在泵的推動下料液平行于膜面流動，與死端過濾不同的是料液流經膜面時產生的剪切力把膜表面上的滯留的顆粒帶走，從而使污染層保持在一個較薄的水平。

c.微濾膜

微濾膜屬于篩網狀過濾介質，具有形態整齊的結構，使所有比網孔大的粒子全部攔截在膜表面上。

目前市場上的微孔濾膜的材質可分為有機和無機兩大類。有機材質主要是聚合物，常通過相轉化、拉伸、燒結、徑跡刻蝕等方法制備。

d.微濾膜的應用

微濾是所有膜過程中應用最普遍、銷售額最大的一項技術。工業上，微濾主要用于將大于0.1μm的粒子與溶液分開的場合，它的最大市場是制藥行業的除菌過濾和電子工業用高純水的制備。其最新的應用領域是生物技術和生物醫學領域技術。

（4）滲析

滲析；也是透析，是溶質自身濃度梯度作用下膜的上游傳下下游的過程。由于分子大小及溶解度不同，使得不同溶質的擴散速率不同，從而實現分離。

a.傳質理論

原料液和透析掖流向通常是逆向的，也可以是同向的。若溶劑與溶液中其他組分之間不存在耦合作用，則在滲透壓的作用下溶劑從低濃度側流向高濃度側；若原料液側壓力高于滲透壓側，則溶劑從原料液側流向滲透壓側。

b.滲析膜

透析主要用于從高分子量物質中分離出低分子量組分，基于不同組分物化性質和分子尺寸的差異，導致其在膜的擴散速率不同而實現分離的。

c.滲析應用

目前滲析最主要的用途是血液透析，即以透析膜代替腎除去尿素、肌酸酐、磷酸鹽和尿酸等有毒的低分子量組分，以緩解腎衰竭和尿毒病患者的病情。

（5）電滲析

電滲析是在直流電場作用下，以電位差為推動力，利用離子交換膜的選擇透過性，把電解質從溶液中分離出來，從而實現溶液的濃縮、淡化、精制和提純。

a.電滲析的基本原理

在陰極和陽極之間交替排列一系列陰離子交換膜和陽離子交換膜。陰離子交換膜能使陰離子透過，陽離子交換膜能使陽離子透過。

b.離子交換膜

目前離子交換膜的種類很多，常用的膜按功能分有陰離子交換膜和陽離子交換膜。

c.電滲析的應用

目前電滲析已是一種相當成熟的膜分離技術，主要用途是苦咸水淡化、生產飲用水、濃縮海水制鹽以及體系中脫除電解質。

3 膜組件

工業應用中通常需要較大面積的膜。安裝膜的最小單元稱為膜組件。膜組件的設計有很多種形式，它們均根據兩種膜結構形式設計：

平板膜和管式膜。板框式和卷式膜組件使用平板膜，管式、毛細管式和中空纖維膜組件均使用管式膜。

3.1 板框式膜組件

板框式膜組件的突出優點是操作靈活，其主要特點有：

（1）組裝簡單、堅固，對壓力變動和現場作業的可靠性較大；

（2）可以簡單的增加膜的層數實現增大處理量；

（3）每兩片膜之間的滲透物都是被單獨引出來的，可以通過關閉個別膜來消除操作中的故障，而不必使整個組件停止運行。板框式膜組件可用于反滲透、超濾和滲透汽化過程。在不同的過程中，組件的具體設計也不相同。

3.2 卷式膜組件

卷式膜組件是目前反滲透、超濾及氣體分離過程中最重要的膜組件形式，也有少量用于滲透汽化過程。

對于不同的處理對象，可對卷式膜組件的結構作相應的改進。

3.3 管式膜組件

管式膜組件是由園管式的膜及膜的支撐構成。由于膜本身的強度不夠，因此在壓力下工作時需要具有良好透水性能和高強度的材料支撐。

管式膜的流道較大，對料液中雜質含量的要求不高，可用于處理高固含量的料液。膜面的清洗不僅可以用化學方法，而且也可以用海綿球之類的機械清洗方法。

3.4 毛細管膜組件

毛細管膜組件的結構類似于管式膜。由于膜的孔徑較小（0.5-6mm），能承受高壓，所以不用支撐管。毛細管膜組件裝填密度較大，制造費用較低，但壓縮強度較小，在多數情況下料液的流動為層流。目前用于超濾、滲析、滲透汽化過程以及某些氣體滲透過程。

3.5 中空纖維膜組件

中空纖維膜組件與毛細管膜組件的形式相同，差別在于膜的規格不同。通常中空纖維的外徑約40-250μm，外徑與內徑之比為2-4。

中空纖維最主要的優點是裝填密度很高，可達16000-30000m²/m對反滲透、氣體分離、膜接觸器、液膜等單位面積滲透通量很小的過程是非常有利的。