膜過濾應用手冊實踐技巧和提示2000年6月介紹這是膜過濾應用手冊第二版。

為了提高這本手冊的應用價值，新增了預處理、自動控制和泵的描述。

這本手冊是在膜過濾領域許多年實踐的產物，它也是一個資訊的綜合。

目的是提供一些常见问题的信息，为初步介入膜过滤领域的新人提供一些帮助，回答一些问题。

这本书对已从事膜设备设计及建设的工程师和在已建工厂工作的工程师都能提供许多有用的信息。

同时对膜系统的设计和操作的学习也有较大的帮助。

本書提供的資訊相對於理論計算和思索，更多的是實踐經驗。

因此，它並不是技術學院裏的一本傳統的教科書。

雖然書中沒有太多的數學計算，但它對於工業和學術應用都是非常有用的，因為它含有膜過濾領域許多“老到”的經驗，即使對於業內行家而言，它也並不是一本出版物而已。

這本手冊並不適用於那些純粹的初學者，因為書中對膜和膜技術的描述比較具體，而簡略了一些基礎的膜和化學知識。

本書中大多數的實例是基於帄板膜（DDS板框系統）和卷式膜元件(DESAL)。

卷式膜元件占了世界大多數的銷售市場份額，而纖維膜系統、陶瓷膜系統和管式膜系統分享的市場份額則相當小。

由於他們在領域的地位，在2000年以前纖維膜系統、陶瓷膜系統和管式膜系統想成為市場主導的機會極小。

因此在本書關於他們的資訊比較少。

在當今時代，膜正在被努力推廣，但還未被消費者熟知，因為膜一般都隱藏在整個工業系統中。

有些行業依靠膜生產一些基礎的產品，有些則利用膜解決一些複雜的分離過程，另一些則用膜達到一些環保的標準。

膜就象電腦一樣：很少人理解它們，而只有一些人喜歡它們，但是我們都需要它們。

即使我們不喜歡它們，但我們知道它們可以使生活更簡便和舒適。

開發高效、完好、經濟的膜來處理各種液體包括廢水的工作已進行35年。

但是對於如何讓人們普遍瞭解建設和操作一個膜工廠的工作還有很長的路要走。

希望本書能幫助避免許多以往很容易的犯的錯誤。

同時我要真心感謝Bjame Nicolaisen提供的許多寶貴的技術上和語言上意見和建議，同時感謝我的妻子作為我的同事參與了許多技術問題的討論。

同時也感謝以不同方式參與本書的其他朋友！Jorgen Wagner專業名詞解釋及約定表1、專業名詞解釋及約定四種膜過程反滲透（RO）是液體/液體分離過程中最可能使用的膜分離過程。

原則上水是唯一通過膜的物質；特別是所有的溶解和懸浮的物質被截留。

有時一些開放類型的RO膜和納濾（NF）膜會產生混淆。

真正的納濾只截留超過一價的負電荷離子，如硫酸鹽、磷酸鹽,而能通過單價的負離子。

根據分子的大小和形狀，納濾也能截留不帶電荷、溶解性物質和正電荷離子。

納濾對氯化納0～50％的截留率主要決定於進水的濃度。

而“寬松的反滲透”是一種減少了鹽截留率的反滲透膜。

由於鹽截留率的減少可以降低壓力和能耗，因此在有些項目上也是可以被接受的。

超濾(UF)是大分子量組分(HMWC)，如蛋白質、懸浮固體被截留，而所有的小分子量組分自由通過膜的過程。

因此，單價和二價的糖類、鹽、氨基酸、有機物、無機酸或氫氧化納都不能通過。

微濾(MF)過程理論上只有懸浮固體被截留，而其他甚至蛋白質都可以自由通過膜。

但是實際情況和理想狀態有一定的差距。

下表是對以上內容的總結。

表二四種膜過程的比較產品和膜過程許多產品使用膜來處理，但已銷售的80％以上的膜用於水的脫鹽處理。

剩餘的部分205%被用於乳製品的處理，其餘被用於各種液體的處理。

其中某些液體屬於廢棄的產品，而某些則是非常貴重的只要產物。

表3列出了一些典型的應用，陰影部分代表主要的產物。

注意：透過液和濃水都可以是需要的產物，而可以同時成為產物。

表3 某些產物的膜過程類型膜的材料、結構和使用限制膜材料在商務上由不同供應商提供的膜的選擇方案看起來令人迷惑，因為許多材料都可以用來做膜，而它們又有許多商務名稱，實際上，真正使用的材質很少，並且大多數銷售和使用的膜只是一些很基本的類型。

✧整膜醋酸纖維素(CA)是“最初的”膜，被用作RO、NF和UF應用。

這種材料有一些缺陷，特別是針對於pH和溫度。

CA其主要的優點是低價，以及由於它的親水性使其不易阻塞污染。

如今還有一些“頑固的”用戶堅持購買“同樣的膜直到最後”，他們堅持使用CA膜是因為它們還可以工作，但實際上CA膜的弱點是它們易被微生物吞噬。

聚碸(PSO)自從1975年以來已被廣泛應用於UF和MF膜。

PSO的主要優點是它良好的耐溫和耐pH能力。

實際上在食品和乳製品行業中，聚碸是唯一被大量使用的膜材料。

原則上，聚碸(PSO)膜不能抗油、油脂、脂肪和兩極溶劑。

然而，也有一種親水類型的聚碸膜能違反此原則，在乳化油行業應用良好。

聚偏二氟乙烯(PVDF)是一種傳統的膜材料，但是它並未被廣泛使用，因為它很難使膜具有良好且穩定的分離特性。

它的主要優點是其高度的抗碳氫化合物和氧化環境的能力。

✧複合膜也稱薄膜複合膜，它一般被縮寫為TFC和TFM，被用來代替醋酸纖維RO膜。

其主要的優點是同時具有較高的通量和很高的鹽截留率，用複合RO膜氯化鈉的截留率一般可達99.5%。

它們也有好的抗溫度和pH的能力，但不能耐氧化環境。

複合膜有二層和三層的設計，但所有的都有精確的組分。

一般來講，一種薄膜複合膜由一個PSO(聚碸)膜作為其非常薄的表面層的支撐，在PSO超濾膜的表面層是一種聚合物。

而三層設計則在PSO支撐膜的上部有二層薄膜。

大約在1980年，Film Tec主導了二層膜設計的市場，並很快成為水脫鹽處理的行業標準，直到現在這種類型的膜都佔領了水脫鹽處理的市場。

多年以來膜已有了很大的發展，但基礎設計沒有改變，如今已有好幾家公司製造這種類型的膜。

二十世紀八十年代中期，Desal開始進行三層複合膜的設計。

在水脫鹽處理方面這種膜很難和二層競爭，但在工業分離領域被證明可以工作得更好。

三層膜更穩定，更不易阻塞污染。

它們一般用於RO和NF，對於處理許多較難的分離過程，也是最佳的選擇。

Desal是唯一生產三層複合膜的製造商。

以下是根據膜的表面積來劃分的全世界膜的消耗量。

複合RO膜85％複合NF膜3～5％聚碸UF和MF膜5～7％其他膜3～5％“其他膜”包括聚丙烯(PAN)、陶瓷材料( SiO2)和纖維素(水解醋酸纖維素)等。

膜材料的選擇對於一個給定的分離過程選擇合適的膜和膜材料是比較困難的，為了作出合適的選擇必須先提供一些有關分離過程環境的概要資訊。

第一步現確定可取的過程(RO、NF、UF或MF)和適用的膜材料。

可以選擇對於過程環境最適合的膜材料。

表2(四種膜過程的比較)，表3(產品和過程)以及表4(一些膜材料的抗化學品性能)可能對膜的選擇有些幫助。

表4 一些膜材料的抗化學性能√表示基於理論的資訊或在實踐應用中有不確定性。

除了已經應用的案例外，膜材料的選擇是比較困難的，因為可以考慮的往往不止一種材料。

按一般原則，對於一個分離過程只有通過良好的計畫和成功的詴驗才能為膜的選擇提供最佳方案。

PH和溫度耐受力在“膜材料”部分已討論了不同的材料的pH耐受力。

當確定一個膜過程的時候，僅僅考慮膜材料是不夠的。

膜有好多種構型(板框式、管式、卷式等)。

同一個膜系統包括許多其他的元件，它們都有嚴格的pH限制。

許多膜供應商規定的pH限制實際上是存在於整個膜系統中的限制，而不只是膜本身，在整個系統中耐受力最差的材料決定了整個系統的pH限定範圍。

目前主要的膜類型是卷式膜元件，雖然以下的說法對所有膜類型都適用，但我們還是以卷式膜為例。

通常膜表面的襯背材料是一個限制因素。

目前使用最廣泛的襯背材料是聚酯(PE)。

它具有非常良好的溫度穩定性，但受限於高pH環境。

因此，許多膜說明書中列出了最高pH 11.5的限制。

然而，許多膜可以以聚丙烯(PP)作為襯背，它具有非常良好的pH穩定性，但溫度受限制，會給膜產品帶來麻煩。

因此我們的觀點是當選定了合適的膜材料和膜構型後，必須確定這種組合對於耐受過程的工作環境是可行的。

由於卷式膜元件含有許多其他的不同的高分子材料，因此除了PE襯背材料外，還可能有一些其他的限制因素。

一般中心管和反套裝置/內部接頭由PVC或ABS製成，這些材料都沒有良好的溫度耐受力。

聚碸(PSO)是一種價格貴得多的材料，但是可以提供良好的pH和溫度耐受力，因此它一般在工業過程中被選作中心管和反套裝置/內部接頭。

一個規定的pH限制一般有一個靈活的變化範圍，在其他條件正常的情況下短時間超過範圍不會有太大影響。

通常低pH比高pH要好些。

溫度和pH同時超出範圍一般都會引起較大的問題。

複合膜和氧化環境目前世界上還在尋找能耐受20ppm次氯酸鈉的用於RO和NF的好的複合膜。

一些現有的複合RO膜有氯耐受力，但它們仍不能滿足目前的一般行業需要。

？。

相反，多數薄膜複合膜(TFM)能較好地耐受過氧化氫，至少在限制濃度、低溫和較短持續時間的條件下。

膜結構從表面看，所有的RO、NF和UF膜都是非對稱型的。

這將多數膜和一般的篩檢程式區分開來，如咖啡篩檢程式，它們是對稱型的，換句話說，在篩檢程式的兩側是對稱的。

面向被處理的產品一側膜有一個不透水的緻密表層，這也稱為皮膚層。

它很薄，一般<<0.1μm。

而膜本身在150～250μm，大多數膜為皮膚層提供結構支撐。

非對稱結構意味著膜孔徑遠大於緻密表層的孔徑，這樣可以避免膜孔被堵塞。

因此膜具有較好的抗污染能力，污染物要麼被完全截留要麼全部通過。

以下是在較寬範圍內列出的膜的孔徑。

表5 一般的膜孔徑，μm迄今為止，還無法用顯微鏡從RO膜和NF膜中觀察到小孔，但水還是透過了膜而鹽被截留了。

這意味著自從製造出第一張膜後的35年來研究膜的科學家並不真正瞭解膜是怎樣的或為什麼有這些功能的，或至少他們並不瞭解其中的細節。

而第一張膜是有人親眼看到脫鹽水通過膜而產生的。

如果他只是通過顯微鏡來觀察膜，則他可能會拒絕接受這個事實，因為顯微鏡中根本無法看到小孔，因此也不可能透過水。

儘管我們還無法瞭解以上的現象，但我們可以預言RO膜的應用將得到推廣。

而NF膜則更困難些。

但如果現在有三種溶劑在一種溶液中，我們只能選作NF膜進行分離，當然必須先對進水進行精確而完整的分析。

表6 膜製造商1996年以來主要製造商的不完全統計膜元件/元件設計就象前面所提到的那樣，目前市場上有許多種膜構型。

卷式構型占膜市場的主導。

卷式膜的設計原本專用于水脫鹽處理，但其緊湊的設計、低廉的價格已吸引了其他行業。

經過了許多詴驗和失敗後，重新設計的元件已經可以用於許多工業行業，如乳製品行業、紙漿和造紙行業、高純水以及一些高溫和極端pH的場合。

但是，大多數膜公司只為極端項目提供一種卷式膜。

管式膜已存在較長一段時間了。

它的設計簡潔而易於理解。

許多大學院校喜歡用管式膜，因此它易於計算雷諾數並將其傳遞係數理論化。

管式膜有一個較大的優點，它們能較大範圍地耐懸浮固體和許多令人討厭的纖維。