第九章-膜系统

• 膜过程
• 预处理
• 固体去除
• 规模控制
• 微生物污染

自20世纪40年代以来，离子交换树脂已被用于去除水中溶解的盐。这些树脂将水中的离子交换为树脂交换位点上的离子，并保持它们直到被再生溶液释放(详见第8章)。许多离子交换过程存在于各种工业用水和废水应用中。离子交换过程消耗大量的再生化学物质，如盐水、酸和腐蚀性物质，这些物质会带来重大的处理和处置问题。

近年来，膜法越来越多地用于从淡水和海水中生产“纯”水。膜处理也被应用于过程和废水系统。

尽管膜技术通常被认为是昂贵且相对实验性的，但它正在迅速发展，变得更便宜，提高了性能，延长了寿命。

膜过程

常见的膜处理包括超滤(UF)、反渗透(RO)、电渗析(ED)和电渗析反转(EDR)。这些过程(UF除外)会减少大多数离子;反渗透和超滤系统也提供有效的减少非电离的有机物和微粒。由于超滤膜孔隙度太大，无法过滤离子，因此超滤工艺用于减少污染物，如油和油脂，以及悬浮物。

反渗透

渗透是溶剂通过半透膜，从稀溶液到浓溶液的流动。这种流动是由两种溶液之间的压力差产生的驱动力造成的。渗透压是为了阻止溶剂流过膜而必须增加到浓溶液侧的压力。反渗透是使水流反向的过程，迫使水通过膜从浓溶液流到稀溶液，从而产生过滤水。渗透和反渗透的流程如图9-1所示。

当对浓溶液施加足够的压力以克服渗透压时，就会产生反渗透。这种压力由给水泵提供。RO膜高压侧减少浓缩污染物(盐水)，低压侧减少过滤水(渗透水)。RO流程的简化示意图如图9-2所示。膜组件可以采用不同的设计配置，以最少的浪费产生最高质量的渗透。多级RO配置举例如图9-3所示。

通常，95%的溶解盐从盐水中被还原。所有的微粒都被去除。然而，由于其分子孔隙性，反渗透膜不能去除溶解气体，如Cl₂、有限公司₂，和O₂。

RO膜。工业水处理中最常用的两种反渗透膜是醋酸纤维素(CA)和聚酰胺(PA)复合膜。目前，大多数膜是螺旋缠绕的;然而，中空纤维配置是可用的。在螺旋缠绕结构中，在渗透收集管周围缠绕有平板膜和间隔片，以形成渗透和给水的流动通道。这种设计使流量最大化，同时使膜组件的尺寸最小化。

中空纤维系统是由一束束细小的、毛发状的膜管组成的。当给水渗透到这些管的壁时，离子被拒绝，渗透通过纤维的中空中心被收集。浓缩盐水在模块外壳所含纤维的外部产生。

图缩小显示螺旋缠绕膜结构的结构和流动模式。图9 - 5展示了中空纤维膜系统的结构和流动模式。

电渗析

电渗析(ED)过程将溶解的盐离子转移到膜上，留下纯净水。离子运动是由直流电场引起的。负极(阴极)吸引阳离子，正极(阳极)吸引阴离子。系统通过交替的阳离子和阴离子转移膜分层堆叠。交替的隔室携带浓缩盐水和过滤渗透液。通常，40-60%的溶解离子被去除或拒绝。进一步改善水质的方法是分期(串联操作)。ED工艺不能去除颗粒污染物或弱电离污染物，如二氧化硅。ED流程的简化示意图如图9-6所示。

电渗析逆转

电渗析逆转(EDR)过程的操作原理与ED相同;然而，EDR操作会逆转系统极性(通常每小时3-4次)。这种逆转阻止了浓溶液在膜上的积聚，从而减少了无机和有机沉积在膜表面的积累。EDR系统类似于ED系统，设计有足够的腔室面积来收集产品水和盐水。EDR生产的水与ED质量相同。

超滤

在许多工艺和废水应用中，不需要减少溶解离子，但需要有效地减少胶体无机或有机分子。超滤(UF)膜配置和系统设计与单级反渗透过程中使用的类似。由于UF去除的大分子渗透压可以忽略不计，因此操作压力通常比反渗透系统低得多。超滤膜的性能如图9-7所示。典型的应用包括减少油和油脂以及回收工艺废物流中的有价值污染物。

预处理

依靠微孔膜的工艺必须防止污染。膜污染导致产水损失(通量)，渗透质量降低，跨膜压降增加。

膜污染通常是由无机盐、金属氧化物颗粒、胶体淤泥的沉淀和微生物在膜表面的积累或生长引起的。这些污垢问题会导致严重的损坏，需要更频繁地更换膜。

减少固体

膜给水应相对不含胶体颗粒。工业膜系统中最常见的颗粒是淤泥、氧化铁和锰氧化物。

应使用淤泥密度指数(SDI)测试来确定所采用的特定膜系统是否有足够的水质。SDI评估给水污染0.45µm过滤器的可能性。即使按照大多数工业水处理标准，水质相对较高，SDI测量值也可能产生不可接受的结果。在预处理不充分或无效的情况下，可以使用化学分散剂，以允许在高于推荐的SDI值的情况下操作。反渗透系统极易受到颗粒污染，ED和EDR系统更为宽容，超滤系统专为处理污水而设计。

规模控制

膜过程产生溶解盐接近膜表面的浓度梯度。膜上的浓度可能超过某些物质的溶解度极限。碳酸钙_3.)和硫酸钙(CaSO)₄)是典型的沉淀形成。二氧化硅、钡和锶盐也经常在膜沉积物中发现。由于它们的溶解度低，极低水平的给水钡或锶会引起膜污染。

各种饱和度指标，如Stiff-Davis和Langelier，应保持在盐水的沉淀值以下(通过pH控制或沉积控制剂)，以防止碳酸钙污染。其他沉淀物可通过适当应用防沉淀剂加以控制。

微生物污染

醋酸纤维素膜可通过微生物活性降解。适当的氯残留维护可以防止微生物对这些膜的攻击。

聚丙烯酰胺膜耐微生物降解;然而，它们易受化学氧化的影响。因此，氯化不是一种可接受的处理方法。如果接种发生，微生物污染可能成为一个问题。如果存在严重的微生物污染，则应使用非氧化性抗菌剂和生物分散剂。

了解更多关于苏伊士的膜保护化工产品可以保护你的膜免受水垢，细菌生长和污垢。