膜的基础技术（一）

1.2 膜的基础知识

1.21 分离膜的定义是什么?

具有将不同物质组分进行分离功能的半透过性薄膜称为分离膜。分离膜是一种特殊的、具有选择性透过功能的薄层物质，可实现流体内的一种或几种物质透过而其他物质不透过。但实际上，分离膜对于任何组分均具有一定的透过率，故仅能实现组分的部分分离。

按膜材料的相态划分，分离膜可以是固态、液态和气态。在水处理领域应用的分离膜绝大多数为固态膜，分离过程涉及悬浮物与水的固-液分离，溶解气体与水的气-液分离，溶解固体与水(或溶剂与溶质)的液-液分离。

膜分离过程的推动力是外界能量或化学位差，这些推动力可能是来自膜两侧的压力差、浓度差、电位差或是这些因素相结合的产物。借助外界能量为推动力，物质可由低位移向高位。膜分离工艺与其他分离工艺相比，具有常温环境下工作、无相变、操作简单易控制、单元化、高效节能、占地面积小等一系列特点。

1.22 分离膜的性能如何表征?

分离膜通常用透过性能和分离性能来表征。透过性能的表征参数为膜通量(或称渗透速率)，是指单位时间通过单位面积膜的渗透物流量。分离性能指膜将混合物中的组分分离开的能力。根据不同膜分离过程，分离性能的表征方法有所不同，如反渗透膜的分离性能表征参数为脱盐率、超滤膜的表征参数为截留率、气体分离膜的表征参数为分离系数等。分离膜的膜通量决定其应用价值，而分离性能强才会有明显的工艺效果。

1.23 根据产物如何进行膜分离分类?

膜分离过程兼有分离、浓缩、提纯和提取的功能，可将混合流体分离成透过物与截留物。将透过物与截留物均作为产物的膜分离过程称为分离;以透过物为产物的膜分离过程称为提纯;以截留物为产物的膜分离过程称为浓缩;以两种不同截留精度的膜组合使用，经过前低后高截留精度分离的中间物质成分为产物的膜分离过程可称为提取。

1.24分离膜品种如何分类?

分离膜的分类方式多种多样。根据膜材料分为天然膜和合成膜。天然膜包括生物膜、天然物质改性或再生而制成的膜;合成膜包括有机膜和无机膜。其中应用为广泛的是有机合成膜，其特点为制备工艺简单、膜元件容积率高、价格低廉、离效率较高，但化学稳定性差、耐温性差、机械强度差、耐清洗能力差。按分离过程的推动力分类;以膜两侧压力差为推动力的膜分离过程为微滤、超滤、纳滤、反渗透等;以电位差为推动力的膜分离过程为电渗析与树脂床电析等。

按分离物质大小划分的膜分离技术如图所示。

根据膜的结构形式分类，分为多孔膜与致密膜。具有多孔和开口结构的膜为多孔膜，致密膜则不存在透孔。一般而言，超滤、微滤等多孔膜的分离精度较低，仅可以分离水中的悬浮物、有机物等大颗粒物质;而致密膜的分离精度较高，可以分离水中的离子或分子成分。

根据膜的结构均匀与否，多孔膜与致密膜各自又可再分为均质膜与非均质膜均质膜的膜体结构在膜表面垂直方向上均匀一致，非均质膜的膜体结构在膜表面直方向上不均匀。一般而言，均质膜的膜阻力较大、分离效率较低;非均质膜的膜阻力较小、分离效率较高。而且，均质膜易于污染、不易冲洗，非均质膜不易污染、易于冲洗。值得注意的是，由于复合膜的复合层与基层的连接较弱，复合膜结构一般不适合反向冲洗。根据膜元件结构分类，膜元件可划分为板式膜、折叠膜、管式膜、中空膜、卷式膜等不同结构形式。各类膜结构在比表面、过流方式、压力支撑清洗条件等方面各有优劣。例如，板式膜的结构简单、不易断裂、对原液要求较低，但比表面最小、设备效率低;而中空膜的结构复杂、易于断裂、对原液要求较高，但比表面最大、设备效率高。目前超滤及微滤膜元件结构多为中空式，反渗透及纳滤膜元件结构多为卷式。

1.25 什么是多孔膜分离的筛分理论?

用拉伸、相转化等方法制取的微滤、超滤膜上具有穿透膜体的孔隙，从而形成多孔膜。多孔膜的分离机理可用筛分理论解释，粒径小于膜孔的颗粒可透过膜孔，粒径等于膜孔的颗粒可堵塞膜孔，粒径大于膜孔的颗粒被膜体截留。此外，带电颗粒在膜表面及膜孔中的吸附截留，小于孔径的颗粒在孔口处的架桥截留，也具有定的截留作用。

表征多孔膜结构的参数有表面孔隙率、孔径均值与孔径方差三大指标。表面孔隙率指膜面中各孔面积之和与整个膜面积的比值，表面孔隙率决定着膜的透过性能。为保证高的膜通量则尽可能提高表面孔隙率，但要兼顾膜的机械强度，因而的孔隙率也受到一定限制。膜的孔径均值是膜的重要指标，决定了哪些粒子或分子被截留，而哪些可以通过。因制膜材料及工艺的原因，膜的孔径不可能完全一致必然存在一定的孔径分布。膜孔径分布的均方差大小反映着孔径分布的集中与否。通常将截留率达到95%的物质粒径称为膜的截留粒径，将透过率达到5%的物质粒径称为膜的透过粒径。多孔膜用于提纯工艺时应参考透过物标称最大粒径，用于浓缩工艺时应参考截留物的标称最小粒径。

1.26 什么是致密膜分离的溶解-扩散理论?

纳滤膜与反渗透膜属于致密膜，而致密膜的分离机理可用溶解-扩散理论解释溶质与溶剂是以溶解方式进人膜体，它们在膜表面的溶解速率不同;溶质与溶剂在膜体内是以扩散形式迁移，它们在膜体内的扩散速率也不同;它们从膜体解吸的率也有差异。当溶剂的溶解和扩散速率远大于溶质的溶解和扩散速率时，溶质在液侧富集，溶剂则透过致密膜，从而实现了溶质与溶剂的相对分离。

以脱盐为主要目的的纳滤、反渗透膜，水与盐的膜透过速率差异实现了产出水的淡化。溶解于水中的不同离子依其化合价及分子量等项区别具有不同的透过速率，膜对于盐的透过速率是水中各类离子的综合透过速率。因此，膜厂商表明其膜产品的脱盐率测试指标时，必需指明测试液的化学成分。影响反渗透膜截留效果的主要因素还有溶质的解离度、分子量、荷电性、水合度及分子的支链程度等。

1.2.7 什么是全量过滤错流过滤及回收率?

根据处理原液与透过液的径流方式不同，膜工艺中分为全量(或称死端)过滤(也称并流过滤)与错流过滤两种形式。全量过滤的工艺简单、回收率高，为间歇工作方式;错流过滤的工艺复杂、回收率低，为连续工作方式。膜工艺的重要技术指标之一是工艺回收率，即工艺透水流量与原水流量之比:

回收率=透水流量/原水流量

全量过滤方式的回收率恒等于1，错流过滤方式的回收率小于1。

全量过滤方式下，透过液垂直透过膜体，截留物滞留在原液侧，特别是聚集在原液侧膜表面形成对膜体的污染，膜污染的速度较快。错流过滤方式下，透过液重直透过膜体，部分截留物滞留在原液侧膜表面形成对膜体的污染，而未透过的浓液与膜体形成切向径流，对聚集在膜表面的截留污染物起到冲刷作用，因此错流过滤方式可减缓膜污染的速度。错流过滤运行方式，存在一个浓液流速与透液流速的比值即错流比问题。比值过低时不能形成有效的切向冲洗径流，并因雷诺数低而不能形成有效湍流，浓差极化严重，错流的效果很差。比值过高时会造成原水的浪费及能量的消耗。

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