如何進(jìn)行水處理？

衡美水處理為您介紹一種性能優(yōu)良的水處理設(shè)備配件——超濾膜，并向您詳細(xì)介紹超濾膜的工作原理和方法。

一、工作原理

過濾是使液體通過多孔過濾介質(zhì)以分離其中所含的固體顆粒的一種操作。過濾介質(zhì)截阻顆粒而讓液體通過，隨著被分離的顆粒變小，要求介質(zhì)的通道也要變小。如果顆粒小到亞微細(xì)粒的程度，膜孔大小就要趨近于能阻止溶液中大分子的通過。這種利用半透膜的微孔過濾以截留溶液中大溶質(zhì)分子的操作稱為超濾，而這樣的半透膜稱為超濾膜。

超濾的驅(qū)動力是壓力，通常高達(dá)1.0MPa。運用液壓迫使溶液透過膜并按溶質(zhì)分子大小、形狀等差異，把大溶質(zhì)分子阻留在膜的一側(cè)，成為濃縮液; 而小分子的溶質(zhì)則隨溶劑透過膜到另一側(cè)，成為透過液流出。如果將所得濃縮液用水稀釋，再進(jìn)行超濾，可使料液中的低分子溶質(zhì)進(jìn)一步隨透過液流出，而高分子物質(zhì)逐步得到提純，這樣的過程稱為全濾 (如圖8-4)。

超濾具有分離和提純的作用。

1、分離作用

圖8-4 超濾原理示意圖

1—進(jìn)料 2—濃縮液 3—清液 4—超濾膜

低分子質(zhì)量的溶質(zhì)隨溶媒一起透過濾膜，高分子質(zhì)量的溶質(zhì)被截留，因此，料液被分為帶有低分子溶質(zhì)的透過液和帶有高分子溶質(zhì)及殘留低分子溶質(zhì)的濃縮液。

2、提純作用

由于分離，提高了濃縮液中總固體里高分子量溶質(zhì)的百分率，因此，提純了高分子溶質(zhì)。在透過液中，低分子溶質(zhì)由于從高分子溶質(zhì)中分離出來，也得到了提純。

一、超濾膜

（一）超濾膜的膜滲機理

料液在超濾膜內(nèi)的流動問題比較復(fù)雜，簡單的床層流動理論不能充分解釋膜內(nèi)的流動，它不是單純屬于一般毛細(xì)管內(nèi)層流的機理。通常膜滲機理有下述兩種模型：

1、毛細(xì)流動模型

在這種模型中，溶質(zhì)的脫除主要靠流過微孔結(jié)構(gòu)的過濾或篩濾作用，半透膜阻止了大分子的通過，按這一模型建立的流動是毛細(xì)孔中的層流流動。

2、溶解擴散模型

在這種模型中，假定擴散質(zhì)的分子，先溶解于膜的結(jié)構(gòu)材料中，而后再經(jīng)載體的擴散而傳遞。因為分子種類不同，溶解度和擴散度也就不同。

實際上，兩種模型在膜滲傳遞中都可能存在，但反滲透以溶解擴散機理占優(yōu)勢，而超濾則以毛細(xì)流動機理占優(yōu)勢。為此，又出現(xiàn)綜合兩種機理的所謂“優(yōu)先吸著毛細(xì)流動” 的機理。

（二）超濾膜的結(jié)構(gòu)和材料

目前，超濾膜已發(fā)展到第三代。一代為醋酸纖維素膜(CA膜)，耐pH范圍3～8，耐溫0～50℃，易受微生物和酶的作用，在強酸和弱堿條件下水解，并且在正常使用時會因蠕變使透水速率降低。盡管有這些缺點，它在食品工業(yè)上目前仍得到廣泛應(yīng)用。第二代為聚合物膜，制造超濾膜有代表性的聚合物包括多種熱塑性塑料，如聚甲基丙烯酸甲基、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、尼龍等。用于高溫的熱塑性塑料如芳族聚酰胺、芳族聚醚等。由這些聚合物制成的半透膜的特性是，具有高壓力下抵抗破壞、高溫下抵抗變性、在酸堿和氧化環(huán)境下抵抗腐蝕等特性。第三代是鋯-氧化鋁膜，耐溫達(dá)400℃，濾膜厚0.1μm，為多孔凝膠附著在100～1000μm厚的多孔托板上。

普通使用的醋酸纖維半透膜，具有不對稱和超微孔的結(jié)構(gòu)，它有一層由致密聚合物做成的超薄(亞微)表層，此層支持在下面的支撐層之上，支撐層由較厚的微孔聚合物制成。表層和支撐層由一次澆鑄工藝制成。

（三）超濾膜的構(gòu)型

超濾膜在工業(yè)應(yīng)用上有平板狀、管狀、螺旋板狀和空心纖維狀等幾種不同的形式。目前國內(nèi)應(yīng)用的大多數(shù)為板狀和管狀，空心纖維膜(中空纖維膜) 也已開始試制并應(yīng)用于生產(chǎn)。

1、平板膜

這種膜主要用于結(jié)構(gòu)與板框壓濾機相似的設(shè)備上。半透膜張緊在一組多孔板上，用一塊帶槽的板來支持。支撐板的材料為聚砜 (polysulfone)，呈橢圓形，長徑長度為35cm，由雙層空心夾板組成。兩個表面設(shè)計為弧形淺溝，即由多根凸起的弧形圈組成多條料液通道，適于處理粘性物料，不易形成膜面上的濃料沉積，能加快透過速度，改善流動狀況。超濾膜緊貼于支撐板的兩面。兩端開圓孔，料液由一端進(jìn)入，流過膜面，從另一端流出。清液透過膜層及支撐板溝槽上的長條孔隙，進(jìn)入夾板空心，從支撐板邊上的一個小管流出。

超濾膜緊貼于支撐板上，在兩端圓孔處有鎖圈將其固定，如圖8-5所示。當(dāng)兩塊支撐板疊合時，有一面的鎖圈為流通圈，可將料液疏導(dǎo)至支撐板膜面。多塊膜板重合，料液并流通過既定數(shù)量的并流膜板后，在流通孔上設(shè)一擋圈，使料液進(jìn)入另一組并流膜板，兩組連接，形成串聯(lián)，兩組流動方向相反。如此，多組膜板疊合，組成多次并流與串流，清液從每個膜面透過流出，超濾液不斷地得到濃縮 (如圖8-6所示)。

圖8-5 超濾膜及支撐板組合圖

1—流通圈 2—超濾膜 3—支撐板 4—超濾膜 5—鎖圈

圖8-6 超濾膜組合圖

1—超濾膜 2—支撐板 3—隔板 4—流通圈 5—鎖圈

A—料液進(jìn)口 B—清液出口 C—濃縮液出口

2、管狀膜

這種膜是牢固地緊貼在支撐管內(nèi)側(cè)，做成的一個元件，是廣泛應(yīng)用的一種膜型。完整的組件是將此管狀膜裝入外殼內(nèi)構(gòu)成，很像簡單的管式換熱器。

3、空心纖維膜

這種膜是在平板膜基礎(chǔ)上開發(fā)出的具有空間立體幾何形狀的薄膜，使單位體積的膜滲設(shè)備不依靠極薄的半透膜而有很大的膜滲能力。在各種幾何形狀中，很有吸引力的是小直徑的空心圓柱，而圓柱壁由半透膜制成。因此，圓柱面積與體積之比值反比于直徑，而且對于給定的內(nèi)外徑比值，壁厚正比于直徑，故單位體積空心圓柱膜的透過量與直徑的平方成反比。這樣，采用空心圓柱構(gòu)形，就大大地提高了單位體積膜滲設(shè)備的生產(chǎn)能力?？梢宰C明，在超濾應(yīng)用上，采用一個大小合理的小直徑空心纖維膜的圓柱束，則所發(fā)生的透過液量將相當(dāng)于幾十平方米超薄平板膜上所得者。

空心纖維為細(xì)長的膜管，內(nèi)壁為膜層，膜層結(jié)合于海綿式的外壁上，外壁有粗孔，內(nèi)層起超濾分離作用。內(nèi)膜孔的大小，決定管內(nèi)被阻物質(zhì)的大小?？招睦w維內(nèi)徑約200μm，由惰性的非離子聚合物制成，具有***的各向異性的(表皮)結(jié)構(gòu)，有明顯高的流率(如圖8-7)。

圖8-7 空心纖維超濾膜筒

三、超濾裝置

（一）板式分離裝置

用于大規(guī)模生產(chǎn)的平板式超濾分離設(shè)備有類似板框式的結(jié)構(gòu) (如圖8-8)。

在這種設(shè)備中，被處理的液體在窄溝道中流動，溝道寬度僅0.3～0.5mm，液體沿膜做徑向流動。在同一膜上，與膜接觸的路程只有150mm左右。通常液體流動的平均流速約為0.5m/s，故流動為層流。一般平板膜滲設(shè)備由許多膜滲組件構(gòu)成，每一組件提供固定的膜面積，從幾平方米到幾十平方米。

（二）空心纖維膜滲分離器

圖8-8 平板膜分離裝置結(jié)構(gòu)原理

1—隔離板 2—半透膜 3—膜支撐板 4—***螺栓

空心纖維膜滲分離裝置的外形亦為殼管狀(如圖8-9)。

圖8-9 中空纖維膜組件剖面圖

1—鹽水 2—進(jìn)料 3—取樣 4—中空纖維膜 5—環(huán)氧樹脂管板 6—多孔支撐板 7—產(chǎn)品 8—外殼 9—環(huán)氧樹脂塊

這種膜滲分離器把幾千萬根空心纖維集束的開口端用環(huán)氧樹脂粘接，裝填在管狀殼體內(nèi)而成。

其特點是：

（1）裝置內(nèi)單位體積的膜面積很大；

（2）膜壁薄，液體透過速度快；

（3）因空心纖維的幾何構(gòu)形具有耐壓性能，故強度高。

四、超濾在乳品工業(yè)上的應(yīng)用

國外已將超濾用于脫脂乳的濃縮，可制取含蛋白質(zhì)高達(dá)50%～80%的脫脂濃乳。超濾已被證實為在乳清中濃縮和回收蛋白質(zhì)的有效方法 (如圖8-10)。

圖8-10 乳清的超濾

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