上海半導體超純水設備解讀：各種膜技術的原理及應用領域
【上海水處理設備網(wǎng)straitstimes.cn】目前膜技術作為一個古老但是新興的技術，技術開發(fā)越來越深入，應用范圍越來越廣泛，本文總結目前世界上現(xiàn)有的膜處理技術，詳細介紹各種膜技術的原理及應用領域！
一、微濾（MF膜技術
1微濾(MF基本原理
微濾膜能截留0.1-1微米之間的顆粒。微濾膜允許大分子和溶解性固體（無機鹽）等通過，但會截留懸浮物，細菌，及大分子量膠體等物質。微濾膜的運行壓力一般為：0.3-7bar微濾膜過濾是世界上開發(fā)應用最早的膜技術，以天然或人工合成的高分子化合物作為膜材料。對微濾膜而言，其分離機理主要是篩分截留。
2微濾膜的應用
1水處理行業(yè):水中懸浮物，微小粒子和細菌的去除;
2電子工業(yè):半導體工業(yè)超純水、集成電路清洗用水終端處置;
3制藥行業(yè):醫(yī)用純水除菌、除熱原，藥物除菌;
4醫(yī)療行業(yè):除去組織液、抗菌素、血清、血漿蛋白質等多種溶液中的菌體;
5食品工業(yè):飲料、酒類、醬油、醋等食品中的懸濁物、微生物和異味雜質、酵母和霉菌的去除，果汁的廓清過濾。上海半導體超純水設備
6化學工業(yè):各種化學品的過濾廓清。
二、超濾（UF膜技術
1超濾（UF原理
超濾(Ultra-filtration,UF一種能將溶液進行凈化和分離的膜分離技術。超濾膜系統(tǒng)是以超濾膜絲為過濾介質，膜兩側的壓力差為驅動力的溶液分離裝置。超濾膜只允許溶液中的溶劑(如水分子)無機鹽及小分子有機物透過，而將溶液中的懸浮物、膠體、蛋白質和微生物等大分子物質截留，從而達到凈化和分離的目的
超濾過濾孔徑和截留分子量的范圍一直以來定義較為模糊，一般認為超濾膜的過濾孔徑為0.001-0.1微米，截留分子量(Molecularweighcut-off,MWCO為1,000-1,000,000Dalton嚴格意義上來說超濾膜的過濾孔徑為0.001-0.01微米，截留分子量為1,000-300,000Dalton若過濾孔徑大于0.01微米，或截留分子量大于300,000Dalton微孔膜就應該定義為微濾膜或精濾膜。
2超濾膜的應用
超濾膜的應用范圍極其廣泛，基本上涉及過濾的行業(yè)都可以用到過濾設備，基本過濾的行業(yè)如下：
純水與超純水制備工藝中作為反滲透預處置以及超純水的終端處置；工業(yè)用水中用于分離細菌、熱源、膠體、懸浮雜質及大分子有機物；飲用水、礦泉水凈化；發(fā)酵、酶制劑工業(yè)、制藥工業(yè)的濃縮、純化與澄清；果汁濃縮、分離；大豆、乳品、制糖工業(yè)、酒類、茶汁、醋等的分離、濃縮與澄清；工業(yè)廢水與生活污水的凈化和回收；電泳漆的回收。
超濾膜分離可取代激進工藝中的自然沉降，板框過濾，真空轉鼓，離心分離，溶媒萃取，樹脂提純，活性炭脫色等工藝過程。該過程為常溫操作，無相態(tài)變化，不發(fā)生二次污染。
三、納濾(NF膜技術
1納濾(NF原理
納濾(NF一種新型分子級膜分離技術，目前世界膜分離領域研究的熱點之一。NF膜孔徑在1nm以上，一般在1-2nm;對溶質的截留性能介于RO與UF膜之間;RO膜幾乎對所有的溶質都有很高的脫除率，但NF膜只對特定的溶質具有高脫除率。NF膜能夠去除二價、三價離子，Mn≥200有機物，以及微生物、膠體、熱源、病毒等。納濾膜的一個很大特征是膜本體帶有電荷，這是很低壓力下(僅0.5MPa仍具有較高脫鹽性能和截留分子量為數(shù)百的膜也可脫除無機鹽的重要原因，也是NF運行利息較低的主要原因。NF適合各種含鹽水源，水利用率一般為75%~85%海水淡化時在30%~50%沒有酸堿廢水排放。
2納濾膜在水處理中的應用
1納濾膜在飲用水中的應用
納濾操作壓力小，飲用水制備和深度凈化的首選工藝。
目前，大多數(shù)城市的給水水源均受到不同水平的污染，而自來水廠的慣例處置工藝對水中有機物去除率不高，當采用氯殺菌消毒時，氯又會與水中的有機物會生成鹵代副產(chǎn)物。Peltier等4年的跟蹤研究標明：采用納濾系統(tǒng)后水中的DOC降低到平均0.7mgC/L出水余氯的含量由0.35mg/L降到0.1mg/L最終網(wǎng)線中三鹵甲烷(THM形成比未采用納濾系統(tǒng)時減少了50%另外，由于生物降解型溶解有機碳(BCOD減少，改進了產(chǎn)水的生物穩(wěn)定性。
納濾技術能夠去除絕大部分的CaMg等離子，因此脫鹽是納濾技術應用最多的領域。膜法水處理技術在投資、操作和維修及價格等方面與常規(guī)的石灰軟化和離子交換過程相近，但具有無污泥、不需再生、完全除去懸浮物和有機物、操作簡便和占地省等優(yōu)點，應用實例較多。納濾可以直接用于地下水、地表水和廢水的軟化，還可以作為反滲透、太陽能光伏脫鹽裝置等的預處理。
2納濾膜在海水淡化中的應用
海水淡化是指將含鹽量為35000mg/L海水淡化至500mg/L以下的飲用水。
3納濾膜在廢水處置中的應用
①生活污水
生活污水一般用生物降解/化學氧化法結合處理，但氧化劑的用量太大，殘留物多。薛罡等采用微絮凝纖維球過濾.超濾.納濾組合工藝對賓館洗浴廢水進行了小試試驗。超濾出水水質可達到回用至賓館廁所沖洗、綠化等環(huán)節(jié)的用水要求，納濾出水水質可達到生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范(GB5749.85可以回用至賓館洗衣、洗浴等用水要求更高的環(huán)節(jié)。
②紡織、印染廢水
紡織廢水中含有的染料很難用生物的方法去除，Hassani研究了酸性、活性、直接和分散染料水溶液的濃度、壓力、總溶解性固體和無機鹽含量等對納濾膜截留性能的影響。
③制革廢水
制革廢水含有高濃度的有機物、硫酸鹽和氯化物，酸洗工序的廢液電導值達到75mS/cmBes-Pia采用NF技術回收了制革廢水，所得到高濃度硫酸鹽濃水回到酸洗段，而氯化物的產(chǎn)水打回裂化反應鼓。上海半導體超純水設備
④電鍍廢水
電鍍工廠往往發(fā)生大量廢液，盡管采取酸化、化學無害化、沉降和分離污泥等復雜處置方法，產(chǎn)水含鹽量高，不能重新回用。
⑤造紙廢水
紙漿和造紙業(yè)中，勻漿、漂白和造紙等工序都需要大量的水。實現(xiàn)水系統(tǒng)的半)密閉循環(huán)是紙漿廠、造紙廠節(jié)約水資源降低排放量的最佳途徑。激進活性污泥法的產(chǎn)水中還含有局部有色化合物、微生物、抗體和少量的生物分解物，懸浮固體等，僅能被用于制造包裝紙，不能用于更高級別紙的生產(chǎn)。另外，該法不能減少無機鹽的含量。Koyuncu對比了水→納濾以及造紙廢水→活性污泥→納濾兩種處理工藝的實用性，實驗標明：兩種方法的出水質量相似，第二種方法的產(chǎn)水通量更好，出水可以用于高級別紙。但納濾產(chǎn)水仍然含有一定量的一價鹽，需要再增加低壓反滲透裝置脫除鹽類才干保證循環(huán)水的質量。
四、反滲透（RO膜技術
1反滲透(RO原理
反滲透是一種以壓力為推動力的膜分離過程在使用中為發(fā)生反滲透壓需用水泵給含鹽水溶液或廢水施加壓力以克服自然滲透壓及膜的阻力使水透過反滲透膜，將水中溶解鹽或污染雜質阻止在反滲透膜的另一側。
2反滲透膜在水處理中的應用
1水處理方面的慣例應用
水是人們賴以生存和進行生產(chǎn)活動必不可少的物質條件。由于淡水資源日益缺乏，世界上反滲透水處理裝置的能力已達到每天數(shù)百萬噸。
2鄉(xiāng)村污水方面的應用
目前，反滲透膜在鄉(xiāng)村污水深度處置方面的應用尤其是污水處置廠二級出水回用及中水回用等，已受到高度重視。
3重金屬廢水處置方面的應用
含重金屬離子廢水的慣例處置方法都只是一種污染轉移,即將廢水中溶解的重金屬轉化成沉淀或更加易于處置的形式，其最終處置經(jīng)常是進行填埋，而重金屬對地下水和地表水環(huán)境造成二次污染的危害依然臨時存在上海半導體超純水設備
4含油廢水方面的應用
含油廢水是一種量大面廣的工業(yè)廢水，若直接排入水體，會在水體表層發(fā)生油膜阻礙氧氣溶入水中從而致使水中缺氧、生物死亡、發(fā)出惡臭，嚴重污染生態(tài)環(huán)境。油3.5mg/L總有機碳(TOC16~23mg/L油田采出水處理到鍋爐用水水質于是處置后的水回用于電站鍋爐給水。
五、滲析膜技術
1各種滲析膜技術原理
1滲析
滲析(Dialysi簡稱D溶質在自身的濃度梯度作用下，從膜的上游傳向膜的下游的過程。
滲析是最早被發(fā)現(xiàn)并研究的膜分離技術，但因為受到自身體系的限制，滲析過程進行緩慢，效率低下，滲析過程的選擇性不高，因此滲析過程主要用于脫除含有多種溶質溶液中的低分子量組分，如血液滲析，即以滲析膜代替腎來去除尿素、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癥患者的病情。
2電滲析
電滲析(Electrodialysi簡稱ED直流電場的作用下，以電位差為推動力，利用離子交換膜對溶液中的陰陽離子的選擇性，把電解質從溶液中分離出來，從而實現(xiàn)溶液的濃縮、淡化、精制和提純。
3倒極電滲析(EDR
倒極電滲析就是根據(jù)ED原理,每隔一定時間(一般為1520min,正負電極極性相互倒換,能自動清洗離子交換膜和電極表面形成的污垢,以確保離子交換膜工作效率的臨時穩(wěn)定及淡水的水質水量。20世紀80年代后期,倒極電滲析器的使用,大大提高了電滲析操作電流和水回收率,延長了運行周期。EDR廢水處置方面尤其有獨到之處,其濃水循環(huán)、水回收率最高可達95%
4液膜電滲析(EDLM
液膜電滲析是用具有相同功能的液態(tài)膜代替固態(tài)離子交換膜,其實驗模型就是用半透玻璃紙將液膜溶液包制成薄層狀的隔板,然后裝入電滲析器中運行。利用萃取劑作液膜電滲析的液態(tài)膜,可能為濃縮和提取貴金屬、重金屬、稀有金屬等找到高效的分離方法,因為尋找對某種形式離子具有特殊選擇性的膜與提高電滲析的提取效率有關。提高電滲析的分離效率,直接與液膜結合起來是很有發(fā)展前途的例如,固體離子交換膜對鉑族金屬(鋨、釕等)鹽溶液進行電滲析時,會在膜上形成金屬二氧化物沉淀,這將引起膜的過早損耗,并破壞整個工藝過程,應用液膜則無此弊端。
5填充床電滲析(EDI
填充床電滲析(EDI將電滲析與離子交換法結合起來的一種新型水處理方法,最大特點是利用水解離產(chǎn)生的H+和OH-自動再生填充在電滲析器淡水室中的混床離子交換樹脂,從而實現(xiàn)了繼續(xù)深度脫鹽。集中了電滲析和離子交換法的優(yōu)點,提高了極限電流密度和電流效率。1983年Ke2dem.o.及其同事們提出了填充混合離子交換樹脂電滲析過程除去離子的思想,1987年,Mlillpor公司推出了這一產(chǎn)品。填充床電滲析技術具有高度先進性和實用性,電子、醫(yī)藥、能源等領域具有廣闊的應用前景,可望成為純水制造的主流技術上海半導體超純水設備。
6雙極性膜電滲析(EDMB
雙極膜是一種新型離子交換復合膜,一般由層壓在一起的陽離子交換膜組成,通過膜的水分子即刻分解成H+和OH-,可作為H+和OH-供應源。雙極性膜電滲析突出的優(yōu)點是過程簡單,能效高,廢物排放少。目前雙極性膜電滲析工藝的主要應用領域在酸堿制備。例如,用雙極性膜和陽膜配成的二室膜可以實現(xiàn)有機酸鹽(葡萄糖酸鈉、古龍酸鈉等)轉化,同時得到堿(NaOH,但濃度(酸最大濃度2mol?L-1,堿最大濃度6mol?L-1和純度兩方面都受到限制�，F(xiàn)在開發(fā)的應用領域還有廢氣脫硫、離子交換樹脂再生、鉀鈉的無機過程等。
7無極水電滲析
無極水電滲析是激進電滲析的一種改進形式,主要特點是除去了激進電滲析的極室和極水。例如在裝置的電極緊貼一層或多層離子交換膜,電氣上都是相互聯(lián)接的,這樣既可以防止金屬離子進入離子交換膜,同時又防止極板結垢,延長電極的使用壽命。由于取消了極室,無極水排放,大大提高了原水的利用率。無極水電滲析于1991年問世,應用過程中技術不斷改善,現(xiàn)裝置在運行方式上多采用頻繁倒極的形式。目前,無極水全自動控制電滲析器已在國內20個省、市使用,近來,還遠銷東南亞。
2滲析膜的應用
1工業(yè)廢水處置
電滲析可用于電鍍廢水、重金屬廢水等的處置，提取廢水中的金屬離子等，既能回收利用水和有用資源，又減少了污染排放。萬詩貴等自制離子膜電解槽研究了銅生產(chǎn)過程中鈍化液處理的可行性，結果發(fā)現(xiàn)，不只可以回收其中的銅和鋅，而且將Cr3+氧化成Cr6+再生了鈍化液。電滲析法與離子交換法結合從酸洗廢液中回收重金屬和酸的工藝已在工業(yè)上應用。
電滲析還可以用于堿性廢水及有機廢水的處置。污染控制與資源化研究國家重點實驗室對采用離子膜電解法對處置環(huán)氧丙烷氯醇化尾氣堿洗廢水進行了研究。電解電壓5．0V時，循環(huán)處置3h廢水COD去除率可達78%廢水中堿回收率可達73.55%為后續(xù)生化單元起到良好的預處理作用。齊魯石油化工公司利用電滲析法處置高濃度復合有機酸廢水，濃度為3%15%無廢渣及二次污染，得到濃溶液含酸20%40%可以回收處置，廢水中含酸量可降至0.05%0.3%川化股份有限公司采用特殊電滲析裝置處置冷凝廢水，最大處理量為36t/h濃水中硝酸銨體積百分比含量為20%回收率達96%以上，合格淡水排放水中氨氮質量分數(shù)含量≤40mg/L
2飲用水及過程水處理
國在西南地區(qū)采用電滲析法將鹽泉鹵水制鹽，使NaCl含量穩(wěn)定提高到120g/L與原來采用的單純熬鹽法相比，產(chǎn)量增加而成本降低。山東鋁礦業(yè)公司生活飲用水采用濃水頻繁倒極電滲析處理，處置后的水質為：總硬度H0=174.75mg/L溶解性總固體為255.0mg/L總鐵量＜0.3mg/L山西某發(fā)電廠亞臨界鍋爐補給水系統(tǒng)采用了EDI技術鍋爐補給水電導率＜0.06SiO2為3μg/L
3食品工業(yè)
白酒生產(chǎn)中掌握質量最關鍵的一環(huán)是勾兌，而勾兌用水的質量是很重要的不只影響白酒的內在質量，還影響白酒的外觀質量，使用電滲析法處量勾兌用水，可使水質明顯改善，達到國家規(guī)范。用電滲析法祛除葡萄酒中的酒石酸鹽比激進冷凍法更高效，更加節(jié)約能源資源，葡萄酒的感官質量得到提高。有研究人員采用國產(chǎn)離子交換膜運用電滲析技術進行醬油脫鹽的可行性試驗，證明了電滲析對醬油的脫鹽是切實可行的分離方法。采用電滲析技術可一步實現(xiàn)維生素C鈉鹽脫鹽目的轉化率高達99%平均電流效率約70%其副產(chǎn)品NaOH稀溶液也可被有效利用。
4生化行業(yè)
采用高性能離子交換膜，應用電滲析脫鹽法，分離提純N乙酰－L半胱氨酸，取得了較為滿意的效果。根據(jù)雙極性膜電滲析系統(tǒng)的特點，即雙極性膜的陽膜析出H+陰膜析出OH可以把雙極性膜電滲析技術應用于大豆蛋白質的分離，其有有很多優(yōu)點：整個生產(chǎn)過程不需要添加酸和堿，資源可以循環(huán)利用，耗水少，分離出的蛋白質中鹽含量明顯減少上海半導體超純水設備。
六、正滲透(FO技術
1正滲透(FO原理
用只能透過溶劑而不能透過溶質分子的半透膜將溶劑和溶液隔開，溶劑分子將在滲透壓的作用下自發(fā)地從溶劑側透過膜進入溶液側，這就是滲透現(xiàn)象，也即所謂的正向滲透”
2正滲透膜在水處理中的應用
1廢水處置
關于FO廢水領域的應用在許多文獻中均有報道，主要包括早期高濃度工業(yè)廢水的濃縮、垃圾滲濾液的處置、生活污水的處置、市政污水處置廠污泥厭氧消解液的濃縮和空間站上直接將污水處置成飲用水的生命支持系統(tǒng)等。雖然這些研究中FO過程不是終端工藝，但其在預處置階段具有很高的脫鹽性能。
1998年，Osmotek公司組裝了一套實驗室規(guī)模的FO系統(tǒng)，對在CorvalOregonCoffinButt垃圾填埋廠的垃圾滲濾液進行了濃縮試驗。這個垃圾場所在地區(qū)年降水量超越1400mm其每年產(chǎn)生的滲濾液大約在20000~40000m3試驗進行了3個月，使用Osmotek三乙酸纖維素膜并以NaCl溶液作為提取液。實驗標明，對未經(jīng)預處理的滲濾液進行過濾時，此系統(tǒng)對TDSTSSTKNCOD截留率均在94%~96%過膜水通量也沒有明顯衰減；但對濃縮的滲濾液進行過濾時，FO膜的水通量衰減了30%~50％，經(jīng)過清洗后通量基本完全恢復。實驗室勝利運行后，Osmotek公司設計和組裝了一套大型的膜滲透系統(tǒng)，實現(xiàn)了FO系統(tǒng)的工程應用。
近年來隨著FO工藝的不時發(fā)展，引起了很多學者的關注，將其與傳統(tǒng)的膜分離技術相結合，更是近幾年的研究熱點。J.J.Qin等將傳統(tǒng)的好氧/厭氧（A/O活性污泥工藝與FO系統(tǒng)相結合，組成滲透膜生物反應器（OMBR對生活污水進行處置，獲得了較高的膜通量。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，當提取液NaCl濃度為0.14mol/L時，其膜通量為3.6L/m2h當提取液濃度增大到1.5mol/L時，膜通量為17.3L/m2h實驗中廢水先進入生物反應池進行生化降解，隨后進入FO系統(tǒng)進行滲透過濾。
2水質深度凈化
隨著中水回用技術的發(fā)展，FO飲用水凈化方面目前應用最成功的應屬在空間站中將發(fā)生的生活污水直接處置成飲用水。Osmotek公司研發(fā)了一種新型的混合工藝—RO及直接滲透濃縮（DOC被美國國家航空和宇宙航行局（NA SA 用作太空站飲水凈化系統(tǒng)。這個DOC系統(tǒng)是目前用在太空上的唯一一個膜法廢水處置系統(tǒng)，經(jīng)NA SA 測試，使處置后水質大大提升，消耗相對較低的能量（15~50kWh/m3下可將水質中的大多數(shù)指標恢復至原水的95％以上，這樣太空站所需的水供給就極少了這個FO系統(tǒng)中，太空站污水中主要為人體代謝排泄物，包括尿液、濕潤冷凝物及衛(wèi)生清洗水等混合液。進水中的衛(wèi)生用水及濕潤冷凝物（大于總廢水的80％）先經(jīng)過一級FO進行預處理，被一級FO濃縮的原料液（不逾越總廢水的20％）與尿液混合進入二級FO進行處置，最后這兩級收集的滲透液在抽吸泵的作用下一起進入RO系統(tǒng)，作進一步凈化提純。經(jīng)RO處置后的濃縮液經(jīng)泵提升再次回流至FO系統(tǒng)滲透側，重新作為滲透提取液。因此在RO單元發(fā)生兩種水，一種是高水質飲水，一種是高濃度FO提取液，這個系統(tǒng)中，提取液得到反復使用，大大簡化了處置工藝，也避免了資源浪費。上海半導體超純水設備
3海水淡化
FO系統(tǒng)中，與RO相似，原料液中的水分子通過半透膜滲透到膜的滲透側，將鹽溶液截留在膜的另一側。因此用FO作為海水淡化工藝和方法一直是研究人員研究的重點，目前已有不少專利。
FO單元，采用錯流滲透可以減緩懸浮物在膜表面的堆積。為了使原料液與提取液的溫度都維持在60℃左右，原料液和提取液貯存箱中安裝了控溫器，使溶液溫度變化幅度控制在±1℃，同時通過電子天平來計算纖維膜的過膜水通量。當NH3/CO2提取液被FO發(fā)生的淡水稀釋后，經(jīng)過60℃左右的中溫加熱，提取液溶質又分解成NH3CO2重新回到FO過程循環(huán)利用。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，當提取液原液為0.05mol/LNaCl溶液時，正向滲透壓為23.8MPa當提取液原液為2mol/LNaCl溶液時，正向滲透壓為12.7MPa
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