标题：高分子超滤膜
概述
高分子超滤膜法在水处理及其他工业净化、浓缩、分离过程中，可以作为工艺过程的预处理，也可以作为工艺过程的深度处理。在广泛应用的水处理工艺过程中，常作为深度净化的手段。根据中空纤维超滤膜的特性，有一定的供水前处理要求。因为水中的悬浮物、胶体、微生物和其他杂质会附于膜表面，而使膜受到污染。由于超滤膜水通量比较大，被截留杂质在膜表面上的浓度迅速增大产生所谓浓度极化现象，更为严重的是有一些很细小的微粒会进入膜孔内而堵塞水通道。另外，水中微生物及其新陈代谢产物生成粘性物质也会附着在膜表面。这些因素都会导致超滤膜透水率的下降以及分离性能的变化。同时对超滤供水温度、 PH 值和浓度等也有一定限度的要求。因此对超滤供水必须进行适当的预处理和调整水质，满足供水要求条件，以延长超滤膜的使用寿命，降低水处理的费用。
A 、微生物(细菌、藻类)的杀灭：
当水中含有微生物时，在进入前处理系统后，部分被截留微生物可能粘附在前处理系统，如多介质过滤器的介质表面。当粘附在超滤膜表面时生长繁殖，可能使微孔完全堵塞，甚至使中空纤维内腔完全堵塞。微生物的存在对中空纤维超滤膜的危害性是极为严重的。除去原水中的细菌及藻类等微生物必须重视。在水处理工程中通常加入 NaClO 、 O 3 等氧化剂，浓度一般为 1 ～ 5mg/l 。此外，紫外杀菌也可使用。在实验室中对中空纤维超滤膜组件进行灭菌处理，可以用双氧水( H 2 O 2 )或者高锰酸钾水溶液循环处理30 ～ 60min 。杀灭微生物处理仅可杀灭微生物，但并不能从水中去除微生物，仅仅防止了微生物的滋长。
B 、降低进水混浊度：
当水中含有悬浮物、胶体、微生物和其他杂质时，都会使水产生一定程度的混浊，该混浊物对透过光线会产生阻碍作用，这种光学效应与杂质的多少，大小及形状有关系。衡量水的混浊度一般以蚀度表示，并规定1mg/lSiO 2 所产生的浊度为1 度，度数越大，说明含杂量越多。在不同领域对供水浊度有不同的要求，例如，对一般生活用水，浊度不应大于5 度。由于浊度的测量是把光线透过原水测量被水中颗粒物反射出的光量、颜色、不透明性，颗粒的大小、数量和形状均影响测定，浊度与悬浮物固体的关系是随机的。对于小于若干微米的微粒，浊度并不能反映。
在海德能超滤膜法处理中，精密的微结构，截留分子级甚至离子级的微粒，用浊度来反映水质明显是不精确的。为了预测原水污染的倾向，开发了SDI 值试验。
SDI 值主要用于检测水中胶体和悬浮物等微粒的多少，是表征系统进水水质的重要指标。 SDI 值的确定方法一般是用孔径为0.45μ m微孔滤膜在0.21MPa 恒定水流压水力下，首先记录通水开始滤过 500ml 水样所需的时间 t0 ，然后在相同条件下继续通水15min ，再次记录滤过500ml 水样所需时间t15 ，然后根据下式计算：SDI= ( 1-t0/t15 ) ×100/15
超滤技术对 SDI 值的降低最为有效，经中空纤维超滤膜处理水的 SDI=0 ，但当 SDI 过大时，特别是较大颗粒对中空纤维超滤膜有严重的污染，在超滤工艺中，必须进行预处理，即采用石英砂、活性炭或装有多种滤料的过滤器过滤，至于采取何种处理工艺尚无固定的模式，这是因为供水来源不同，因而预处理方法也各异。
C 、悬浮物和胶体物质的去除：
对于粒径 5μ m以上的杂质，可以选用 5μ m过滤精度的滤器去除，但对于 0.3 ～ 5μ m间的微细颗粒和胶体，利用上述常规的过滤技术很难去除。虽然超滤对这些微粒和胶体有绝对的去除作用，但对中空纤维超滤膜的危害是极为严重的。特别是胶体粒子带有电荷，是物质分子和离子的聚合体，胶体所以能在水中稳定存在，主要是同性电荷的胶体粒子相互排斥的结果。向原水中加入与胶体粒子电性相反的荷电物质(絮凝剂)以打破胶体粒子的稳定性，使带荷电的胶体粒子中和成电中性而使分散的胶体粒子凝聚成大的团块，而后利用过滤或沉降便可以比较容易去除。常用的絮凝剂有无机电解质，如硫酸铝、聚合氯化铝、硫酸亚铁和氯化铁。有机絮凝剂如聚丙稀酰胺、聚丙稀酸钠、聚乙稀亚胺等。由于有机絮凝剂高分子聚合物能通过中和胶粒表面电荷，形成氢键和 “ 搭桥 ” 使凝聚沉降在短时间内完成，从而使水质得到较大改善，故近年来高分子絮凝剂有取代无机絮凝剂的趋势。
在絮凝剂加入的同时，可加入助凝剂，如 PH 调节剂石灰、碳酸钠、氧化剂氯和漂白粉，加固剂水下班及吸附剂聚丙稀酰胺等，提高混凝效果。
絮凝剂常配制成水溶液，利用计量泵加入，也可使用安装在供水管道上的喷射器直接将其只入水处理系统。
D 、可溶性有机物的去除：
可溶性有机物用絮凝沉降、多介质过滤以及超滤均无法彻底去除。目前多采用氧化法或者吸咐法。
( 1 )氧化法 利用氯或次氯酸钠( NaClO )进行氧化，对除去可溶性有机物效果比较好，另外臭氧( O 3 )和高锰酸钾( KMnO 4 )也是比较好的氧化剂，但成本略高。
( 2 )吸附法 利用活性炭或大孔吸附树脂可以有效除去可溶性有机物。但对于难以吸附的醇、酚等仍需采用氧化法处理。
E 、供水水质调整：
( 1 )供水温度的调整
超滤膜透水性能的发挥与温度高低有直接的关系，超滤膜组件标定的透水速率一般是用纯水在 25 ℃条件下测试的，超滤膜的透水速率与温度成正比，温度系数约为 0.02/1 ℃，即温度每升高 1 ℃，透水速率约相应增加 2.0 %。因此当供水温度较低时(如< 5 ℃)，可采用某种升温措施，使其在较高温度下运行，以提高工作效率。但当温度过高时，同样对膜不利，会导致膜性能的变化，对此，可采用冷却措施，降低供水温度。超滤膜在水处理应用中的工艺。
( 2 )供水 PH 值的调整
用不同材料制成的超滤膜对 PH 值的适应范围不同，例如醋酸纤维素适合 pH=4 ～ 6 ， PAN 和 PVDF 等膜，可在 PH=2 ～ 12 的范围内使用，如果进水超过使用范围，需要加以调整，目前常用的 PH 调节剂主要有酸( HCl 和 H 2 SO 4 )等和碱( NaOH 等)。
由于溶液中无机盐可以透过超滤膜，不存在无机盐的浓度极化和结垢问题，因此在预处理水质调整过程中一般不考虑它们对膜的影响，而重点防范的是胶质层的生成、膜污染和堵塞的问题。[1]
2 操作参数
正确的掌握和执行操作参数对超滤系统的长期和稳定运行是极为重要的，操作参数一般主要包括：流速、压力、压力降、浓水排放量、回收比和温度。
流速：
流速是指原液(供给水)在膜表面上的流动的线速度，是超滤系统中的超滤一项重要操作参数。流速较大时，不但造成能量的浪费和产生过大的压力降而且加速超滤膜分裂性能的衰退。反之，如果流速较小，截留物在膜表面形成的边界层厚度增大，引起浓度极化现象，既影响了透水速率，又影响了透水质量。最佳流速是根据实验来确定的。中空纤维超滤膜，在进水压力维持在 0.2MPa 以下时，内压膜的流速仅为 0.1m/s ，该流速的流型处在完全层流状态。外压膜可获得较大的流速。毛细管型超滤膜，当毛细管直径达 3mm 时，其流速可适当提高，对减少浓缩边界层有利。必须指出两方面问题，其一是流速不能任意确定，由进口压力与原液流量有关，其二是对于中空纤维或毛细管膜而言，流速在进口端是不一致的，当浓缩水流量为原液的 10 %时，出口端流速近似为进口端的 10 %，此外提高压力增加了透过水量，对流速的提高供献极微。因此增加毛细管直径，适当提高浓缩水排量(回流量)，可以使流速获得提高，特别是在超滤浓缩过程中，如电泳漆的回收时可有效提高其超滤速率。
在允许的压力范围内，提高供给水量，选择最高流速，有利于中空纤维超滤膜性能的保证。
净化过程
薄膜复合膜
>薄膜复合膜由超薄皮层(活性分离层)和多孔基膜构成。基膜一般是在多孔织物支撑体上浇筑的微孔聚砜膜(即0.2μm厚)，超薄皮层是由聚酰胺和聚脲通过界面缩合反应技术形成的。
>薄膜复合膜的优点与它们的化学性质有关，其最主要的特点是化学稳定性，在中等压力下操作就具有
>高水通量和盐截留率及抗生物侵蚀。它们能在温度0-40℃及pH2-l2间连续操作。像芳香聚酰胺一样，这些材料的抗氯及其它氧化性物质的性能差。
第二部分：反渗透膜基本原理
反渗透是在压力驱动下，水分子通过半透膜，而离子大部分被截留，从而达到水、离子分离的过程。
半透膜
半透膜是具有选择性透过性能的薄膜。当液体或气体通过半透膜时，一些组分透过，而另外一些组分被截留。实际上半透膜对于任何组分都有透过性，只是透过的速率相差很大。在反渗透过程中，溶剂(水)的透过速率远远大于溶解在水中的溶质(盐分)。通过半透膜实现了溶剂和溶质的分离，得到纯水以及浓缩的盐溶液。
渗透与反渗透
超滤膜规格区别渗透是当流体在跨越半透膜屏障时的一种自然过程。如果将一箱纯水用一张半透膜垂直分为两部分，纯水与理想半透膜的两面以相同的温度和压力接触，在这样的条件下没有跨越半透膜的水的流动产生，因为在膜两侧的化学势完全相等。如果在其中一侧加入溶解性盐，盐溶液一边的化学势降低了。纯水便会向盐溶液一侧渗透，从而产生一个渗透流，直到化学势的平衡重新建立为止。膜的物理和化学性质决定了在传递过程中水比盐的优先地位。
膜系统
膜系统是指膜分离装置单元。压力驱动膜系统主要由预处理系统、升压泵、膜组件(压力容器和膜组件)、管道阀门和控制系统构成。
超滤膜是最早开发的高分子分离膜之一，在60年代超滤装置就实现了工业化。超滤膜，是一种孔径规格一致，额定孔径范围为0.001-0.02微米的微孔过滤膜。在膜的一侧施以适当压力，就能筛出小于孔径的溶质分子，以分离分子量大于500道尔顿、粒径大于2～20纳米的颗粒。
有机膜
纯净水饮用设备有机膜主要是由高分子材料制成，如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚偏氟乙烯等等。根据膜形状的不同，可分为平板膜、管式膜、毛细管膜、中空纤维膜等。目前，市面上家用净水器用的膜基本上都是中空纤维膜。
无机膜
反渗透纯净水设备无机膜中，陶瓷超滤膜在家用净水器中应用比较多。陶瓷膜寿命长，耐腐蚀，但出水有土味，影响口感。同时陶瓷膜易堵塞，清洗不易。中空纤维超滤膜由于其填充密度大，有效膜面积大，纯水通量高，操作简单易清洗等优势，被广泛应用于家用净水行业。
超滤膜筛分过程，以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，当原液流过膜表面时，超滤膜表面密布的许多细小的微孔只允许水及小分子物质通过而成为透过液，而原液中体积大于膜表面微孔径的物质则被截留在膜的进液侧，成为浓缩液，因而实现对原液的净化、分离和浓缩的目的。每米长的超滤膜丝管壁上约有60亿个0.01微米的微孔，其孔径只允许水分子、水中的有益矿物质和微量元素通过，而最小细菌的体积都在0.02微米以上，因此细菌以及比细菌体积大得多的胶体、铁锈、悬浮物、泥沙、大分子有机物等都能被超滤膜截留下来，从而实现了净化过程。
在单位膜丝面积产水量不变的情况下，滤芯装填的膜面积越大，则滤芯的总产水量越多
其计算公式为：　S内=πdL×n 　S外=πDL×n
其中：S内为膜丝总内表面积，d为超滤膜丝的内径;
S外为膜丝总外表面积，D为超滤膜丝的外径;
L为超滤膜丝的长度; 　n为超滤膜丝的根数。
内压式和外压式中空纤维超滤膜
一支超滤膜由成百到上千根细小的中空纤维丝组成，一般将中空纤维膜内径在0.6-6mm之间的超滤膜称为毛细管式超滤膜，毛细管式超滤膜因内径较大，不易被大颗粒物质堵塞。
反渗透设备装置是借助压力使水分子强迫透过对水分子有选择透过作用的反渗透膜，即是反渗透净水的原理，这种装置为反渗透装置根椐各种物料的不同渗透压，可以大于渗透压的反渗透法进行分离、提取、纯化和浓缩。反渗透法的分离过程不需要加热，没有相变具有能耗少、设备体积小、工艺简单、操作维修方便、无污染、适应性强、应用范围广泛等优点，已成为水处理技术的重要方法之一。可除去水中98%以上的溶解性盐类和99%以上的胶体、微生物、微粒和有机物等，成为现代纯水、太空水(超纯水)工程首选的最佳设备。广泛应用于：电子、医疗、食品、锅炉补给水等工业中纯水、超纯水的制备。太空水、蒸馏水的制备及啤酒和饮料用水的净化。高压锅炉补给水的预脱盐处理。海水、苦咸水的脱盐淡化。制药、轻纺、化工、食品等工业用于分离、浓缩、液体脱色为目的的工艺。工业生产中对水溶液进行有用物质的回收及应用。其它以分离细菌、热源、胶体微粒及有机物为目的的分离过程。
影响膜性能的因素
反渗透过程的主要指标是产水通量和脱盐率。对于一定的膜组件，产水量和脱盐率受到给水水质条件和系统运行参数的影响，最基本的给水水质因素有含盐量(浓度)、温度和pH值等，运行参数有压力、给水流量和回收率等。下面就关于对产水量和脱盐率产生影响的各操作因子做一般论述。
给水浓度
一定压力下当供给的原水浓度增高时，产水量就会减少。这是因为供给水的渗透压变高，有效压力降低的缘故。脱盐率受浓度影响非常大。通常浓度提高，产水量就会降低的同时，脱盐率也会降低。但是当非常低的浓度下，起初浓度增加，脱盐率率也会稍许增加。随后，随着浓度的不断增加脱盐率就变的低下。
pH的影响
给水的pH值定义了它的酸碱性。进水pH值对产水量几乎没有影响，而对脱盐率有较大影响。由于水中溶解的CO2受pH值影响较大，pH值低时以气态CO2形式存在，容易透过反渗透膜，所以pH低时脱盐率也较低，随pH升高，气态CO2转化为HCO3-和CO3-离子，脱盐率也逐渐上升，在pH7.5～8.5间，脱盐率达到最高。
温度的影响
反渗透膜产水电导对进水水温的变化十分敏感，随着水温的增加，水通量也线性的增加，进水水温每升高1℃，产水通量就增加2.5%～3.0%;其原因在于透过膜的水分子粘度下降、扩散性能增强。进水水温的升高同样会导致透盐率的增加和脱盐率的下降，这主要是因为盐分透过膜的扩散速度会因温度的提高而加快。[1]