膜分離設(shè)備的特點(diǎn)、選用原則與展望

鄒東恢，梁 敏

（1.齊齊哈爾大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

環(huán)保與三廢利用

膜分離設(shè)備的特點(diǎn)、選用原則與展望

鄒東恢1，梁 敏2

（1.齊齊哈爾大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

摘 要：隨著膜工業(yè)的發(fā)展，膜分離設(shè)備也獲得了顯著的提高，膜分離設(shè)備向著大型化發(fā)展，新型膜分離設(shè)備得以涌現(xiàn)和發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的變化。本文論述了膜分離設(shè)備的特點(diǎn)及選用原則，并對其未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：膜設(shè)備；特點(diǎn)；選用；展望

膜技術(shù)（Membrane Technology）是用天然或人工合成的高分子薄膜，以外界能量位差（如壓力差、濃度差、電位差、溫度差等）為推動(dòng)力，對雙組分或多組分的溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行分離、分級、提純和富集。隨著新材料的不斷發(fā)明、發(fā)現(xiàn)，在使用膜技術(shù)方面,選擇范圍也越來越大，在制藥行業(yè)的抗生素生產(chǎn)、生物工程、食品工程、化學(xué)工程等［1-2］領(lǐng)域，膜分離技術(shù)應(yīng)用已非常普及。

膜技術(shù)是一種分子水平上的分離技術(shù)。在這些膜技術(shù)中，超濾（UF）、反滲透（RO）、微濾（MF）和納濾（NF）等過程應(yīng)用最為廣泛。按照膜的功能可分為分離膜、識別膜、反應(yīng)膜、能量轉(zhuǎn)化膜、電子功能膜等。其中，分離膜的應(yīng)用最為廣泛，分離膜的根本原理在于膜具有選擇透過性。目前國際膜市場的75%分布在美國、歐洲和日本，20世紀(jì)80年代后膜分離技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用迅速發(fā)展，新發(fā)展了膜蒸餾和滲透汽化等膜分離過程，年增長率為14%～30%［3］。

1 膜分離設(shè)備特點(diǎn)

工業(yè)上將膜以某種形式組裝在一個(gè)封閉器件內(nèi)，這種器件稱為膜分離器或膜組件。膜的材料種類很多，膜分離設(shè)備則有平面膜、管式膜、中空纖維膜和卷式膜等，表1列出了幾種膜的特點(diǎn)比較。一件良好的膜分離設(shè)備應(yīng)具備以下條件：1）單位體積中所含膜面積較大。2）膜面切向速度快，以減少濃差極化。3）膜的清洗更換方便，造價(jià)低，截留率高。4）具有可靠的膜支撐裝置，膜濾液保留體積小。

2 膜分離設(shè)備選用原則

目前國內(nèi)膜設(shè)備生產(chǎn)廠家很多，總體技術(shù)水平上與國外相比有差距，高質(zhì)量核心部件仍依賴進(jìn)口，但在常規(guī)生產(chǎn)領(lǐng)域，國產(chǎn)膜設(shè)備發(fā)揮了主要作用，在選擇時(shí)應(yīng)主要從以下方面考慮。

1）經(jīng)濟(jì)因素。膜的制造水平?jīng)Q定了膜的價(jià)格。從制造技術(shù)上來講，高質(zhì)量膜往往伴隨著較高的價(jià)格，要根據(jù)不同分離目的選擇合適的經(jīng)濟(jì)型膜設(shè)備［4］。

表1 各種膜組件的比較

2）物料的特性。要了解被分離料液的性質(zhì)，選擇不同的膜設(shè)備，平面膜、管式膜、中空纖維膜還是其他類型的膜件。

3）膜設(shè)備的特性。①是否具備較高的熱穩(wěn)定性及機(jī)械強(qiáng)度；② 膜的截留范圍，主要技術(shù)指標(biāo)截留率大小，特定組分的截留率主要受料液共存組分、膜材和操作條件的影響；③ 膜的通透性，濃差極化趨勢，結(jié)構(gòu)，使用周期長短等。

4）膜設(shè)備的使用維護(hù)情況。

5）日常管理是否方便及容易清凈，動(dòng)力消耗，輔助設(shè)備多少等。

3 膜分離設(shè)備的選用

膜分離現(xiàn)象在200多年前即出現(xiàn)，但作為一種工業(yè)化應(yīng)用技術(shù)是近幾十年才得以實(shí)現(xiàn)，成為一種新興的、高效的分離、濃縮提純及凈化技術(shù)，獲得了極為迅速的發(fā)展，形成獨(dú)特的新興高科技產(chǎn)業(yè)，在醫(yī)藥、化工、水加工業(yè)、環(huán)境保護(hù)、食品工業(yè)、生物工程等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［5-6］。下面選擇幾種常用的膜分離設(shè)備介紹。

3.1 平板式膜分離器

平板式膜分離器結(jié)構(gòu)上類似于板框式過濾機(jī)，濾膜復(fù)合在剛性多孔支撐板上，支撐材料為不銹鋼多孔篩板，或微孔玻璃纖維壓板。待濾液進(jìn)入系統(tǒng)后，沿隔板表面上的溝槽流動(dòng)，一部分從膜的一面滲透到膜的另一面，并經(jīng)支撐板上的小孔流向其邊緣上的導(dǎo)流管后排出。

板式膜在超濾、微濾、反滲透、電滲析、滲透汽化中都有應(yīng)用。

3.2 管式膜分離器

管式膜過濾器是最早使用的一種膜設(shè)備，分為單管式和管束式，適用于超濾、微濾等膜分離技術(shù)［7］。其優(yōu)點(diǎn)：1）流道寬，料液在管內(nèi)湍流流動(dòng)，對料液的預(yù)處理精度要求低；2）易于清洗，除可用化學(xué)試劑清洗外，還可以用機(jī)械方法進(jìn)行清洗；3）組件的壓力損失小，因此其流道長，過濾效率相對可以提高。

管式膜液流的流動(dòng)方式有管內(nèi)流和管外流，因單管和管外流式的湍動(dòng)性能較差，目前趨向采用管束式內(nèi)流膜過濾設(shè)備，其外形類似于列管式換熱器。

管式膜現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用在電泳漆涂裝生產(chǎn)線、果汁澄清、大豆蛋白濃縮及污水處理等，目前國內(nèi)生產(chǎn)和使用的管式膜多為聚偏氟乙烯（PVDF）膜和聚砜（PS）膜。

3.3 中空纖維膜分離器

為進(jìn)一步增大膜分離器單位體積膜面積，中空纖維膜分離器采用空心纖維管狀膜，纖維外徑多為40～250μm，大的可達(dá)1mm以上，外徑與內(nèi)徑比為2∶1～4∶1左右，用環(huán)氧樹脂將許多中空纖維的兩端膠合在一起，結(jié)構(gòu)上類似管殼式換熱器［8］。料液的流向有兩種形式，一種是內(nèi)壓式，即料液從空心纖維管內(nèi)流過，透過液經(jīng)纖維管膜流出管外。另一種為外壓式，料液從一端經(jīng)分布管在纖維管外流動(dòng)，透過液則從纖維管內(nèi)流出。

中空纖維膜分離定型產(chǎn)品國內(nèi)有多家生產(chǎn)廠，表2、表3列出部分中空纖維膜的規(guī)格供參考。

3.4 螺旋卷式膜分離器

螺旋卷式裝置主要是螺旋卷膜，由美國GGA公司1964年開發(fā)研制出來。

螺旋卷式裝置的主要元件是螺旋卷膜，它是將膜、支撐材料、膜間隔材料依次疊好，圍繞一中心管卷緊即成一個(gè)膜組，若干膜組順次連接裝入外殼內(nèi)。操作時(shí)，料液在膜表面通過間隔材料沿軸向流動(dòng)，而透過液則沿螺旋形流向中心管。中心管可用銅、不銹鋼或聚氯乙烯管制成，管上鉆小孔，透過液側(cè)的支撐材料采用玻璃微粒層，兩面襯以微孔滌綸布，間隔材料應(yīng)考慮減少濃差極化及降低壓力降［9］。表4、5列出了SanRO-HS卷式膜產(chǎn)品規(guī)格與性能參數(shù)，可供參考。

表2 中空纖維超濾膜的規(guī)格

表3 中空纖維超濾膜的性能

表4 SanRO-HS卷式膜產(chǎn)品規(guī)格

表5 SanRO-HS卷式膜產(chǎn)品性能參數(shù)

4 膜分離設(shè)備的發(fā)展與展望

膜技術(shù)是當(dāng)今國際上公認(rèn)的最具有經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的高新技術(shù)之一，雖然分離膜存在一些缺點(diǎn)，但其優(yōu)勢非常明顯。膜分離技術(shù)的發(fā)展與膜材質(zhì)的選擇、制膜技術(shù)、組件結(jié)構(gòu)及設(shè)備研制的發(fā)展分不開。當(dāng)前膜的材質(zhì)和制造技術(shù)都得到很大的發(fā)展，新型耐高溫陶瓷膜的產(chǎn)生，拓寬了膜分離技術(shù)的應(yīng)用范圍。近幾年的應(yīng)用實(shí)踐證明，我國膜技術(shù)已步入大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用階段，市場潛力很大,應(yīng)用前景廣闊。但仍有一些需注意的問題，表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

4.1 膜材料和膜性能有待開發(fā)

先進(jìn)技術(shù)發(fā)展的重要條件之一是新材料、新性能的開發(fā)。新型膜材料的開發(fā)決定著膜技術(shù)的應(yīng)用前景，將推動(dòng)著膜科學(xué)技術(shù)向縱深發(fā)展。因此，對各種新型膜材料的研究已成為目前國內(nèi)外膜技術(shù)的最新發(fā)展動(dòng)向［10］。另外，隨著膜分離技術(shù)的發(fā)展，單一膜材料已不能滿足實(shí)際應(yīng)用中綜合性能的需要。為拓寬膜的品種，提高膜的性能，應(yīng)發(fā)展復(fù)合膜等新品種。

4.2 膜分離技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用有待完善

雖然近幾年國內(nèi)在膜分離技術(shù)的研究和應(yīng)用方面取得了長足的進(jìn)展，但膜材料、膜品種、膜組件還比較單一，超濾膜組件絕大多數(shù)為中空纖維形式，因此，膜和膜組件的研究單位、生產(chǎn)單位應(yīng)相互增加合作，共同解決膜技術(shù)領(lǐng)域存在的問題，以適應(yīng)各行業(yè)的發(fā)展和需求。

4.3 膜的清洗和保護(hù)技術(shù)有待改進(jìn)

由于膜的濃差極化現(xiàn)象和膜表面污染問題，膜通量和截留率都降低，會大大降低膜分離技術(shù)的功效。因而，膜的再生功能應(yīng)加強(qiáng)。對此,應(yīng)根據(jù)不同的污染情況，開發(fā)用簡單的清洗方法即可清除污染的膜和膜裝置以及具有全自動(dòng)反沖洗裝置的膜分離系統(tǒng)，以迅速清除膜污染，恢復(fù)膜通量，提高效率。

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中圖分類號：TQ 028.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-9905（2016）01-0019-04

作者簡介：鄒東恢（1967-），男，副教授，碩士。從事生物工程教學(xué)與科研工作，發(fā)表科技論文30余篇,其中SCI檢索2篇、EI檢索1篇，撰寫著作3部，主持、參與省市級科研項(xiàng)目10余項(xiàng)。Tel：13803616008，E-mail： zoudongh99@163.com

收稿日期：2015-11-19

Characteristics and Type Selection of Membrane Separation Equipment and its Development

ZOU Dong-hui1， LIANG Min2
（1.College of Food and bio- Engineering， Qiqihaer University， Qiqihaer 161006， China； 2. College of Chemistry and Chemical Engineering， Qiqihar University， Qiqihar 161006， China）

Abstract：In the last few years，with the development of membrane industry， membrane separation equipment had significantly increased and membrane separation equipment trended large-scal development， new type membrane separation equipment had emergence and development， some new changes was taken place. The membrane separation equipment type selection principle and characteristics were discussed， and a useful guidance for future studies of membrane equipment development was provided.

Key words：membrane equipment； characteristics； selection； prospect