膜分离设备

由有机合成膜构成的膜分离设备，主要类型为:①板框式装置。在尺寸相同的片状膜组之间，相间地插入隔板，形成两种液流的流道。由于膜组可置于均匀的电场中，这种结构适用于电渗析器。板框式装置也可应用于膜两侧流体静压差较小的超过滤和渗析。②螺卷式装置。把多孔隔板(供渗透液流动的空间)夹在两张膜之间，使它们的三条边粘着密合，开口边与用作渗透液引出管的多孔中心管接合。再在上面加一张作料液流动通道用的多孔隔板,并一起绕中心管卷成螺卷式元件(图1)。料液通道与中心管接合边及螺卷外端边封死。多个螺卷元件装入耐压筒中，构成单元装置。操作时料液沿轴向流动，可渗透物透过膜进入渗透液空间，沿螺旋通道流向中心管引出。该设备适用于反渗透和气体渗透分离，不能处理含微细颗粒的液体。③管式装置。用管状膜并以多孔管支撑，构成类似于管壳式换热器的设备，分内压式和外压式，各用多孔管支撑于膜的外侧或内侧。内压式的膜面易冲洗，适用于微过滤和超过滤。④中空纤维式装置。中空纤维不需要支撑而能承受较高的压差，在各种膜分离设备中，它的单位设备体积内容纳的膜面积最大。用中空纤维构成类似于管壳式换热器的设备(图2)。中空纤维直径约0.1~1mm，并列达数百万根，纤维端部用环氧树脂密封，构成管板，封装在压力容器中。中空纤维式适用于反渗透和气体渗透分离。

液膜分离所用的设备取决于液膜的类型。采用乳化液膜时，以通用的萃取设备为主，辅以制乳的混合装置和破乳的分离装置。采用支持液膜时,根据支持材料(微孔膜)的构型，采用板框式或中空纤维式结构。

膜分离设备的核心技术就是膜分离技术，分离膜是具有选择性分离功能的材料，工作原理是物理机械筛分原理，分离过程是利用膜的选择性分离机理实现料液的不同组分间的分离或有效成分浓缩的过程。

膜分离技术设备与传统的过滤不同在于:膜可以在分子范围内进行选择性地分离，膜的错流式运行工艺可以解决污染堵塞问题，是一种科学先进的分离技术和工艺。

膜分离的工艺应用开发需以物料体系特性和工艺要求为基准，结合实验开展科学验证，在解决物料精制难题的同时，还要保证工艺的可行性，并适合于工业化的清洁生产为标准。

用于超过滤、反渗透、气体渗透分离、渗析、电渗析以及液膜分离等一系列膜分离操作的设备。由于膜的构型和分离过程各具特点，设备也有多种类型。有时根据过程目的或用途，分别称为超过滤器、渗透器、渗析器、电渗析器或淡化器等，其未来发展趋势为自动化，简洁化。

城市污水深度处理和回用开始于20世纪60年代。城市污水具有量大、集中、水质较为稳定的特点，是一种潜在的水资源。城市污水深度处理通常以污水处理厂的二级或三级排放液为水源，用反渗透(RO)对它进行最后的脱盐，脱COD、BOD以及微量有机物和重金属离子的脱除，出水水质可达到饮用水标准。但由于某些主观原因，大多不直接用作饮用水。国外常将其注入地下蓄水层或淡水水库进行自然净化(通常需存放两年)，也有用作工业冷却水，锅炉用水等非饮用目的。城市缺水制约着经济的发展，把城市的二级出水进行处理后再生回用是解决水源短缺的一条途径。二级排放液在进RO装置前需进行预处理，以使进水水质符合RO装置的使用要求。预处理的好坏是RO技术应用成败的关键。RO前采用MF或UF预处理的深度水处理过程已成为非直接饮用水回用工程中城市废水处理的工业标准，国内外都在积极地采用膜技术大规模地把城市污水开发为新的水资源。我国采用"微絮凝纤维过滤+膜滤"对洗浴废水进行了研究，试验表明，此工艺具有出水稳定、占地面积小的特点。天津经济技术开发区污水处理厂引进挪威SBR序批式活性污泥法先进工艺，每天可提供10万吨二级生化处理出水作为水源，使污水深度处理后回用成为可能。我国的城市污水再生回用并不普及，膜技术在深度处理的应用相对也很少，今后我们还需在污水的再生回用和深度处理技术上进行研究。

由于工业的发展，大量工业废水排入水体，这些工业废水，面广量大、危害深，大多含有不同浓度的化学物质，其中有些具有较高的经济价值，而有些则具有毒性，对人类环境有害。为保护环境不受污染，并回收有用物质，在工业废水排放之前必须进行净化处理，膜分离技术既能对工业废水进行有效的净化，又能回用其中的有用物质，同时还可节省能源。膜技术在处理电镀废水、造纸废水、重金属废水、含油废水和印染废水这五大类主要工业废水中都得到了广泛的应用。

随着人们生活水平的提高，对饮用水的水质要求也越来越高，加上传统工艺中的某些弊端，如加氯杀菌会使氯与水中的某些有机物反应生成新的危害巨大的三致(致癌、致突变、致畸变)化合物。膜技术用于饮用水处理是一个重大突破。

水的净化与纯化是从水中去除悬浮物、细菌、病毒、无机物、农药、有机物和溶解气体等，在这方面，膜分离技术发挥了其独特的作用。膜分离中的微滤、超滤和纳滤所组成的水处理方法，对去除水中的微米级的颗粒优于常规水处理技术中的过滤能力，而且还具有去除过滤所不具备的纳米级微粒的能力，可有效去除水中的悬浮物、细菌、病毒、无机物、农药、有机物和溶解气体等杂质。符合饮用水水质不提高的要求。

我国是水资源大国，同时也是水资源贫国。海水作为水资源的重要组成部分，有效利用是解决我国水资源危机的重要措施之一。用于海水淡化的膜技术主要有反渗透、电渗透(ED)和膜蒸馏(MD)等。2002年，万吨级反渗透海水淡化及其组器技术产业化示范工程被列入国家高技术产业发展计划项目。海水淡化用发渗透膜的脱盐率高达99.6%.反渗透技术的出现和发展大大降低了海水淡化的成本，现在反渗透已成为海水淡化制取饮用水最经济的手段。电渗析技术可直接将海水淡化为饮用水，但其过程对不带电荷的物质，如有机物、胶体、细菌、悬浮物等无脱除能力，并且能耗高，水回收率低。所以，由于反渗透海水淡化技术的出现，电渗析法海水淡化的比例正在逐渐降低。膜蒸馏技术具有很高的脱盐率，可达到99.7%以上，被用于小型海水淡化，对离子、胶体、大分子等不挥发组分和无法扩散透过膜的组分的截留可到100%，并且具有设备简单，操作容易，膜使用寿命长，能耗低等优点。

我国西部省区严重缺水问题在中国这个缺水国家尤为突出，苦咸水淡化是解决我国西部省区缺水的一个有效途径。用于苦咸水淡化的膜技术主要有:电渗析技术、反渗透技术、纳滤技术。我国西部油田几乎都用电渗析法制取生活饮用水。电渗析不能去除水中的有机物和细菌，设备运行能耗大，这使其在苦咸水淡化工程的应用受到限制。苦咸水也可用一级反渗透装置脱盐制得饮用水。反渗透系统淡化苦咸水，其出水水质优于我国饮用水卫生标准。对含高氟、低矿化度苦咸水通过反渗透淡化，出水水质可达到我国饮用水卫生标准。反渗透法比电析法生产成本低，无污染，是苦咸水淡化最经济的方法。纳滤是一种低压反渗透技术，在较低的压力下具有较高的脱盐性能。对特定溶质，尤其是苦咸水的表征离子，具有很好的脱盐效果。对苦咸水较多的西部省区，纳滤将是制取优质饮用水的有效途径。