概述
根據(jù)中空纖維超濾膜的特性，有一定的供水前處理要求。因?yàn)樗械膽腋∥?、膠體、微生物和其他雜質(zhì)會(huì)附于膜表面，而使膜受到污染。由于超濾膜水通量比較大，被截留雜質(zhì)在膜表面上的濃度迅速增大產(chǎn)生所謂濃度極化現(xiàn)象，更為嚴(yán)重的是有一些很細(xì)小的微粒會(huì)進(jìn)入膜孔內(nèi)而堵塞水通道。另外，水中微生物及其新陳代謝產(chǎn)物生成粘性物質(zhì)也會(huì)附著在膜表面。這些因素都會(huì)導(dǎo)致超濾膜透水率的下降以及分離性能的變化。同時(shí)對超濾供水溫度、 PH 值和濃度等也有一定限度的要求。因此對超濾供水必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理和調(diào)整水質(zhì)，滿足供水要求條件，以延長超濾膜的使用壽命，降低水處理的費(fèi)用。
A 、微生物(細(xì)菌、藻類)的殺滅：
當(dāng)水中含有微生物時(shí)，在進(jìn)入前處理系統(tǒng)后，部分被截留微生物可能粘附在前處理系統(tǒng)，如多介質(zhì)過濾器的介質(zhì)表面。當(dāng)粘附在超濾膜表面時(shí)生長繁殖，可能使微孔完全堵塞，甚至使中空纖維內(nèi)腔完全堵塞。微生物的存在對中空纖維超濾膜的危害性是極為嚴(yán)重的。除去原水中的細(xì)菌及藻類等微生物必須重視。在水處理工程中通常加入 NaClO 、 O 3 等氧化劑，濃度一般為 1 ～ 5mg/l 。此外，紫外殺菌也可使用。在實(shí)驗(yàn)室中對中空纖維超濾膜組件進(jìn)行滅菌處理，可以用雙氧水( H 2 O 2 )或者高錳酸鉀水溶液循環(huán)處理30 ～ 60min 。殺滅微生物處理僅可殺滅微生物，但并不能從水中去除微生物，僅僅防止了微生物的滋長。
B 、降低進(jìn)水混濁度：
當(dāng)水中含有懸浮物、膠體、微生物和其他雜質(zhì)時(shí)，都會(huì)使水產(chǎn)生一定程度的混濁，該混濁物對透過光線會(huì)產(chǎn)生阻礙作用，這種光學(xué)效應(yīng)與雜質(zhì)的多少，大小及形狀有關(guān)系。衡量水的混濁度一般以蝕度表示，并規(guī)定1mg/lSiO 2 所產(chǎn)生的濁度為1 度，度數(shù)越大，說明含雜量越多。在不同領(lǐng)域?qū)┧疂岫扔胁煌囊?，例如，對一般生活用水，濁度不?yīng)大于5 度。由于濁度的測量是把光線透過原水測量被水中顆粒物反射出的光量、顏色、不透明性，顆粒的大小、數(shù)量和形狀均影響測定，濁度與懸浮物固體的關(guān)系是隨機(jī)的。對于小于若干微米的微粒，濁度并不能反映。
在海德能超濾膜法處理中，精密的微結(jié)構(gòu)，截留分子級甚至離子級的微粒，用濁度來反映水質(zhì)明顯是不精確的。為了預(yù)測原水污染的傾向，開發(fā)了SDI 值試驗(yàn)。
SDI 值主要用于檢測水中膠體和懸浮物等微粒的多少，是表征系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)的重要指標(biāo)。 SDI 值的確定方法一般是用孔徑為0.45μ m微孔濾膜在0.21MPa 恒定水流壓水力下，首先記錄通水開始濾過 500ml 水樣所需的時(shí)間 t0 ，然后在相同條件下繼續(xù)通水15min ，再次記錄濾過500ml 水樣所需時(shí)間t15 ，然后根據(jù)下式計(jì)算：SDI= ( 1-t0/t15 ) ×100/15
超濾技術(shù)對 SDI 值的降低最為有效，經(jīng)中空纖維超濾膜處理水的 SDI=0 ，但當(dāng) SDI 過大時(shí)，特別是較大顆粒對中空纖維超濾膜有嚴(yán)重的污染，在超濾工藝中，必須進(jìn)行預(yù)處理，即采用石英砂、活性炭或裝有多種濾料的過濾器過濾，至于采取何種處理工藝尚無固定的模式，這是因?yàn)楣┧畞碓床煌蚨A(yù)處理方法也各異。
C 、懸浮物和膠體物質(zhì)的去除：
對于粒徑 5μ m以上的雜質(zhì)，可以選用 5μ m過濾精度的濾器去除，但對于 0.3 ～ 5μ m間的微細(xì)顆粒和膠體，利用上述常規(guī)的過濾技術(shù)很難去除。雖然超濾對這些微粒和膠體有絕對的去除作用，但對中空纖維超濾膜的危害是極為嚴(yán)重的。特別是膠體粒子帶有電荷，是物質(zhì)分子和離子的聚合體，膠體所以能在水中穩(wěn)定存在，主要是同性電荷的膠體粒子相互排斥的結(jié)果。向原水中加入與膠體粒子電性相反的荷電物質(zhì)(絮凝劑)以打破膠體粒子的穩(wěn)定性，使帶荷電的膠體粒子中和成電中性而使分散的膠體粒子凝聚成大的團(tuán)塊，而后利用過濾或沉降便可以比較容易去除。常用的絮凝劑有無機(jī)電解質(zhì)，如硫酸鋁、聚合氯化鋁、硫酸亞鐵和氯化鐵。有機(jī)絮凝劑如聚丙稀酰胺、聚丙稀酸鈉、聚乙稀亞胺等。由于有機(jī)絮凝劑高分子聚合物能通過中和膠粒表面電荷，形成氫鍵和“搭橋”使凝聚沉降在短時(shí)間內(nèi)完成，從而使水質(zhì)得到較大改善，故近年來高分子絮凝劑有取代無機(jī)絮凝劑的趨勢。
在絮凝劑加入的同時(shí)，可加入助凝劑，如 PH 調(diào)節(jié)劑石灰、碳酸鈉、氧化劑氯和漂白粉，加固劑水下班及吸附劑聚丙稀酰胺等，提高混凝效果。
絮凝劑常配制成水溶液，利用計(jì)量泵加入，也可使用安裝在供水管道上的噴射器直接將其只入水處理系統(tǒng)。
D 、可溶性有機(jī)物的去除：
可溶性有機(jī)物用絮凝沉降、多介質(zhì)過濾以及超濾均無法徹底去除。目前多采用氧化法或者吸咐法。
( 1 )氧化法 利用氯或次氯酸鈉( NaClO )進(jìn)行氧化，對除去可溶性有機(jī)物效果比較好，另外臭氧( O 3 )和高錳酸鉀( KMnO 4 )也是比較好的氧化劑，但成本略高。
( 2 )吸附法 利用活性炭或大孔吸附樹脂可以有效除去可溶性有機(jī)物。但對于難以吸附的醇、酚等仍需采用氧化法處理。
供水水質(zhì)調(diào)整
( 1 )供水溫度的調(diào)整
超濾膜透水性能的發(fā)揮與溫度高低有直接的關(guān)系，超濾膜組件標(biāo)定的透水速率一般是用純水在 25 ℃條件下測試的，超濾膜的透水速率與溫度成正比，溫度系數(shù)約為 0.02/1 ℃，即溫度每升高 1 ℃，透水速率約相應(yīng)增加 2.0 %。因此當(dāng)供水溫度較低時(shí)(如< 5 ℃)，可采用某種升溫措施，使其在較高溫度下運(yùn)行，以提高工作效率。但當(dāng)溫度過高時(shí)，同樣對膜不利，會(huì)導(dǎo)致膜性能的變化，對此，可采用冷卻措施，降低供水溫度。超濾膜在水處理應(yīng)用中的工藝。
( 2 )供水 PH 值的調(diào)整
用不同材料制成的超濾膜對 PH 值的適應(yīng)范圍不同，例如醋酸纖維素適合 pH=4 ～ 6 ， PAN 和 PVDF 等膜，可在 PH=2 ～ 12 的范圍內(nèi)使用，如果進(jìn)水超過使用范圍，需要加以調(diào)整，目前常用的 PH 調(diào)節(jié)劑主要有酸( HCl 和 H 2 SO 4 )等和堿( NaOH 等)。
由于溶液中無機(jī)鹽可以透過超濾膜，不存在無機(jī)鹽的濃度極化和結(jié)垢問題，因此在預(yù)處理水質(zhì)調(diào)整過程中一般不考慮它們對膜的影響，而重點(diǎn)防范的是膠質(zhì)層的生成、膜污染和堵塞的問題。
2 操作參數(shù)
正確的掌握和執(zhí)行操作參數(shù)對超濾系統(tǒng)的長期和穩(wěn)定運(yùn)行是極為重要的，操作參數(shù)一般主要包括：流速、壓力、壓力降、濃水排放量、回收比和溫度。
流速
流速是指原液(供給水)在膜表面上的流動(dòng)的線速度，是超濾系統(tǒng)中的超濾一項(xiàng)重要操作參數(shù)。流速較大時(shí)，不但造成能量的浪費(fèi)和產(chǎn)生過大的壓力降而且加速超濾膜分裂性能的衰退。反之，如果流速較小，截留物在膜表面形成的邊界層厚度增大，引起濃度極化現(xiàn)象，既影響了透水速率，又影響了透水質(zhì)量。最佳流速是根據(jù)實(shí)驗(yàn)來確定的。中空纖維超濾膜，在進(jìn)水壓力維持在 0.2MPa 以下時(shí)，內(nèi)壓膜的流速僅為 0.1m/s ，該流速的流型處在完全層流狀態(tài)。外壓膜可獲得較大的流速。毛細(xì)管型超濾膜，當(dāng)毛細(xì)管直徑達(dá) 3mm 時(shí)，其流速可適當(dāng)提高，對減少濃縮邊界層有利。必須指出兩方面問題，其一是流速不能任意確定，由進(jìn)口壓力與原液流量有關(guān)，其二是對于中空纖維或毛細(xì)管膜而言，流速在進(jìn)口端是不一致的，當(dāng)濃縮水流量為原液的 10 %時(shí)，出口端流速近似為進(jìn)口端的 10 %，此外提高壓力增加了透過水量，對流速的提高供獻(xiàn)極微。因此增加毛細(xì)管直徑，適當(dāng)提高濃縮水排量(回流量)，可以使流速獲得提高，特別是在超濾濃縮過程中，如電泳漆的回收時(shí)可有效提高其超濾速率。
在允許的壓力范圍內(nèi)，提高供給水量，選擇最高流速，有利于中空纖維超濾膜性能的保證。
凈化過程
薄膜復(fù)合膜
>薄膜復(fù)合膜由超薄皮層(活性分離層)和多孔基膜構(gòu)成?；ひ话闶窃诙嗫卓椢镏误w上澆筑的微孔聚砜膜(即0.2μm厚)，超薄皮層是由聚酰胺和聚脲通過界面縮合反應(yīng)技術(shù)形成的。
>薄膜復(fù)合膜的優(yōu)點(diǎn)與它們的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，其最主要的特點(diǎn)是化學(xué)穩(wěn)定性，在中等壓力下操作就具有
>高水通量和鹽截留率及抗生物侵蝕。它們能在溫度0-40℃及pH2-l2間連續(xù)操作。像芳香聚酰胺一樣，這些材料的抗氯及其它氧化性物質(zhì)的性能差。
第二部分：反滲透膜基本原理
反滲透是在壓力驅(qū)動(dòng)下，水分子通過半透膜，而離子大部分被截留，從而達(dá)到水、離子分離的過程。
半透膜
半透膜是具有選擇性透過性能的薄膜。當(dāng)液體或氣體通過半透膜時(shí)，一些組分透過，而另外一些組分被截留。實(shí)際上半透膜對于任何組分都有透過性，只是透過的速率相差很大。在反滲透過程中，溶劑(水)的透過速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溶解在水中的溶質(zhì)(鹽分)。通過半透膜實(shí)現(xiàn)了溶劑和溶質(zhì)的分離，得到純水以及濃縮的鹽溶液。
滲透與反滲透
超濾膜規(guī)格區(qū)別滲透是當(dāng)流體在跨越半透膜屏障時(shí)的一種自然過程。如果將一箱純水用一張半透膜垂直分為兩部分，純水與理想半透膜的兩面以相同的溫度和壓力接觸，在這樣的條件下沒有跨越半透膜的水的流動(dòng)產(chǎn)生，因?yàn)樵谀蓚?cè)的化學(xué)勢完全相等。如果在其中一側(cè)加入溶解性鹽，鹽溶液一邊的化學(xué)勢降低了。純水便會(huì)向鹽溶液一側(cè)滲透，從而產(chǎn)生一個(gè)滲透流，直到化學(xué)勢的平衡重新建立為止。膜的物理和化學(xué)性質(zhì)決定了在傳遞過程中水比鹽的優(yōu)先地位。
膜系統(tǒng)
膜系統(tǒng)是指膜分離裝置單元。壓力驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)主要由預(yù)處理系統(tǒng)、升壓泵、膜組件(壓力容器和膜組件)、管道閥門和控制系統(tǒng)構(gòu)成。
超濾膜是最早開發(fā)的高分子分離膜之一，在60年代超濾裝置就實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。超濾膜，是一種孔徑規(guī)格一致，額定孔徑范圍為0.001-0.02微米的微孔過濾膜。在膜的一側(cè)施以適當(dāng)壓力，就能篩出小于孔徑的溶質(zhì)分子，以分離分子量大于500道爾頓、粒徑大于2～20納米的顆粒。
有機(jī)膜
純凈水飲用設(shè)備有機(jī)膜主要是由高分子材料制成，如醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚偏氟乙烯等等。根據(jù)膜形狀的不同，可分為平板膜、管式膜、毛細(xì)管膜、中空纖維膜等。目前，市面上家用凈水器用的膜基本上都是中空纖維膜。
無機(jī)膜
反滲透純凈水設(shè)備無機(jī)膜中，陶瓷超濾膜在家用凈水器中應(yīng)用比較多。陶瓷膜壽命長，耐腐蝕，但出水有土味，影響口感。同時(shí)陶瓷膜易堵塞，清洗不易。中空纖維超濾膜由于其填充密度大，有效膜面積大，純水通量高，操作簡單易清洗等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于家用凈水行業(yè)。
超濾膜篩分過程，以膜兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動(dòng)力，以超濾膜為過濾介質(zhì)，在一定的壓力下，當(dāng)原液流過膜表面時(shí)，超濾膜表面密布的許多細(xì)小的微孔只允許水及小分子物質(zhì)通過而成為透過液，而原液中體積大于膜表面微孔徑的物質(zhì)則被截留在膜的進(jìn)液側(cè)，成為濃縮液，因而實(shí)現(xiàn)對原液的凈化、分離和濃縮的目的。每米長的超濾膜絲管壁上約有60億個(gè)0.01微米的微孔，其孔徑只允許水分子、水中的有益礦物質(zhì)和微量元素通過，而最小細(xì)菌的體積都在0.02微米以上，因此細(xì)菌以及比細(xì)菌體積大得多的膠體、鐵銹、懸浮物、泥沙、大分子有機(jī)物等都能被超濾膜截留下來，從而實(shí)現(xiàn)了凈化過程。
在單位膜絲面積產(chǎn)水量不變的情況下，濾芯裝填的膜面積越大，則濾芯的總產(chǎn)水量越多
其計(jì)算公式為： S內(nèi)=πdL×n S外=πDL×n
其中：S內(nèi)為膜絲總內(nèi)表面積，d為超濾膜絲的內(nèi)徑;
S外為膜絲總外表面積，D為超濾膜絲的外徑;
L為超濾膜絲的長度; n為超濾膜絲的根數(shù)。
內(nèi)壓式和外壓式中空纖維超濾膜
一支超濾膜由成百到上千根細(xì)小的中空纖維絲組成，一般將中空纖維膜內(nèi)徑在0.6-6mm之間的超濾膜稱為毛細(xì)管式超濾膜，毛細(xì)管式超濾膜因內(nèi)徑較大，不易被大顆粒物質(zhì)堵塞。
反滲透設(shè)備裝置是借助壓力使水分子強(qiáng)迫透過對水分子有選擇透過作用的反滲透膜，即是反滲透凈水的原理，這種裝置為反滲透裝置根椐各種物料的不同滲透壓，可以大于滲透壓的反滲透法進(jìn)行分離、提取、純化和濃縮。反滲透法的分離過程不需要加熱，沒有相變具有能耗少、設(shè)備體積小、工藝簡單、操作維修方便、無污染、適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)，已成為水處理技術(shù)的重要方法之一?？沙ニ?8%以上的溶解性鹽類和99%以上的膠體、微生物、微粒和有機(jī)物等，成為現(xiàn)代純水、太空水(超純水)工程首選的最佳設(shè)備。廣泛應(yīng)用于：電子、醫(yī)療、食品、鍋爐補(bǔ)給水等工業(yè)中純水、超純水的制備。太空水、蒸餾水的制備及啤酒和飲料用水的凈化。高壓鍋爐補(bǔ)給水的預(yù)脫鹽處理。海水、苦咸水的脫鹽淡化。制藥、輕紡、化工、食品等工業(yè)用于分離、濃縮、液體脫色為目的的工藝。工業(yè)生產(chǎn)中對水溶液進(jìn)行有用物質(zhì)的回收及應(yīng)用。其它以分離細(xì)菌、熱源、膠體微粒及有機(jī)物為目的的分離過程。
影響膜性能的因素
反滲透過程的主要指標(biāo)是產(chǎn)水通量和脫鹽率。對于一定的膜組件，產(chǎn)水量和脫鹽率受到給水水質(zhì)條件和系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的影響，最基本的給水水質(zhì)因素有含鹽量(濃度)、溫度和pH值等，運(yùn)行參數(shù)有壓力、給水流量和回收率等。下面就關(guān)于對產(chǎn)水量和脫鹽率產(chǎn)生影響的各操作因子做一般論述。
給水濃度
一定壓力下當(dāng)供給的原水濃度增高時(shí)，產(chǎn)水量就會(huì)減少。這是因?yàn)楣┙o水的滲透壓變高，有效壓力降低的緣故。脫鹽率受濃度影響非常大。通常濃度提高，產(chǎn)水量就會(huì)降低的同時(shí)，脫鹽率也會(huì)降低。但是當(dāng)非常低的濃度下，起初濃度增加，脫鹽率率也會(huì)稍許增加。隨后，隨著濃度的不斷增加脫鹽率就變的低下。
pH的影響
給水的pH值定義了它的酸堿性。進(jìn)水pH值對產(chǎn)水量幾乎沒有影響，而對脫鹽率有較大影響。由于水中溶解的CO2受pH值影響較大，pH值低時(shí)以氣態(tài)CO2形式存在，容易透過反滲透膜，所以pH低時(shí)脫鹽率也較低，隨pH升高，氣態(tài)CO2轉(zhuǎn)化為HCO3-和CO3-離子，脫鹽率也逐漸上升，在pH7.5～8.5間，脫鹽率達(dá)到最高。
溫度的影響
反滲透膜產(chǎn)水電導(dǎo)對進(jìn)水水溫的變化十分敏感，隨著水溫的增加，水通量也線性的增加，進(jìn)水水溫每升高1℃，產(chǎn)水通量就增加2.5%～3.0%;其原因在于透過膜的水分子粘度下降、擴(kuò)散性能增強(qiáng)。進(jìn)水水溫的升高同樣會(huì)導(dǎo)致透鹽率的增加和脫鹽率的下降，這主要是因?yàn)辂}分透過膜的擴(kuò)散速度會(huì)因溫度的提高而加快。
