一文詳解六大常用膜處理技術原理及應用領域
- 發布時間： 2022-09-06 09:24:11
- 編輯作者： 鴻泰華瑞
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- 關鍵字： 膜處理技術、原理
導讀：目前膜技術作為一個古老但是新興的技術，技術開發越來越深入，應用范圍越來越廣泛，本文總結目前世界上現有的膜處理技術，詳細介紹各種膜技術的原理及應用領域！
膜法水處理和傳統水處理的區別
使用膜法技術可以大幅度提高產水水質。按處理深度，可將污水處理分為一級處理、二級處理和深度處理。一級處理的主要目的是去除懸浮狀態固體，常采用物理法，對于BOD5的去除率一般在20%~30%；二級處理的目的是進一步去除污水中膠體和溶解性污染物，常使用生物法，BOD5的去除率在90%以上；深度處理以達到更高的處理與排放要求或污水回用為目的。
膜法技術通常用于處理二級處理活性污泥出水，或者將膜處理系統直接置于生化池，代替原有二沉池、絮凝沉淀池等環節。使用膜法技術改造之后，傳統污水處理工藝可以直接生產出高品質再生水。
6大常用膜處理技術
一、微濾（MF）膜技術
1、微濾（MF）的基本原理
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：水中懸浮物，微小粒子和細菌的去除；
（2）電子工業：半導體工業超純水、集成電路清洗用水終端處理；
（3）制藥行業：醫用純水除菌、除熱原，藥物除菌；
（4）醫療行業：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：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，果汁的澄清過濾。
（6）化學工業：各種化學品的過濾澄清。
二、超濾（UF）膜技術
1、超濾（UF）原理
超濾（Ultra-filtration, UF）是一種能將溶液進行凈化和分離的膜分離技術。超濾膜系統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（Molecular weigh cut-off,MWCO）為1,000-1,000,000 Dalton。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1,000-300,000 Dalton。若過濾孔徑大于0.01微米，或截留分子量大于300,000 Dalton的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都可以用到過濾設備，基本過濾的行業如下：
純水與超純水制備工藝中作為反滲透預處理以及超純水的終端處理；工業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；發酵、酶制劑工業、制藥工業的濃縮、純化與澄清；果汁濃縮、分離；大豆、乳品、制糖工業、酒類、茶汁、醋等的分離、濃縮與澄清；工業廢水與生活污水的凈化和回收；電泳漆的回收。
超濾膜分離可取代傳統工藝中的自然沉降，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，無相態變化，不產生二次污染。
三、納濾（NF）膜技術
1、納濾（NF）原理
納濾（NF）是一種新型分子級膜分離技術，是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的有機物，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，這是它在很低壓力下（僅0.5MPa）仍具有較高脫鹽性能和截留分子量為數百的膜也可脫除無機鹽的重要原因，也是NF運行成本較低的主要原因。
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，是飲用水制備和深度凈化的首選工藝。
目前，大多數城市的給水水源均受到不同程度的污染，而自來水廠的常規處理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物。Peltier等4年的跟蹤研究表明：采用納濾系統后水中的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，最終網線中三鹵甲烷（THMs）的形成比未采用納濾系統時減少了50%。另外，由于生物降解型溶解有機碳（BCOD）的減少，改進了產水的生物穩定性。
納濾技術能夠去除絕大部分的Ca、Mg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的海水淡化至500mg/L以下的飲用水。
（3）納濾膜在廢水處理中的應用：
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，超濾出水水質可達到回用至賓館廁所沖洗、綠化等環節的用水要求，納濾出水水質可達到生活飲用水衛生標準(GB5749.85)，可以回用至賓館洗衣、洗浴等用水要求更高的環節。
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，而酸性、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都有可能造成影響。
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/cm。
④電鍍廢水：電鍍工廠往往產生大量廢液，盡管采取酸化、化學無害化、沉降和分離污泥等復雜處理步驟，產水含鹽量高，不能重新回用。
⑤造紙廢水：在紙漿和造紙業中，勻漿、漂白和造紙等工序都需要大量的水。實現水系統的(半)密閉循環是紙漿廠、造紙廠節約水資源降低排放量的最佳途徑。傳統活性污泥法的產水中還含有部分有色化合物、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。另外，該法不能減少無機鹽的含量。
四、反滲透（RO）膜技術
1、反滲透(RO)的原理
反滲透是一種以壓力為推動力的膜分離過程在使用中為產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）在水處理方面的常規應用
水是人們賴以生存和進行生產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百萬噸。
（2）在城市污水方面的應用
目前，反滲透膜在城市污水深度處理方面的應用尤其是污水處理廠二級出水回用及中水回用等，已受到高度重視。
（3）在重金屬廢水處理方面的應用
含重金屬離子廢水的常規處理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理的形式，其最終處置常常是進行填埋，而重金屬對地下水和地表水環境造成二次污染的危害依然長期存在。
（4）在含油廢水方面的應用
含油廢水是一種量大面廣的工業廢水，若直接排入水體，會在水體表層產生油膜阻礙氧氣溶入水中從而致使水中缺氧、生物死亡、發出惡臭，嚴重污染生態環境，利用膜處理技術，油田采出水處理到鍋爐用水水質，于是處理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(Dialysis，簡稱D)是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。滲析是最早被發現并研究的膜分離技術，但因為受到本身體系的限制，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(Electrodialysis，簡稱ED)是在直流電場的作用下，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ED原理，每隔一定時間(一般為15～20min)，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長期穩定及淡水的水質水量。在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在廢水處理方面尤其有獨到之處，其濃水循環、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膜代替固態離子交換膜，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展前途的。例如，固體離子交換膜對鉑族金屬(鋨、釕等)的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)是將電滲析與離子交換法結合起來的一種新型水處理方法，它的最大特點是利用水解離產生的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，從而實現了持續深度脫鹽。它集中了電滲析和離子交換法的優點，提高了極限電流密度和電流效率。填充床電滲析技術具有高度先進性和實用性，在電子、醫藥、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。
（6）雙極性膜電滲析(EDMB)：雙極膜是一種新型離子交換復合膜，它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-的供應源。雙極性膜電滲析突出的優點是過程簡單，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有機酸鹽(葡萄糖酸鈉、古龍酸鈉等)的轉化，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。現在開發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：無極水電滲析是傳統電滲析的一種改進形式，它的主要特點是除去了傳統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，它們在電氣上都是相互聯接的，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，在應用過程中技術不斷改善，現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）工業廢水處理
電滲析可用于電鍍廢水、重金屬廢水等的處理，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過程中鈍化液處理的可行性，結果發現，不僅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上應用。
（2）飲用水及過程水處理
我國在西南地區采用電滲析法將鹽泉鹵水制鹽，使NaCl的含量穩定提高到120g/L，與原來采用的單純熬鹽法相比，產量增加而成本降低。
（3）食品工業
在白酒生產中把握質量最關鍵的一環是勾兌，而勾兌用水的質量是很重要的，它不僅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，達到國家標準。
（4）生化行業
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。根據雙極性膜電滲析系統的特點，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，其有有很多優點：整個生產過程不需要添加酸和堿，資源可以循環利用，耗水少，分離出的蛋白質中鹽含量明顯減少。
六、正滲透(FO)技術
1、正滲透(FO)的原理
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地從溶劑側透過膜進入溶液側，這就是滲透現象，也即所謂的“正向滲透”。
2、正滲透膜在水處理中的應用
（1）廢水處理
關于FO在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廢水的濃縮、垃圾滲濾液的處理、生活污水的處理、市政污水處理廠污泥厭氧消解液的濃縮和空間站上直接將污水處理成飲用水的生命支持系統等。雖然這些研究中FO過程不是終端工藝，但其在預處理階段具有很高的脫鹽性能。近年來隨著FO工藝的不斷發展，引起了很多學者的關注，將其與傳統的膜分離技術相結合，更是近幾年的研究熱點。
（2）水質深度凈化
隨著中水回用技術的發展，FO在飲用水凈化方面目前應用最成功的應屬在空間站中將產生的生活污水直接處理成飲用水。
（3）海水淡化
在FO系統中，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。
03當前膜處理技術中存在的問題
膜處理技術是一種新型的膜處理技術，有著高效、很好操作的特點，在污水處理的時候有著很好的作用，膜處理技術關鍵是使用膜的選擇透過性來使水和污染物分開，最后達到去掉污染物、凈化污水的效果，膜處理技術有著下面的好處：物理和化學技術或生物技術在對污水進行處理的時候它的性質會產生變化，水質也會發生變化，膜處理技術在對污水進行處理的時候性質不變，卓有成效地保證了污水凈化之后的水質。很多污水處理方法在進行污水處理的時候需要增加一些化學藥物，膜處理技術在進行污水處理的時候不需要增加藥劑，它自身的孔徑和選擇透過性就能夠輕松實現污染物的分離，膜處理技術在進行污水的處理的時候能夠很好地把一些很小的物質分開，在進行污水處理的時候占地面積不大，處理效果非常好。
污水處理技術雖然比別的處理方法有很大的好處，但是在現實的操作的時候還有著很多的問題，在對污水進行處理的時候如果不重視定期對膜進行更換，長時間的使用就會造成膜孔受阻，膜本身也會受到污染物的污染，處理污水的效果就會降低，另外，因為水中的污染成分非常復雜，若只使用膜處理技術來進行污水的處理在進行具體的污水處理的時候可能不能夠把一些很復雜的成分加以剝離，膜的易受損度大大提高，為了使膜處理技術在對污水的處理的時候產生關鍵的作用，在進行污水處理的時候需要關注對膜進行按時的更換，還要注意強化對水質狀況的研究，使用全面的方法來處理污水，提高膜處理的速度。
