超滤膜的应用与原理

华北水利水电大学结课论文

华北水利水电大学

North China University of Water Resources and Electric Power

结 课 论 文

题目 陶瓷超滤膜的制备及应用

学 院 环境与市政工程学院

专 业 应用化学

姓 名 曹行

学 号 201414126

指导教师 朱艳青

完成时间 2017.4.8

华北水利水电大学结课论文

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第1章

1. 特点

2. 制备

3. 应用

4. 展望

华北水利水电大学结课论文

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第2章 陶瓷超滤膜

1.1陶瓷超滤膜的特点

超滤膜为多孔膜，孔径在1-100 nm，按原料分类，可分为有机超滤膜和无机超滤膜。无机超滤膜多为陶瓷膜，陶瓷超滤膜是目前最具有应用前景的一类无机超滤膜。与有机超滤膜相比，陶瓷超滤膜具有许多优点:(1)耐高温、热稳定性好：高温下使用时，其性能可保持不变，适用温度可达400℃，有的甚至可达800~1000℃。(2)机械强度高：可在很大压力梯度下操作，不会被压缩或产生蠕变；(3)化学稳定性好:可在酸性或碱性溶液中长期使用，耐有机溶剂和氯化物腐蚀，不易被微生物降解;(4)使用寿命长，易清洗:当膜被堵塞后，可以进行反冲清洗，也可以在高温下进行化学清洗，可以反复使用，不会出现老化现象【1-6】。

1.2陶瓷超滤膜的应用

陶瓷超滤膜由于其优异的特性，广泛应用在工业废水处理，海水淡化，饮用水净化，食品工业，生物、医药行业等。

1.2.1陶瓷超滤膜在工业废水处理中的应用

随着工业的迅速发展，工业废水的数量和种类逐渐增大；工业废水未经处理或只经简单初步处理便直接排入江河、湖海，会对环境造成极大的污染：造成的污染主要有：有机需氧物质污染，化学毒物污染，无机固体悬浮物污染，重金属污染，酸污染，碱污染，植物营养物质污染，热污染，病原体污染等。许多污染物有颜色、臭味或易生泡沫，因此工业废水常呈现使人厌恶的外观，造成水体大面积污染，直接威胁人民群众的生命和健康，因此工业废水的处理极为重要。

1 中空纤维超滤膜应用指南

一、超滤的基本概述

超滤是一种将溶液进行净化、分离或浓缩的膜透过法分离技术。20多年来发展迅速，已成为膜分离领域中最为广泛应用的品种之一。其应用面非常广泛，小至家用净水器，大到现代工业生产，从普通民用到高新技术领域都有不同规模的应用，甚至于在环境保护方面也有极大的使用潜力，超滤是一种最有发展前途的膜法分离技术。

二、超滤膜组件的基本类型

目前，工业上常用的超滤膜器件主要有下列五种类型：板框式、园管式、螺旋卷式、中空纤维式、毛细管式，其主要特征列于下表。

类 型 板框式 园管式 螺旋卷式 中空纤维式 毛细管式

生产成本对比 20～60 10～40 6～25 1～4 2～8

装填密度 低 低 适中 高 适中

抗污染能力 好 很好 适中 差 好

产生压降 低 适中 适中 高 适中

耐压性 可以 可以 适合 适合 可以

限于专门类型膜 非 非 是 是 是

各种基本类型膜均有不同的适用性，在工业上应用最为广泛的是中空纤维式，特别是在净化、分离的应用中。而在粘度较高的溶液净化、分离、浓缩过程中，则板框式或园管式有更大的适用性。 2

三、超滤膜的超滤特性

在膜分离技术范畴内，分离精度自反渗透至微滤过滤范围的连续谱图中可见，超滤介于纳滤与微滤之间。

膜过滤谱图

超滤的定义域为截留分子量500～500000左右，相应膜孔径大小的近似值为0.002μ～0.1μ。截留分子量与膜孔径两者尚无对应关系。简单的理解，超滤膜如同筛子，在一定压力（0.1～0.6MPa）下，允许溶剂和小于膜孔径的溶质透过，而阻止大于孔径的溶质通过，以完成溶液 3 的净化、分离和浓缩。

超滤过程有如下特点：

（1）超滤过程无相际变化，可以在常温及低压下进行分离，因而能耗低，约为蒸发法与冷冻法的1/2～1/5；

（2）设备体积小，结构简单，故投资费用低，易于实施；

（3）超滤分离过程只是简单的加压输送液体，工艺流程简单，易于操作管理；

中空纤维超滤膜

中空纤维超滤膜是超滤膜的一种。它是超滤技术中最为成熟与先进的一种技术。中空纤维外径:0.5-2.0mm，内径:0.3-1.4mm，中空纤维管壁上布满微孔，孔径以能截留物质的分子量表达，截留分子量可达几千至几十万。原水在中空纤维外侧或内腔加压流动，分别构成外压式与内压式。超滤是动态过滤过程，被截留物质可随浓缩小排除，不致堵塞膜表面，可长期连续运行。超滤膜是最早开发的高分子分离膜之一。

超滤技术是一种广泛用于水的净化，溶液分离、浓缩，以及从废水中提取有用物质，废水净化再利用领域的高新技术。特点是使用过程简单，不需加热，能源节约，低压运行，装置占地面积小。

中空纤维超滤膜用途：

主要用于超滤净水器。如现在普遍使用的直饮机用的就是超滤技术。

而目前市场用的纯水机主要是运用了ro反渗透技术

产品名称: ESPA1-8040超低压反渗透膜

EPA1-8040膜元件是海德能公司研制开发的，主要针对的中等含盐量的地表水、地下水等水源，它能在较低的操作压力条件下达到高水通量，且在相同的运行条件下，具有最高的脱盐率的膜元件，脱盐率可达99.2％。因为操作压力低，产水量高，脱盐率高，所以经济效益明显。

ESPA1-8040膜元件适用于含盐量2000ppm以下的地表水、地下水、自来水、市政用水等满足生活饮用水源的脱盐水处理，主要应用进水水温低的季节或地区，可获得更高的产水量。

主要用途：饮料用水、纯净水生产、锅炉补给水、食品加工和药品生产用水。

ESPA1-8040膜基本性能规范

性能

膜的类型 聚酰胺复合膜

平均脱盐率％ 99.2

平均透过水量

GPD(m3/d) 12000(45.4)

有效膜面积

ft2(m2) 400(37)

单支膜元件回收率 15%

测试条件

测试压力 150psi

(1.0Mpa)

测试温度 25℃

测试浓度

(Nacl) 1500(ppm)

第1卷第5期2007年12月供水技术WATERTECHNOLO(;YVol.INo.5Dec.2007超滤膜技术在水厂中的应用韩宏大，，2，吕晓龙，，陈杰，(1.天津工业大学，天津300160;2.天津市自来水集团有限公司，天津300以0;3.苏州立升膜分离科技有限公司，江苏苏州215152)摘要:举了应用实例介绍了超滤膜的特性以及超滤工艺在水厂中的应用现状，并根据不同的工艺类型列，提出了超滤膜工艺在应用过程中存在的问题。超滤工艺将成为未来饮用水处理最有效的技术之一，具有很好的发展前景。关键词:超滤;水厂;膜污染中图分类号:TU991.24文献标志码:A文章编号:1673一9353(2007)05一0()l4一03APPlicationofUFtechniqueinwaterw0rkSHanHongda，，2，hxiaolong，，chenjie3(1.TianjinPolytechnicUn俪rsitr，Tianjin300160，China;2.Ttanjin肠te二。rksCrouPCo.及己.，Tianjin300040，China;3.5诫ouLitreoUltr叻ltra如nMembrane几‘hnologyCO.众d.，5醚houZ15152，China)姗PrcanAbstract:Characteristicand即Plicationpro脚ssofUFinwaterworkswerepresented，exa哪lesweregivenaccordingtodifferentprocesses.ExistingproblemsofUFinoperationwereandsalsoposed.UFprocesswillbeoneofmosteffectivetechniquesfordrinkingwatertreatmentinthefuture，hasgooddeveloPmentProsPect.K盯words:UF;waterworks;membranefouling水环境的污染带来许多新的水质问题，水厂常规处理工艺的局限性越来越明显【‘〕。因此，膜法饮用水处理技术在水厂中的应用也越来越广泛。1超滤膜的特性和应用现状1.1超滤膜的特性超滤膜的孔径为0.05卿一Inm，操作压力一般为0.2一0.4MPa，膜的透过速率为0.5一sm，/(耐󰀀d)，能够分离分子质量为500一1以x州x刃D血on的大分子和胶体粒子[z]。超滤膜有多种类型，在水厂应用较多的超滤膜其材料主要为聚偏氟乙烯(PVDF)和聚氯乙烯(PVC)，运行方式可分为浸人式和压人式。1.2应用现状超滤技术最初用于化工和医药行业，20世纪80年代开始用于饮用水处理。近年来，超滤在水厂得到了广泛应用，而且处理规模也越来越大。应用超滤工艺的水厂中净化规模在20、104m，/d以上叮已有数座，超滤水厂的总处理量已超过sooxl04m3/d。北美地区已有250多座超滤水厂，累计处理量达到300xlo4m，/d。在美国lxlo4m3/d以上的自来水厂已有42座，总处理量占美国自来水供应量的2.5%，并且许多新建水厂和老水厂改造项目越来越多地采用超滤工艺。基金项目:天津市科技创新专项资金(05FzZDSH(X)500)󰀀14󰀀2007年12月韩宏大，等:超滤膜技术在水厂中的应用第1卷第5期在欧洲，超滤工艺在水厂中的应用更为广泛，以小型水厂居多，但处理能力为lx104厅/d以上的水厂已有3座。英国已有100多家水厂采用超滤膜技术，总产水能力已达到11oxlo4m，/d。在亚洲，超滤膜技术的应用在近几年的增长也比较显著。新加坡已建成一期规模为27.5xl扩m，/d的大型水厂，日本的超滤膜产水能力已接近400xlo4m3/d。新加坡、澳大利亚、荷兰、英国和以色列使用超滤工艺净化自来水的处理量分别占其自来水总供水量的12.0%，4.0%，3.1%，2.0%和1.2%。2超滤膜工艺的应用实例超滤膜工艺的主要特点是出水浊度低，水质稳定〔’〕，还具有其他诸多优点。按超滤膜在净水工艺中的作用划分，超滤工艺在水厂中的应用可分为替代混凝一沉淀一过滤工艺、替代沉淀一过滤工艺、替代过滤工艺以及作为深度处理工艺等几种类型。2.1替代混凝一沉淀一过滤工艺苏州市渡村水厂采用微絮凝一超滤工艺，工艺流程如图1所示。人预氧化剂高锰酸钾和粉末活性炭，超滤膜出水浊度都小于0.INTU，对CODM。的去除率一般在30%一50%之间，藻类全部去除。②ChestnutAvenue水厂该水厂位于新加坡的Chestnut，工艺流程如图3所示。絮凝剂原水出水图3ChestnutAVenue水厂工艺流程Fig.3Flowc玩IltofCh朗切utAvenuewaterwod困水厂一期供水规模为27.3xl04m，/d，是目前世界上已投人运行的超滤水厂中规模最大的。超滤工艺的目的是控制浊度、色度和有机物，超滤出水采用虹吸工艺，高差约gm，大大降低了运行成本。③cityofKaniloops水厂该水厂位于加拿大的BritishColumbia，工艺流程如图4所示。原水出水原水氯絮凝剂上级腼巫鲜枢画~出水图1渡村水厂工艺流程Fig.IFlowchartofDucunwaterworl田水厂供水规模为lx104m，/d，主要去除浊度、有机物和铁。在超滤膜前加人适量的絮凝剂后，超滤系统运行非常稳定，超滤膜出水浊度保持在0.1NTU以下，对CODMn的去除率一般在26%一50%之间，总铁都在0.lm留L以下。2.2替代沉淀一过滤工艺①杨柳青水厂该水厂位于天津市西青区，其工艺流程如图2所示。絮凝剂、高锰酸钾、粉末活性炭图4CityofKamlooPs水厂工艺流程Fis.4nowcb曰rtofCityofK肛己0钾Wate口叮rk。水厂供水规模为16x104m3/d，春季枯水期水质极差，采用超滤工艺的目的是控制浊度、两虫(贾第虫、隐抱子虫)、嗅味。采用两级超滤系统，将一级超滤反洗水回收后再进行二级超滤处理，工艺的产水率达到9%以上。④Scottsdale水厂该水厂位于美国亚利桑那州的Scotsdale，工艺流程如图5所示。絮凝剂原水原水出水图2杨柳青水厂工艺流程Fig.ZFlowc坛Irt吐YaDgliu甲ngwate侧份ks水厂供水规模为s000m，/d，水质问题出现在夏季高藻期，采用超滤工艺的目的是控制浊度、藻类和有机物。在超滤膜前加人絮凝剂，水质恶化时加图SScottsdale水厂工艺流程Fig.5凡owc坛吐ofsco伪记alewaterworl田水厂供水规模为1.4xro4m，/d，主要解决的水质问题是嗅味、无机污染物砷和消毒副产物前体物。省略了沉淀工艺，絮凝后的水直接进人超滤工艺，颗粒活性炭工艺位于超滤之后，用于控制水中的15󰀀第1卷第5期供水技术20()7年12月嗅味。2.3替代过滤工艺①ColumbiaHeights水厂该水厂位于美国明达苏尼的Mineapolis，工艺流程如图6所示。絮凝剂、高锰酸钾、臭氧超滤絮凝剂原水J闷叫混合卜叫叫絮凝}叫叫沉淀卜‘闷叫超滤卜卜出水原水二~匡追上叫逮鱼卜~巨避上~谜遒出水图6ColumbiaHeights水厂1艺流程Fig.6Flowc玩吐ofGOI训山iaHei砂山Wate川瓜rks水厂供水规模为26.5xl04耐/d，是目前北美运行规模最大的超滤水厂。面对美国水质法规的压力，对老水厂进行了改造，将传统的砂滤工艺改建为超滤工艺，以去除两虫，保障饮用水的微生物安全。②DuckRiver水厂该水厂位于美国田纳西州的Tunahoma，工艺流程如图7所示。絮凝剂图gC0lumbine水厂工艺流程Fig.gnowc玩IrtofCol仙abinew证erw.玉5在产水水质较差，供水量不足的问题，采用二级过滤系统对老水厂进行改造，将砂滤池改为超滤工艺，水回收率高达9%。2.4作为深度处理工艺①Ukeview水厂该水厂位于加拿大的Misisanga，工艺流程如图10所示。絮凝剂原水』‘叫混合卜叫叫絮凝卜叫沉淀臭氧活性炭超滤原水一互一!混合卜叫叫絮凝卜今刁沉淀卜一叫超滤卜扣出水图7DuckRiver水厂工艺流程Fig.7Flowc玩时ofD恤ck形verwate川rollks水厂供水规模为5.4xro4m3/d，是北美老水厂改造非常成功的超滤水厂。产水规模从传统的3.6xl04m，/d扩大为5.4xlo4m，/d，供水能力增加了50%。采用超滤工艺的目的是提高水厂的产水能力，控制水中的嗅味。③Southsanjoa叨inl币gationDistrict水厂该水厂位于加拿大的Valeyhome，工艺流程如图8所示。絮凝剂图10Lakeview水厂工艺流程Fig.10FlowcllartofL止eviewwaterwork.水厂供水规模为26.lxl了m，/d，在臭氧一活性炭工艺之后采用超滤工艺，是目前最大的臭氧一活性炭藕合超滤的两级深度处理系统。超滤工艺主要是扩大传统制水工艺的产水规模并提高水质。②vigneux水厂该水厂位于法国的Vigneux一sur一seine，工艺流程如图11所示。絮凝剂原水一-叫格栅混合絮凝卜叫沉淀臭氧活性炭出水~任亚亚亚巫刃~{巫混合卜叫絮凝卜~」气浮卜一叫超滤卜卜出水SouthSanJoaqujnlrrigatjonDistrict水厂工艺流程Fig.8刃衅cbartofsouthsanJ叨押nl示9西on肠日苗otwate~d困水厂供水规模为13.6xl04m，/d，采用高效去除藻类的气浮和超滤组合工艺，主要目的是去除藻类、浊度和有机物。④Columbine水厂该水厂位于美国科罗拉多州的Thomton，工艺流程如图9所示。水厂供水规模为18.7x104m3/d，原有工艺存图11Vigneux水厂工艺流程Fig.11Flowc玩IrtofVigneuxwal比哪d田水厂供水规模为5.5xl04m3/d，采用粉末活性炭(PAC)吸附+超滤作为深度处理工艺，PAC平均投加量为sm岁L，采用生石灰调质，出水水质稳定。3超滤膜工艺在应用中存在的问题①超滤膜的制造成本高，膜寿命低，这使超滤工艺运行成本中折旧费较高，加大了自来水的生产成本。②无论是压人式还是浸人式超滤膜都需要压(下转第28页)16󰀀第1卷第5期供水技术2007年12月60%，94%，100%，生物活性炭柱对三氯乙酸的去除率分别为%%，100%，100%。生物降解作用对卤乙酸的去除率随停留时间的延长而增大。③陶粒柱对两种卤乙酸的去除率随运行时间的延长不断提高，反映了生物膜的生长过程。④新活性炭柱对不同卤乙酸的去除率随时间变化规律不同。随着时间增加，对二氯乙酸的去除率有下降又回升的过程，而对三氯乙酸则没有这个过程。处理研究会20(又年会论文集【C〕.20(又.[3]YuefengXie，eofBACforHAAre󰀀moval—PartZ，columnstudy[J].JourAWWA，200294(5):126一134.【4〕曹莉莉.饮用水处理中消毒副产物的控制特性研穷[D].j匕京:清华大学，1999.[5〕XieY.AnalyzinghalOaceticacidsusingGasChromatogranh厂Massspectrome坷[J].WatRes，2(X)1，35(6):1599一1以)2.【6〕王占生，刘文君.微污染水源饮用水处理【M].北京中国建筑工程出版社，1999.参考文献:[llcJ/咒06一2005城市供水水质标准〔5].〔2]王占生，刘文君.我国给水深度处理应用发展近况与存在的问题【A].中国土木协会水工业分会给水深度E一mail:哟liu@收稿日期二2(X]7一10一17󰀀叫卜.刊卜“，卜“~卜.州卜.州卜󰀀州卜.刊卜.叫卜“叫卜“州卜.叫卜󰀀州卜.叫卜.一卜一州卜.州卜.叫卜一州卜.叫卜-一卜“州卜臼州卜.州卜󰀀州卜一州卜.一卜翻一卜.月卜”一卜.州卜󰀀叫卜.洲卜.一卜一叫卜”州卜”州卜一卜.州卜.叫卜一叫卜”州卜”州卜.州卜.州卜一卜(上接第16页)力驱动。与常规工艺相比，超滤膜物理清洗和化学清洗频率较高，工艺运行过程中的能耗需要进一步降低。③超滤膜的污染主要有吸附污染、沉淀污染和生物污染川。污染物质主要是生物性或非生物性的有机化合物、无机化合物、悬浮固体和微生物。对超滤膜污染的控制主要采取合理选用膜组件、进行膜面预处理、进行原水预处理和定期清洗等方法[s]。因此，为了延缓膜污染，提高超滤系统处理能力，降低运行费用，需要针对原水水质优化超滤工艺运行条件，完善超滤膜污染控制方法〔6〕。④对超滤和其他工艺方法的联用需要进行系统化的应用研究。⑤通过提高超滤膜质量的稳定性和可靠性，超滤膜工艺在水厂的应用会越来越广泛。4结语随着膜技术的进步、价格的不断降低以及超滤工艺的日趋成熟，在一定规模上用超滤替代常规处理工艺已是经济合理的方式。超滤技术提供的优质饮用水可以给自来水厂带来显著的经济效益和突出的社会效益。随着老水厂改造步伐的加快，超滤在自来水处理中的应用规模会越来越大。参考文献:【1]李圭白，杨艳玲.超滤—第三代城市饮用水净化J艺的核心技术〔J].供水技术，2007，1(1):1一3.【2〕何文杰.安全饮用水保障技术[M〕.北京:中国建鲜出版社，20(拓.[3]CamposC，Mari认asBJ，SnoeyinkVL，etal󰀀Powdere‘activatedcarbon一membraneultr浦ltratlonprocess:modedevel叩ment[J〕.JournalofEnvironmentalEngineeri雌2(洲X)，126(2):97一103.【4]陈治安，刘通，尹华升，等.超滤在饮用水处理中的应月和研究进展【J].工业用水与废水，2(X拓，37(3):7一10.[5]CabassudC，压场石es，Durand一BourllerL，et以.Aisparglnginultr浦ltrationhollowfibers;E比elationshipbetweenfuXe曲ancement，cakechaxacteristicsand场dro街namicparameters[J].Journa1OfMelnbranescience2001，181:57一69.「6〕胡保安，李晓波，顾平󰀀基于低压膜过程的集成工芍石给水处理中的研究进展【J].给水排水，2佣7，3(1)113一117.作者简介:韩宏大(1967一)，男，教授级高工，研究方向为膜法饮用水处理技术。电话:022一23940508E󰀀ma妞:hanhon目a@收稿日期:2007一n一05󰀀28