超滤技术在水质净化处理中的应用及发展

专题■■■■_Subject————超滤技术在水质净化处理中的应用及发展文／彭开勤江涛[摘要]本文介绍了超滤膜净水技术和在家用净水器中的应用以及发展前景。[关键词]超滤水质净化净水器超滤技术既可除去水中病菌、病毒、热源、胶体等有害物质，降低水的化学需氧量(COD)，又可透析对人体有益的无机盐，还因为克服了蒸馏水中含有细菌尸体的缺点，使过滤后的水保留生物活性等特点，已被广泛应用。一、超滤技术原理分析l、去除污染物机理超滤是一个压力驱动过程，介于微滤和纳滤之间，且三者之间无明显的分界线。一般来说，超滤可以分离直径大于2nm的溶质分子和截留相对分子质量在1000～30万的分子和胶体。对于混合体系，超滤可分离相对分子质量相差10倍以上的高分子混合物。而相应的孔径在5～100nm之间，这时的渗透压很小。因而超滤膜的操作压力较小，一般为0．1～0．7MPa，主要用于截留去除水中的悬浮物、微粒、热源、细菌和病毒等大分子物质。因此，超滤的过程并不是单纯的机械截留，物理筛分，而是存在着以下48l《质量与认证》2014·12三种作用：一是溶质在膜表面和微孔孔壁上发生吸附；二是溶质的粒径大小与膜孔径相仿，溶质嵌在孔中，引起阻塞；三是溶质的粒径大于膜孔径，溶质在膜表面被机械截留，实现筛分。可见，理想的超滤筛分，应尽量避免污染物在膜表面和膜孔壁上的吸附与阻塞现象的发生。因此超滤技术在应用时，除了选择适当的膜孔径外，应选用与被分离溶质之间相互作用弱和膜孔结构外密内疏的不对称构造的超滤膜。2、膜组件及其材料通常用于制膜的材料很多，有聚砜、纤维素等有机材料及陶瓷、玻璃和金属等无机材料。材料本身决定了可以选用的制膜方法、所能得到膜的形态及适用的分离原理。制备超滤膜的常用材料有以下几种：PS(聚苯乙烯)、PEs(聚醚砜)、PSF(聚砜)、PAN(聚丙烯腈)、PVDF(聚偏氟乙烯)、PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、PVC(聚氯乙烯)等。目前通用的集中组件形式是：管式、板框式、卷式、微管式和中空纤维式等，它们在料液流动分布、操作压力、投资费用和运转费用等方面都有很大的不同。超滤组件设计的主要着眼点在于如何控制浓差极化，因为凝胶层的形成在很大程度上决定于组件的设计。3、浓差极化及膜污染在超滤过程中，产生浓差极化的因素很多，较关键的因素是由膜的屏障作用使得靠近膜表面的盐分大量聚积。因此如何把聚积在膜表面的盐分尽可能快地反向扩散到流体主体中去是控制浓差极化的首要问题。膜污染是指溶液中的溶质、膜以及溶剂相互作用而产生的复杂现象，包括膜面污堵、化学破坏以及细菌生长几部分。在超滤过程中，随着运行时间的增长，膜污染逐渐严重，其通量逐渐变小，影响超滤通量降低的因素主要有：浓差极化、膜孔的堵塞、凝胶层的出现及固化。]—．．．．．．．．．．．．．．．．，．．。L二、超滤在家用净水器中的应用超滤的过程是动态过滤，在超滤膜的表面既受到垂直于膜面的压力，使水分子得以透过膜面并与被截留物质分离，同时又产生一个与膜表面平行的切向力，以将截留在膜表面的物质冲开。所以，超滤运行的周期较长。在运行方面，还可短时间地停止透水而增加切面流速，即可达到冲洗膜面的效果，使透水率得到恢复。这样的运行方式，使超滤(膜)法这种新型的处理工艺在水处理得以运用和发展。家用超滤净水器的核心部件是超滤膜。超滤膜由成束的超滤膜丝经过浇铸工艺制成，滤芯由食品级ABS外壳、外壳两端的环氧封头和成束的超滤膜丝三部分组成。环氧封头填充了膜丝与膜丝之间的空隙，形成原液与透过液之间的隔离，原液首先进入超滤膜孔内，经超滤膜过滤后成为透过液，防止原液不经过滤直接进入到透过液中。超滤膜开始工作时，由于溶质分子均匀地分布在溶液中，超滤的速度比较快。但是，随着小分子的不断排出，大分子被截留堆积在膜表面，浓度越来越高，自下而上形成浓度梯度，使得超滤速度逐渐减慢，形成浓差极化。为了克服浓差极化，增加流速，超滤净水器选择用中空纤维膜组件。因为中空纤维膜组件的单位体积膜面积最大，不需外加支撑材料，设备结构紧凑，设备费用低，浓差极化可忽略等优点，成为家用超滤净水器的最佳选择。但其容易堵塞，不易清洗，原料液的预处理要求高，换膜费用高等特点依然存在，加上自来水或者管网的污染或水质不达标，势必要求添置高效能预处理装置，以改善被处理水的水质，提高超滤膜效率，延长其使用寿命，防止水中的污染物对膜造成污染或在膜面上产生污染，确保膜组件的设计产水量和污物去除率，减少对膜的化学清洗，从而节省运行费用。针对我国自来水、管网以及超滤膜的特点，家用超滤净水器选择了聚丙烯熔喷滤芯和活性炭滤芯作为预处理系统，规格为5m，聚丙烯熔喷滤芯能有效去除水中大于5m的杂质，如悬浮物、泥沙、红虫、铁锈等固体杂质；活性炭滤芯可高效吸附水中余氯、异色、异味、重金属离子及卤代烃有机物等对人体有害的物