德国滢格有限公司超滤膜组件

纵观国际国内膜法海水淡化项目，运行好坏的关键主要取决于超滤膜。目前全球范围内的超滤膜组件有上百种，它们的型式各异，材料繁多，性能特点差异很大。其中膜通量的选择直接影响了超滤膜的运行和使用寿命，也直接关系到制水成本和运行经济性。本文主要研究超滤膜通量与温度、膜孔径的关系，为设计选取合适的通量提供指导建议。

膜法海水淡化主要工艺：海水取水-预处理-超滤-反渗透-后处理。预处理情况根据海水水质有多种选择，包括传统的混凝沉淀、气浮等，超滤现在已经作为膜法海水淡化的标准配置。反渗透膜的设计选型已经非常成熟，放在反渗透前面的超滤却千差万别，超滤使用的好坏直接决定了系统运行的稳定性、可靠性和经济性。超滤使用的关键是超滤运行通量的选择。

膜通量选择不当带来的问题

如果超滤膜设计的膜通量偏高，将造成膜压差快速上升、污堵速率加快和清洗频繁。

超滤通量衰减很快，达不到制水量要求

衰减到原设计的40%~60%，产水不足设计的一半甚至更低；

影响全厂供水和满负荷安全生产；

需要增加设备、增加投资。

超滤压差上升很快，超滤清洗频繁

清洗不彻底，可恢复性差 ；

增加清洗化学品费用、人工成本和管理成本；

影响连续生产；

能耗增加。

频繁清洗，也是造成膜断丝的另一主要原因。如果超滤断丝较多，必然会污染下游反渗透，造成反渗透清洗频繁，缩短更换周期，增加运行维护成本。

图1  TMP与膜使用寿命的关系

研究表明，膜分离过程存在临界操作压力。在临界压力以下进行膜分离操作，可长时间维持较高的透过通量，降低对清洗操作的依赖程度，提高膜分离效率。但是如果膜通量设计偏高，透膜压差上升很快，并会使膜压差达到临界压力的周期越短，膜的使用寿命越短。因此，不论选择何种形式超滤膜，设计合适的膜通量，保证超滤系统长期稳定的运行至关重要。

超滤膜通量的选用需考虑的因素

一般情况下，膜供应商给定的膜通量均是一定范围内的经验值。膜通量的选择设定，主要受以下几个因素影响：

进水水质

一般进水水质越好，单位膜面积的水通量越大；进水浊度越高，其膜通量越小。进水水质取决于原海水水质、取水口位置、取水方式和预处理方式等。有时候考虑投资等原因，取水口位置距海岸太近，再加上预处理工艺简单，造成进入超滤的水质波动较大。

超滤膜性能

超滤膜的通量从根本上讲是由膜元件本身的性能决定的，特别是孔径和成孔率这两个因素。对于同样形式和材料的超滤膜，膜孔径（截留分子量）越大，膜通量也越大；另一方面，单位膜面积内成孔率越高，其膜通量也越大，但是成孔率越高，膜表面的缺陷也越多，膜的强度越弱，容易发生断丝。因此需要找到一个平衡，既能满足合适的通量（成孔率），又要有合适的强度。

图2  开孔率和膜强度、通量的关系

水温

水温主要是影响水的粘度，提高水温可以降低水的粘度，提高水的迁移速度，从而提高膜通量。而超滤及反渗透膜最佳运行水温为15~25℃。但是对于北方地区的大型海水淡化项目，冬季水温偏低，最低可到0℃，这时就需要考虑投资和操作的问题：加热水温存在一定困难，超滤膜通量的选择需要考虑低温因素，即要能满足冬季水温很低的情况下的产水量。

水温对通量的影响

特性通量随着水温的变化而变化，计算如下：

P20℃ = 20℃ 温度下的标准化特性通量 (l/m2hbar)

TK,20℃ = 温度校正系数

特性通量随着水温度的变化而变化。假定通过过滤孔的为“哈根-泊肃叶”（Hagen-Poiseuille）方程流时，温度校正系数为：

TK, 20℃ = 用于进行20℃特性通量标准化的温度校正系数

△ = 动态黏度(Pa×s)

n=（17.91-0.60×T+0.013×T2-0.00013×T3）×10-4

(资料来源：Weast, R.C. et al. “Handbook Chemistry and Physics”, CRC Press, Boca Raton (USA), 1990)

在现实情况中，由于温度变化同时使滤膜结构发生变化，实际情况可能和上述公式略有差异。因此，dizzer?组件根据实验数据引入了温度校正系数，公式如下：

(T代表温度 ℃)

温度校正系数见图3

理论和实测表明，冬季水温（2℃）与夏季水温（25℃），通量可相差30%~40%。对于处理水量为10万t/d的系统，冬季和夏季产水量的差别非常大。多数超滤膜的水通量与水温变化关系为2.5%~3.3%/℃，因此温度降低30℃，将使水通量减半，产水量也相应减半。

图3  温度校正系数

因此膜通量随温度变化系数越小，通量稳定性越强。在超滤设计选型时需要重点考虑。多孔膜通量与温度变化一般在1.6%/℃，是目前受温度影响最小的超滤膜。

膜孔径和通量的关系

膜本身的材料和制膜工艺决定了膜的孔径分布和微孔结构，这也基本决定了膜的临界截留点。在确定选择膜通量时，一定要注意避开膜的临界截留点，才能保证膜系统长期稳定的运行。所谓临界截留点是指膜表面微孔的绝对（较小的截留范围）截留值，也就是说微孔的几何尺度（孔径分布和微孔结构）。对于超滤这种表面过滤来讲，较大的溶质可被截留在膜表面形成滤饼，通过正向冲洗和反洗比较容易清除，同时小分子的溶质可以透过膜表面微孔，进入透过液；然而，与膜表面微孔尺度近似（临界截留尺度）的溶质则会进入微孔，一部分在压力作用下可以透过，另一部分滞留在微孔内造成堵塞，直接造成膜压差上升，需要通过反洗和化学增强反洗来部分清除，清洗的难度相对比较大，这也是在选择和设计超滤时需要重点关注的问题。当然，膜孔径越大，进入膜孔支撑层的溶质越多，对膜的支撑层堵塞越严重。

研究表明，进水水质中的TSS和DOC对超滤的影响最大。如果TSS和DOC值偏高，进入超滤的溶质相应就多，对膜污染加剧。针对特定水质，TSS和DOC含量一定，如果膜过滤通量越大，进入膜支撑层的溶质也越多，对膜的污染也越大。

图4  不同孔径的膜截留不同大小和不同量的溶质

针对特定水质，经过一定的预处理（一般有300um的自清洗过滤器），在一定时间内进入超滤的水中溶质含量一定Tss(mg/l),超滤膜通量：Flux (l/m2/h)

孔径大，进入支撑层的溶质也越多，清洗也困难；孔径小，相应的进入支撑层的溶质也少，清洗也容易。

单位时间内进入单位膜面积支撑层的溶质量：A=Tss×Flux×a% (mg/m2/h)

单位时间内的反洗效率：η=80%

单位时间内单位膜面积支撑层中的溶质残余量：Y=A×(1-η)= Tss×Flux×a%×(1-η) (mg/m2/h)

如果保持膜正常运行，假定进入膜支撑层的溶质残余量稳定，这也是膜过滤长期稳定运行的关键。A 值取决于膜孔径,一般来说外压微滤膜平均孔径在100nm左右，内压超滤膜平均孔径在20nm左右。

进入超滤的水中溶质中粒径分布 <100nm a1% ,<20nm a2%>

假设外压微滤膜和内压超滤膜具有同等的清洗效果，同等运行条件，则：

Y1（微滤）=Y2（超滤）

Tss×Flux1（微滤）×a1%×(1-η1)= Tss×Flux2（超滤）×a2%×(1-η2)

假设反洗效率一样，即η1=η2，则上式变为：

Flux1（微滤）×a1% = Flux2（超滤）×a2%

Flux1（微滤）/Flux2（超滤）=a2/a1

即通量和粒径分布成反比。也就是说，膜孔径越大，通量应该越低。

一般来讲，水中溶质的粒径分布大概为：<100nm 的溶质含量a1%大概有80%, <20nm 的溶质含量a2%大概有55%, 则：Flux1/Flux2=a2/a1=55%/80%=0.69=69%。

对于膜孔径在100nm的外压膜，和膜孔径在20nm的内压膜，在处理同一种水质时，如果选择外压膜，则其通量应该是内压膜通量的70%。如：内压膜通量选择65L/h，则外压膜通量应该选择65×70%=45L/h。

结论

选择合适的通量是保证超滤系统长期稳定运行的关键；

水温对膜通量的影响在30%~40%，在膜通量设计选型时需要考虑冬季低温情况；

在同等水质和预处理工艺情况下，建议外压膜的通量选择不宜过高，一般是内压膜通量的70%。

【参考文献】

1) Weast, R.C. et al. “Handbook Chemistry and Physics”, CRC Press, Boca Raton (USA), 1990
2) 武新斌等“inge多孔超滤膜在市政污水回用项目中的应用”，《中国环保产业》，2008年05期
3) 张龙军等“黄河不同粒径悬浮物中POC含量及输运特征研究”，《环境科学》，2009年2月，第二期
4) 董秉直等“有机物的特性对超滤膜通量的影响”，《同济大学学报(自然科学版)》，2007年03期
5) 张国俊等“膜过程中超滤膜污染机制的研究及其防治技术进展”，《膜科学与技术》，2001.21(4)
6) 李彦生“滤芯截除微粒临界直径计算探讨”，《净水技术》1995年02期
7) 丁恒于“水处理中超滤膜不能去除水中溶解态有机物”上海电力学院学报，2010年6月