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膜过滤应用手册
实践技巧和提醒

6月

介 绍
这是膜过滤应用手册第二版。为了提升这本手册应用价值，新增了预处理、自动控制和泵描述。
这本手册是在膜过滤领域很多年实践产物，它也是一个信息综合。目标是提供部分常见问题信息，为初步介入膜过滤领域新人提供部分帮助，回复部分问题。这本手册对已从事膜设备设计及建设工程师 和在已建工厂工作工程师全部能提供很多有用信息。同时对膜系统设计和操作学习也有较大帮助。
本手册提供信息相对于理论计算和思索，更多是实践经验。所以，它并不是技术学院里一本传统教科书。即使书中没有太多数学计算，但它对于工业和学术应用全部是很有用，因为它含有膜过滤领域很多“老练”经验，即使对于业内行家而言，它也并不是一本出版物而已。
这本手册并不适适用于那些纯粹初学者，因为书中对膜和膜技术描述比较具体，而简略了部分基础膜和化学知识。
本手册中大多数实例是基于平板膜（DDS板框系统）和卷式膜组件(DESAL)。卷式膜组件占了世界大多数销售市场份额，而纤维膜系统、陶瓷膜系统和管式膜系统分享市场份额则相当小。因为她们在领域地位，在以前纤维膜系统、陶瓷膜系统和管式膜系统想成为市场主导机会极小。所以在本书相关她们信息比较少。
在当今时代，膜正在被努力推广，但还未被消费者熟知，因为膜通常全部隐藏在整个工业系统中。有些行业依靠膜生产部分基础产品，有些则利用膜处理部分复杂分离过程，另部分则用膜达成部分环境保护标准。膜就象计算机一样：极少人了解它们，而只有部分人喜爱它们，不过我们全部需要它们。即使我们不喜爱它们，但我们知道它们能够使生活更简便和舒适。
开发高效、完好、经济膜来处理多种液体包含废水工作已进行35年。不过对于怎样让大家普遍了解建设和操作一个膜工厂工作还有很长路要走。期望本书能帮助避免很多以往很轻易犯错误。
同时我要真心感谢Bjame Nicolaisen提供很多宝贵技术上和语言上意见和提议，同时感谢我妻子作为我同事参与了很多技术问题讨论。同时也感谢以不一样方法参与本书其它好友！

Jorgen Wagner

专业名词解释及约定
表1、专业名词解释及约定
ATD
反套装置，能够预防卷式膜因为液体流动张力而压缩。
CA
醋酸纤维素，通常有二价或三价醋酸。
CIP
清洗装置。在不拆除情况下清洗系统。
Concentrate(浓水)
流经系统但不经过膜液体体积。可解释为进水不透过部分，也可称为盐水、废弃物或在渗析过程中未经过半透膜而保留下来滞留物。
Feed(进水)
进入膜系统液体体积。
Flow(流量)
通常指流经膜表面液体体积。
Lph
升/小时
Gpm
加仑/分钟
Gpd
加仑/天
Flux,water(水通量)
在特定条件水通量。在反渗透系统中水通量有特定意义，而在其它膜系统中，它只用来指示膜是洁净，运行良好。
Flux(通量)
每单位面积、时间渗透体积。
Lmh
升/（平方米.小时）：lmh=gfd*1,7 (基于US加仑)
gfd
加仑/（平方英尺.天）：gfd=lmh/1.7 (基于US加仑)
Gallon(加仑)
1美国加仑=3.785升

1英国加仑=4.546升
HF
超出滤;反渗透(RO)另一名称.
HMWC
大分子组分,如蛋白分子.
Housing(膜壳)
安装卷式膜组件或其它类型膜膜元膜过滤设备，也指压力容器
IC
内部接头，用于连接两个卷式膜组件。
Langelier index(见SDSI.)
假如指标是正值，则可能指CaCO3百分比。
假如指标是负值，则不可能指CaCO3百分比。
MWCO（切割值）
分子量切割被称为道尔顿值，意味着超出MWCO90%分子量将被截留。对于反渗透，MWCO有一个清楚定义，但伴随其值越高，它含义和值越含糊。它和测试膜类型相关，对微滤则没有意义。
PAN
聚丙烯腈
Permeate(透过液)
透过膜液体体积（也可称滤液）
ppm
每百万分子一。严格讲，为每1000毫克溶液毫克溶质。
和mg/l相当。
Pressure,average(平均压力)
平均压力，（P进水+P浓水）/2
Pressure,average(平均压力) NDP
平均净驱动压力是驱动液体经过膜可用压力。
（P进水+P浓水）/2—P透过液—（H浓水—H透过液）
Pressure drop(压降)
膜系统、膜壳（压力容器）或膜组件进出口压力损失
进水压力
进水泵压力(标准说法)或在循环系统中进口至膜室压力
渗透压
实际上是理论值。渗透压是盐含量和其它小分子量溶质函数。理论上大分子量组分不产生渗透压，但实际现象却象渗透压。电解液和小分子组分渗透压能够比较正确地计算，但大分子量组分“渗透压”只能依据经验来定。渗透压通常写成PI或П，П=I*n*R*T
压力单位
PSI(磅/平方英寸)：14.5PSI=1bar
Bar: 1bar=0.1mPa=100kPa
PS(PSO)
聚砜(聚醚砜或聚芳香醚砜)
PVDF
聚偏二氟乙烯
Rentate(滞留物)
浓液另一个名称
SDSI索引
Stiff和David饱和度索引。同Langelier索引，但用于高盐度水。见Langelier索引
TFC,TFM
复合薄膜缩写
THM
三卤甲烷。未说明其化学特征部分化学组分，同卤素反应如氯生成有机基质，如腐殖酸。它们被认为是致癌物质。
TMP
传导膜压。见平均压力
TS
TDS
总固体；溶解性和悬浮固体总和。
总溶解性固体。
以上值可表示为：mg/l，ppm或%

四种膜过程
反渗透（RO）是液体/液体分离过程中最可能使用膜分离过程。标准上水是唯一经过膜物质；尤其是全部溶解和悬浮物质被截留。有时部分开放类型RO膜和纳滤（NF）膜会产生混淆。
真正纳滤只截留超出一价负电荷离子，如硫酸盐、磷酸盐,而能经过单价负离子。依据分子大小和形状，纳滤也能截留不带电荷、 溶解性物质和正电荷离子。 纳滤对氯化纳0～50％ 截留率关键决定于进水浓度。而“ 宽 松 反 渗 透”是一个降低了盐截 留率反渗透膜。因为盐截留率降低能够降低压力和能耗，所以在有些项目上也是能够被接收。
超滤(UF)是大分子量组分(HMWC)，如蛋白质、悬浮固体被截留，而全部小分子量组分自由经过膜过程。所以，单价和二价糖类、盐、氨基酸、有机物、无机酸或氢氧化纳全部不能经过。
微滤(MF)过程理论上只有悬浮固体被截留，而其它甚至蛋白质全部能够自由经过膜。不过实际情况和理想状态有一定差距。
下表是对以上内容总结。
表二 四种膜过程比较

反渗透RO
纳滤NF
超滤UF
微滤MF
膜类型
非对称膜
非对称膜
非对称膜
对称膜
非对称膜
厚度
薄膜厚度
150μm
1μm
150μm
1μm
150~250μm
1μm
10~150μm

孔径
<0,002μm
<0,002μm
0,2~0,02μm
4~0,02μm
截流组分
HMWC，LMWC
氯化纳
葡萄糖
氨基酸
HMWC
单糖、多糖
和多聚糖、
多价负离子
小分子组分，
蛋白质，
多糖，病毒
颗粒，
粘土，
细菌
膜材质
醋酸纤维素(CA),
薄膜
醋酸纤维素(CA),
薄膜
陶瓷，
聚砜(PSO),
聚偏二氟乙烯(PVDF),
醋酸纤维素(CA),
薄膜
陶瓷，
聚丙烯(PP),
聚偏二氟乙烯(PVDF)

膜组件类型
管式，
卷式,
板框式
管式，
卷式,
板框式
管式，
中空纤维，
卷式,
板框式
管式，
中空纤维

操作压力bar
15~150
5~35
1~10
<2

产品和膜过程
很多产品使用膜来处理，但已销售80％以上膜用于水脱盐处理。剩下部分205%被用于乳制品处理，其它被用于多种液体处理。其中一些液体属于废弃产品，而一些则是很珍贵只要产物。表3列出了部分经典应用，阴影部分代表关键产物。注意：透过液和浓水全部能够是需要产物，而能够同时成为产物。
表3 一些产物膜过程类型

透过液
浓水
RO
染色工艺排水
洁净水
BOD，盐，化学品，废弃产品
纯水
低盐水
含盐水
乳清
低BOD透过液
乳清浓水
NF
抗生素
含盐废弃物
脱盐浓缩抗生素
染色工艺排水
澄清含盐水
BOD/COD，色素
纯水
软化水
废弃物
乳清
含盐废水
脱盐乳清浓缩液
UF
抗生素
澄清发酵肉汤
废弃物
生物废气
用于交换澄清液
可循环微生物
胶
废弃物
浓缩胶
酶
废弃物
高价值产品
牛奶
乳糖溶液
用于奶酪产品蛋白质浓缩液
乳化油
含油水(游离油<10ppm)
高度浓缩乳化油
洗涤废水
清水
脏水(废弃物)
纯水
清水
废弃物
乳清
乳糖溶液
乳清蛋白浓缩液
黄原胶
废弃物
浓缩黄原胶

膜材料、结构和使用限制

膜材料
在商务上由不一样供货商提供膜选择方案看起来令人迷惑，因为很多材料全部能够用来做膜，而它们又有很多商务名称，实际上，真正使用材质极少，而且大多数销售和使用膜只是部分很基础类型。
² 整膜
醋酸纤维素(CA)是“最初”膜，被用作RO、NF和UF应用。这种材料有部分缺点，尤其是针对于pH和温度。CA其关键优点是低价，和因为它亲水性使其不易阻塞污染。现在还有部分“顽固”用户坚持购置“一样膜直到最终”，她们坚持使用CA膜是因为它们还能够工作，但实际上CA膜弱点是它们易被微生物吞噬。
聚砜(PSO)自从1975年以来已被广泛应用于UF和MF膜。PSO关键优点是它良好耐温和耐pH能力。实际上在食品和乳制品行业中，聚砜是唯一被大量使用膜材料。标准上，聚砜(PSO)膜不能抗油、油脂、脂肪和两极溶剂。然而，也有一个亲水类型聚砜膜能违反此标准，在乳化油行业应用良好。
聚偏二氟乙烯(PVDF)是一个传统膜材料，不过它并未被广泛使用，因为它极难使膜含有良好且稳定分离特征。它关键优点是其高度抗碳氢化合物和氧化环境能力。
² 复合膜
也称薄膜复合膜，它通常被缩写为TFC和TFM，被用来替换醋酸纤维RO膜。其关键优点是同时含有较高通量和很高盐截留率，用复合RO膜氯化钠截留率通常可达99.5%。它们也有好抗温度和pH能力，但不能耐氧化环境。
复合膜有二层和三层设计，但全部全部有正确组分。通常来讲，一个薄膜复合膜由一个PSO(聚砜)膜作为其很薄表面层支撑，在PSO超滤膜表面层是一个聚合物。而三层设计则在PSO支撑膜上部有二层薄膜。
大约在1980年，Film Tec主导了二层膜设计市场，并很快成为水脱盐处理行业标准，直到现在这种类型膜全部占领了水脱盐处理市场。
多年以来膜已经有了很大发展，但基础设计没有改变，现在已经有好几家企业制造这种类型膜。
二十世纪八十年代中期，Desal开始进行三层复合膜设计。在水脱盐处理方面这种膜极难和二层竞争，但在工业分离领域被证实能够工作得愈加好。三层膜更稳定，更不易阻塞污染。它们通常见于RO和NF，对于处理很多较难分离过程，也是最好选择。Desal是唯一生产三层复合膜制造商。
以下是依据膜表面积来划分全世界膜消耗量。
复合RO膜 85％
复合NF膜 3～5％
聚砜UF和MF膜 5～7％
其它膜 3～5％
“其它膜”包含聚丙烯(PAN)、陶瓷材料( SiO2)和纤维素(水解醋酸纤维素)等。
膜材料选择
对于一个给定分离过程选择适宜膜和膜材料是比较困难，为了作出适宜选择必需先提供部分相关分离过程环境概要信息。第一步现确定可取过程(RO、NF、UF或MF)和适用膜材料。能够选择对于过程环境最适合膜材料。表2(四种膜过程比较)，表3(产品和过程)和表4(部分膜材料抗化学品性能)可能对膜选择有些帮助。
表4 部分膜材料抗化学性能

复合膜
CA
PSO
PVDF
PAN
SiO2
纤维素
3<Ph<8
√
√
√
√
√
√
√
Ph<3或Ph>8
√

√
√
√
√
√
温度>35℃
√
╳
√
√
√
√
√
腐殖酸
(√)
√
╳
╳
(√)
╳
√
蛋白质
√
(√)
√
(√)
(√)
√
√
多糖
(√)

√

(√)
√
╳
纺织品
√

√
(√)
√
╳
╳
脂肪族烃
╳
╳
╳
(√)
√
√
√
芳香烃
╳
╳
╳
√

√
(√)
氧化剂
╳
(√)
√
√
(√)
√
(√)
酮，酯
╳
╳

√

√
(√)
酒精
√
╳
√
√
√
√
√

√ 表示基于理论信息或在实践应用中有不确定性。
除了已经应用案例外，膜材料选择是比较困难，因为能够考虑往往不止一个材料。按通常标准，对于一个分离过程只有经过良好计划和成功试验才能为膜选择提供最好方案。
PH和温度耐受力
在“膜材料”部分已讨论了不一样材料pH耐受力。当确定一个膜过程时候，仅仅考虑膜材料是不够。膜有好多个构型(板框式、管式、卷式等)。同一个膜系统包含很多其它组件，它们全部有严格pH限制。很多膜供货商要求pH限制实际上是存在于整个膜系统中限制，而不只是膜本身，在整个系统中耐受力最差材料决定了整个系统pH限定范围。
现在关键膜类型是卷式膜组件，即使以下说法对全部膜类型全部适用，但我们还是以卷式膜为例。
通常膜表面衬背材料是一个限制原因。现在使用最广泛衬背材料是聚酯(PE)。它含有很良好温度稳定性，但受限于高pH环境。所以，很多膜说明书中列出了最高pH 11.5限制。然而，很多膜能够以聚丙烯(PP)作为衬背，它含有很良好pH稳定性，但温度受限制，会给膜产品带来麻烦。所以我们见解是当选定了适宜膜材料和膜构型后，必需确定这种组合对于耐受过程工作环境是可行。
因为卷式膜组件含有很多其它不一样高分子材料，所以除了PE衬背材料外，还可能有部分其它限制原因。通常中心管和反套装置/内部接头由PVC或ABS制成，这些材料全部没有良好温度耐受力。聚砜(PSO)是一个价格贵得多材料，不过能够提供良好pH和温度耐受力，所以它通常在工业过程中被选作中心管和反套装置/内部接头。
一个要求pH限制通常有一个灵活改变范围，在其它条件正常情况下短时间超出范围不会有太大影响。通常低pH比高pH要好些。温度和pH同时超出范围通常全部会引发较大问题。
复合膜和氧化环境
现在世界上还在寻求能耐受20ppm次氯酸钠用于RO和NF好复合膜。部分现有复合RO膜有氯耐受力，但它们仍不能满足现在通常行业需要。 ？ 。相反，多数薄膜复合膜(TFM)能很好地耐受过氧化氢，最少在限制浓度、低温和较短连续时间条件下。
膜结构
从表面看，全部RO、NF和UF膜全部是非对称型。这将多数膜和通常过滤器区分开来，如咖啡过滤器，它们是对称型，换句话说，在过滤器两侧是对称。
面向被处理产品一侧膜有一个不透水致密表层，这也称为皮肤层。它很薄，通常<<0.1μm。而膜本身在150～250μm，大多数膜为皮肤层提供结构支撑。非对称结构意味着膜孔径远大于致密表层孔径，这么能够避免膜孔被堵塞。所以膜含有很好抗污染能力，污染物要么被完全截留要么全部经过。
以下是在较宽范围内列出膜孔径。
表5 通常膜孔径，μm
MF
5~0.1
UF
0.1~0.01
NF，RO
0.001理论上

迄今为止，还无法用显微镜从RO膜和NF膜中观察到小孔，但水还是透过了膜而盐被截留了。这意味着自从制造出第一张膜后35年来研究膜科学家并不真正了解膜是怎样或为何有这些功效，或最少她们并不了解其中细节。而第一张膜是有些人亲眼看到脱盐水经过膜而产生。假如她只是经过显微镜来观察膜，则她可能会拒绝接收这个事实，因为显微镜中根本无法看到小孔，所以也不可能透过水。
尽管我们还无法了解以上现象，但我们能够预言RO膜应用将得到推广。而NF膜则更困难些。但假如现在有三种溶剂在一个溶液中，我们只能选作NF膜进行分离，当然必需先对进水进行正确而完整分析。

表6 膜制造商 1996年以来关键制造商不完全统计

所属
企业规模
管式膜
卷式膜
纤维系统
陶瓷膜

RO
NF
UF
MF
分离
水
ATM

小

√

美国

√

√

DESAL
Osmonics
中等

√

美国
√
√
√

√
√
DSS

小

√

丹麦
√
√
√

√
√
Film Tec
Dow Chemicals
大

√

美国
√
√

(√)
√
Fluid Systems
Koch
中等

√

美国
√
√
√

(√)
√
Hoechst

小

√

德国
√

√

√

Hydranautics
Toray
中等

√

美国
√

√
Kiryat Weizman
Koch
小
√
√

以色列
√
√
√

√
√
Koch/Abcor

中等
√
√
√

美国
√

√
√
√

Membratek

小
√

SA

√
√
√

Osmonics

中等

√

美国
√
√
√
√
√
√
PCI
Thames Water
小
√

UK
√
√
√

√

SCT

小

√
法国

√
√

Stork Friesland

小
√

荷兰
√

√

Tami

小

√
法国

√
√

Toray

中等

√

日本
√
√

√
Trisep

中等

√

美国
√
√
√

√

XFLOW

小

荷兰

√
√
√
√

膜组件/组件设计
就象前面所提到那样，现在市场上有很多个膜构型。
卷式构型占膜市场主导。卷式膜设计原本专用于水脱盐处理，但其紧凑设计、低廉价格已吸引了其它行业。经过了很多试验和失败后，重新设计组件已经能够用于很多工业行业，如乳制品行业、纸浆和造纸行业、高纯水和部分高温和极端pH场所。不过，大多数膜企业只为极端项目提供一个卷式膜。
管式膜已存在较长一段时间了。它设计简练而易于了解。很多大学院校喜爱用管式膜，所以它易于计算雷诺数并将其传输系数理论化。管式膜有一个较大优点，它们能较大范围地耐悬浮固体和很多令人讨厌纤维。
但全部管式膜有以下多个缺点：
n 占地面积大；
n 膜更换困难且耗时多；
n 大口径(1英寸)管式系统能耗大；
n 内部体积大，周期性使用化学品和水冲洗和反冲洗花费昂贵；
n 制造商改变管式设计投资大且困难。
有时管式系统优点超出缺点，管式膜在市场上有一定地位，即使比较小。
板框式（板式）系统早先由DDS主导，并在欧洲占据乳制品市场了。在1989年∽1995年期间缺乏研发和居高不下价格结构或多或少地扼杀了其设计进步。
现在在欧洲有部分新适用板框式系统。最有名由ROCHEM设计。板式系统即使价格较贵，但能提供周密而完善设计。现代板式系统能够耐很高压力，超出100bar。所以在处理垃圾填埋沥出液和船上海水脱盐处理中需要极端压力情况下有一定应用市场。
纤维构型（有一个例外）类似于管式系统。只是纤维内径很小，通常<2mm。同大口径管式膜最大不一样点在于纤维系统通常无需支撑，它们上市轻易但价格相当昂贵。纤维系统抗机械力差。所以它们通常仅在一定范围内使用，如纯牛奶超滤和乳化油等。
陶瓷膜构型也很昂贵。理论上说，陶瓷系统对微滤（MF）很有效。实际上，其市场很小。
中空纤维构型早先由杜邦企业用于海水脱盐。因为需要很严格预过滤，它们几乎不用于销售。
卷式膜组件分类和参数
市场上有很多个卷式膜组件。下表列出一部分。更多信息见P16。
表7 卷式膜组件分类和参数
尺寸
组件外径；组件长度；中心管内径
外包装
纤维玻璃；带子；部分卫生级设计
组件末端
雄接头；雌接头
中心管
使用多个类型聚合材料，聚砜成为工业应用标准。
产品流道
30mil相当于 0，75mm
47mil相当于 1，20mm
90mil相当于 2，30mm
甚至还有更宽流道。(1mil-1/1000英寸)
流道类型
菱形(标准)；市场上有些自由通道设计
膜支撑
聚酯；聚丙烯
密封
U形密封；唇形密封；无密封
ATD防压缩装置
星形；盘孔形(hole-plate type)?
胶水
较多类型

管式膜分类和参数
表8管式膜分类和参数
尺寸
管内径，通常1~0.5英寸；
管长，通常3.3~5米；
每个模块管数量。
膜壳材料
不锈钢；PVC；无支撑
端盖
在一个包内平行并列连接管子；
串联连接管子。

板框系统分类和参数
“板框式”这个名称包含了很多不一样构型膜组件，全部全部使用平板式膜。其它系统则包含卷式组件、管式膜或纤维系统。对于板框式系统，除了它们全部是平板膜外，在组件中板和模排列有较大区分。表9列出了关键板框式产品。
表9 板框式产品和组件列表（不完全）
DDS M30
用作RO和NF带有圆形膜垂直组件，这种构型已陈旧。
DDS M35-M39
编号35~39含有椭圆形膜一组平行组件。用作UF和MF，多数用于乳制品行业。尤其适适用于高粘滞性产品。膜装于聚砜支撑盘上。
Millipore
正方形盘式系统，多数用于试验室或小形制药产品。
Rochem
为圆盘—管式8inch圆形膜，用于RO、NF和UF，使用和卷式膜类似膜壳。这种类型组件工作压力能够超出200bar。
Rhone Poulenc
同位素正方形组件，类似于一个盘式热交换器，只用于UF系统。这种系统使用很多大垫圈。几乎因陈旧而废除。
Valmet Flootek
CR过滤器是一个独特系统，能够在很脏水中操作，还能达成高通量。不过其投资很高。

纤维系统分类和参数
表10 纤维系统分类和参数
尺 寸
纤维内径
纤维长度
每个模块纤维数量
壳材料
不锈钢
PVC
聚砜

不一样膜组件之间比较见表11。
膜组件和组件比较
下表是不一样类型膜组件和组件性能定性比较。
表11 多个膜组件比较

卷式膜
管式膜
板框式
中空促纤维系统
中空精细纤维系统
陶瓷
高价
低价
膜密度(m2/m3)
高
低

平均
平均
很高
低
设备投资
低
高
低
高
很高
中等
很高
污染趋势
平均
低
平均
低
很高
中等
清洗难易
易
易
易
低
不能
易
可变成本
低
高
低
平均
平均
低
高
膜更换，见“注意1)”
不能
能够
不能
能够
不能
不能
能够
流量要求
中等
大
中等
中等
大
小
很大
预处理(也可见表26)
≤50μm
不含纤维
滤网
≤100μm
极少纤维
≤100μm
极少纤维
≤5μm
严格预处理
滤网
注意：1)膜系统只能按一个方法设计，膜更换意味着整个硬件更换。但管式和板式膜换膜时能够仅换膜，其它系统不变。
² 卷式膜组件
膜壳设计 在市场上有很多不一样膜壳设计，能够依据材料(不锈钢和高分子)或功效(侧面端口进出或经过端盖进出)进行分类。
高分子膜壳通常全部由加固聚酯玻璃钢制成。这种设计已经有30多年并工作良好。但也并不是毫无问题。它们在地面水和海水脱盐处理中利用良好，但对其它产品却有些问题。多数高分子膜壳使用一个拉紧环来稳固端盖。
不锈钢膜壳早先专用于乳制品行业。现在它们应用已越发广泛了。结构上以侧端口作为标准。部分不锈钢膜壳结构和玻璃钢膜壳相同，这么会造成其端盖难以移开。不锈钢膜壳内部需电镀磨光。不然几乎不可能将组件推进推出。
玻璃钢膜壳只有三种标准直径：2.5英寸、4英寸和8英寸。不锈钢膜壳则有一个很宽泛标准范围，且无标准直径。
不幸地是在欧洲，使用大多数不锈钢膜壳利用全部是美国英寸度量标准，且标准乳制品尺寸较常见，但2.5英寸、4英寸和8英寸直径膜壳却较难找到。
表12是以上内容总结。
表12 玻璃钢和不锈钢膜壳比较

玻璃纤维
不锈钢
压力
200bar
极少超出80bar
温度
<50℃
<100℃
侧端进入
困难/极少
简单/标准
端盖进入
标准
非标/难用
卫生级
非
是(可能)
价格
100％
150～200％
2.5″，4.0″， 8.0″
纯水标准
极少
3.8″，5.8″， 6.3″
不适用
乳制品标准
6.0″
军用标准
不使用
4.3″， 8.3″
不适用
KOCH乳制品标准

图1
侧端进出口不锈钢膜壳有两种：4口型，使用这种膜壳能够作为无外部产品副件模块，且另一个类型则使用内部副件排列。？(见图1)使用者能够自己确定使用哪种类型，但实际上大多数系统全部建成外部副件型。
侧端进入型关键优点是在卫生级系统中许可高流量。但在水脱盐中极少使用。
卷式膜组件尺寸在当今是很关键。外径、组件长度和中心管内径全部没有标准化。所以更换组件使供货商变得很困难，也给模块制造商带来很多麻烦。
每个膜壳内组件数量－压降
为了确定每个膜壳内组件数量，必需考虑以下几点：
n 首先确定使用是RO/NF还是UF/MF；
n 然后审查整个处理过程；
n 第三，确定每个膜组件能耐受压降值。
以下两点应更值得注意：
n 传导膜压(TMP)(膜壳进口和出口之间压力改变)；
n 经过每个膜壳压降。
传导膜压代表了一个膜壳进口和出口之间压力改变值。压力降低是负荷经过膜组件结果。具体例子见表13。
我们很轻易了解是，假如进水压力是10bar，则进出口之间压力改变很小，并可忽略不计。但假如进水压力只有1～5bar，那就完全不一样了。所以，在一个膜壳中全部组件最好有相同传导压力。而在低压操作中，组件最大数量将降低。下表将作出对应说明
表13 卷式膜组件压降举例
比如：一个膜壳中有4个组件，每个组件压降是0.7bar，相当于每个膜壳压降为2.8bar。
进口压力，bar
出口压力，bar
平均传导压力，bar
4，0
1，2
2，6
16，0
13，2
14，6

表14 每个40″组件压降(bar)
组件类型
Mil
尺寸
最大运行压力，bar
通常压力，bar
最终用户使用压力，bar
标准纯水
30
2.5″
4.0″
8.0″
0.7
0.3
0.1～0.7
乳制品
30
3.8″
4.2″
5.8″
6.3″
1.0
1.0
1.0
1.0

1.0
1.0
0.7
0.7

0.7～1.2
0.7～1.2
0.5～1.2
0.5～1.2

特殊场所
47
90
90
4″
4″
6″
1,2
1,2
1,0
1,0
1,2
1,0
0,5～1,0
0,5～2,0
0,5～1,2
表15 每个膜壳内组件数量

RO
NF
UF
MF
纯水： 通常
范围
6
1～8
6
1～6
3
1～4
2
1～2
液体分离： 通常
范围
4
1～4
4
1～4
3
1～3
2
1～2

膜和系统不足
温度
膜通常介绍
以醋酸纤维作材料膜有其本身温度限制，其上限操作温度大约在35℃。
PSO、PVDF和PAN材料能耐较高温度。PSO和PVDF膜据称可在95℃下操作而没问题。PSO操作温度更可达120℃。
通常来说复合膜操作温度最少可达80℃，在低压情况下，它们可经受更高温度，如热消毒时。
膜系统耐温能力大多数情况下并不仅受膜本身温度限制而限制，而更关键受膜构型和膜系统中其它组件限制。
² 卷式膜组件
通常卷式膜组件温度上限为45℃。这个限制对用于水脱盐标准组件是有效，但现在市场上已经有能耐更高温度卷式膜组件。即使在水脱盐中45℃并不是一个最高温度限制，但对于食品和分离行业个案却有问题。经过了很多试样和失败后，部分企业已经成功地研制出了耐温稳定膜组件。
多年来用于乳制品行业组件已能够在比供货商原先说明更高温度(和压降)下操作了。现在，在乳制品行业标准组件真正温度限制是55℃，在正常操作中极少会在这个温度下操作。
一个新型含有标准30mil菱形流道组件能够耐受更高温度。这种组件销售名称为Duratherm®。这些组件能够在70℃下连续操作，短时期可加温到90℃，而同时可保持正常膜使用寿命。但必需注意通量，并保持低于35lmh，这么能够确保操作压力保持低压。相关标准进水流道使用，这种类型组件只用于纯水操作。
有较宽进水流道组件能够在进水含较高溶解性固体情况下操作。标准膜组件使用50mil流道，但较宽流道可达90mil，能够处理较难处理液体。用这种类型膜，这些组件能够连续操作在90℃温度下。来自DESALTM企业此种类型膜其销售名称为DURATHERM®EXCEL。好温度稳定性能够确保这些组件根本灭菌，或它们能够连续操作在理论上微生物不会有任何生长温度下。
胶超滤中膜能够喜爱80～90℃下操作多年。最近一个个案表明除硅石蒸发器冷凝物RO处理其操作温度靠近90℃。
统计表明：DESALTM膜组件已经在工业领域起主导地位，能够在140℃无水操作。这可能已经很靠近高分子膜极限。
表16 卷式膜已经温度限制

连续最大温度，℃
短时间最大温度，℃
标准纯水组件 最大温度，℃
(最大压力，bar)
45
(42)
50
(42)
4″，6″乳制品组件 最大温度，℃
(最大压力，bar)
50
(42)
55
(42)
DESALTM组件，特殊流道 最大温度，℃
(最大压力，bar)
45
(42)
80
(5)
Duratherm®组件 最大温度，℃
70
90
Duratherm®EXCEL组件 最大温度，℃
80
90

请仔细阅读供货商提供相关膜组件说明书，关注如pH、通量和压力等方面限制。
高温操作一个正面影响是：高温能够增加通量(见优化压力和温度一节)。90℃下操作能够在相同压力下将通量从100％提升到300％。但愈加好方法是将压力(NDP)降低到三分之一，这么能够降低电耗。
高温通常被认为问题比较多。但作者也常常发觉：即使在高温下比常温必需对部分细节给予更多关注和重视，但高温膜操作还是有很多优点。我们应注意关键标准：温度越高，必需越关注其组件和膜物理特征。
－过大传导膜压力将使膜变得很平(压紧)，造成不可挽回通量下降。
－过大压降将造成膜和/或构件高分子材料移动，有时破裂，最终造成膜根本损坏。
除了卷式膜外其它系统。
n 纤维系统通常可耐温达80℃；
n 无支撑磨管低价管式膜系统通常注明最大操作温度为35℃；
n 有支撑高价管式膜系统，如一个不锈钢支撑排列能够耐温超出80℃；
n 中空精细纤维系统温度限制<50℃；
n 板框式系统，依据实际设计，操作温度可>80℃，但部分较陈旧系统在高温操作时压力稳定性有些问题。
压力
全部膜对压力全部是敏感。“压紧”(compaction)一词常见于描述因为压力而造成膜不可反转“变平”。除了膜本身受到危害外，其至关关键是要有合适支撑，预防压力将膜挤压入支撑材料。
所以仔细地阅读和遵守供货商说明书是很关键。通常这类说明书不仅基于理论计算而且得之于实践经验，所以我们何须去反复她人失败经历呢？

表17 经典压力限制，bar

标 准
特 殊
管式膜，有支撑
42
70
管式膜，无支撑
7
－
管式膜系统
42
70，120
板框式系统
40
200
粗纤维系统
25
－
精细纤维系统
70
200
“压紧”是因为压力和温度引发。(见表18)
表18 避免压紧指导方针(不适适用于CA膜)
压 力
<20bar
压紧最小

温 度
<15℃
压紧最小
15～50℃
限制压力最大30bar
>50℃
可能引发严重压紧
>80℃
保持压力低于5bar，有些不可避免压紧

相关膜最大许可温度和压力没有固定准则。表18内指导方针除了CA膜外适适用于全部膜。表18A提供了部分用Wagner单位换算相关温度/压力关系通常标准。注意：温度比压力更危险！所以，当操作靠近上限温度时，提议尽可能限制压力。
表18A 避免或使压紧最小化指导方针
压力(bar)╳温度(℃)＝Wagner单位

<1200
安全操作，标准组件
1200～
较困难，特殊组件设计
>
很困难，不太可能实现，很特殊组件设计
pH
除了CA膜外大多数膜对极端pH有很好耐受力。通常对很多膜关键限制是因为使用了聚酯衬背，经实践应用其pH上限为11.5。在很高pH值下很多膜性能将发生改变，但还能够用。多数膜在低pH值下比较稳定。

表19 不一样膜材料pH限制

pH下限
PH上限
PSO *)
1
14
PVDF
0
12
CA
4
7
TFM
1 **)
12 ***)
陶瓷
0
12～14
*)同时低pH和高温可能降低水通量，有时会达成零，并不可逆转。
**)现在趋势应增加TFM高pH稳定性。
***)在室温下有效。温度提升膜损坏老化将加紧。不一样类型聚酯胺薄膜在低pH下稳定性方面有较大不一样。
进水流量
对膜没有绝正确进水流量限制。但膜或组件机械强度对其有所限制。
粘性
进水粘度本身并不是个问题，但高粘度将造成较高压降。所以只要压降许可，通量满足要求并稳定，粘度才不能为操作问题。可见除了高粘度进水对于一个膜系统来说不仅是个膜问题，更是一个工程问题。
系统组件
一个膜系统不仅仅包含膜本身。本节将看重讨论膜系统中关键组件。
加热/冷却和热交换器
在膜系统中常见多管(管式和壳形)热交换器用于加热和冷却。加热或冷却介质在管子外面，而产品在内部。这种结构能够耐高压，所以能够耐压达70bar设备还是比较常见。
多管热交换器其工作方法不一样于传统盘式热交换器。关键不一样点在于：
n 在一个信道内产品温度改变很小，通常仅0.5℃或更小；
n 相比于热交换介质流量，产品流量大。
因为产品冷却需