中科白癜风四大惠民活动 https://auto.qingdaonews.com/content/2018-06/19/content_20138493.htm1.4.5透析透析是指溶质通过因浓度差而产生的扩散跨膜传输（见图1.4和表1.）。由于浓度差ΔC是唯一的驱动力，因此浓度差应该很大，膜应该很薄，以减少扩散路径。与压力驱动的膜过程相比，该过程较慢。与溶剂穿过膜的UF或RO不同，是溶质穿过膜。透析中的分离受小孔和扩散控制，因此小分子比大分子扩散得更快。膜孔必须非常小，以防止由于膜上较小的压力差而导致溶液的对流传输。跨膜的溶质通量由关系J?UΔC给出，其中U是阻力之和：膜和两个膜阻力。在连续流系统中，ΔC可以取为跨膜浓度差的对数平均数。在某些需要同时添加和去除小分子量产物并保留高分子量溶质的制药和动物细胞培养应用中，无菌透析膜模块具有应用潜力。血液透析透析在所有膜工艺中占据最大的市场份额。透析最大的市场应用是人工肾脏，用于治疗肾衰竭患者，从血液中去除生物毒性代谢物。血液透析由要消除的尿毒症毒素的分子量（大小）相对于血清蛋白的质量决定。该过程描述如下：“从患者体内抽取血液，并通过中空纤维的管腔，而水则通过装置的壳体侧。由于水中含有盐，因此其渗透压与血细胞相同，就像压力驱动过程中一样。尿素从血液中扩散到水中，并被选择性地去除，但再次与盐混合。载有尿素的盐溶液被当作“废物”处理。由于该过程非常温和，因此与压力驱动过程相比，对血细胞的损害较小。人类肾脏每周处理约升水溶液。患有慢性肾衰竭的典型患者每年需要接受次治疗。血液透析装置通常是中空纤维装置，膜面积为0.5–1.5m2。经典的膜材料是再生纤维素，最接近天然材料。其他膜包括聚醚砜(PES)和聚砜(PS)，它们通过与PVP混合而具有一定的亲水性，这是解决生物相容性和蛋白质污染问题的必要条件。膜是不对称的（厚度为10–μm），孔径分布较窄，孔径小于10nm。扩散透析扩散透析(DD)是一种由膜上浓度梯度驱动的离子交换膜分离过程，即离子传输由浓度梯度驱动，符合Donnan共离子排斥和电中性保持标准。由于它是一个自发过程，DD会导致熵增加和吉布斯自由能减少；因此它在热力学上是有利的。DD单元由包含阴离子交换(AEX)膜或阳离子交换(CEX)膜的多电池堆栈组成。膜厚度为-μm。通常，膜是聚苯乙烯与含有阴离子或阳离子交换基团的二乙烯基苯交联。例如，在酸回收的情况下，质子和阴离子穿透AEX膜，而盐阳离子被排斥。最终结果是从盐混合物中去除90%以上的酸。最终结果是从盐混合物中去除了90%以上的酸。与其他膜工艺相比，DD中的能量消耗非常低。这是一个简单、经济且节能的工艺，其中进料和渗透物像在大多数透析类型的工艺中一样以逆流方式泵送。不需要外部驱动力，例如压力差或电位差。唯一需要的动力来自堆栈出口侧的计量泵。由于DD依赖于浓度差，并且没有外力驱动分离，因此该过程非常缓慢，系统容量低，并且需要较大的膜面积进行分离。然而，这对于特定应用来说并不是一个缺点；容量为6m/天的6堆栈DD系统足以再生24m/天的去离子水离子交换系统。该工艺在金属工业中广泛用于回收酸和金属。氢氟酸和硝酸用作不锈钢的蚀刻剂。为了回收酸，使用D，因为质子可以穿过膜，但Fe+离子不能。其他应用包括从离子交换再生过程中回收酸和金属精炼。它还用于分离和回收酸/碱废液以及净化/分离碱。它用于从胶体悬浮液中去除电解质，使后者更稳定，例如，它用于从某些被有机物质污染的工业废物中回收NaOH。Na"和OH离子穿过可渗透的膜细胞壁进入周围的水中，然后蒸发以回收氢氧化钠，同时处理掉细胞中的有机废物。1.4.6电渗析透析原理用于使用ED对液体进行脱盐（见图1.4和表1.）。本质上，ED采用带电膜并利用电能使离子逆浓度梯度流动，从而实现分离和净化。在垂直于流动施加的直流（DC）电势的驱动力下，阳离子（正离子）向阴极移动，阴离子（负离子）向阳极移动，如图1.14所示。最终结果是细胞内的水被脱盐离子的流动基于电化学——电化学处理电现象和化学现象之间的关系。图1.14电渗析池。ED是一种低压过程，使用离子选择性膜来淡化水。ED采用平板合成离子交换膜，利用电能使离子逆浓度梯度流动，从而实现分离和净化。阳离子渗透膜具有固定的负电荷（其固定交换位点为阴离子）。当向系统施加电压时，溶液中的阳离子进入膜。它们不与膜中的阳离子交换，因为离子运动的电力大于阳离子和膜之间的吸引力。由于膜结构带负电荷，因此它会排斥阴离子。阴离子渗透膜则相反。阳离子可以穿过阳离子渗透膜，但不能渗透阴离子渗透膜。相反，阴离子不能渗透阳离子渗透膜。除了高渗透选择性外，膜还必须具有低电阻。这意味着它对反离子具有导电性，并且不会过度限制通过。离子交换膜是高度膨胀的凝胶，含有带有固定离子电荷的聚合物。聚合物间隙中是可移动的反离子。膜必须具有机械强度和坚固性。它们不能随着离子强度的变化而明显膨胀或收缩，也不能在热应力下起皱或变形。聚合物通常是疏水性和不溶性的。聚苯乙烯是主要使用的聚合物，聚乙烯和聚砜的应用有限。阳离子交换膜是聚苯乙烯与二乙烯基苯共聚，然后磺化。阴离子交换膜具有固定在聚苯乙烯二乙烯基苯聚合物载体中的季铵基团。ED模块由大量薄的连续流动池组成，为了使该过程能够有效地用于大规模使用，膜堆由数百个平行单元组成，其中离子在交替单元中耗尽和浓缩。根据水温、固体含量、流速和施加电压，一个ED膜堆可产生约0-60%的脱盐率。为了实现75-95%或更高的盐去除率，膜堆是分阶段进行的，例如，两个阶段可去除75%的盐，四个阶段可去除94%的盐，六个阶段可去除98%的盐。水回收率可高达95%。图2.5显示了ED堆的流程示意图。与其他膜工艺一样，ED很容易受到污染和结垢的影响。结垢和结垢会增加堆电阻和功率要求。结垢/结垢问题可通过使用ED反转(EDR)工艺来解决，在该工艺中，所施加的直流极性每15-20分钟反转一次。这可以防止不溶性化合物沉积在膜表面。极性反转还可以减少或消除向进水中添加酸和阻垢剂的需要。此外，定期或连续冲洗电极可去除电极上形成的气体。ED不会去除非离子化合物，例如二氧化硅和大多数胶体。因此，与反渗透的情况不同，二氧化硅不会污染ED膜。可以通过法拉第定律和欧姆定律的理论关系来预测堆栈电流：法拉第(F)是将1克盐当量从一个电极转移到另一个电极所需的电能量：F=96,As=26.8Ah。对于ED，法拉第定律可以写成：其中I是直流电流，A；N是入口和出口之间稀释流的常态变化；F是法拉第常数；Qp是稀释流的流量；e是电流效率；Ncp是电池对的数量。ED堆栈所需的功率W可根据欧姆定律得出：其中V是堆栈电压，I是直流电流；R是堆栈电阻。R是膜和填充间隔流道的水的组合电阻。所需电流与给定流速的盐含量减少成正比。所需电流包括通过堆栈歧管的电流泄漏和通过膜的水传输的损耗。功耗与进水盐浓度成正比，进水盐浓度为mg/l时为1.1kWh/m，进水盐浓度为0mg/l时为2.6–4.0kWh/m。约25–%的功率用于驱动进水循环泵。影响ED性能的其他工艺变量包括极化、电流密度和堆栈电压。当离子通过膜的传输量超过替换离子到达膜表面时，就会发生极化。这可能是由于：?溶液pH值变化?电流效率损失?电阻增加?水与H+和OH发生电离，导致严重的堆栈故障电流密度(mA/cm2)：理论上，电流密度越高，所需的膜越小，资本成本越低。堆栈电压(V)：所需电压取决于堆栈的电阻和电流密度。根据所需电流密度手动改变电压。自20世纪50年代初生产出第一台ED设备以来，世界各地已安装了数千台咸水设备。ED主要用于淡化咸水，约占世界容量的10%。其余90%为RO。它用于淡化海水等高盐度水，因为能耗高，且能耗随盐含量增加而增加，如上所述，ED能耗为kWh/m3，而RO能耗为-5kWh/m3。第章和第5章讨论了几个ED应用和ED系统的示例。ED的一个特殊应用是从海水中浓缩NaCl以生产食盐。此应用仅限于日本、韩国和台湾。这些ED工厂在蒸发和结晶之前将海水中的盐含量从5,mg/l浓缩到,-,mg/l。ED作为预浓缩步骤可大幅节省能源成本。日本正在运营每年生产20,至,吨盐的大型工厂。TSX-El单元包含个电池对。电池对面积为2m2，电池厚度为0.4mm。生产能力为每年约0,吨氯化钠。电渗析器的功耗为kWh/吨氯化钠。海水中含有相对高浓度的硫酸盐、钙、镁和其他多价离子，这些离子可能会沉淀在工厂的浓缩盐室中，导致严重结垢。通过在面向海水溶液的表面将一层带相反电荷的薄电解质层应用于膜上，解决了这个问题。由于多价离子的离子排斥效应比单价离子强得多，因此聚电解质层排斥多价离子，但允许单价离子相对不受阻碍地通过。除了咸水脱盐外，ED还广泛用于乳清脱灰，脱盐产品是一种有用的婴儿食品添加剂。它用于将电解质与非电解质分离。ED还用于去除受污染水中的特定污染物，如重金属硝酸盐和镭。1.4.7气体分离膜GS在过去25年中发展迅速。气体通过无孔膜的扩散是由于浓度梯度而发生的，或者对于气体而言，它与压力成正比。因此，膜GS通常被描述为压力驱动的扩散过程。由于气体组分的相对传输速率不同（表1.），因此可以实现分离。只有当一种或多种组分比其他组分更快地穿过膜时，膜才会分离气体。膜的独特之处在于它们能够分离两种或多种气体（流体），而不像液体分离膜那样将溶解和悬浮的固体从流体中分离出来。多孔膜和非多孔膜的基本机制如下：多孔膜?对流通过大孔（A?），没有分离。?通过孔隙的克努森扩散（–A?）——直径小于气体分子平均自由程的孔隙允许较轻的分子优先通过孔隙扩散。?分子筛分或表面扩散（5–A?）——大分子由于其尺寸而被排除在孔隙之外。无孔膜?溶液扩散——气体溶解在膜材料中并扩散通过它。大多数商业应用中使用的膜在结构上是无孔的，分离基于SD机制。该机制涉及渗透气体与膜聚合物的分子级相互作用。该模型假设每种成分在一个界面被膜吸附，通过聚合物链之间的空隙（所谓的“自由体积”）扩散通过膜传输，并在另一个界面解吸。根据SD模型，气体通过膜的通量由给出，其中P为气体渗透性，pf和pp分别为进料侧和渗透侧的气体分压，t为膜的厚度。对于商用膜，t≤0.2μm。P是膜材料的特性，与膜厚度无关。渗透性(P)=聚合物中的气体溶解度(S)×聚合物中的气体扩散率(D)。溶解度本质上是热力学的，受聚合物-渗透剂相互作用以及玻璃态聚合物中过量的链间间隙的影响。扩散系数本质上是动力学的，由聚合物-渗透剂动力学决定。由于高溶解度、高扩散率或两者兼而有之，气体可以具有高渗透率。一般来说，随着气体分子尺寸的增加，扩散系数变小，而溶解度增加。根据气体在膜中的相对渗透性，气体被分为“快”或“慢”因此，渗透性较高的气体在膜的渗透侧富集，而渗透性较低的气体在膜的进料/排出侧富集。几乎每种聚合物GS膜都是完全玻璃状或主要为玻璃状，含有少量晶体成分，因为它们比橡胶状聚合物更具尺寸和形状选择性。橡胶状聚合物是一种无定形聚合物材料，在使用条件下，其软化或玻璃化转变温度Tg高于本章前面讨论的条件。气体分子迅速渗透橡胶状聚合物，因为聚合物分子段之间的结合力不强，并且分子段可以相对容易地移动以打开通道，即使是大分子也可以通过。此外，溶解度通常决定橡胶状聚合物中传输的扩散特性。因此，挥发性有机化合物(VOC)对聚合物材料具有很强的亲和力（高溶解度），它们通过橡胶状聚合物膜的速度比小得多的氧气和氮气要快得多。因此，由橡胶状聚合物（如聚二甲基硅氧烷(PDMS)）和复合PEI/硅橡胶膜制成的膜可有效去除空气中的VOC。橡胶膜的渗透性比玻璃膜的渗透性高倍。玻璃状聚合物是一种无定形聚合物材料，在使用条件下，其软化温度或玻璃化转变温度Tg低于其软化温度或玻璃化转变温度。由于与橡胶状聚合物相比，玻璃状聚合物中的链段运动受到限制，因此玻璃状聚合物能够区分常见气体分子尺寸的极小差异（0.2–0.5A?）。与橡胶状聚合物不同，玻璃状聚合物中的传输不受溶解度控制，而是受分子大小和扩散系数控制。因此，由于氢分子尺寸最小（扩散系数高），用玻璃状聚合物制备的膜可有效用于氢分离。同样，在CO2/CH4分离中，二氧化碳渗透玻璃状膜的速度比甲烷快得多，部分原因是CO2分子略小于CH4分子，部分原因是聚合物材料对CO2的亲和力更强。商业用途的玻璃状聚合物膜的典型例子是CA、PS和PES。芳香族PS是最成功的GS膜聚合物之一。然而，需要具有更高T和更强的有机溶剂耐受性的刚性聚合物，例如聚醚酰亚胺（PEl）和聚酰亚胺（Pl）。聚酰亚胺膜具有高度的化学稳定性，并且还具有耐热性。因此，可以消除特殊的预处理步骤，例如洗涤、吸附、吸收和冷却。聚酰亚胺可承受高达00℃的温度，但是由于模块中使用的材料的局限性，℃是工作温度的上限。更高的温度意味着更少的模块，因为气体的渗透率会随着工作温度的增加而增加。Pl膜还对广泛使用的溶剂具有很强的耐受性，例如甲醇、乙醚、苯、甲苯、二甲苯和汽油。也许最重要的特性是，在涉及He/CH4、CO2/CH4、H2/CH4和O2/N2的气体分离中，PI膜在渗透率相当的情况下具有比其他膜更高的选择性。这是一项重大改进，因为一般来说，具有较高渗透系数的膜具有较低的选择性。PI膜用于从各种气体中分离氢气、氦气和二氧化碳。其中，H2分离/回收是PI膜的最大市场。一个重要的应用是将CH4从N2中分离出来。在用于GS膜的大多数聚合物中，CH4的渗透率大于N2的渗透率。然而，在芳香族PI的情况下，情况正好相反。尽管CH4在PI中的溶解度高于在其他聚合物中，但N2在PI中的扩散率明显高于在其他聚合物中。先进的有机和无机膜和材料包括固有微孔聚合物(PIM)、微孔PVDF、钙钛矿和钯合金膜。PIM膜对各种气体混合物都表现出高渗透性和高选择性。膜GS的主要商业和有前景的应用如下：东莞市富临塑胶原料有限公司供应：截留分子量MWCO膜（平板滤膜、中空纤维膜）?氮气生产（纯度90-99.5%）。这可能是GS膜最大的应用之一。主要应用包括对储罐和容器进行氮气覆盖、在关闭前为化学加工工业的安全用途清洗工艺容器和管道以及新鲜农产品的受控气氛储存。后者需要干氮来保存易腐食品。膜优先渗透氧气、二氧化碳和水，留下富含干氮的非渗透（废弃）流，用于在新鲜农产品的储存和运输过程中保持惰性气氛。?氢气回收。氢气是一种昂贵的化学原料。因此，从烃类气体混合物中回收氢气可提高工艺效率并降低运营成本。氢气是从合成替代天然气(SNG)过程中的石脑油中回收的，也是从氨合成反应器的吹扫气中回收的。氨合成中的吹扫气含有氮、氩和氦。除非回收，否则会用惰性气体吹扫或仅用于其燃料价值。在氨厂的高压吹扫气回路中安装GS聚砜中空纤维膜以回收H2是气体膜技术的第一个重大商业突破。其他商业应用包括从催化重整、加氢裂化和加氢脱硫的尾气中回收。膜GS比用于氢气回收的其他技术更具优势；低温蒸馏耗能高且成本高，变压吸附复杂。?合成气比例调整。合成气是氢气和一氧化碳的混合物。它通常由天然气通过蒸汽重整或部分氧化/蒸汽重整生产。它是制造各种化学品的原料，包括乙酸、甲醇、乙二醇、乙酸酐、乙醛、乙醇和羰基合成醇。生产时，H2/CO比2.0，而生产上述化学品则需要1到2之间的比率。PI和PS等膜可用于利用氢气的较高扩散速率来调节H2/CO比。?二氧化碳去除。由于选择性低，将二氧化碳与氮和低分子量烃分离是一个多阶段过程。多种应用已取得商业成功，包括从天然气和沼气中去除二氧化碳，以及提高石油采收率。在天然气处理中，膜用于去除CO2、H2S和水分等杂质，以生产管道级天然气。同样，在沼气处理中（由污水、城市垃圾、农业垃圾和垃圾填埋场的厌氧消化产生），这些“快速”气体迅速渗透过膜，产生富含甲烷的截留物。?脱水。应用包括生产干氮和无水分天然气以及从沼气中生产甲烷。?氦气回收。氦气在天然气资源中含量丰富。由于其沸点低且具有惰性，因此在许多制造设施中都有使用。螺旋缠绕和中空纤维膜已商业化用于从天然气中回收氦气和净化被空气污染的粗氦气。?去除挥发性有机化合物。从排气流中去除各种有机物和其他相对高沸点物质被认为是GS膜最大的增长领域之一。膜GS在这一应用领域找到了一个明确的利基市场，它们能够去除比氮气等气体大得多的有机分子，而氮气通常是排气流的主要成分。尽管有机分子的扩散系数小于永久气体的扩散系数，但由于它们在硅氧烷基橡胶聚合物（如PDMS）和复合PEI/硅橡胶膜中的溶解度高得多，因此它们具有较高的渗透率。1.4.8渗透汽化PV将挥发性成分的蒸发与其通过膜的渗透结合在一起。它涉及使用液体进料来产生蒸汽渗透物和液体废料。进料通常在℃以上和略高于1巴的压力下供应。渗透压力保持在远低于大气压的真空下。当渗透物质穿过膜时，就会发生蒸发。大多数情况下使用的是非对称复合亲水膜，例如复合聚乙烯醇(PVA)/PS（或聚丙烯腈）。已发现，在PAN上浇铸一层薄薄的PDMS制成的膜可用于在酒类脱醇过程中将极性化合物与非极性化合物分离。通常使用平板和螺旋缠绕模块。PV的主要应用包括从有机溶液中去除少量水（例如，干燥异丙醇/水、丁醇/水和乙醇/水共沸物以产生相对纯净的有机化学品）、通过从几乎纯净的有机物中去除低浓度水（几%）来干燥有机液体以及从水中去除少量有机物（例如，在废水清理中）。使用蒸馏/PV混合工艺分离乙醇/水混合物可达到99.85%的乙醇纯度（见第章）。它已用于从发酵液中去除酒精，其中需要连续去除乙醇，以免抑制微生物的生产活性。同样，PV装置用于从含有94%酒精和6%水的进料开始，以99%的酒精纯度从水中回收异丙醇。酯化反应过程中形成的水必须除去才能重新使用酒精。由于经济效益不佳，PV系统的销量非常小：(a)需要在阶段之间重新加热渗透物以维持有意义的通量，(b)由于驱动力低且压降限制为1bar，因此需要较大的膜表面积。1.4.9膜接触器膜接触器(MC)是一种相接触装置，用于气体吸收和汽提（脱气）过程以及生物医学气体转移过程。膜的作用是促进接触相（例如液-液、气-液和气-气）之间的扩散传质。膜相接触器使用聚烯烃，例如聚丙烯(PP)微孔中空纤维膜，这些膜密集地填充在高表面积模块中。由于膜是疏水性的并且具有小孔（0.05-0.1μm），因此水不易穿过膜孔。迫使水进入孔隙所需的压力称为“突破压力”，对于孔径为0.05μm的PP膜而言，该压力大于10barg。MC模块包含数千根微孔中空纤维，这些纤维编织成织物，缠绕在带有中央挡板的分配管上，如图1.15所示。挡板确保水分布在纤维上，同时降低接触器上的压降。中空纤维密集地填充在膜模块中，表面积高达4m2/m。液体在膜外部（壳侧）流动，同时在纤维内部（管侧）施加真空，在膜的孔隙上形成薄膜。由于壳侧和管侧之间的气体分压差，质量传递通过该薄膜和孔进行。由于膜是疏水性的，它们不会被水润湿，从而有效地阻止了水流过膜孔。膜不提供选择性。相反，其目的是保持气相和液相分离。实际上，膜充当惰性支撑物，允许气相和液相之间紧密接触而不会分散。膜管侧的真空可提高传质速率，就像在真空塔中一样。借助膜渗透侧流动的氮气吹扫气体，可提高工艺效率。图1.15液-细胞膜接触器模块。MC在商业上用于从半导体制造的超高纯度水中剥离溶解氧（见图2.12）。MC还已在饮料行业商业化用于碳酸化（添加CO2）。全球有多台MC装置在运行，其中大多数用于气体剥离。血氧饱和是MC最早的应用。医院使用了大量微孔中空纤维氧合器。一个有趣的潜在应用是在有氧发酵过程中，该过程需要O2来为发酵液中的细胞提供氧气，同时需要去除发酵过程中形成的CO2。1.4.10其他膜技术膜蒸馏MD是MC的扩展，适用于需要浓缩含有非挥发性溶质（如盐和糖）的水溶液的应用，例如海水淡化。这是一个非等温过程，涉及膜技术的特征，包括极化和污垢。两种不同温度的液体通过疏水性（非润湿性）PVDF膜（孔径~0.2–0.4μm）分离。进料通常被加热到约℃，下游侧用蒸馏水冷却。跨膜的温度梯度产生蒸汽压差，导致蒸汽分子从高蒸汽压侧渗透过微孔膜到低蒸汽压侧。分离发生在孔隙开口处的蒸发，随后蒸汽通过膜孔网络传输。水蒸气通量与热进料和冷渗透物之间的蒸汽压差成正比。由于蒸汽压随温度呈指数上升，因此当膜两侧温差增加时，通量会急剧增加。进料溶液中的溶解盐会降低蒸汽压驱动力，但除非盐浓度非常高，否则这种影响很小。MD是一种处理高盐度水（如海水和RO浓盐水浓缩液）的有吸引力的工艺，因为它不受高渗透压的限制。然而，污垢、孔隙润湿、膜孔内空气滞留导致的传质效率低下、传热不良、热损失和高能耗都会对性能产生不利影响。在最好的情况下，能耗为15kW·h/m，这相对于海水反渗透淡化来说非常高。膜反应器膜反应器使分子分离和同时化学转化成为可能。选择性去除反应产物可提高产物抑制或热力学不利反应的转化率；例如，在玉米生产乙醇的过程中。基于酶的膜反应器最早由超滤先驱AlanMichaels在25年前构思。膜生物催化反应器用于天然聚合物材料（如淀粉、纤维素、蛋白质）的水解转化以及用于制药、农用化学品、食品和化学工业中光学活性成分的分离。本章前面介绍了用于水处理的膜生物反应器，并将在第2章和第章中详细讨论。随着高温操作膜的发展，催化膜反应器已经实现。催化膜反应器中的反应包括脱氢、加氢和氧化。然而，许多实际限制阻碍了商业应用：分离系数低、高温下泄漏、催化剂中毒和传质限制。膜反应器可以通过蒸汽重整从甲醇或天然气中更高效地为燃料电池发电厂生产氢气，与传统技术相比，质量更高；膜反应器在生产氢气的同时，还利用固体氧化物膜在转化过程中有效地去除氢气。动态形成膜动态形成膜(DFM)是20世纪60年代在橡树岭国家实验室为海水淡化而开发的，但更有效地用于去除纺织制造工艺废水中的染料。这些膜是通过将低浓度（mg/l）的氧化锆胶体和氧化锆聚丙烯酸复合物等材料流过多孔碳或烧结不锈钢管而形成的。膜的性能主要取决于成膜材料的特性；渗透通量和膜保留在很大程度上取决于颗粒形状和尺寸分布。通常使用孔径从1到10μm不等的膜支撑。如果膜损坏或堵塞，则将其移除或再生；因此，术语为“动态膜”。DFM的其他应用包括石灰软化处理、有毒重金属去除、浑浊水澄清和用于处理来自半导体制造厂的冲洗水。DFM的一种变体是用于恢复或再生RO膜的支持液体膜。由于RO膜的超薄皮层很脆弱，它会随着时间的推移通过使用强化学清洁剂、磨损、酶活性、老化或制造缺陷而降解。这会降低膜性能，并明显降低盐截留率。表面再生涉及原位应用水分散性合成聚合物、天然树胶和树脂、表面活性剂和膨润土。通常，添加剂的添加浓度非常低（ppm），混合物循环使用直至盐分去除率恢复。Kesting对该过程进行了如下描述：“某些表面活性饲料添加剂能够形成膜，但并非通过侵入多孔支撑物，而是通过浓缩在液体溶液和固态致密膜之间的界面上，而它们无法渗透。”通过在饲料中添加极低浓度（25-75ppm）的聚合物和/或表面活性剂，几乎可以恢复被氯损坏的聚酰胺RO膜的性能；在8%的情况下，去除率从50%增加到95%，在8%的情况下增加到97%。测试结果如图1.16所示。除了恢复盐分去除率外，单宁酸和水分散性聚酯在连续一周的试运行中保持了稳定的性能。单宁酸是一种行之有效的再生剂，它之所以最有效，一个可能的原因是，它在低能表面（如石墨和合成聚合物）上是一种非常好的分散剂。图1.16添加剂对氯损伤PA-00聚酰胺膜标准化盐截留率的影响。再生需要形成相对稳定的液膜，即显示超过小时的短期持久性。如果添加剂具有以下特性，这是可能的：?在低能表面（如合成聚合物）上是良好的分散剂（单宁酸和卵磷脂（一种脂质）就是此类材料）；?极性和非极性基团间隔良好，或最好位于主链的相对侧；然后疏水基团可以强烈吸附到膜上，而不会被亲水基团掩盖。水分散性聚酯被发现非常稳定；?具有通过物理吸附或静电相互作用进行强烈吸附的能力。例如，带正电的季铵氯化物在再生CA膜方面非常有效；?可以与膜材料形成分子间氢键。在具有明显氢键的系统中，溶质膜相互作用较强；?添加剂与膜基质功能位点的能力。电过滤电化学效应在提高传统MF和UF工艺的性能方面发挥着重要作用。根据传统的膜理论模型，极化层被描述为由于粒子对流传输到膜表面以及它们扩散回本体溶液而产生的，如图1.7所示。带电粒子在极化层中靠得更近时会受到额外的力，即静电排斥力。因此，对于带电粒子，由于静电效应而导致的通量增加对于尺寸小于纳米的粒子来说可能非常显著。表1.11总结了主要类型的电过滤工艺。对几种MF膜和胶体溶液进行的测试结果总结如下：?通量水平比没有施加力场时高一个数量级。?电场和超声波场均可减少在一系列操作条件下由胶体材料沉积引起的膜污染。?结垢率受电场强度和频率、胶体浓度、颗粒大小、颗粒形状和分散相的表面特性的影响。?电场通过电泳和其他二次电动力效应（如电渗透）改善过滤。超声波场主要由于空化作用而增强通量。?当同时施加电场和声场时观察到协同效应。耦合机制被认为是由于空化和电动力现象引起的多种效应的结合。?横流速度比传统的横流过滤低一个数量级。?辅助过滤与低横流速度相结合可降低功耗和泵送成本，减少剪切敏感流的退化，并降低生物应用再循环系统中的传热要求。表1.11电增强膜过滤。聚电解质增强超滤大分子量聚电解质，如聚苯乙烯磺酸钠(PSS)，已用于去除多价阳离子。例如，PSS(MW=85,Da)用于软化10,MWCO膜的水。带负电荷的胶体PSS结合钙和镁；可实现高达99.7%的硬度离子截留率。在4bar跨膜压力和20℃下，渗透通量为70lmh，远高于RO和NF膜的通量。同样，阳离子聚电解质已用于去除铬酸盐等阴离子和软化水。胶束增强超滤由于其独特的聚集和溶解特性，表面活性剂胶束已被用于通过UF去除低分子量有机化合物。胶束增强超滤(MEUF)将RO的高选择性与UF的高通量相结合。MEUF的基础是，在高于临界胶束浓度(CMC)的浓度下，表面活性剂分子相互附着形成有组织的聚集体或胶束。然后这些大的聚集体很容易被UF膜排斥。胶束的形成方式是分子的疏水部分向中心排列，远离周围的亲水性水溶液。这些聚集体可溶解有机物，例如VOC和碳氢化合物。MEUF工艺基于胶束的形成以及在胶束溶液中难溶于水的有机物的溶解度增加。总体结果是一个两相系统：（a）由胶束组成的分散相或不连续相，以及（b）由表面活性剂单体组成的连续相或水相。这两个相都处于动态平衡状态。这种相分离概念表明渗透物浓度应保持恒定。实验数据表明情况确实如此。MEUF还用于通过离子表面活性剂去除多价重金属离子。离子胶束表面具有高电荷密度和高绝对电势。因此，重金属阳离子静电吸附在由阴离子表面活性剂（如SDS和烷基苯磺酸钠）形成的胶束表面上或附近。同样，阳离子表面活性剂（例如十六烷基氯化吡啶）已被证明可有效去除多价有害阴离子。非离子表面活性剂胶束更大，因此更有效，如第6章所述。大分子的分离通过UF对蛋白质进行分离一直是膜开发的一个重要领域，因为以下因素：(a)剪切力引起的聚合物链变形，(b)浓度极化，(c)分子量分布，(d)膜孔径分布。只有当待分离的两种蛋白质的分子量相差一个数量级时，才能进行分馏。然而，使用电荷改性膜，就可以分馏分子量相近的蛋白质混合物，例如肌红蛋白(MW=17,Da)和细胞色素C(MW=12,Da)。蛋白质在其等电点(pI)处带零电荷。当pH值pI时，蛋白质带负电荷，而当pH值pI时，蛋白质带正电荷。为了说明这一点，在肌红蛋白与细胞色素C(CyC)分离过程中，使用了带负电荷的UF膜，pH值为9.2，这也是CyC(pI9.2)的等电点。由于肌红蛋白(pI7.09)在此pH下带负电荷，因此它被带负电荷的膜排斥，而CyC则完全透过膜。相反，当pH为5.5时，CyC被带正电的膜排斥，肌红蛋白则通过孔隙。类似地，通过改变溶液的pH值，可以分离pI值相差很大的氨基酸。因此，当蛋白质带正电时，低于pI的蛋白质带正电，带正电的膜不易结垢，从而产生更高的通量。还要注意，当pHpI时，蛋白质会污染大部分带负电荷的亲水膜。活性炭增强过滤UF已用于借助粉状活性炭(PAC)从地表水中去除有机物和THM前体。同样，孔径为0.2μm的管状陶瓷MF膜用于处理垃圾填埋场渗滤液。渗滤液是一种很难处理的水，因为它含有大量的有机物、色素、重金属和悬浮固体。在1barg压力下，渗透通量为lmh，比未使用PAC处理时高70%。尽管悬浮固体浓度也增加，但随着PAC剂量的增加，通量也增加。性能增强的原因有两个：(a)PAC负载越高，吸附的胶体越多，(b)PAC充当研磨剂，有助于去除沉积在膜上的凝胶层。压力延迟渗透源自RO的工艺能够利用浓度差产生能量。在渗透过程中，水从稀溶液（纯水）流向浓溶液，如图1.10所示。渗透水流可用于通过涡轮机发电。当ΔPΔπ时，水流量为单位面积的功率E(W)由通量(J)乘以静水压力(ΔP)得出：当ΔP=0.5Δπ时，产生的功率最大，这表明对于海水盐度的盐溶液，使用公式(1.21)产生的功率为1.5W/m2。因此，盐度较高的溶液可以产生更高的功率。公式(1.21)表明，产生的最大功率与水渗透系数A成正比，因此需要高通量膜。最大功率也与渗透压差的平方成正比。但是，由于盐水溶液稀释导致渗透压降低，实际产生的功率较低。此外，内部CP（被困在膜的多孔支撑层中的盐）会大幅降低膜上的有效渗透压和通量。要使该系统具有实用价值，必须满足另外两个限制：（i）该系统需要靠近海水位置的淡水源，（ii）海水盐度不够高，无法实现经济效益——需要浓度更高的溶液，几乎是海水盐度的八到九倍。正向渗透正向渗透(FO)是一种膜分离过程，利用浓缩汲取溶液和进料流之间的渗透压差来驱动水穿过半透膜。FO的基础是渗透，这是一种自然且自发发生的过程。它严格来说是穿过RO膜的直接渗透。高渗透压的汲取溶质（例如碳酸铵）穿过FO膜的一侧，高盐度溶液（例如海水）流过膜的另一侧，如图1.17所示。由于渗透流，水从海水转移到汲取溶质侧。然后需要再生汲取溶质并回收FO工艺转移的水，例如在蒸馏装置中。主要的挑战是选择汲取溶质，使其在产品水中的存在符合饮用水标准，并且可以轻松且经济地去除汲取溶质。图1.17带有氨二氧化碳汲取溶液的正向渗透系统的示意流程图。FO的主要吸引力在于它不受RO那样的渗透压限制，因此可以处理高盐度水。人们还认为它不太容易在进料侧结垢。然而，如图1.17所示，双重分离过程错综复杂，需要克服几个限制：?传统的RO膜不适用，因为FO与RO不同，膜的两侧都有盐溶液。暴露在汲取溶液中的多孔支撑物容易受到汲取溶液的结垢和内部极化。这意味着膜内的盐离子浓度与本体溶液非常不同，导致渗透压驱动力损失，因此传统的RO膜在FO中只能达到其能力的50%以下。?从稀释的汲取溶液中分离氨和CO2以及蒸发大量水需要热能。处理高渗透压进料需要合适的汲取溶液。?该工艺比RO更耗能。?产品水中含有约9ppm的氨。因此，需要额外的水净化步骤（如离子交换）来确保最终产品中氨含量小于1ppm，从而满足饮用水标准。?即使优化了提取溶液，并在再生步骤中减少了污垢，FO工艺也不太可能达到SWRO的能源效率。一个潜在的应用是海水预处理以进行RO海水淡化。过程建模结果表明，FO-RO集成系统可以有效满足农业灌溉对硼和氯化物水质的要求，而无需两遍RO系统。由于FO预处理似乎不太容易在进料侧结垢，因此它将是一个额外的有用资产。FO的另一个有用应用是所谓的“渗透反冲洗”，用于清洁RO膜。TFC膜不能反冲洗，因为顶部薄层可能会脱落。然而，由于正向渗透在渗透压下将纯净水或淡水通过RO/NF膜，因此可以使用渗透液反冲洗和清洁膜，而不会损坏膜。下面描述了一种工艺操作：?偶尔短暂关闭进水，以便立即对膜进行渗透反冲洗。水将以通量渗透膜，该通量是沿膜的局部盐浓度的函数。更多的水将渗透到高浓度位置，这些位置更容易结垢，小沉淀物可能会溶解。图1.18螺旋缠绕膜模块。东莞市富临塑胶原料有限公司供应：截留分子量MWCO膜（平板滤膜、中空纤维膜）
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