高分子分離膜在水處理技術中的應用

    以高分子分離膜為代表的膜分離技術作為一種新型、流體分離單元操作技術，三十年來取得了令人矚目的飛速發展，已廣泛應用于國民經濟的各個領域。本報告將介紹幾種主要的液體分離膜的應用現狀、zui新進展和發展趨勢。

1. 反滲透膜的應用現狀

　　在各種膜分離技術中，反滲透技術是近年來國內應用zui成功、發展zui快、普及zui廣的一種，估計自1995年以來，反滲透膜的使用量每年平均遞增20%，根據保守的統計，1999年工業反滲透膜元件的市場供應量為8英寸膜一萬六千支，4英寸膜二萬六千支。2000年的市場更為強勁，據國內近300家水處理工程公司的不完全統計，今年一季度，國內合同簽約的反滲透工程日產水量已達到12萬噸。預計全年膜用量會比去年有較大幅度的提高。估計反滲透技術的應用已帶動水處理行業全年十億人民幣以上的產值。

　　國內反滲透膜工業應用的zui大領域仍為大型鍋爐補給水，各種工業純水、飲用水的市場規模次之，電子、半導體、制藥、醫療、食品、飲料、酒類、化工、環保、冶金、紡織等行業的膜應用也都形成了一定規模。今后有潛力的應用領域有發電廠冷卻循環水的排污水處理、大型海水淡化、苦咸水淡化、大型市政及工業廢水處理等。 　

2. 反滲透膜zui新進展及發展趨勢

2.1 超低壓膜

　　由于節省電能消耗和降低相關機械部件的壓力等級引起材料費下降等優點，自1996年以來超低壓膜的應用比重日益增大，這在以使用4英寸膜為主的小型裝置中應用zui為突出，以目前國內zui大反滲透膜供應商美國海德能公司為例，近兩年售出的4英寸膜的80%為超低壓膜，大型裝置中應用超低壓膜也呈大幅上升趨勢，目前國內使用超低壓膜的zui大裝置的產水量為650噸/小時。

2.2 低污染膜

　　膜污染是反滲透應用中的zui大危害，它不僅縮短膜使用壽命、增加運行費用，還直接影響膜系統的、連續運行。目前已有幾種抗污染性能強、使用壽命長、清洗頻度低且易清洗的低污染膜問世。海德能公司的LFC1膜由于具有膜表面呈電中性且親水性好等特點，成為低污染家族中的佼佼者，也是*在國內大型反滲透裝置中得到應用的低污染膜。目前已在國內幾家大型電廠、汽車廠、電子材料廠、茶葉濃縮廠中成功運行。

2.3 帶正電荷的反滲透膜

　　現在廣泛應用的低壓、超低壓復合膜的材質均為芳香族聚酰胺，其膜表面均帶有負電荷，現已有膜廠家開發出表面帶正電荷的低壓復合膜，這種膜現主要應用于制備高電阻率的高純水系統中，在日本，日東電工公司生產的正電荷膜ES10C已在半導體行業的三級反滲透系統中實現10～15兆歐電阻率的高純水，在韓國的現代電子公司的三個生產廠的合計zui終產水800噸/小時的三級反滲透系統的產水電阻率為8～9兆歐。在國內上海某半導體廠的170噸/小時的三級反滲透系統也達到上述指標。另外在國內一些制藥廠的5～20噸/小時規模的兩級反滲透系統中也實現了反滲透產水電阻率為1～4兆歐。2000年國內制藥行業將投產20套這樣的反滲透系統。

2.4 耐高溫、食品級、衛生級反滲透膜

　　普通的水處理用反滲透膜的使用溫度均為0～45℃，但在需要耐90℃高溫殺菌的特殊場合，可使用耐高溫、耐化學藥品的反滲透膜。此外，各種有特殊膜元件結構的食品級或衛生級的反滲透膜也開始在國內得到應用。 　

3. 海水淡化膜應用現狀及zui新進展

　　國外已有多套日產水量為10萬噸級以上的反滲透海水淡化裝置，目前正在運行的大型卷式膜海水淡化裝置的單機能力多為日產水量6000噸。國內目前已建成和正在建設的反滲透海水淡化裝置的規模為日產水量350～2500噸，國外單段反滲透海水淡化的水利用率zui高45%，國內目前多為35%，另國內漁船上裝載的反滲透海水淡化機多用直徑2.5英寸的小型膜元件。目前國內有批量生產海水淡化裝置經驗的公司不超過10家，正在河北建設的日產水量18000噸的“亞海水”脫鹽裝置是國內zui大的使用海水淡化膜的反滲透裝置。今后國內海水淡化膜的應用將進入一個新時期，不久的將來，我國也會建設日產水萬噸級的海水淡化裝置，此外國內已開始商業生產海水淡化反滲透膜元件。

　　日本的三家膜公司已開發出可耐9.0MPa以上壓力的海水淡化膜，使用此種膜，日本的水處理工程公司已在西班牙建造了水回收率高達60%的兩段反滲透海水淡化裝置。目前在日本福岡，已開始建設日產水五萬八千噸的高回收率反滲透海水淡化裝置。美國海德能公司已開始在大型飲用水項目上，提供對硼離子有高脫除率的海水淡化膜。

　4. 納濾膜及其應用

　　納濾膜的研制與應用較反滲透膜大約晚二十年，但近十年來納濾膜的研究與開發十分活躍，我國大約五年前開始形成研究及應用熱潮。到目前為止，對納濾膜的機理、特征等的認識還遠遠不充分，學術界比較統一的解釋為：納濾膜介于反滲透和超濾膜之間，其膜表面分離皮層可能具有納米級微孔結構。相對于反滲透膜NaCl的脫除率均在95%以上，一般將NaCl脫除率為90%以下的膜均可稱之為納濾膜，反滲透膜幾乎對所有溶質都有很高的脫除率，而納濾膜只對特定的溶質具有脫除率。納濾膜主要去除一個納米左右的溶質粒子，截留分子量一般為100～2000。與反滲透膜幾乎均為聚酰胺材質不同，納濾膜的材質范圍則較為廣泛，有些納濾膜的表面形成高聚物電解質因而常常有較強的電荷性。如的納濾膜NTR-7400系列，其材質為磺化聚砜，膜表面帶有較強的負電性。

　　在國外，納濾膜zui大應用市場的飲用水領域，主要用于脫除三鹵甲烷中間體(THM)、異味、色度、農藥、合成洗滌劑、可溶有機物、Ca、Mg等硬度成分等等。目前國外城市飲用水已有日產水十萬噸級的大型裝置。但國內目前還只有日產水數百噸級的實驗型裝置，相信今后在國內此領域會逐步有較大突破。目前在飲用水領域還主要使用與反滲透膜材質相同的聚酰胺納濾膜。影響納濾膜在飲用水領域大量使用的限制因素中，有應用技術不足的因素，也有人們認識不足的因素。目前國內有些生產“飲用水”的系統是使用反滲透和超濾產品水的勾兌混合水。 納濾膜另一個很有前途的應用領域是環保和廢水處理。這方面國內做的還很不夠，一方面熟悉傳統廢水處理的企業不熟悉膜技術，另一方面，搞慣了膜法純水處理的企業不愿意下大氣力將膜分離技術開發、應用到復雜的廢水處理領域。

　　納濾膜應用開發較為熱門的一個領域是各種醫藥、生化、食品、化工物料水溶液的分離、精制或濃縮過程。這方面已有不少成功的實例，可惜由于許多企業出于商業保密的原因，常常不容易及時推廣普及。 　

5. 超濾膜及若干新進展

　　超濾是應用zui為廣泛的膜技術之一，也是我國國產化率zui高的膜品種。但因產品還程度不同地存在著品種少、質量不高的問題，影響了大面積的推廣和普及。此外，國內生產廠過小、過多、千孔一面，簡單仿制還較嚴重，缺乏產量大、有開發生產實力的大企業。相信這一局面會在不久的將來會有所改觀。

目前超濾的發展趨勢有以下幾點：

　　5.1 組件大型化、化，6英寸以上高通量大組件、集束化、設備化的超濾器已經出現。

　　5.2 大膜孔徑、粗中空絲的超微濾膜化。例如美國海德能公司的Hydracap超濾膜組件，這種膜組件除單獨使用外，還越來越多地應用到反滲透的預處理過程中，構成所謂集成膜處理系統(IMS)。用超濾或超微濾膜代替傳統的砂濾、活性碳、微濾是今后的一個新趨勢。

　　5.3 卷式超濾有新發展。如日本日東電工兩年前推出的RS系列卷式超濾膜，該膜截留分子量為75萬，使用時為全過濾，不排濾水，清洗時可從產品水側加壓反洗。此膜在中東已用于海水淡化裝置的預處理，該超濾裝置處理量為每天十三噸。

　　5.4 特殊性能化，在半導體超純水、醫藥注射用水用途，已有耐95℃高溫，或耐121℃蒸汽滅菌，可完全做到無菌、無熱源的超濾膜組件，例如日本日東電工的ST-V6超濾膜組件等。