高分子分离膜在水处理技术中的应用

  以高分子分离膜为代表的膜分离技术作为一种新型、高效流体分离单元操作技术，三十年来取得了令人瞩目的飞速发展，已广泛应用于国民经济的各个领域。本报告将苏州溪城介绍几种主要的液体分离膜的应用现状、*新进展和发展趋势。  
1. 反渗透膜的应用现状
    在各种膜分离技术中，反渗透技术是近年来国内应用*成功、发展*快、普及*广的一种，估计自1995年以来，反渗透膜的使用量每年平均递增20%，根据保守的统计，1999年工业反渗透膜元件的市场供应量为8英寸膜一万六千支，4英寸膜二万六千支。2000年的市场更为强劲，据国内近300家水处理工程的不完全统计，今年一季度，国内合同签约的反渗透工程日产水量已达到12万吨。预计全年膜用量会比去年有较大幅度的提高。估计反渗透技术的应用已带动水处理行业全年十亿人民币以上的产值。
    国内反渗透膜工业应用的*大领域仍为大型锅炉补给水，各种工业纯水、饮用水的市场规模次之，电子、半导体、制药、医疗、食品、饮料、酒类、化工、环保、冶金、纺织等行业的膜应用也都形成了一定规模。今后有潜力的应用领域有发电厂冷却循环水的排污水处理、大型海水淡化、苦咸水淡化、大型市政及工业废水处理等。
2. 反渗透膜*新进展及发展趋势
2.1 超低压膜
    由于节省电能消耗和降低相关机械部件的压力等级引起材料费下降等优点，自1996年以来超低压膜的应用比重日益增大，这在以使用4英寸膜为主的小型装置中应用*为突出，以目前国内*大反渗透膜供应商美国海德能为例，近两年售出的4英寸膜的80%为超低压膜，大型装置中应用超低压膜也呈大幅上升趋势，目前国内使用超低压膜的*大装置的产水量为650吨/小时。
2.2 低污染膜
   膜污染是反渗透应用中的*大危害，它不仅缩短膜使用寿命、增加运行费用，还直接影响膜系统的高效、连续运行。目前已有几种抗污染性能强、使用寿命长、清洗频度低且易清洗的低污染膜问世。海德能的LFC1膜由于具有膜表面呈电中性且亲水性好等特点，成为低污染家族中的佼佼者，也是**在国内大型反渗透装置中得到应用的低污染膜。目前已在国内几家大型电厂、汽车厂、电子材料厂、茶叶浓缩厂中成功运行。
2.3 带正电荷的反渗透膜
    现在广泛应用的低压、超低压复合膜的材质均为芳香族聚酰胺，其膜表面均带有负电荷，现已有膜厂家开发出表面带正电荷的低压复合膜，这种膜现主要应用于制备高电阻率的高纯水系统中，在日本，日东电工生产的正电荷膜ES10C已在半导体行业的三级反渗透系统中实现10～15兆欧电阻率的高纯水，在韩国的现代电子的三个生产厂的合计*终产水800吨/小时的三级反渗透系统的产水电阻率为8～9兆欧。在国内上海某半导体厂的170吨/小时的三级反渗透系统也达到上述指标。另外在国内一些制药厂的5～20吨/小时规模的两级反渗透系统中也实现了反渗透产水电阻率为1～4兆欧。2000年国内制药行业将投产20套这样的反渗透系统。
2.4 耐高温、食品级、卫生级反渗透膜
   普通的水处理用反渗透膜的使用温度均为0～45℃，但在需要耐90℃高温**的特殊场合，可使用耐高温、耐化学药品的反渗透膜。此外，各种有特殊膜元件结构的食品级或卫生级的反渗透膜也开始在国内得到应用。
3. 海水淡化膜应用现状及*新进展
   国外已有多套日产水量为10万吨级以上的反渗透海水淡化装置，目前正在运行的大型卷式膜海水淡化装置的单机能力多为日产水量6000吨。国内目前已建成和正在建设的反渗透海水淡化装置的规模为日产水量350～2500吨，国外单段反渗透海水淡化的水利用率*高45%，国内目前多为35%，另国内渔船上装载的反渗透海水淡化机多用直径2.5英寸的小型膜元件。目前国内有批量生产海水淡化装置经验的不超过10家，正在河北建设的日产水量18000吨的“亚海水”脱盐装置是国内*大的使用海水淡化膜的反渗透装置。今后国内海水淡化膜的应用将进入一个新时期，不久的将来，我国也会建设日产水万吨级的海水淡化装置，此外国内已开始商业生产海水淡化反渗透膜元件。
   日本的三家膜已开发出可耐9.0MPa以上压力的海水淡化膜，使用此种膜，日本的水处理工程已在西班牙建造了水回收率高达60%的两段反渗透海水淡化装置。目前在日本福冈，已开始建设日产水五万八千吨的高回收率反渗透海水淡化装置。美国海德能已开始在大型饮用水项目上，提供对硼离子有高脱除率的海水淡化膜。
 4. 纳滤膜及其应用
   纳滤膜的研制与应用较反渗透膜大约晚二十年，但近十年来纳滤膜的研究与开发十分活跃，我国大约五年前开始形成研究及应用热潮。到目前为止，对纳滤膜的机理、特征等的认识还远远不充分，学术界比较统一的解释为：纳滤膜介于反渗透和超滤膜之间，其膜表面分离皮层可能具有纳米级微孔结构。相对于反渗透膜NaCl的脱除率均在95%以上，一般将NaCl脱除率为90%以下的膜均可称之为纳滤膜，反渗透膜几乎对所有溶质都有很高的脱除率，而纳滤膜只对特定的溶质具有脱除率。纳滤膜主要去除一个纳米左右的溶质粒子，截留分子量一般为100～2000。与反渗透膜几乎均为聚酰胺材质不同，纳滤膜的材质范围则较为广泛，有些纳滤膜的表面形成高聚物电解质因而常常有较强的电荷性。如有名的纳滤膜NTR-7400系列，其材质为磺化聚砜，膜表面带有较强的负电性。
    在国外，纳滤膜*大应用市场的饮用水领域，主要用于脱除三卤甲烷中间体(THM)、异味、色度、农药、合成洗涤剂、可溶有机物、Ca、Mg等硬度成分等等。目前国外城市饮用水已有日产水十万吨级的大型装置。但国内目前还只有日产水数百吨级的实验型装置，相信今后在国内此领域会逐步有较大突破。目前在饮用水领域还主要使用与反渗透膜材质相同的聚酰胺纳滤膜。影响纳滤膜在饮用水领域大量使用的限制因素中，有应用技术不足的因素，也有人们认识不足的因素。目前国内有些生产“上等饮用水”的系统是使用反渗透和超滤产品水的勾兑混合水。 纳滤膜另一个很有前途的应用领域是环保和废水处理。这方面国内做的还很不够，一方面熟悉传统废水处理的企业不熟悉膜技术，另一方面，搞惯了膜法纯水处理的企业不愿意下大气力将膜分离技术开发、应用到复杂的废水处理领域。
   纳滤膜应用开发较为热门的一个领域是各种医药、生化、食品、化工物料水溶液的分离、精制或浓缩过程。这方面已有不少成功的实例，可惜由于许多企业出于商业保密的原因，常常不容易及时推广普及。
5. 超滤膜及若干新进展
  超滤是应用*为广泛的膜技术之一，也是我国国产化率*高的膜品种。但因产品还程度不同地存在着品种少、质量不高的问题，影响了大面积的推广和普及。此外，国内生产厂过小、过多、千孔一面，简单仿制还较严重，缺乏产量大、有开发生产实力的大企业。相信这一局面会在不久的将来会有所改观。
目前超滤的发展趋势有以下几点：
 5.1 组件大型化、高效化，6英寸以上高通量大组件、集束化、设备化的超滤器已经出现。
5.2 大膜孔径、粗中空丝的超微滤膜化。例如美国海德能的Hydracap超滤膜组件，这种膜组件除单独使用外，还越来越多地应用到反渗透的预处理过程中，构成所谓集成膜处理系统(IMS)。用超滤或超微滤膜代替传统的砂滤、活性碳、微滤是今后的一个新趋势。
5.3 卷式超滤有新发展。如日本日东电工两年前推出的RS系列卷式超滤膜，该膜截留分子量为75万，使用时为全过滤，不排滤水，清洗时可从产品水侧加压反洗。此膜在中东已用于海水淡化装置的预处理，该超滤装置处理量为每天十三吨。
5.4 特殊性能化，在半导体超纯水、医药注射用水用途，已有耐95℃高温，或耐121℃蒸汽**，可完全做到无菌、无热源的超滤膜组件，例如日本日东电工的ST-V6超滤膜组件等。