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膜生物反应器的膜组件

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学社博客 发表于 2019-9-9 19:11 | 显示全部楼层 打印 上一主题 下一主题
膜的结构大体上可以分为两种。
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一种是对称膜,它在整个膜的厚度上具有相同的特性,如微孔数量、孔径大小相同,正反面具有相同的效应,也称各向同性膜。/ f& q+ }( ?5 t3 J2tech.cn

4 F( J! \6 _% o% N6 d/ e8 p另一种是非对称膜,它在整个膜的厚度上的特性是变化的,不再像对称膜那样具有相同的微孔数量和孔径大小,也称各向异性膜。它一般是由一层极薄(通常厚度仅为0.1~1μm)的具有一定孔径的表皮层和一层较厚(通常为125μm)的具有海绵状或指状结构的多孔层组成,前者主要起筛分作用,后者主要起支撑作用。
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1 V; y& m% e% d8 u) ]7 I8 _7 c4 C通常,对称膜由于有些孔的表面开孔大,内部反而小,因此容易产生膜内堵塞,使膜通量迅速下降,而且很难清洗。
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8 R8 s6 k7 e: b1 E7 }如对中空纤维膜而言,双皮层中空纤维膜中内、外皮层各存在孔径分布,使用内压管时有些大分子透过皮层孔,但可能在外皮层更小孔处被截留而产生堵塞,引起膜通量不可逆衰减,甚至用反冲洗也不能恢复其性能;+ m) g6 }+ i# V: L2tech.cn

: o  X# ]3 l' V- }5 E对单内皮层中空纤维膜,如外表面为开孔结构,外表面孔径比内表面孔径大几个数量级,这样透过内表面孔的大分子绝不会被外表面孔截留,因而抗污染能力强,而且即使内表面被污染,用反洗也很容易恢复性能。' X7 n2 U. n9 i7 S, \2tech.cn
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因此,膜结构选择的原则之一是采用不对称结构的膜较耐污染。# P, H5 Q  B' q5 `! D5 O5 v+ |2tech.cn
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我们知道膜的应用都是做成相应的组件后投入使用的,因此除了选择合适的膜结构,还要选择恰当的组件结构。对于压力驱动膜来说,为了承受一定的操作压力,膜面必须安装在某些特定的器件上,我们把将一定面积膜以某种形式组装成的用于工程应用的器件称为膜组件。2 B5 d. u2 Y& h# f7 a- e2tech.cn

- |2 r3 ~$ x+ {8 t) v$ Y膜组件处理包括膜本身以外,一般还有压力支撑体、料液进口、流体分离器、浓缩液出口和透过液出口等。
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; s( H8 q3 k( y+ r膜组件基本上可以分成两大类:管式和平板式。
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+ b: a, Q3 p4 E2 e7 D- c常用的有以下几种形式:管式、毛细管式、中空纤维、板框式和卷式。
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1.管式膜组件
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在所有膜组件中,管式膜组件形式是最简单的。在这种膜组件中,膜被浇铸在多孔支撑管的内侧。$ l) @3 H# w1 e" b# l( S2 L/ A( Y2tech.cn

4 u5 a* c& w) R% j! ]管径一般为6~25mm,在废水处理中使用最多的管径为13mm。管式膜组件的优点是流体力学条件好,膜面不宜污染,即使膜被污染,清洗也很容易。
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缺点是造价比较高,装填密度比较低。但是管式膜组件最大的好处是与其他组件形式相比,可以允许料液中含有较多的悬浮物,对料液预处理要求不高,因此,管式组件非常适合用于废水处理。' |% [5 A" n* K$ `2tech.cn
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表1列出了管式膜组件的应用领域及其特点。# h' [, a4 H, \1 g2tech.cn

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" N$ t; X, [, ]1 x; c9 K+ d2.毛细管式膜组件. _  X  c2 Z) v2 ^' l1 K2tech.cn

' n9 L3 e2 L9 g; U1 x+ t毛细管膜通常是一层很薄的多孔膜,其外径大约为500~2000μm,内径大约是外径的30%~40%。这些膜管被制成不对称结构,内表面为很薄的分离层,通常是指状结构或海绵状的多孔结构。也有外表面为分离层的,甚至内、外表面双层都为分离层。
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) z8 i0 o6 ^! V7 a0 @' }) y毛细管膜组件无需任何承压器件(支撑管),因此不能承受太高的压力(最高大约2.5MPa)。流动方式可以有错流、并流和逆流。
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1 _8 f% G. Q+ m1 Z2 t这种组件的优点是装填密度远远高于管式膜组件,造价也很低,但缺点是由于不耐压,因此流速比较低,大多情况下处于层流状态,导致传质能力差。" }$ T* ?7 u* P% I2tech.cn
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表2列出了毛细管膜组件的应用领域及其特点。  \! r0 i1 H, q: H, r4 [8 \% I2tech.cn
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* e: ~) t: W: h, V% X5 m3.中空纤维膜组件
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/ Y( O6 Y! I' w# V5 V: t中空纤维膜组件与毛细管膜组件结构很类似,是将多根纤维膜捆绑呈纤维管束,并装在一根耐压管中。只是中空纤维膜的管径要比毛细管更小,一般内径在100μm左右。由于管径很小,所以一般要求料液走管外,而透过液走管内,即外表面为活性分离层。
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绝大多数中空纤维膜都是不对称结构的,同时由于管径更加细小,使得中空纤维管比毛细管耐压(最高可承受10MPa)。同毛细管一样,流动方式也有错流、并流和逆流。它既有毛细管式组件装填密度高的优点,又克服了毛细管式组件不耐压的缺点,因而目前应用非常广泛。2 |+ H, {$ Q: O! p2tech.cn

+ u% A/ m. Z% Q* r; b! f6 }5 {表3列出了中空纤维膜组件的应用领域及其特点。% {6 Y8 W5 {( o; f+ U$ ?2tech.cn
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4.板框式膜组件
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板框式是最早开发的一种膜组件,类似于化工单元操作设备板框式滤机,所不同的是其过滤介质不再是帆布、棉饼,而是各种各样的膜。同其他膜组件形式相比,板框式的优点是结构比较简单,膜的更换、清洗和维护比较方便。. v, M$ C0 S+ k- V4 G2tech.cn
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缺点是装填密度低,一般为100~500m2/m3。
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表4列出了板框式膜组件的应用领域及其特点。6 Q) w3 ]# Q8 C6 M6 |5 d  i2tech.cn
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卷式膜组件是由一个(通常是多个)膜袋(membrane packet)卷在多孔中心管外所形成的。
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膜袋三边密封,第四边粘结到多孔中心管(渗透液收集管)上。膜袋内设有网状多孔的材料,形成渗透液的流道,渗透液以螺旋形式进入中心管,而膜袋与膜袋之间也由网状材料形成料液的通道。这些填充材料起到促进物质交换、减少浓差极化的作用,这也是卷式膜组件最大的特点和优势,同时卷式膜组件的装填密度很高,一般为700~1600m2/m3。& Y" @+ B9 F1 o+ }" D5 o, ]2tech.cn
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缺点是清洗不太方便。! @$ {7 J( u! X0 v! F- w2tech.cn
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表5列出了卷式膜组件的应用领域及其特点。2 {2 u) X' Z( M$ D9 a/ V) L) A6 L2tech.cn

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对于一个膜分离过程,选择什么样的组件主要取决于两个方面:一个是膜本身的性质,另一个是过程的特殊性。
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膜本身的性质主要有膜成本、膜通量、选择性、截留率、稳定性等等,其中成本是最重要的。而过程的特殊性主要是指是否会带来膜污染,污染是否严重,处理量的大小(这主要决定膜通量)。
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一般来说,在液体分离过程中污染问题比较严重,尤其是超滤和微滤,而对于气体分离则不太严重。在我们目前的膜生物反应器过程中,由于处理的对象是污泥,所以膜污染是不可避免的,而且十分严重,因此在选择组件形式时,一定要考虑到过程的特殊性,选择耐污染的组件形式;同时污水处理一般来说量都比较大,这就要求选择膜通量比较大的组件形式。+ q' a9 N* Y( [) `5 h2tech.cn

  n' M3 H- ~" b1 a$ Q4 y. R如果待分离溶液中悬浮物含量较低,且产物在透过液中,采用超滤或微滤分离澄清,则选择组件结构的余地较大。但若截留物是产物,且要高倍浓缩,则选组件结构一定要慎重。  ?$ k; v" {+ K2tech.cn
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一般来说,带隔网作料液流道的组件,由于固体物容易在膜表面沉积、堵塞而不宜采用;但毛细管式与薄流道式的组件设计可以使料液高速流动,剪切力较大,有利于减少粒子或大分子溶质在膜面沉积,减少浓差极化或凝胶层的形成。
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