膜材基礎(chǔ)知識
膜材基礎(chǔ)知識
膜材是指膜結(jié)構(gòu)工程中所使用的材料，由高強度的織物基材和聚合物涂層構(gòu)成的復(fù)合材料。以下是由學(xué)習(xí)啦小編整理關(guān)于膜材知識的內(nèi)容，希望大家喜歡!
膜材材料組成
1.醋酸纖維素: 醋酸纖維素(CA)膜是由二醋酸纖維素和三醋酸纖維素的鑄膜液及二者混合物澆鑄而成。隨著乙酰基含量的增加，鹽截留率與化學(xué)穩(wěn)定性增加而水通量下降。Loeb-Sourirajan 不對稱結(jié)構(gòu)是使用一“醫(yī)用刮刀”(“doctor blade”)把CA、乙醇或乙醚溶液澆鑄在一多孔基片(如帆布)上，表面經(jīng)空氣干燥產(chǎn)生一薄皮層而形成。在較大孔層之上的致密表皮是由約0.2μm厚的薄層組成，膜的總厚度約100μm.該技術(shù)也可用于管狀的和中空纖維狀膜的澆鑄。
CA膜的化學(xué)穩(wěn)定性差,在運轉(zhuǎn)期間會發(fā)生水解, 其水解速度與溫度及pH條件有關(guān)。醋酸纖維素膜可在溫度0～30℃及pH值4.0～6.5下連續(xù)操作。這些東麗膜產(chǎn)品也會被生物侵蝕, 但由于它們具有可連續(xù)暴露在低含氯量環(huán)境下的能力,故可以消除生物侵蝕。膜穩(wěn)定性差的結(jié)果導(dǎo)致膜截留率隨操作時間增長而下降。然而, 這些材料的普及是由于它們具備廣泛的來源和低廉的價格。
2.芳香聚酰胺：不對稱芳香聚酰胺(Aramid)膜(Richter和Hoehn 1971)以中空纖維形式為所首創(chuàng)。這些纖維是由溶液紡絲而成。由控制紡絲液溶劑的蒸發(fā)在纖維外表面形成約0.1～1.0μm的致密表皮層。余下的纖維結(jié)構(gòu)是約26μm厚的一層多孔支撐結(jié)構(gòu)。鹽的截流作用發(fā)生在致密層。為了進(jìn)一步提高截留性能，當(dāng)中空纖維膜用于苦咸水脫鹽時，對膜采用聚乙烯基甲基醚(PT-A)進(jìn)行后處理，用于海水脫鹽則用PT-A與鞣酸(PT-A)作后處理。
與纖維素膜相比，芳香聚酰胺膜的特點是具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性。它們能在溫度0～30℃ pH4～11件連續(xù)操作，且不會被生物侵蝕。然而芳香聚酰胺膜若連續(xù)暴露在含氯環(huán)境中，則易受氯侵蝕，因此，對他們處理的進(jìn)料液進(jìn)行脫氯是重要的。
3. 薄膜復(fù)合膜：美國內(nèi)政部鹽水局于年代中期基金資助的North Star Research 和Development Institute(位于 Minneapolis)的工作( Francis 1966; Rozelle等 1967)導(dǎo)致了薄膜復(fù)合膜的發(fā)展。Universal Oil Products的 Fluid Systems Division( Riley等1967)在70年代中期推出了它的商品(薄膜復(fù)合物)膜，而FilmTec公司在80年代初期推出了它的FT30復(fù)合膜(Cadotte等1980) 。在這些膜結(jié)構(gòu)中，超薄柵層在一多孔織物支撐體上的微孔聚砜表面上形成(即0.2μm厚)。該聚砜上的柵層是由聚酰胺或聚脲的"就地"界面聚合技術(shù)產(chǎn)生的。
薄膜復(fù)合膜的優(yōu)點與它們的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，其最主要的特點是有較大的化學(xué)穩(wěn)定性，在中等壓力下操作就具有高水通量和鹽截留率及抗生物侵蝕。它們能在溫度0～40℃及pH2～12間連續(xù)操作。像芳香聚酰胺一樣，這些材料的抗氯及其他氧化物的性能差。
膜材的主要構(gòu)型
反滲透膜 (什么是反滲透膜?) 需要制成一定構(gòu)型才可用于水處理。如今膜的構(gòu)型主要有平板式，管式，卷式和中空纖維式，但常用于水處理的是卷式和中空纖維式兩種。
對于卷式構(gòu)型，常用膜有醋酸纖維素膜和復(fù)合膜，利用這些膜制成膜元件，把膜元件放在壓力容器中構(gòu)成膜組件。用于制作卷式構(gòu)型的膜一般先制成平整的膜，醋酸纖維素膜的結(jié)構(gòu)見圖1，上部有一層致密的薄層(0.1-1.0μmm),即脫鹽層，脫鹽層下面有一層稍厚(100~200μm)的多孔支撐層，水很容易通過致密層流向多孔層。致密層是半透膜層，能有效阻止鹽分的通過，起脫鹽作用。
復(fù)合膜由三層組成，它們是：最上面的超薄脫鹽層、中間的多孔的聚砜內(nèi)夾層，最下面的聚酯支撐網(wǎng)層。由于聚酯支撐層不很平坦和多孔，不能用來直接支撐脫鹽層，因而在該支撐層上面澆注一層聚砜微孔層，用于直接支撐脫鹽層。聚砜層表面孔徑可控制在0.015μm。脫鹽層厚度為0.2μm,在聚砜層的支撐下，能承受較高的壓力，抗機械壓力和化學(xué)侵蝕能力強。
對于中空纖維構(gòu)型，利用芳香族聚酰胺膜制成的眾多中空纖維直接裝配在壓力容器內(nèi)，構(gòu)成用于水脫鹽的基本單元--膜組件。
無論是卷式還是中空纖維式，對其構(gòu)型的共同要求如下：
1) 對膜能提供適當(dāng)?shù)臋C械支撐，以便承受一定的給水壓力;
2) 能使給水，濃水和產(chǎn)品水各行其道，不混合;
3) 使有一定壓力的給水在通過膜面上時，能均勻分布，并有良好的流動狀態(tài)，是濃差計劃降至最低;
4) 膜本身具有的脫鹽率和透水量能在構(gòu)型中得到充分的利用;
5) 膜面積能得到最大限度的利用
6) 便于貯存，運輸，裝卸和更換;
7) 易于制造，維護(hù)方便，牢固且安全可靠;
8) 價格有競爭力。
1. 螺旋卷式
首先敘述卷式膜元件的概念。葉片有兩張平展開的膜和一張聚酯織物組成，聚酯織物在兩張膜的中間，葉片一端膠接起來形成一個袋，另一端(伸出來的聚酯織物)與帶孔的PVC管粘接。葉片之間有塑料網(wǎng)，它們一起沿PVC中心管卷繞形成卷式構(gòu)型。塑料端部裝置粘接到卷式的葉片兩端，一端起反伸縮裝置(ATD)的作用，另一端起濃水密封的載體作用。玻璃鋼(FRP)材料的外表面保護(hù)卷式構(gòu)型。這樣，形成了一個完整的膜元件。
卷式膜元件裝入壓力容器內(nèi)試驗，性能符合要求即可出售。前面提到的聚酯織物是起產(chǎn)品水收集通道的作用。塑料網(wǎng)一是作為濃水(給水)通道;二是起加強給水通道水流紊動的作用，以便把濃差極化減少到最低程度。因為卷式反滲透裝置的給水從膜元件的給水端流向濃水端，并平行于膜表面，這種水流方向就有濃差極化的傾向，因而葉片之間的塑料網(wǎng)是極為重要的。
卷式膜元件廣泛用于苦咸水的脫鹽，用于要求產(chǎn)水量較大的脫鹽時，通常使用直徑為101.6mm(4in) 或203.2mm(8in )，長度為1016mm (40in)或1524mm(60in)的膜元件。
把一個或幾個膜元件連接起來，裝在圓筒形的壓力容器內(nèi)，即構(gòu)成卷式膜組件。
壓力給水進(jìn)入第一個膜元件，并在該膜元件的螺旋卷繞之間的通道內(nèi)流動。一部分給水滲透過膜，并通過卷式通道流到膜元件中心的產(chǎn)品水收集管，另一部分給水沿著膜元件長度方向繼續(xù)流動至第二個膜元件，這一過程依次進(jìn)行。每個膜元件的產(chǎn)品水通過公共產(chǎn)品水管流成。當(dāng)給水每通過下一個膜元件時，給水濃度增大，流過最后一個膜元件時，給水成為濃水，并排出壓力容器。
2. 中空纖維式：
眾多中空纖維膜裝配在壓力容器內(nèi)構(gòu)成中空纖維式膜組件。如今常用的是杜邦公司生產(chǎn)的用于苦咸水脫鹽的B-9型中空纖維膜組件，現(xiàn)以此為例說明。中空纖維外徑為85μm,內(nèi)徑為42μm，壁厚為21.5μm。該纖維在其表面有一層很薄得致密層(即芳香族聚酯胺膜的脫鹽層)，該層用以阻止鹽的透過，而能使水流穩(wěn)定通過。在此薄層下面有一較厚的同樣材料的多孔層，用來支撐脫鹽層。該層能讓水通過它流至中空纖維的內(nèi)孔。
中空纖維比人的頭發(fā)還細(xì)，盡管其壁薄，外徑與內(nèi)徑比率差少為2：1，猶如厚壁圓柱，但其有自支撐作用，且強度足夠承受較高的壓力而不變形，不損壞。
對處理水量較大的系統(tǒng)，可使用102×1194或203×1219的膜組件。壓力容器內(nèi)幾乎全部充滿纖維束，在纖維之間有約25μm的水通路。纖維束間是用無紡布隔開的，然后纏繞，整個纖維束分24層，纖維束最外層包有導(dǎo)流網(wǎng)，以利濃水導(dǎo)流。，空心纖維在壓力容器內(nèi)呈U型平行排列，在纖維中間的進(jìn)水管道的一端用于進(jìn)加壓后的給水，另一端封堵密封，在其長度方向上有很多孔。纖維束的U型底部一端用環(huán)氧樹脂固定密封，另一端通過環(huán)氧樹脂板固定，并敞開中空纖維孔。進(jìn)水管道內(nèi)的水徑向流往纖維束里的許多纖維。有一部分水滲透進(jìn)中空纖維孔內(nèi)，成為產(chǎn)品水，經(jīng)環(huán)氧樹脂圓環(huán)引出，另一部分在纖維束外邊緣(即壓力容器內(nèi)邊緣)軸向流往壓力容器的端部，成為濃水，不斷排走，并依靠O型密封環(huán)防止給水，濃水和產(chǎn)品水的混合。
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