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      PVDF中空纤维超滤膜的应用

      2009-03-19  

    世界上大多数的水体污染严重,加剧了水资源紧缺的矛盾。传统的自来水处理方法,已不能保证提供品质优良的饮用水,而且在市政供水中还存在着两次污染的问题,如高层的水箱供水,漫长的自来水输送管线,都会造成潜在的铁锈,水垢及微生物等污染问题,因此,各种品牌的净水器应运而生。

    好的家用净水器应该是能为我们提供符合安全、健康标准的水:第一,没有污染的水——无毒、无害、无异味;第二,没有退化的水——含有微量溶解氧、具有生命活力的水;第三,符合人体生理需要的水——含有一定有益矿物质等。

    一、超滤膜是净水器的最佳选择
    1、超滤膜的优势:
    在我国,由于水源污染以及二次污染相当严重,用普通的过滤介质难以实现生活饮用水深度净化效果。超滤膜净化技术采用高精度纯物理的过滤原理,过滤精度为0.1~0.001微米,不添加任何化学物质,依靠超滤膜表面密布的微孔进行筛分,从而截留有害物质,从而实现过滤净化、纯化的效果。截留水中的铁锈、微粒、细菌、胶体及部分有机物等,保持产水pH值不变,同时保留水中人体所需微量矿物质和微量溶解氧。如果再和活性炭组合使用,除去水中异味和有机物,则将是一组完美的结合产品。同时,超滤膜过滤只需依靠自来水本身压力即可实现,不需要用电、加压,具有低压无相变,能耗低,废水排放少的特点,安全节能。另外,超滤膜过滤由于不需要用电加压,设备安装简单易行,产水通量大,无需储水桶等配套设备。最后,超滤膜过滤具备冲洗排污的功能,通过正反冲洗超滤膜膜丝,可将截留的污染物冲洗排出,延长超滤膜丝的使用寿命。超滤膜是家用水处理器的最佳选择。随着制膜技术的发展和生产规模化,使超滤膜性能更加稳定,目前是净化生活饮用水的主流技术,同时在饮料、生物、食品、医药等领域应用广泛。


    2、超滤膜工作原理:超滤膜是由起分离作用的一层极薄表皮层或较厚的起支撑作用的海绵状或指状多孔层组成,孔隙大小在0.1~0.001μm的选择性透过膜。超滤膜过滤技术是指利用具有选择透过能力的超滤薄膜做分离介质,膜壁密布微孔,原液在一定压力下通过膜的一侧,溶剂及小分子溶质透过膜壁为透过液,而较大分子溶质被膜截留,从而达到物质分离及浓缩的目的。与传统过滤的不同在于,超滤膜可以在分子范围内进行分离,并且这过程是一种物理过程,不需发生相变化和化学变化,适应性强。
    3、超滤膜分类
    超滤膜根据膜材料的不同,可分为无机膜和有机膜,无机膜主要是陶瓷膜和金属膜。有机膜主要是由高分子材料制成,如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚偏氟乙烯等等。根据膜形状的不同,可分为平板膜、管式膜、毛细管膜、中空纤维膜等。
    无机膜中,陶瓷超滤膜在家用净水器中应用比较多。陶瓷膜寿命长,耐腐蚀,但出水有土味,影响口感。同时陶瓷膜易堵塞,清洗不易。中空纤维超滤膜由于其填充密度大,有效膜面积大,纯水通量高,操作简单易清洗等优势,被广泛应用于家用净水行业。目前,市面上家用净水器用的膜基本上都是中空纤维膜,这证明了中空纤维膜的广泛应用前景,是大家公认的好滤材。
    4、中空纤维超滤膜
    中空纤维超滤膜的工作模式主要有外压式过滤和内压式过滤。外压式过滤是指原水从中空膜丝外侧经滤膜管壁过滤,形成透过液,从中空膜丝内侧流出。见下图。


    图1
    内压式过滤是指原水从中空膜丝内侧经滤膜管壁过滤,形成透过液,从中空膜丝外侧流出。见下图。



    图2

    比较中空纤维超滤膜的两种过滤模式,我们发现:
    1)外压式过滤形成的污垢层在中空纤维膜丝的外壁上,内压式过滤形成的污垢层在中空纤维膜丝的内壁上,在清洗膜丝污垢时,由于膜丝比较细,内孔小,滞留的污垢不易清洗。家用净水器通常以死端过滤模式(浓缩液大部分时间被滞留,易形成污垢)工作,长时间使用后,内压式膜丝由于膜丝内部滞留的污垢过多,通水量下降明显,严重者造成堵塞。
    2)相同内外径的中空纤维膜丝,由于外表面面积比内表面面积大很多,所以外压式(外表面作用)膜丝的有效面积比内压式(内表面作用)大很多。同时在相同的透膜压力(TMP)条件下处理污染量一定的相同水质,由于外压式过滤的透膜面积大,所以单位面积的污染负荷小。所以,对膜通量保持率的影响外压式过滤比内压式过滤稳定。
    3)内压式过滤的膜丝在使用过程中,由于水压的增大,容易造成膜丝爆裂而导致膜组件串水或报废。外压式过滤的膜丝在使用过程,水压增大,会造成膜丝压扁但不会存在膜丝爆裂现象。

    二、聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维超滤膜——超滤膜中的翘楚
    中空纤维超滤膜作为一种广泛使用的家用净水处理滤材,其主要生产原材料有聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚砜(PES)、聚砜(PS)、聚丙烯腈(PAN)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)等高分子材料。由于材料的不同,生产的中空纤维膜性质各异。PVDF作为一种结晶型的高聚合物,以耐腐蚀性能优良,机械强度和物理性能良好,卫生安全性能符合美国NSF的标准要求,耐辐射等优势成为首选膜材料。


    1、PVDF中空纤维超滤膜卫生安全
    PVDF作为涉水产品使用材料,经权威机构美国国家卫生基金会NSF(NationalSanitationFoundation)检验合格。
    2、PVDF中空纤维超滤膜使用寿命长
    PVDF作为一种含氟高分子材料,是氟塑料中最强韧的,具有较高的耐热性,不燃性,具有突出的耐气候老化性,耐臭氧、耐辐照、耐紫外光,耐腐蚀性能优良,室温下不被酸、碱、强氧化剂、卤素所以腐蚀。用PVDF材料生产的中空纤维膜同样具备优良的耐腐蚀性能(pH值大于10的强碱除外)。进行化学清洗时,对清洗药剂要求不高,便以操作。化学清洗作为PVDF膜丝通量恢复的一种主要手段,使PVDF超滤膜滤芯达到可反复使用的目的。再加上PVDF良好的耐腐蚀性能,PVDF膜丝使用寿命一般大于5年,其它膜材的膜丝使用寿命一般为1~2年就必须进行更换,大部分不能进行化学清洗。所以,目前市场上的大部为超滤膜滤芯因为寿命短,基本上做成抛弃式的(或一次性的),这就增加消费者的使用成本,也给环境污染(主要是固体性污染)造成一定的压力。
    3、PVDF中空纤维超滤膜表面性能优越
    超滤膜在实际使用过程中,控制膜过程污染一直是行业研究的主要课题。控制膜过程污染的有效方式有:适合的抗污染膜材的选择、过滤操作的强化、对原料液的预处理等。在家用净水行业,由于操作要求的限制,太多辅助、复杂的过滤操作显然是不现实的,净水器的过滤操作要求是简单易行。家用净水器原水是市政自来水,超滤膜过滤根本不需要对原水进行预处理。所以,超滤膜在使用过程中控制膜污染的最好方式是选用适合的抗污染膜材。PVDF是目前世界公认的高抗污染材料,其生产的PVDF超滤膜抗污染性能远远高于其它材料膜。作为一种含氟的高分子材料,由于其中的氟元素具有较强的负极性,从而使PVDF膜不易吸附有机物而具备良好的抗污性能。采用PVDF生产的膜组织结构均匀,孔隙分布均匀,膜表面孔小而内部孔大,这种结构也是膜孔不易污堵基本条件之一。


    PVDF作为一种有机高分子材料,和其它高分子材料一样,具有高疏水性。纺制PVDF中空纤维膜丝时,一般都会对PVDF进行亲水性改性。改性后生产出来的PVDF膜丝亲水性能好,表面开孔率高,分布均匀。所以,以PVDF中空纤维超滤膜为滤膜生产的净水器,通量比一般膜材料的净水器高很多。
    PVDF中空纤维超滤膜孔隙孔径小于0.1微米,目前世界上已发现的最小细菌直径在0.2微米以上。因此细菌以及比细菌体积大得多的胶体、铁锈、悬浮物、泥沙、大分子有机物等都能被超滤膜截留下来,从而实现了净化过程。同时保留水中对人体有益的矿物质。PVDF中空纤维超滤膜具有良好的过滤精度,使用在净水器上,相当于在自家安装一台小型矿泉水生产设备,简单方便又健康。

    三、PVDF中空纤维超滤膜生产应用
    目前国际上PVDF中空纤维超滤膜的生产企业主要有美国GE/Zenon、德国西门子/Memcor、日本ASAHI、荷兰NORIT等,国内比较有名的主要有广州美能材料科技有限公司、天津膜天、山东招金膜天等。
    广州美能材料科技有限公司作为一家新加坡外资企业,拥有多位来自英国、美国、澳洲、日本、新加坡等国从事膜研究、制造与应用的博士。公司于2005年成立,并于同年研制成功PVDF中空纤维超滤膜,实现规模化生产。广州美能材料科技有限公司作为聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维超滤膜的专业生产企业,一直致力于PVDF中空纤维超滤膜在家用净水器方面的应用研究。经过国内外多位博士的联合公关,美能公司生产的PVDF中空纤维超滤膜被成功使用在家用净水器上,属国内首创。目前,国际上能成功开发出应用于净水器的PVDF中空纤维超滤膜的企业唯有美国GE和广州美能。
    美能公司生产的PVDF中空纤维超滤膜由于卫生安全、通量高、抗污染易清洗、耐腐蚀寿命长、过滤精度好等特点,被广泛应用于家用净水器、化工、石化、轻工、纺织、冶金、食品、医药、电子等行业。具有无能耗、单级分离效率高、过程简单、不污染环境等优点。

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