內壓超濾膜絲單雙端給水的純水通量分布

張智超，苑宏英，汪艷寧，張玉忠，靖大為

（1.天津城建大學環境與市政工程學院，天津市水質科學與技術重點實驗室，天津300384；2.天津工業大學材料工程學院，天津300387）

內壓超濾膜絲單雙端給水的純水通量分布

張智超1，苑宏英1，汪艷寧1，張玉忠2，靖大為1

（1.天津城建大學環境與市政工程學院，天津市水質科學與技術重點實驗室，天津300384；2.天津工業大學材料工程學院，天津300387）

強調了研究內壓中空超濾膜絲純水通量分布特性對于研究超濾工藝的意義，給出了單端給水方式與雙端給水方式內壓膜絲沿程通量的變化規律，分析了單端與雙端給水內壓膜絲沿程通量的壓力特性及溫度特性，比較了長膜絲與短膜絲沿程通量特性的差異，明確了內壓中空超濾膜絲雙端給水方式所具有的多項技術優勢，為中空超濾膜組件及膜系統的運行分析提供參考。

中空超濾；內壓膜絲；雙向給水；通量分布

目前國內水處理領域中超濾（包括微濾）已成為廣泛應用的典型工藝，其使用范圍與處理水量遠超反滲透等其他分離膜工藝。國內關于超濾膜領域的研究中，對其材料、結構、制備工藝及工作機理等方面的研究較多，而對于運行狀態及運行特性方面的研究偏少〔1-2〕。該現象在一定程度上阻礙了超濾工藝優化的水平，降低了超濾工藝的效益，而超濾運行特性研究的一個重要方面就是膜絲的運行特性及其影響因素〔3〕。

超濾膜大多是中空結構，超濾膜絲是形成膜組件與膜系統的基本單元，研究膜絲運行特性是研究膜組件與膜系統運行特性的基礎，研究膜絲運行特性的重點是研究膜絲的通量分布特性〔4〕。影響膜通量分布特性的內部因素主要包括膜絲徑向的透水系數與膜絲軸向的阻力系數。膜絲的透水系數決定于膜絲材料、親水性能、膜絲壁厚、膜孔徑及孔隙率等參數。膜絲的阻力系數決定于膜絲內徑及親水性能等參數。影響膜通量分布特性的外部因素主要包括工作方式（內壓與外壓）、徑流方式（全流與錯流）、給水方式（單端與雙端）、給水水質（純水與污水）、給水壓強、給水溫度、膜絲長度等諸多參數。

筆者以較為簡單的內壓、全流方式及純水水質為背景，研究中空超濾膜絲的單端與雙端運行特性，重點是分析膜通量沿流程的分布特性。內壓膜絲的純水通量特性分析是內外壓膜絲污水通量特性分析的基礎，以及構建內外壓膜組件與膜系統運行數學

模型的基礎。

筆者針對天津工業大學產聚醚砜超濾內壓中空“特定膜絲”（膜絲內、外直徑分別為0.8、1.4mm，截留相對分子質量65 000，孔隙率85%）進行典型分析，重點針對給水壓強、給水溫度、膜絲長度及給水方式等影響通量分布的運行條件。文中后續內容中將該“特定膜絲”簡稱為膜絲。

中空超濾膜工藝的傳統分析指標是特定跨膜壓差條件下產水流量。如忽略產水側壓強，跨膜壓差包括了膜絲給水壓強與膜絲沿程壓降的雙重因素，且簡單的產水流量數值掩蓋了膜絲全境的通量變化過程。筆者在假設產水側壓強為零的前提條件下，將跨膜壓差分解為給水壓強與沿程壓降，從而突出了膜通量沿膜絲流程的分布特性。

1 試驗裝置

在圖1所示膜絲通量分布的試驗裝置中，以反滲透產水為超濾給水，以溫控器控制給水溫度，以減壓閥控制工作壓強，以壓力表檢測膜絲給水端及濃水端的壓強。當控制閥全關時，為單端給水方式，兩壓力表分別顯示膜絲的給水壓強與濃水壓強；當控制閥全開時，為雙端給水方式，兩壓力表分別顯示膜絲的兩端給水壓強。

圖1 內壓中空超濾膜絲通量分布試驗裝置

以漏斗與量筒組成的多個集水器收集并計量單位長度膜絲的產水流量，進而可換算出膜絲的局部產水通量。無論超濾器是臥式或立式運行，由位置高程產生的膜絲內外水體的重力壓強均可相互抵消，故試驗裝置的懸空臥式膜絲放置方式等效于產水側零壓強的臥式或立式內壓超濾絲的運行環境。文中所謂給水壓強均為排除了靜壓的動壓概念。

對于內壓膜絲而言，由于絲內壁沿程阻力的存在，絲內的沿程壓強必然逐漸降低，沿程通量隨之逐漸下降。所謂通量分布特性，系指給水壓強、給水溫度、單端與雙端給水及不同絲長對膜絲沿程通量分布的影響。

2 單端給水膜絲的通量壓強特性

作為壓力驅動膜過程，超濾膜絲運行的重要特點之一是其通量隨壓強的上升而增加。此外，圖2所示膜絲的沿程通量壓強特性表明，不同給水壓強條件下，膜絲沿程通量的下降速率差異較小，而沿程通量的下降幅度差異較大。換言之，膜絲的給水壓強越高，則給水流量越高，沿程的壓降幅度越大，通量下降幅度越大。

圖2 單端給水時產水通量的給水壓強特性（20℃）

從污染概念分析，高壓條件下的膜絲平均通量較高，平均污染速度較快，而低壓條件下的沿程通量的差異較大，其污染失衡較為嚴重。

將圖2曲線中的數據進行數值擬合〔5〕可得到膜絲通量F〔L/（m2·h）〕與給水壓強P（MPa）及沿程位置L（cm）之間的函數關系，如式（1）所示。

根據該式揭示的函數關系，在給水溫度20℃條件下，膜絲首端（L=0處）給水壓強約為12.5 kPa時將開始出現初始產水通量。就整個膜絲而言，在給水溫度為20℃時的膜絲“初始產水流量的臨界壓強”約為12.5 kPa。

此外，隨著給水壓強的上升，平均通量上升；但是，上升速率逐漸減緩，上升幅度逐漸降低。換言之，給水壓強越高，以平均通量與給水壓強的比值表征的膜絲運行效率越低。

3 單端給水膜絲的通量溫度特性

源于超濾膜絲的材料特性與水體的溫度特性，超濾膜絲運行的另一重要特點是其通量隨溫度的上升而增加。但是，與膜絲的通量壓強特性不同，不同給水溫度條件下，膜絲沿程通量的下降速率與下降幅度均很明顯。如圖3膜絲的沿程通量溫度特性曲線所示，高給水溫度條件下沿程通量的下降速率與下降幅度，均遠高于低給水溫度條件下的相應參數。

圖3 單端給水時產水通量的給水溫度特性（0.13MPa）

從污染概念分析，高溫條件下的膜絲平均通量較高，平均污染速度較快，而低溫條件下的沿程通量差異較小，其污染失衡程度的差異有限。

將圖3曲線中的數據進行數值擬合，可得到膜絲通量F〔L/（m2·h）〕與給水溫度T（℃）及沿程位置L（cm）之間的函數關系，如式（2）所示。

該式揭示的通量溫度關系，既包含了膜材料的溫度特性，也包含了水黏度的溫度特性。

此外，膜絲的平均通量隨給水溫度的增加呈現出加速上升的趨勢。

4 雙端給水膜絲的通量特性

所謂雙端給水系指立式或臥式膜絲兩端給水且給水動壓相等的運行方式。圖4與圖5分別是膜絲雙端給水條件下的通量壓強特性曲線與通量溫度特性曲線。兩圖曲線的共同特點是，相同壓強與相同溫度條件下的膜絲兩端位置的通量相等，而絲內徑流從兩端流向中端位置，進而中端位置的通量最低。

圖4 雙端給水時產水通量的給水壓強特性（20℃）

圖5 雙端給水時產水通量的給水溫度特性（0.13MPa）

與單端給水方式的數據相比較，雙端給水方式的通量均衡優勢明顯。從圖2與圖4的相應曲線的比較以及從圖3與圖5的相應曲線的比較，可以看到雙端給水與單端給水兩方式的區別：

（1）宏觀層面看，雙端給水方式下，膜絲左右兩段通量對稱（而非另一段更低現象），相同給水壓強條件下的平均通量較高，即膜絲運行效率或稱膜絲利用率較高。

（2）微觀層面看，單端給水的膜絲內前半段徑流中存在后段的給水成分，因徑流的流量較大故壓降也大。雙端給水的膜絲內前半段徑流中沒有后段的給水成分，因徑流流量較小故壓降也小。因此雙端給水條件下，膜絲前后半段的壓強與通量較單端給水更高，即膜絲運行效率或稱膜絲利用率得到進一步提高。

（3）雙端給水條件下的絲內壓強與通量較為均衡，致膜絲污染趨于均衡。將圖4曲線中的數據進行數值擬合，可得到膜絲通量F與給水壓力P及沿程位置L之間的函數關系，如式（3）所示。將圖5曲線數據進行數值擬合，可得到膜絲通量F與給水溫度T及沿程位置L之間的函數關系，如式（4）所示。

5 不同長度膜絲的通量特性

無論是單端或雙端給水，針對相同給水溫度與給水壓強條件，不同長度膜絲的通量分布的特性有二。其一，膜絲給水端的通量數值相等；其二，沿程通量的衰減速率與膜絲長度正相關。

膜絲越長，膜絲的總產水量越大，給水流量就越

大，接近給水端部分的壓降就越大，且遠離給水端部分的壓強越低，并遠離給水端部分的通量越低。因此，無論是單端或雙端給水，膜絲長度越長，通量分布的均衡程度越差。圖6與圖7所示單端與雙端給水條件下的通量分布曲線佐證了上述分析結論。

圖6 單端給水時產水通量的膜絲長度特性（0.13MPa，20℃）

圖7 雙端給水時產水通量的膜絲長度特性（0.13MPa，20℃）

此外，較長的膜絲及膜組件具有平均造價較低的優勢；但是，較長的膜絲及膜組件易于產生斷絲等不利現象，因此膜絲及膜組件的長度選擇需要由經濟與技術的多項指標綜合考慮。

6 結論

大量試驗數據表明，由于制膜材料的不均勻與工藝參數的非恒定等因素的不可避免，即使是同一廠商、同一材質、同一工藝、同一批次的各棵膜絲，測得的通量分布特性仍然存在一定的差異。相對而言，大量同型膜絲并聯形成的膜組件沿流程的通量分布特性具有較強的一致性，但試驗與測試裝置較為復雜。

筆者相關試驗所得內壓膜絲純水通量分布特性數據表明：

（1）單端給水的平均通量與給水壓強呈正相關關系，且隨著給水壓強的上升，平均通量趨于飽和。膜絲通量沿流程逐漸下降，但在不同給水壓強條件下，沿程通量的下降速率變化較小，下降幅度的變化較大。

（2）單端給水的平均通量與給水溫度呈正相關關系，且隨著給水溫度的增加，產水流量加速上升。膜絲通量沿流程逐漸下降，且在不同給水溫度條件下，沿程通量的下降速率及下降幅度的差異均較大。

（3）雙端給水方式較單端給水方式，在通量均衡程度、污染均衡程度、膜絲運行效率及膜絲利用率等方面均有明顯優勢。

（4）無論是單端或雙端給水方式，較長膜絲的通量均衡程度均較差。

（5）關于污染速度問題的觀點還有待進一步的試驗驗證。

［1］陳歡林.新型分離技術［M］.北京：化學工業出版社，2005：57-69.

［2］曹志普.介孔Al2O3/PVDF復合中空纖維膜的制備及其性能［J］.工業水處理，2015，35（5）：62-66.

［3］Li Xianhui，Li Jianxin，Wang Hong，etal.A filtrationmodel for prediction of local flux distribution and optimizationofsubmerged hollow fibermembranemodule［J］.AIChE Journal，2015，61（12）：4377-4386.

［4］靖大為，嚴丹燕，馬孟，等.平板超濾膜元件的微分方程模型［J］.工業水處理，2012，32（4）：62-64.

［5］李志西，杜雙奎.試驗優化設計與統計分析［M］.北京：科學出版社，2010：212-242.

Pure water flux distribution in form ofsingle-ended and double-ended water supp ly of the internalpressure-type ultra-filtrationm em brane fiber

Zhang Zhichao1，Yuan Hongying1，Wang Yanning1，Zhang Yuzhong2，Jing Dawei1
（1.Key Laboratory of Tianjin Aquatic Scienceand Technology，Schoolof Environmentaland Municipal Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；2.Schoolof Materials Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

The significance of studying the pure water flux distribution characteristics of the internal pressure-type ultra-filtrationmembrane fiber to the study ofultra-filtration technology isemphasized.The change law of the internal pressuremembrane fiber along-path pure water flux in forms of single-ended water supply and double-ended water supply is given，and the pressureand temperature characteristicsof them analyzed.The differences of the characterstics of longmembrane fiber and shortmembrane fiber along-path flux are compared.Various technicaladvantages of the internal pressure type hollow ultra-filtrationmembrane fiber in form of double-ended water supply aremade clear.A reference hasbeen provided for the runninganalysison hollow ultra-filtrationmembranemodulesandmembrane systems.

hollow ultra-filtration；internalpressure-typemembrane fiber；bi-directionalwatersupply；fluxdistribution

TQ028.8

A

1005-829X（2016）11-0070-04

張智超（1991—），碩士研究生，技術研究方向為膜工藝。通信作者：靖大為，電話：13902085201，E-mail：david_j5996@sina.com。

2016-08-25（修改稿）