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水的膜处理综述(上)
2007-03-30 13:08:38   来源: 《华夏酒报》   作者:李红   评论:0

     水是酿造啤酒所用的“四大”原料中用量最多的原料,同时水也是啤酒组成中含量最高的组分(超过90%),因此有“水是啤酒血液”之美称。在我国,啤酒酿造所用的水主要有两部分来源:一为市政供水(即为自来水公司),二为啤酒生产企业自己开采的地下井水。其中市政供水的原水也有两部分的来源:一为地表水(水库、湖泊及流经当地的河流);二为地下水。
     对啤酒酿造来说,其工艺用水的水质要比生活饮用水的水质要求更严。在我国许多城市的给水水源受到生活污水和工农业生产废水的显著污染,而我国大部分自来水厂采用的混凝、沉淀、过滤和加氯消毒常规净水工艺很难将受污染的原水净化处理成完全符合饮用水水质标准的生活饮用水,更难达到理想的啤酒酿造用水的水质要求,因此我国很多啤酒生产企业在自来水公司不能提供较好的水质时,自己在自来水进入酿造前增加了一系列深度水处理措施,旨在提供理想的啤酒酿造水,使酿造过程正常,啤酒口感更好。目前,我国啤酒企业所用的深度水处理措施主要是膜处理技术。膜分离技术可分为液体膜分离和气体膜分离两类。其中,液体膜分离即为膜法水处理技术。按所用膜材料可分为有机膜和无机膜;按功能可分为分离膜和反应膜;按分离过程可有微孔过滤(MF)、超过滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO)、电渗析(ED)、渗析(DT)、气体分离(GB)、渗透汽化(PV)、液膜(SF)、膜反应器和控制释放等多种膜分离技术。
     一、微滤
     微滤(Micro Filtration,简称MF)主要是根据筛分原理以压力差作为推动力的膜分离过程。微滤技术的膜孔径为0.1-1.0μm,介于常规过滤和超滤之间,在给定压力下[(50-100)kPa]溶剂、盐类及大分子物质均能透过对称微孔膜,只有直径大于1.0μm的微细颗粒和超大分子物质被截留,从而使溶液或水得到净化。微滤技术是目前所有膜技术中应用最广、经济价值最大的技术。
     微滤的微细孔结构可有效除去水中的泥沙、胶体、大分子化合物等杂质颗粒及细菌、大肠杆菌等微生物,但其对小分子有机物、重金属离子、硬度及病毒去除效果较差,在饮用水制备过程中,常与其它过程相结合,如用UF与MF处理有轻度污染的河水以制备公共给水,在处理性能及效果上UF和MF几乎没有差别,在MF处理中,为得到较高的通量,用混凝进行预处理,所用的混凝剂及助凝剂为Alcl3,Na2CO3、NaClO,处理后的水达到饮用水标准。法国有人将无机微滤膜与臭氧/絮凝剂结合进行地表水处理,地表水中细菌、微生物、腐殖酸、无机酸含量很高,用臭氧/絮凝剂使其分解絮凝,然后用孔径为0.2μm的无机微滤膜进行过滤操作,出水中有机物含量很低,浊度由14NTU降到0.18NTU,出水水质达到饮用水标准。南京化工大学膜科学技术研究所用活性炭纤维与陶瓷微滤膜相结合来处理自来水,对低分子有机物如苯、苯酚的去除率>95%,细菌的截留率>99.99%,其处理效果见表1。用粉末活性炭与陶瓷微滤膜相结合,也可以获得同样的效果,该工艺可根据进水的水质不同可添加不同量的粉末活性炭,陶瓷微滤膜的作用主要是截留粉末活性炭和细菌。
     微滤是目前所有膜技术中应用最广泛的一种。在1998年世界使用的各种膜中,微滤膜及组件的销售额达9亿美元。我国微滤膜的研制起步于近40年前,发展很快,目前已形成商品生产的微滤膜以纤维树酯等材料为主,以聚酰胺、聚偏氟乙烯、聚砚、聚丙烯腈、聚丙烯、聚碳酸酯、聚四氟乙烯等材质的微滤膜制品问世。微滤膜在我国主要用于制药行业的过滤除菌和电子工业中高纯水的制备。近年来食品工业的许多领域已实现工业化,并在饮用水生产方面得到广泛的应用。总之,微滤膜的技术为我国水资源开发和健康饮水事业的发展作出了重大贡献。与国外水平相比,其部分品种性能相近,而更多品种的平均孔径和孔径分布方面仍有较大差距,膜的装配技术也相对落后。目前国外微滤膜市场份额约占整个膜市场的40%-50%,我国微滤膜的占有额较低。目前我国从事微滤膜及组件研制和生产的单位有近百家,具有一定实力和规模的单位有:杭州水处理技术开发中心,无锡市超滤设备厂,无锡化工研究院,核工业部八所,庆江化工厂,上海医药工业研究院,旅顺化工厂,辽源市膜分离设备厂,机电部北京第十设计研究院,化工部南通合成材料实验厂,苏州净化设备厂,上海第十制药厂,上海集成过滤器材厂,中科院大连化学物理所,中科院高能物理所,中日原子能科学研究院,天津纺保工学院,中国纺织大学,东莞新纪元微滤设备有限公司等。其中,东莞新纪元公司是中法合资的民营科技企业,是广东乃至全国惟一专业从事优质饮用水处理而且规模最大的微滤技术开发单位,公司采用自己的专利成果,并结合引进世界领先的法国膜处理技术,已成功地开发、生产出100-50000m3/d功能齐全、技术先进的全自动化微滤成套水处理设备。
     二、超滤
     超滤(Ultra filtration,简称UF)主要是依靠膜的物理筛分作用来去除污染物,在一定压力的作用下,原料液中的溶剂和小的溶质粒子从高压原料液侧透过膜到达低压侧,而大分子及微粒组分被膜阻挡,原料液逐渐被浓缩而后以浓缩液的形式排出。超滤膜的切割分子量(MW-CO)为103-106,孔径为0.001 -0.1μm,在动态条件下能有效截留水中大部分胶体、大分子化合物、热源和细菌等杂质。1965年,由美国Amicon公司首先开发出中空纤维超滤器,我国超滤技术的开发始于70年代初,最初开发出CA(醋酸纤维素)管式膜组件;80年代初,聚砜(PS)中空纤维超滤组研制成功。目前,国内在水处理行业中,聚砜和聚丙烯中空纤维组件应用最多。
     超滤不仅适合于处理地下水,而且也适合于处理地面水。尽管40%的膜分离净水厂所处理的原水浊度大于10NTU,但几乎所有的膜分离水厂的出水浊度均小于0.1NTU。所有的出水中的大肠菌为零。超滤对水中小分子有机物的去除率很低,仅在20%左右。目前世界上最大规模的超滤膜分离纯净水厂位于美国Calif.San Jose的Saratoga水厂,水量1.9×104m3/d。LAINE等人用4种超滤膜对位于美国伊利诺文章来源华夏酒报斯州的DECATUR湖进行试验,进水水质TOC为4.25mg/L,UV254为0.922,浊度为0.12NTU,结果见表2。
     1998年,全世界超滤膜和组件的销售额达5亿美元。我国超滤技术研制开始于20世纪70年代初,以平板膜起步,最先使用的膜材料是醋酸纤维素(CA),80年代已由平板膜发展到管式和中空膜,膜材料从CA和聚砜两种扩大至聚丙烯腈(PAN)、聚氯乙烯、聚砜酰胺、磺化聚砜、聚醚砚、聚酰亚胺,以及MMA-PAN、CA-钛板动态形成膜等10余种。复合膜与荷电膜的研制已在议程上,中空超滤膜组件更成为当前广泛应用的主要品种。近年来,陶瓷超滤膜也有重大进展,目前相继完成γ-Al2O3,TiO2,ZnO2膜的实验室研制,正待工业化生产。
     据不完全统计,国内共有100多家超滤膜生产厂,但大部分规模较小,全国膜产品总值约1亿元。与国外先进水平相比,生产线的技术配套不完善,环境条件和工艺参数都不够稳定,未能满足高水平膜质量的要求。性能上的主要问题是截留分子量还较高,孔径分布的均一性差。此外,组器配套也存在较大差距,影响综合性能的发挥。因此,今后仍需在制膜技术、条件和器件开发方面努力改进和提高。目前主要的科研与开发单位有:杭州水处理技术开发中心、天津纺织工学院、中科院大连化学物理所、中科院生态环境研究中心、上海纺织科学研究所、无锡市超滤设备厂、江苏常能集团、辽源市膜分离厂、湖州水处理设备厂、武汉仪表厂、山东招远膜天集团、荆沙市水处理设备厂、余姚膜分离设备厂、国营8271厂、中科院上海原子核研究所等。

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编辑:张怡

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