膜和系统的局限性

膜和系统的局限性

温度

膜的一般简介

以醋酸纤维作材料的膜有其本身的温度限制，其上限操作温度大约在35℃。

PSO、PVDF和PAN材料能耐较高的温度。PSO和PVDF膜据称可在95℃下操作而没问题。PSO的操作温度更可达120℃。

一般来说复合膜的操作温度至少可达80℃，在低压情况下，它们可经受更高的温度，如热消毒时。

膜系统的耐温能力大多数情况下并不仅受膜本身的温度限制而限制，而更主要受膜的构型和膜系统中的其它组件的限制。

² 卷式膜组件

一般卷式膜组件的温度上限为45℃。这个限制对用于水脱盐的标准组件是有效的，但目前市场上已有能耐更高温度的卷式膜组件。虽然在水脱盐中45℃并不是一个最高温度限制，但对于食品和分离行业的个案却有问题。经过了许多试样和失败后，一些公司已经成功地研制出了耐温稳定的膜组件。

多年来用于乳制品行业的组件已可以在比供货商原先说明的更高的温度(和压降)下操作了。如今，在乳制品行业标准组件的真正温度限制是55℃，在正常操作中很少会在这个温度下操作。

一种新型的具有标准的30mil菱形流道的组件可以耐受更高的温度。这种组件的销售名称为Duratherm®。这些组件可以在70℃下持续操作，短时期可加温到90℃，而同时可保持正常的膜使用寿命。但必须注意通量，并保持低于35lmh，这样可以确保操作压力保持低压。关于标准进水流道的使用，这种类型的组件只用于纯水操作。

有较宽进水流道的组件可以在进水含较高溶解性固体的情况下操作。标准膜组件使用50mil的流道，但较宽的流道可达90mil，可以处理较难处理的液体。用这种类型的膜，这些组件可以持续操作在90℃温度下。来自DESAL^TM公司的此种类型的膜其销售名称为DURATHERM®EXCEL。好的温度稳定性可以确保这些组件彻底灭菌，或者它们可以持续操作在理论上微生物不会有任何生长的温度下。

胶的超滤中的膜可以喜爱80～90℃下操作多年。最近一个个案表明除硅石的蒸发器冷凝物的RO处理其操作温度接近90℃。

记录表明：DESAL^TM膜组件已经在工业领域起主导地位，可以在140℃无水操作。这可能已经非常接近高分子膜的极限。

表16 卷式膜已经的温度限制

	持续最大温度，℃	短时间最大温度，℃
标准纯水组件 最大温度，℃ (最大压力，bar)	45 (42)	50 (42)
4″，6″乳制品组件 最大温度，℃ (最大压力，bar)	50 (42)	55 (42)
DESALTM组件，特殊流道 最大温度，℃ (最大压力，bar)	45 (42)	80 (5)
Duratherm®组件 最大温度，℃	70	90
Duratherm®EXCEL组件 最大温度，℃	80	90

请仔细阅读供货商提供的有关膜组件的说明书，关注如pH、通量和压力等方面的限制。

高温操作一个正面的影响是：高温可以增加通量(见优化压力和温度一节)。90℃下操作可以在相同压力下将通量从100％提高到300％。但更好的方法是将压力(NDP)减少到三分之一，这样可以减少电耗。

高温一般被认为问题比较多。但作者也经常发现：即使在高温下比常温必须对一些细节予以更多的关注和重视，但高温膜操作还是有许多优点。我们应注意主要的原则：温度越高，必须越关注其组件和膜的物理特性。

－过大的传导膜压力将使膜变得非常平(压紧)，导致不可挽回的通量的下降。

－过大的压降将导致膜和/或构件的高分子材料移动，有时破裂，最终导致膜的彻底损坏。

除了卷式膜外的其它系统。

n 纤维系统一般可耐温达80℃；

n 无支撑磨管的低价管式膜系统一般注明最大操作温度为35℃；

n 有支撑的高价管式膜系统，如一个不锈钢的支撑排列可以耐温超过80℃；

n 中空精细纤维系统温度限制<50℃；

n 板框式系统，根据实际设计，操作温度可>80℃，但一些较陈旧的系统在高温操作时压力稳定性有些问题。

压力

所有的膜对压力都是敏感的。“压紧”(compaction)一词常用于描述由于压力而导致膜的不可反转的“变平”。除了膜本身受到的危害外，其至关重要的是要有适当的支撑，防止压力将膜挤压入支撑材料。

因此仔细地阅读和遵守供货商的说明书是非常重要的。通常这类说明书不仅基于理论计算而且得之于实践经验，因此我们何必去重复别人的失败经历呢？

表17 典型的压力限制，bar

	标 准	特 殊
管式膜，有支撑	42	70
管式膜，无支撑	7	－
管式膜系统	42	70，120
板框式系统	40	200
粗纤维系统	25	－
精细纤维系统	70	200

“压紧”是由于压力和温度引起的。(见表18)

表18 避免压紧的指导方针(不适用于CA膜)

压 力	<20bar	压紧最小
温 度	<15℃	压紧最小
	15～50℃	限制压力最大30bar
	>50℃	可能引起严重压紧
	>80℃	保持压力低于5bar，有些不可避免的压紧

关于膜的最大允许温度和压力没有固定的准则。表18内的指导方针除了CA膜外适用于所有的膜。表18A提供了一些用Wagner单位换算的关于温度/压力关系的一般原则。注意：温度比压力更危险！因此，当操作接近上限温度时，建议尽可能限制压力。

表18A 避免或使压紧最小化的指导方针

压力(bar)╳温度(℃)＝Wagner单位
<1200	安全操作，标准组件
1200～2000	较困难，特殊组件设计
>2000	很困难，不太可能实现，非常特殊的组件设计

pH

除了CA膜外大多数的膜对极端pH有较好的耐受力。一般对许多膜主要的限制是因为使用了聚酯衬背，经实践应用其pH上限为11.5。在很高的pH值下许多膜的性能将发生改变，但还可以用。多数膜在低pH值下比较稳定。

表19 不同膜材料的pH限制

	pH下限	PH上限
PSO *)	1	14
PVDF	0	12
CA	4	7
TFM	1 **)	12 ***)
陶瓷	0	12～14

*)同时低pH和高温可能减少水通量，有时会达到零，并不可逆转。

**)目前的趋势应增加TFM的高pH稳定性。

***)在室温下有效。温度提高膜的损坏老化将加快。不同类型的聚酯胺薄膜在低pH下稳定性方面有较大不同。

进水流量

对膜没有绝对的进水流量限制。但膜或组件的机械强度对其有所限制。

粘性

进水的粘度本身并不是个问题，但高粘度将导致较高压降。因此只要压降允许，通量满足要求并稳定，粘度才不能为操作问题。可见除了高粘度进水对于一个膜系统来说不仅是个膜的问题，更是一个工程问题。