新型陶瓷纳滤膜在饮用水安全净化处理中的应用探究

王 瑞

（西北师范大学地理与环境科学学院，361021）

1 纳滤膜滤速衰减原因

一般而言，造成纳滤膜滤速衰减现象可归纳为两个原因：一为薄膜表面滤饼形成使得过滤阻抗增加，通常此为可逆现象；此即藉由改变进流水方向成为扫流过滤方式，在过滤进行中，悬浮液中微粒除受滤液拉曳力作用外同时也受流场逆传输作用力作用而离开薄膜表面，最后滤液拉曳力与流场逆传输作用力两力达到平衡时，使聚积在滤面滤饼厚度不再增加而滤速也能保持稳定状态但目前扫流过滤方式设备却有愈趋复杂趋势，且因进流水由压力抽送不断循环，而压滤通过薄膜滤液流量比起扫流回流液流量甚小，因此相对有效作功能量比例甚低且回流液浓度愈来愈高滤液流量愈来愈小，因此显得不经济。另一原因为薄膜内部孔道阻塞现象使得过滤阻抗增加，此为不可逆现象，而此一阻塞现象与微粒及薄膜特性有关，因此难以藉由扫流或操作条件变化来控制，但可藉着慎选适当的薄膜孔径或应用一些前处理方法或使用多种型式去阻塞设备：包括进出流水和滤液脉冲方式、空气或滤液逆洗方式、纳滤膜器加装电场或超音波震荡方式等，来加以控制及克服，然根据过去文献所做研究，显示以滤液逆洗方式最为经济且效果最佳。

综合以上MF 过滤效率及经济性考量，著者在前期研究以改善传统垂直流过滤方式，研发以活塞为动力并圆管型无机薄膜处理设备，并结合进流水扫流及滤液逆洗等去阻塞设备优点，能有效地节省能源且提高薄膜处理成效。然由前期研究结果显示其使用有机薄膜虽具有过滤阻抗小优点，但却易受酸碱侵蚀及不能再生使用、拆装麻烦等缺点，而无法广泛的应用于各种工业废水处理。是以本研究改以高机械强度及稳定性、高耐温性、耐化学药性、有较大的pH 操作范围、易清洗再生与较佳生物稳定性等优点无机薄膜取代前研究所使用有机薄膜，并探讨最佳过滤-逆洗时间周期与最佳浓缩液排放频率。本设备也以XX污水厂废水为水样，分别以直接过滤和以混凝为前处理二种处理方式，于实验中藉由处理前后水质浊度、悬浮固体物、COD 与TOC 质监测及滤液流量量取，来探讨各种处理成效。

2 实验设备及方法

本计划实验配置图如图1 所示，其主要设备分述如下：

2.1 管状型纳滤膜装置

采用法国Tech-set Company 的Micro-Carbosep 20 system 外管为不锈钢套管制成，管长为27.5 公分，管内径为2公分，管二端设有过滤进流水与出流水进出口，另外管身亦设有滤液出口可收集滤液。不锈钢套管内可套装长20 公分、内径0.6公分陶瓷薄膜圆管，进流水由陶瓷薄膜圆管内部进入压力透过薄膜，待充满内、外管间隙后经由滤液出口收集至天平称重，再传讯至电脑记录绘图。

图1 纳滤膜系统实验装置图

2.2 动力设备

本实验动力设备系以空压机压缩空气，并藉油压装置（直径为10cm、高30cm 二槽）来推进活塞做往复式运动，活塞直径为6cm，活塞最大推进路径为30cm（不锈钢制），并连接管状型陶瓷纳滤膜设备。

3 实验结果与讨论

3.1 最佳过滤与逆洗时间间距

当纳滤膜时间间距设定较长时，在120 分钟滤程中活塞往复次数较少，如此可减少因活塞往复时所造成压力泄降现象，但相对同时，薄膜却因随着过滤时间增长而过滤阻抗增加，使得滤液流量减少，因此过滤时间间距有最佳值存在。而在逆洗时间间距方面；当薄膜逆洗时间间距设定愈长时，则薄膜逆洗愈完全阻抗愈低，可获得愈大滤液流量，但相对也使因逆洗所损失滤液量增加，且使过滤时间减短，因此逆洗时间间距亦有其最佳值存在。由图2 结果显示，当过滤与逆洗时间周期设定为90sec，而其中过滤与逆洗时间间距分别设定为85sec 及5sec 时可获得最大滤液流量。

图2 最佳过滤与逆洗时间的间距

3.2 最佳浓缩液排放周期

随过滤进行，薄膜内管进流水浓度渐增，造成滤液流量渐减最后趋近于零，此即为垂直流过滤方式最大缺点。因此为提高过滤成效，应在适当时机将浓缩液排放或回流回储槽。本实验配合活塞压缩时以扫流方式将浓缩液排放，而排放周期愈频繁愈可减低薄膜表面浓缩液浓度增加滤液流量，但也造成过滤时间减短滤液流量减少现象，是以浓缩液排放周期有其最佳值存在。由图3所示，当浓缩液排放周期为每三个过滤循环排放一次时，可获得最大滤液流量。

图3 最佳浓缩液排放周期

3.3 废水处理

于实验中所用薄膜孔径大小分别为：去除分子量（Molecular cut off，MWCO）15 万（M9）、30 万（M1）及 0.14、0.20、0.45μm等五种，由表1 与表2 结果显示，在滤液流量方面︰以直接过滤处理方式当薄膜孔径为0.14μm 时所获得滤液流量为最大，而当薄膜孔径为0.20μm 时所获得滤液流量为最小；另以胶凝为前处理处理方式当薄膜孔径为MWCO 15 万 时所获得滤液流量为最大，而仍以薄膜孔径为0.20μm 时所获得滤液流量为最小。

表1 废水直接过滤后滤液水质

表2 废水混凝过滤后滤液水质

4 结论

本研究往陶瓷复式无机膜过滤系统，最佳过滤周期时间为90 秒、每一过滤周期最佳逆洗时间为5 秒及浓缩液每三周期排放1 次可获得最大滤液流量。另将本过滤系统应用于废水处理，并分别以直接过滤和以混凝为前处理二种处理方式，在滤液流量方面：以直接过滤处理方式当薄膜孔径为0.14μm 时所获得滤液流量为最大，而当薄膜孔径为0.20μm 时所获得滤液流量为最小；另以混凝为前处理处理方式当薄膜孔径亦以去除分子量MWCO 15 万时所获得滤液流量为最大，而仍以薄膜孔径为0.20μm时所获得滤液流量为最小，这个部分视悬浮液中粒径分布情形而定，因此在选择薄膜孔径时应先分析欲处理废水中粒径大小与分布，方能选取最佳薄膜孔径。在过滤水质方面：混凝过滤对于浊度去除效果佳，但在TOC 和COD 的去除效果则不佳。

[1]魏凤玉，肖翔，崔鹏，吴六四.无机陶瓷膜微滤技术澄清中药水提液的研究[J].中成药.2004（12）

[2]吴俊，邢卫红，徐南平.无机陶瓷膜处理印染废水的研究[J].应用化工 .2004（05）

[3]赵晖，金江，陈悦，徐玲玲.无机膜超滤技术在红茶澄清中的应用[J].食品工业科技.2002（08）