将膜按一定的技术要求组装在一起即成为膜组件，它是所有膜分离装置的核心部件，其基本要素包括膜、膜的支撑体或连接物、流体通道、密封件、壳体及外接口等。将膜组件与泵、过滤器、阀、仪表及管路等按一定的技术要求装配在一起，即成为膜分离装置。常见的膜组件有板框式、卷绕式、管式和中空纤维膜组件等，见表4 -1。
表4-1 常见的膜组件
图4-2 板框式膜组件中的流道
图4-3 卷绕式膜组件构图
图4-4 管式膜组件
1—多孔外衬管 2—管式膜 3—耐压端套 4—玻璃钢管 5—渗透液收集外壳
图4-5 中空纤维膜组件
1—环氧树脂管板 2—纤维束 3—纤维束端封
膜分离过程的种类很多，常见的有微滤、超滤、反渗透、渗析和电渗析等。
( 一) 反渗透
1.反渗透原理 反渗透所用的膜为半透膜，该膜是一种只能透过水而不能透过溶质的膜。反渗透原理可用图4 -6 来说明。将纯水和一定浓度的盐溶液分别置于半透膜的两侧，开始时两边液面等高，如图4 -6( a) 所示。由于膜两侧水的化学位不等，水将自发地由纯水侧穿过半透膜向溶液侧流动，这种现象称为渗透。随着水的不断渗透，溶液侧的液位上升，使膜两侧的压力差增大。当压力差足以阻止水向溶液侧流动时，渗透过程达到平衡，此时的压力差Δπ 称为该溶液的渗透压，如图4 -6( b) 所示。若在盐溶液的液面上方施加一个大于渗透压的压力，则水将由盐溶液侧经半透膜向纯水侧流动，这种现象称为反渗透，如图4 -6( c) 所示。
图4-6 反渗透原理
若将浓度不同的两种盐溶液分别置于半透膜的两侧，则水将自发地由低浓度侧向高浓度侧流动。若在高浓度侧的液面上方施加一个大于渗透压的压力，则水将由高浓度侧向低浓度侧流动，从而使浓度较高的盐溶液被进一步浓缩。
反渗透过程就是在压力的推动下，借助于半透膜的截留作用，将溶液中的溶剂与溶质分离开来。显然，反渗透过程也属于压力推动过程。我国工业上用的反渗透膜多为致密膜的非对称膜和复合膜，常用醋酸纤维、聚酰胺等材料制成。
2.影响反渗透的因素——浓差极化 由于膜的选择透过性因素，在反渗透过程中，溶剂从高压侧透过膜到低压侧，大部分溶质被截留，溶质在膜表面附近积累，造成由膜表面到溶液主体之间的具有浓度梯度的边界层，它将引起溶质从膜表面通过边界层向溶液主体扩散，这种现象称为浓差极化。根据反渗透基本方程式可分析出浓差极化对反渗透过程产生下列不良影响:
(1) 由于浓差极化，膜表面处溶质浓度升高，使溶液的渗透压Δπ 升高，当操作压差Δp 一定时，反渗透过程的有效推动力( Δp-Δπ) 下降。导致溶剂的渗透通量下降。
(2) 由于浓差极化，膜表面处溶质的浓度CA1升高。使溶质通过膜孔的传质推动力( CA1 -CA2) 增大，溶质的渗透通量升高，截留率降低，这说明浓差极化现象的存在对溶剂渗透通量的增加提出了限制。
(3) 膜表面处溶质的浓度高于溶解度时，在膜表面上将形成沉淀，会堵塞膜孔并减少溶剂的渗透通量。
(4) 会导致膜分离性能的改变。
(5) 膜污染严重时，几乎等于在膜表面又可形成一层二次薄膜，会导致反渗透膜透过性能的大幅度下降，甚至完全消失。
减轻浓差极化的有效途径是提高传质系数A，采取的措施有:提高料液流速、增强料液湍动程度、提高操作温度、对膜面进行定期清洗和采用性能好的膜材料等。
3.反渗透流程 反渗透装置的基本单元先反渗透膜组件，将反渗透膜组件与泵、过滤器、阀、仪表及管路等按一定的技术要求组装在一起即成为反渗透装置。根据处理对象和生产规模的不同，反渗透装置主要有连续式、部分循环式和全循环式三种流程，下面将介绍几种常见的工艺流程。
(1) 一级一段连续式。图4 -7 为典型的一级一段连续式工艺流程示意图。工作时，泵将料液连续输入反渗透装置，分离所得的透过水和浓缩液由装置连续排出。该流程的缺点是水的回收率不高，因而在实际生产中的应用较少。
图4-7 一级一段连续式工艺流程
1—料液贮槽 2—泵 3—膜组件
(2) 一级多段连续式。当采用一级一段连续式工艺流程达不到分离要求时，可采用多段连续式工艺流程。图4 -8 为一级多段连续式工艺流程示意图。操作时，第一段渗透装置的浓缩液即为第二段的进料液，第二段的浓缩液即为第三段的进料液，依此类推，而各段的透过液( 水) 经收集后连续排出。此种操作方式的优点是水的回收率及浓缩液中的溶质浓度均较高，而浓缩液的量较少。一级多段连续式流程适用于处理量较大且回收率要求较高的场合，如苦咸水的淡化以及低浓度盐水或自来水的净化等均采用该流程。
图4-8 一级多段连续式工艺流程
(3) 一级一段循环式。在反渗透操作中，将连续加入的原料液与部分浓缩液混合后作为进料液，而其余的浓缩液和透过液则连续排出，该流程即为部分循环式工艺流程，如图4 -9 所示。采用部分循环式工艺流程可提高水的回收率，但由于浓缩液中的溶质浓度要比原进料液中的高，因此透过水的水质有可能下降。部分循环式工艺流程可连续去除料液中的溶剂水，常用于废液等的浓缩处理。
4.反渗透在工业中的应用 反渗透技术的大规模应用主要在海水和苦咸水的淡化，此外，还应用于纯水制备，生活用水、含油污水、电镀污水处理以及乳品、果汁的浓缩、生化和生物制剂的分离和浓缩等。(www.xing528.com)
( 二) 电渗析
图4-9 一级一段循环式工艺流程
1.电渗析原理 电渗析是一种专门用来处理溶液中的离子或带电粒子的膜分离技术，其原理是在外加直流电场的作用下，以电位差为推动力，使溶液中的离子作定向迁移，并利用离子交换膜的选择透过性，使带电离子从水溶液中分离出来。
电渗析所用的离子交换膜可分为阳离子交换膜( 简称阳膜) 和阴离子交换膜( 简称阴膜) ，其中阳膜只允许水中的阳离子通过而阻挡阴离子，阴膜只允许水中的阴离子通过而阻挡阳离子。下面以盐水溶液中NaCl 的脱除过程为例，简要介绍电渗析过程的原理。
电渗析系统由一系列平行交错排列于两极之间的阴、阳离子交换膜所组成，这些阴、阳离子交换膜将电渗析系统分隔成若干个彼此独立的小室，其中与阳极相接触的隔离室称为阳极室，与阴极相接触的隔离室称为阴极室，操作中离子减少的隔离室称为淡水室，离子增多的隔离室称为浓水室。如图4 -10 所示，在直流电场的作用下，带负电荷的阴离子即Cl-向正极移动，但它只能通过阴膜进入浓水室，而不能透过阳膜，因而被截留于浓水室中。同理，带正电荷的阳离子即Na+向负极移动，通过阳膜进入浓水室，并在阴膜的阻挡下截留于浓水室中。这样，浓水室中的NaCl 浓度逐渐升高，出水为浓水;而淡水室中的NaCl 浓度逐渐下降，出水为淡水，从而达到脱盐的目的。
图4-10 电渗析原理
2.电渗析操作 在电渗析过程中，不仅存在反离子( 与膜的电荷符号相反的离子) 的迁移过程，而且还伴随着同名离子迁移、水的渗透和分解等次要过程，这些次要过程对反离子迁移也有一定的影响。
(1) 同名离子迁移。同名离子迁移是指与膜的电荷符号相同的离子迁移。若浓水室中的溶液浓度过高，则阴离子可能会闯入阳膜中，阳离子也可能会闯入阴膜中，因此当浓水室中的溶液浓度过高时，应用原水将其浓度调至适宜值。
(2) 水的渗透。膜两侧溶液的浓度不同，渗透压也不同，将使水由淡水室向浓水室渗透，其渗透量随浓度及温度的升高而增加，这不利于淡水室浓度的下降。
(3) 水的分解。在电渗析过程中，当电流密度超过某一极限值，以致溶液中的盐离子数量不能满足电流传输的需要时，将由水分子电离出的H+和OH-来补充，从而使溶液的pH 发生改变。
在实际操作中，可采取以下措施来减少浓差极化等因素对电渗析过程的影响:
①尽可能提高液体流速，以强化溶液主体与膜表面之间的传质，这是减少浓差极化效应的重要措施。
②膜的尺寸不宜过大，以使溶液在整个膜表面上能够均匀流动。一般来说，膜的尺寸越大，就越难达到均匀的流动。
③采取较小的膜间距，以减小电阻。
④采用清洗沉淀或互换电极等措施，以消除离子交换膜上的沉淀。
⑤适当提高操作温度，以提高扩散系数。对于大多数电解质溶液，温度每升高1℃，黏度约下降2.5%，扩散系数一般可增加2% ～2.5%。此外，膜表面传质边界层( 存在浓度梯度的流体层) 的厚度随温度的升高而减小，因而有利于减小浓差极化的影响。
⑥严格控制操作电流，使其低于极限电流密度。
3.电渗析在工业中的应用 电渗析技术目前已是一种相当成熟的膜分离技术，主要用途是苦咸水淡化、生产饮用水、浓缩海水制盐、从体系中脱除电解质，还可用于重金属污水处理、食品工业牛乳的脱盐、果汁的去酸及食品添加剂的制备以及制取维生素C 等。
( 三) 超滤
1.超滤原理 超滤过程的推动力是膜两侧的压力差，属于压力驱动过程。当液体在压力差的推动力下流过膜表面时，溶液中直径比膜孔小的分子将透过膜进入低压侧，而直径比膜孔大的分子则被截留下来，透过膜的液体称为透过液，剩余的液体称为浓缩液，如图4 -11 所示。
超滤可有效除去水中的微粒、胶体、细菌、热原质和各种有机物，但几乎不能截留无机离子。
超滤膜的孔径为(1 ～5) ×10-8 m，膜表面有效截留层的厚度较小，一般仅为( 1 ～100) ×10-7m，操作压力差一般为0.1 ～0.5MPa，可分离相对分子质量在500 以上的大分子和胶体微粒。常用的膜材料有醋酸纤维、聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚偏氟乙烯等。
在超滤过程中，单位时间内通过膜的溶液体积称为膜通量。由于膜不仅本身具有阻力，而且在超滤过程中还会因浓度极化、形成凝胶层、受到污染等原因而产生新的阻力。因此，随着超滤过程的进行，膜通量将逐渐下降。
2.超滤操作 在超滤过程中，料液的性质和操作条件对膜通量均有一定的影响。为提高膜通量应采取适当的措施，尽可能减少浓差极化和膜污染等所产生的阻力。
(1) 料液流速。提高料液流速，可有效减轻膜表面的浓差极化。但流速也不能太快，否则会产生过大的压力降，并加速膜分离性能的衰退。对于螺旋式膜组件，可在液流通道上安放湍流促进材料，或使膜支撑物产生振动，以改善料液的流动状况，抑制浓差极化，从而保证超滤装置能正常稳定地运行。
(2) 操作压力。通常所说的操作压力是指超滤装置内料液进、出口压力的算术平均值。在一定的范围内，膜通量随操作压力的增加而增大，但当压力增加至某一临界值时，膜通量将趋于恒定。此时的膜通量称为临界膜通量。在超滤过程中，为提高膜通量，可适当提高操作压力。但操作压力不能过高，否则膜可能被压密。一般情况下，实际超滤操作可维持在临界膜通量附近进行。
(3) 操作温度。温度越高，料液黏度越小，扩散系数则越大。因此，提高温度可提高膜通量。一般情况下，温度每升高1℃，膜通量约提高2.15%。因此，在膜允许的温度内，可采用相对高的操作温度，以提高膜通量。
(4) 进料浓度。随着超滤过程的进行，料液主体的浓度逐渐升高，黏度和边界层厚度也相应增大。研究表明，对超滤而言，料液主体浓度过高无论在技术上还是在经济上都是不利的，因此对超滤过程中料液主体的浓度应加以限制。
3.超滤过程的工艺流程 超滤的操作方式可分为重过滤和错流过滤两大类。重过滤是靠料液的液柱压力为推动力，但这样操作浓差极化和膜污染严重，很少采用，而常采用的是错流操作。错流操作工艺流程又可分为间歇式和连续式。
(1) 间歇操作。间歇操作适用于小规模生产，超滤工艺中工业污水处理及其溶液的浓缩过程多采用间歇工艺，间歇操作的主要特点是膜可以保持在一个最佳的浓度范围内运行，在低浓度时，可以得到最佳的膜水通量。
(2) 连续式操作。连续式操作常用于大规模生产，连续式超滤过程是指料液连续不断加入贮槽和产品的不断产出。可分为单级和多级。单级连续式操作过程的效率较低，一般采用多级连续式操作。将几个循环回路串联起来，每一个回路即为一级，每一级都在一个固定的浓度下操作，从第一级到最后一级浓度逐渐增加。最后一级的浓度是最大的，即为浓缩产品。多级操作只有在最后一级的高浓度下操作时渗透通量最低，其他级操作浓度均较低，渗透通量相应也较大，因此级效率高;而且多级操作所需的总膜面积较小。它适合在大规模生产中使用，特别适用于食品工业领域。
4.超滤的应用 超滤的技术应用可分为三种类型:浓缩、小分子溶质的分离、大分子溶质的分级。绝大部分的工业应用属于浓缩这个方面，也可以采用与大分子结合或复合的办法分离小分子溶质。在制药工业中，超滤常用作反渗透、电渗析、离子交换等装置的前处理设备。在制药生产中经常用于病毒及病毒蛋白的精制。
图4-11 超滤过程原理示意图
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