中空纤维膜组件与流程

中空纤维膜是外径在1000μm以下的管状膜，早期的中空纤维膜常常被封装于管状容器内制作成组件。根据纤维膜的排列和封装结构，组件可分为U形和列管式两种，组件内流体的流程也分为芯流程(内压)和壳流程(外压)两种(见图10-19、图10-20)。U形组件中，中空纤维膜束的一端被弯折或胶封，处于自由状态，而另一端用胶固定在管状壳体上；列管式组件中，膜束的两端均被胶固定在壳体上，而且组件的两端之间纤维膜中心孔是穿通的。壳流程中，纤维膜的外侧与壳体内壁之间的空隙为原料流体和浓缩液、截留物的通道，纤维的中心孔为透过流体的通道；芯流程反之。

图10-20 列管式中空纤维膜组件的基本结构

设计组件结构和流程时，需要从以下主要几个方面出发。

①膜的对称性对结构对称的膜，原理上采用内压和外压均可以，但要根据膜的强度和运行过程中膜两侧的压力决定内压流程或是外压流程;当膜的强度低、膜两侧压力差大时，应当采用外压壳流程[壳流程耐压最大可达1000psi(1psi=6894.76Pa)，高压]。对结构非对称膜，需要防止膜孔堵塞污染，若纤维膜的外表面为分离功能层，应采用外压流程，反之采用内压流程[芯壳流程耐压小于150psi，中低压]。

②U形组件的内压流程为全过滤过程，无浓缩物料导出或原料液循环，极易形成膜污染，不适合高悬浮物含量流体混合物的分离，而列管式组件内压流程具有较好的耐污染性。

③采用组件结构与流程相结合降低膜污染、实现自清洗，即采用原料流体的错流或循环、提高膜表面的流速控制污染物在膜表面的吸附和浓差极化，此时在进料侧需要两个出口，一个用于进料，另一个用于物料循环、浓缩料出口。可以看出，根据这两种基本结构和流程，结合具体分离对象物化性质，可以设计出最合理的组件结构和流程，甚至是分离工程运行的运行工艺。

流体，尤其是原料流体在组件内的流体力学分布是决定很多膜分离过程(膜在膜接触过程)效果和效率的重要因素，往往需要物料流体在组件内有均匀的分布、较长的停留时间和较快的膜表面线速度。图10-21为-种采用了中心分布管提高物料分布均匀性、带有回流或截留收集或浓缩液排放、可以进行错流操作运行列管式中空纤维膜组件，这也是中空纤维组件在反滲透过程中通常采用的结构和流程。虽然图中示意的仅为外压流程，实际上，该流程组件同样适用于内压流程。

图10-21采用物料分布管(收集)的列管式中空纤维膜组件结构

上述几种结构的中空纤维膜组件均是把膜束装到管状容器内，适用的膜过程除了反渗透外，还有超滤、气体分离、渗析和渗透汽化等，特点是组件中膜的填装密度高、分离速度快，应用领域十分广泛。近10年来，又出现了不用外壳、相对为开放式的膜组件一屏幕式(或帘式)膜组件(见图10-22)。

组件中，中空纤维膜平行排列成片状，两端用胶封固定在集水管内。运行时，将组件浸没于被分离的液体流体中，通过与集水管相连的真空负压抽吸或液体的静压使液体透过膜分离出来。这种组件主要用于膜生物反应器中，尤其是在废水处理膜生物反应器中表现出极大的发展潜力。为了安装使用方便，常常把多个膜片集装在一起制作成模块化的组件，几种商业化的产品如图10-23所示。

图10-22 帘式膜组件结构

图10-23 模块化的膜组件

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