久保田MBR平板膜材质及过滤机理
一、前言
至目前为止，全世界至少有1500～2000座以上MBR污水处理厂在运行中，使用膜材料大多为微孔性(microporous)(孔径大小0.1~10μm范围)的高分子材料或无机陶瓷材料，如表1所示。其中，微孔性高分子膜材料使用相转换(pha inversion)技术，用高分子溶液涂层上溶剂挥发后产生；微孔性膜，也可使用中空纤维膜(hollow-fiber)。现有的MBR膜生物反应器处理技术，除了Kubota公司的技术外。不管是浸入式或非浸入式膜生物反应器处理技术，所用之高分子膜材都是以这两类为主。这些材料可为醋酸纤维(cellulo acetate)、聚硫石风(polysulphone)、聚酰胺(polyamide)、聚乙烯、聚丙烯等如表二所示。在固液分离型MBR膜生物反应器处理技术中，膜的功用是截留微生物与SS固体物，使处理过水透过MBR膜生物反应器输送至清水储备池。
表1 MBR膜生物反应器处理技术所用膜型式
公司名称 膜型式
得意洋洋近义词Zenon (ZeeWeed) 0.1μm中空纤维
Zenon (ZenoGem) 管状UF
教改课题
Orelis Mutsui Chemicals 平板式(聚丙烯材料)
Wehrle werk Ag 管状UF(polysulfone)求职司机
US Filter 0.2μm中空纤维(聚丙烯)
Degremont 陶瓷材料
Kubota 于无纺布涂上一层0.2μm~0.45μ
m厚之多孔性(孔径大小0.4μm)之高分
子涂层(平板式)
Kubota公司膜生物反应器处理技术膜材料为无纺布支撑物(nonwoven)上涂上一层微孔性高分子聚合物薄层。微孔性高分子膜膜孔大小约在0.2μm ~0.45μm，无纺布支撑物有助滤作用。高分子无纺布常用作过滤空气之纤维滤材，以除去空气中污染固体粒子。此种纤维滤材的孔隙一般可在1μm~50μm，对于小至0.1μm之空气微粒都能够过滤。无纺布纤维滤材具有大的纤维孔隙却可除去微小粒子，其过滤机制不单只是一般微孔性薄膜筛阻(sieve)分离机制而已。无纺布特殊纤维排列结构，使得进入孔隙内之小粒子，也会被拦截捕捉而具高过滤效能。无纺布材料之过滤机制，除了筛阻机制外，尚包括一般感冒可以拔火罐吗
无纺布滤材之惯性碰撞(inertial impaction)机制，截留(direct interception)机制，布朗扩散(brownian diffusion)机制。其过滤分离之粒子大小范围相当宽广。此种无纺布过滤之过滤机制可视为深床过滤分离(deep filtration)机制。
表2 MBR膜生物反应器使用膜材料
聚合物 优点 缺点
二氧化钛/二 (Titantium dioxide/ Zirconium
dioxide)耐化学性耐热性耐机械性很昂贵只限MF或UF使用
易碎
醋酸纤维 价廉耐氯性大 化学稳定性差、机械稳定
性差 Polysulfone 耐酸可蒸汽消毒 不耐碳氢化合物
聚丙烯 耐化学性 本身为疏水性，表面处理
后可变为亲水性
铁氟龙(PTFE) 疏水性强耐有机性耐化学
性化学稳定性佳我懂得了一个道理作文
疏水性太强成本高 聚酰胺(Polyamide) 耐化学性及耐热性佳 对氧气敏感
二、无纺布滤材与微孔性膜材的结构及其对过滤机理
目前MBR膜生物反应器所使用之膜材料是属于微孔性滤材。于探讨无纺布滤材用作MBR膜生物反应器之膜材前，让我们先了解两种滤材之结构，如膜孔结构及粒子与膜孔相对大小与膜材积垢(fouling)之关系。UF或MF等微孔性膜，因为其膜孔大小小于污泥粒子，于膜离生物反应器系统中，其过滤机制是将欲去除之粒子置留于膜材表面上。一般的情况是，粒径大于膜孔孔径之粒子会被去除，粒径小于膜孔孔径者则可能崁入膜孔而造成阻塞而影响到过滤效果。
微孔性薄膜过滤机制[Cheryan, M., “Ultrafiltration and Microfiltration Handbook,” Technomic Publishing Co. Inc., Lancaster, PA,USA, 1998] 无纺布膜材料(或称滤材)是一种多个相连开放性孔隙之多层纤互相重迭网状结构物。当水或废水通过这些滤材，液相中之粒子可被拦截。被拦截之粒子可吸附在无纺布表面上或孔隙内。
无纺布滤材之过滤机制[Cheryan, M., “Ultrafiltration and Microfiltration Handbook,” TechnomicPublishi
ng Co. Inc., Lancaster, PA, USA, 1998] 无纺布滤材过滤时，过滤初期粒子会先吸附在纤维表面上，经过一段时间后，在纤维表面上，有许多粒子集结成团粒。最后，大多数粒子则于集结织物网孔间形成多孔性滤饼。在此阶段以后，粒子有可能堆积在无纺布滤材表面而形成表面积垢现象。(1)过滤初期 、(2)过滤中期、 (3)过滤末期，粒子于不同阶段在无纺布滤材上沈积情形 于微孔性膜材，当粒子崁入膜孔时，会形成不可逆积垢(irreversible fouling)，而影响到滤液通过。但是在无纺布滤材过滤时，由于织物间孔隙远大于粒子大小，所以初期过滤时，织物间之纤维表面虽然沉积了粒子，不太会影响到滤液通量。也就是说无纺布滤材，早期之不可逆积垢不会影响到滤液通量。此即表示在无纺布滤材中，纤维网孔中即使网孔中崁入粒子，于过滤操作初期，孔洞内塞阻(entrapped blocking resistance)趋势不大，压降(pressure drop)仍维持低值，变化不大。但当网孔空间慢慢被粒子填满时，孔洞内塞阻急速增加，压降变大。而当无纺布表面开始沉积粒子时，滤饼阻力
(cake resistance)渐出现。而于微孔性膜材，膜孔小，除了极小粒子(如胶体大小之粒子)会被崁入膜孔内以外，大部份的粒子会沉积在膜材表面，而以滤饼阻力为主。从以上分析可知，无论是微孔性膜材或不织布滤材膜材，膜孔大小及孔隙度对于滤液通量有相当大影响作用，但是两种膜材之影响作用是有所不同。于微孔性膜材，膜孔径(dm)小于或远小于粒径(dp)。对粒子而言，膜表面就类似于一面墙，所以滤饼阻因素大。而对于无纺布滤材，通常网孔径大于或远大于粒径。孔洞内塞阻现象比较显著，其对滤液通量之影响，视网孔被阻塞之严重程度而有所不同。
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三、膜材的表面改质
原水中之成份所以会影响到滤液通量，主要是来自其与膜材间之作用。此作用大小直接关系到膜材上积垢程度。UF 和MF 薄膜材料或者不织布滤材之亲疏水性(hydrophobicity)则是影响此作用之关键因素之一。研究结果显示使用亲水性薄膜时，通量降低程度较小。
骂人的图片表3 三种膜材之纯水通量及蛋白质之吸收 BSA 吸附(mgm-2) 膜材料 空隙大小
(μm)
接触角(°) 透过率(mPa-1s-1×109) 0.1% 1% 10% 亲水性Nylon66 0.52
<15 34.0 ～150 ～400 ～725 亲水性PVDF 0.72
62.5 17.5 ～15 ～65 ～85 疏水性
PVDF 0.80 89.1 21.5
～300 ～625 ～1150 △P=0.1 bar，交流速度=0.05ms-1** Gander, M., B. Jefferson, and S. Judd, “Aerobic MBRs for DomesticWastewater Treatment: A Review with Cost Considerations,” Separation
and Purification Technology, 18, 119,2000. 一般薄膜材料可为陶瓷/金属(无机)或聚合物(有机)材料。其中陶瓷材料如氧化锆和氧化钛(zirconiumand titanium oxide)复合材为亲水性材料，且有优良耐水及耐化学性及耐热性质，但是成本较贵。聚合物薄膜材料包括聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)，PVF(polyvinilydene fluoride)和PS(polysulphone)等。一般这些薄膜材料都属于疏水性。若与亲水性材料混合或进行表面处理(如电浆处理)可使这些薄膜材料具有亲水性。
