可持續(xù)發(fā)展

Multibore?濾膜可以提升水處理效果

海洋是地球上最大的儲水庫。海水的大規(guī)模淡化已經(jīng)有數(shù)十年的歷史。在非洲西部國家加納，一座現(xiàn)代化的海水淡化裝置每天可生產(chǎn)6萬m3的淡水，足夠供50萬人飲用。在這里，巴斯夫集團子公司——德國瀅格有限責任公司生產(chǎn)的超濾膜發(fā)揮了重要作用：它們被用于海水的預處理環(huán)節(jié)，以提高淡化效果，并保護下游濾鹽器不被污染。濾鹽器采用了反滲透工作原理——水以單個分子的形式穿透敏感膜。由于在這個過程中需要施加8000kPa左右的壓力，因此，利用超濾技術(shù)進行預處理還有助于減少能源消耗。

海水在壓力作用下穿過Multibore?濾膜的微孔，而其中的沙、土、海藻甚至病原菌等雜質(zhì)則被擋在膜外。乍看之下，超濾膜很像一根根白色細管，但從橫截面來看，其內(nèi)部十分復雜：纖維中含有七根供原水流過的毛細管。毛細管壁上布滿直徑約20 nm的小孔——其大小僅相當于蛛絲截面直徑的五百分之一。只有純水能夠穿透這些小孔進入塑料纖維，并流到纖維之外，其它所有大于這一尺寸的顆粒都將被濾膜截留。過濾纖維橫截面由圖1所示，包含七根毛細管的蜂巢結(jié)構(gòu)能穩(wěn)定纖維，以防止產(chǎn)生可被病原體穿透的微小裂縫。

圖1　過濾纖維橫截面

濾膜的生產(chǎn)需要豐富的專業(yè)知識和經(jīng)驗?！疤魬?zhàn)在于如何在生產(chǎn)過程中制造如此之小的微孔，并使其在濾膜表面均勻分布。”特性材料研究實驗室負責人Nicole Janssen博士解釋道。她與團隊一起，對濾膜纖維的效果和起始材料——巴斯夫聚醚砜塑料Ultrason?E進行了優(yōu)化。“我們可以精確地調(diào)整Ultrason?解決方案和工藝，使濾膜具備可靠的過濾性能?！?/p>

然而，要使纖維能夠可靠工作，不僅要確保微孔的尺寸和分布正確無誤，纖維還必須具有優(yōu)異的耐受性。來自德國瀅格有限責任公司的專家們通過蜂巢結(jié)構(gòu)解決了這一難題。“支撐結(jié)構(gòu)中七根毛細管使纖維處于一種力學穩(wěn)定的狀態(tài)，因此具有良好的適應力，”瀅格濾膜開發(fā)總監(jiān)Martin Heijnen說，“這有助于保護濾膜，防止產(chǎn)生可被細菌和病毒穿透的微小裂縫。”

在泵送海水的過濾裝置中，例如加納的淡水凈化裝置——濾膜纖維被捆綁到一起，放入白色塑料圓筒中。兩端用環(huán)氧樹脂粘接到外殼上。在運行過程中，下表面被密封，這樣只有毛細管上方開口保持通暢。原水在50 kPa壓力下被泵入，并只能通過纖維毛細管內(nèi)壁上的小孔流出，從而得到過濾后的凈水。

隨著時間的流逝，殘余物會在毛細管內(nèi)逐漸堆積，形成濾餅。為了確保原水能夠穿透濾餅，就必須提高水壓。這不但會增加能耗，也可能對濾膜造成壓力。因此，每一兩個小時就必須反轉(zhuǎn)水流方向，對過濾系統(tǒng)進行清洗：凈水短暫地從外部流入纖維，將濾餅沖出毛細管。見圖2。

圖2　多孔塑料表面

不過，微孔中的部分堵塞物，加糖和蛋白質(zhì)等黏性物質(zhì)可能無法沖出，它們只能通過化學方式加以清除（如使用氫氧化鈉、酸或次氯酸鹽），清理的間隔時間較長。不過，氧化劑也可能對Ultrason?E塑料造成損傷。材料專家Janssen和同事們希望改變這一情況。例如，她們正在研究如何提高毛細管過濾表面的親水性，也就是使污染物更加難以沉淀下來。這樣可降低清洗難度，減少化學清洗步驟?！盀V膜清洗間隔和使用壽命也相應延長?！盝anssen補充道。這些改進不僅對于海水預處理十分有用，對飲用水加工和污水處理也很重要。濾芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3　濾芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)

瀅格有限公司首席執(zhí)行官Bruno Steis表示：“水不僅關(guān)系到人類的生存，也被廣泛用于幾乎所有的工業(yè)流程。自然水資源正逐漸枯竭。人口增長和工業(yè)化更是加快了這一趨勢。此外，本就十分稀缺的水資源，還不斷受到廢水污染。因此，我相信對濾水器需求未來仍將繼續(xù)增長。從家用凈水器到整個城市的供水或者工業(yè)應用，比如海水淡化以及鋼鐵生產(chǎn)工藝用水的供應等，我們的過濾器可用于各種水處理設(shè)施。對我們而言，最重要的高增長市場是亞洲，特別是中國。這里的人口增長和經(jīng)濟發(fā)展將使供水需求大幅增加。中東地區(qū)也是我們關(guān)注的焦點之一，因為這里飲用水極其匱乏。我們的技術(shù)可用于建設(shè)大型海水淡化裝置。”

2012年，全球凈水和污水處理系統(tǒng)銷售額達到810億美元。約71%的地表被水覆蓋，其中絕大部分為咸水。17000個海水淡化廠已在120個國家建立。

在魯爾河畔坐落著一家現(xiàn)代化的水處理設(shè)施，它由河兩岸的Menden和Frondenberg市政公用事業(yè)部門共同運營。在多段式過濾工藝中，裝置每小時可將600m3原水處理成優(yōu)質(zhì)飲用水。在進行機械預過濾處理前，魯爾河水已經(jīng)濾去了沙石和底土。去除粗糙雜質(zhì)后，原水進入德國瀅格有限責任公司生產(chǎn)的超濾膜系統(tǒng)。然后再經(jīng)過三道處理：活性炭過濾器去除藥品殘留物等有機微量物質(zhì)，平底脫氣裝置對水進行脫酸，最后由紫外線燈進行最后的消毒以確保魯爾河飲用水的優(yōu)異品質(zhì)。其它很多城市的水處理裝置也采用了Multibore?濾膜作為核心材料，比如從水壩取水的歷史名城特里爾，以及將地表水作為飲用水源的瑞士文尼多夫。

濾膜材料知識是未來聚合物膜創(chuàng)新成功的關(guān)鍵因素。自2011年被巴斯夫收購以來，瀅格公司利用巴斯夫在聚合物領(lǐng)域的專業(yè)知識，積極拓展水處理這一高增長領(lǐng)域，在世界各地推出了全面的巴斯夫水處理解決方案。巴斯夫為飲用水和污水處理、脫鹽、工業(yè)水處理提供了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的化學品。穩(wěn)定高效的產(chǎn)品，業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的生產(chǎn)設(shè)施，遍布世界各地供應網(wǎng)絡(luò)，使巴斯夫成為了水處理行業(yè)可靠的合作伙伴。