华北理工水质工程学教案26第八章苦咸水淡化与除盐8-4反渗透与超滤

课程名称：《水质工程学I》第周，第26讲次摘要授课题目（章、节）§8-4反渗透与超滤§8-5蒸馏法【目的要求】通过本讲课程的学习，学会建立的方法，的特点。【重点】【难点】内容【本讲课程的引入】【本讲课程的内容】§8-4反渗透与超滤一、反渗透:（一）渗透现象与渗透压（物理化学已学过）1、半透膜：只能让水分子透过，而阻止溶质透过的膜——称为半透膜。2、渗透过程：实验（1）有渗透现象；（2）平衡时压差为πPa；（3）反渗透。π称为渗透压。这个渗透现象是一个自发的过程。纯水的化学势（位）为μ0咸水的化学势（位）为μ则：μ=μ0+RTlnxx——咸水中水的摩尔分数，T——热力学温度K。R——理想气体常数，R=8.314J/mol·Kx＜1lnx为负值。∴μ0＞μ即纯水的化学位高于咸水的化学位，所以纯水向化学位低的咸水一侧渗透。水的化学位的大小决定着水的传质方向。3、渗透压：π平衡态，膜两侧的水的压力差，π即为在指定温度下，溶液（咸水）渗透压：π=icRT（Pa）c——溶液物质的量浓度，mol/m3i——系数，海水i≈1.8（二）反渗透：在咸水侧施加压力P＞π，迫使咸水中的水向纯水一侧渗透的过程称为反渗透。1、理论：反向加压大于π，克服渗透压。迫使渗透反向。加压→咸水化学位＞纯水化学位2、理论耗能：（25℃）海水的盐度34.3‰（计算仅用34.3）)/(3mhkwVARTSW1imA——系数，A=0.00537T——绝对温度，K。S——海水盐度。R——理想气体常数，R=2.31×10-6kw·h/mol·KV——水的偏摩尔体积，V=0.018×10-3m3/mol∴Wlim=0.7kW·h/m31kW·h=3.6×106Pa·m3即为海水的极限渗透压。实际工程应用要大该值。（三）反渗透膜及透过机理：醋酸纤维素（CA）芳香族聚酰胺膜1、机理：选择性吸附——毛细管流机理膜表面具有亲水性，选择吸附水分子（两个水分子厚1nm的纯水层）。并排斥盐分，在施加压力的作用下，纯水由毛细孔不断流过反渗透膜。毛细孔孔径应为纯水层厚1nm的2倍以下（2nm）。实际2～3nm以下。称为临界孔径。若孔径大于临界孔径，透水性增大，盐分也可透过。2、反渗透应用范围：（1）CA膜适用于含盐量小于10000mg/l，以下的苦咸水淡化。（2）含盐量大于10000mg/l，可用复合膜反渗透。复合膜：两种半透膜复合成一张膜。（3）可构成联合除盐系统：如反渗透——离子交换。反渗透——先除胶体微粒，二氧化硅，高分子有机物，及大部分溶解盐。目的：减轻后续离子交换工艺的负荷。离子交换——脱盐，出水为纯水。（四）反渗透淡化装置，工艺流程与布置系统。1、分类：四种形式：（1）板框式：装置类似电渗析，许多膜层叠在框板架中。（2）管式：分串联和并联毛细管（类似中空纤维式）（3）卷式：（4）中空纤维各类形式性能：2、反渗透工艺流程：（1）预处理：反渗透进水水质。PH=5.5～6.2目的：防止某些溶解固体沉积于膜面，影响产水。（2）膜分离：（3）后处理：PH调整，终端离子交换床；还有：杀菌，微孔过滤超滤。原因：膜孔不均匀，加压力后，膜孔放大，有的孔道变大，使出水水质不是理想状态。有来自树脂本身的溶解物，碎粒以及细菌的繁殖，终端超滤装置使出水纯度有保障。3、反渗透系统布置：（1）单程式：水的回收率低。（2）（部分）循环式：提高了水的回收率，但淡水水质有所降低。为什么部分循环：要求浓室内有一定的流速，防止膜面产生浓差极化（结垢）。（3）多段式：（串联式）水的回收率高，产水量大时用，膜组件逐段减少。原因：维持一定流速防止膜表面浓差极化。（五）反渗透装置的参数确定：（理想时）1、水的通量：Jw即水透过膜的通量cm3/(cm2·S)Jw=Wp(△P－△π)水通量与作用压力差成正比。实际：Jw=Wp(△P－δ△π)δ——膜对溶质的排垢系数。式中：Wp——水的透过系数，cm3/(cm2·S·Pa)实验测得。△P——膜两侧压力差，Pa△π——膜的渗透压，Pa2、溶质通量：Js溶质透过膜的通量mg/cm2·sJs=Kp·△CKp——溶质的透过系数。cm/s△C——膜两侧的浓度差。mg/cm3溶质通量与浓度差△C成正增长。△P↗→Jw↗→△C↗→Js↗增大产水量不一定引起淡水水质变差，因Js变大了3、脱盐率：R溶质去除率。膜两侧含盐浓度差，与进水含盐浓度的比值。%100bfbCCCRCb——进水含盐量；mg/lCf——出水含盐量；mg/l（淡室）由物料平衡关系：Q—进水量，Qf—淡化水量，则：QCb=(Q-Qf)Cc+QfCf（1）Cc——浓盐水浓度。若由Cm表示膜进水侧含盐量的平均浓度，)()(fcfbmQQQCQQQCC（2）则脱盐率可改写为：mfmfmCCCCCR1（3）或为：RCCmf1而wsfJJC，淡水浓度。mppmwsCPWCKCJJR113、淡化水的含盐量：（近似计算法）假设Cf为零：由物料平衡方程：fbcfffcfbQQQCCCQCQQQC0C因为：代入（2）式，膜进水侧含盐量平均浓度：fbffbmQQQCQQQQQQCCQQCQQQCfbfb2222令：QQmf淡化水与进水流量的比值称为水的回收率。得：mCCbm22代入脱盐率方程（3）式得：RmCCbf122得：)R1(m22CCbf再代入平衡方程（1），求出Cc（浓盐水浓度）；代入（2），求出平均浓Cm；再代入（3）中，求出新的Cf，即为新的较精确值——淡化水的含盐量。二、超滤：1、膜性能：膜孔：5nm～0.1µm，分离对象：300～300000分子量的大分子，如：细菌、病菌、胶体等。无脱盐能力操作：类似反渗透，用压力0.1～1.0MPa，膜孔易堵。反渗透、纳滤、超滤、微孔过滤的比较项目类型反渗透纳滤超滤微孔过滤膜孔径2~3nm以下2~5nm5nm~0.2μm0.22~10μm操作压力（MPa）2~71~20.1~1.00.1~0.2主要分离对象1nm以下的无机离子以及小分子有机物，蔗糖，卵清蛋白分子量300~300,000的大分子，病毒，细菌，胶体等微粒细菌，粘土等微粒补充有关纳滤膜：纳滤膜：孔径尺寸比反渗透膜稍大，即孔径为纳米级（nm）的膜，称为纳米膜。（在超滤范围之内）纳米膜因孔隙尺寸不同除盐率可在30％～90％之间变化。纳米膜虽然除盐率比较反渗透膜有所下降，而所需压力也比反渗透膜大大降低，一般为1～2MPa，所以有人也称其为低压反渗透。纳米膜能比较有效地去除水中的有机物，因为有机物的分子量及尺寸远比无机离子大，能被纳米膜有效地截留除去，所以纳米膜可用于饮用水除有机污染物的处理工艺中。纳米膜在其他水处理领域中的应用也愈来愈多。2、设备特点：操作压力低，设备简单。3、应用：纯水终端处理；工业废水处理和一些工业应用，如：医药、食品。4、形式：同反渗透，（1）板框式（2）管式（3）卷式（4）中空纤维。（一）膜的截留分子量:用截留分子量表示膜的孔径，对膜分档。超滤膜是多孔结构的膜，其去除水中杂质的工作机理主要是筛除作用。同一张膜的所有孔径是不相同的，其截留高分子的分子量也有着一定的分布。我们用截留率90%分子量，来表示膜截留分子量——代替所称的膜的孔径。超滤过程的一般表达式:超滤与反渗透的区别，反渗透有较大的渗透压π，超滤没有；微小溶质可透过膜被截留的是大分子。其渗透压较低可忽略不计。1、水的通量：Jw（cm3/cm2·s）PkPPJmww（适用稀溶液）Pw—（膜对水的透过特性）（cm3/s·Pa）2erPwe—膜开孔面积分数；r—孔半径；μ—水粘度；τ—孔迂曲系数；δm—膜厚（cm）mwPK对稀溶液是一个常数（cm/sPa）△P—膜两则压力差（Pa）2、溶质通量：Js（mg/cm2s）fbmssCCPJPs—膜对溶质的透过特性，cm2/sCb，Cf—进水和出水的溶质浓度mg/cm3↓↓主体溶液滤过液3、溶质去除率：R（%）bfbCCCR4、Js与Jw关系：RCCCJJbffws1由溶质去除率可得代入上式：wbsJRCJ15、大分子溶质浓度较高时：超滤中便产生浓差极化现象。这时，不再遵循上述规律。有的孔道被堵塞。过滤液溶质浓度为：534295.009.2014.21112qqqqqCCbf式中：))(())((cmrcmrqps膜的孔道平均半径径要求截留的溶质分子半第一个括号—表示溶质分子进入孔道的机率；第二个括号—表示溶质流受到孔道摩擦阻力的阻碍程度。是纯理论公式。（三）超滤过程中的浓差极化：浓差极化：水的通量和小溶质的通过膜，使膜面处溶质浓度Cm高于主体溶液中的浓度Cb，在边界层形成浓差Cm—Cb。使溶质由膜表面向主体溶液反向扩散，这种现象称为浓差极化。2、公式推得：（1）在稳定状态下：边界层厚δ，在δ中取一微元体ω△x,ω—在x方向上的面积由Jw引起的迁移xxcCJw由扩散引起的迁移，xxcCxcDxcDD—扩散系数。x△x单位时间的输入量：xxcCxDxxcCJw单位时间的输出量：xcDCJw单位时间物料变化量：tcx平衡方程：CJwxxccxDxxccJxcDcJtcxww稳定时：0tc即：022xxcDxcDxxcJCJxcDcJxcDxcJw即：022dxcdDdxdcJw积分得：1CdxdcDCJwC1—积分常数。JwC—向着膜的溶质通量。dxdcD—由于扩散从膜返回主体溶液的溶质通量。在稳定状态下，其差值为通透过膜的溶质通量Js即：:代入得将式fwswsCJJdxdCDCJJdxdCDCJCJwfwfwCCdCDdxJ据边界条件：x=0时，C=Cm；x=δ时，C=Cb积分得：fbfmwCCCCDJln（1）Cf—滤过液（出水）的溶质浓度很小，可化简为：bmwCCKJlnbmwCCKJln传质系数。3、压力差与浓度极化的关系：水通量：式代入)1(PPJmww∴fbfmmwCCCCDPPlnbmmwCCDPPln压力增大△P↗→Jw↗→↗当Cm高到一定程度便在膜表面产生凝胶层。其凝胶浓度用Cg表示。（是极限值）（四）形成凝胶层的影响：1、刚形成凝胶层，水的通量：bgwCCKJln2、继续加大作用压力：△P↗→Jw↗→凝胶层增厚→Jw↘→△P与Jw达新的平衡3、生成凝胶层后的透水特性：（1）透过水量不因压力增大而增加。（2）（因为Cg是恒值）（由式bgwCCKJln可知），Jw与Cb的对数是直线关系减小。（3）与边界层厚度δ有关，透水特性还取决于流体动力学条件。→边界层厚度δ。4、有凝胶层时水的通量：gmggmmwRRPPPPJδg—凝胶层厚度，（cm）Pg—凝胶层对水的透过特性（cm2/s·Pa）Rm—膜阻力mmmPRδ（S·Pa/cm）Rg—凝胶层阻力gggPRδ（S·Pa/cm）5、凝胶层的阻力Rg：Rg与透过水量（体积）V成正比，与压力差△P也成正比。△P↗→Jw→δg增厚↗→Rg↗∴PVRgα—比例系数代入式中：PVRPJmw6、实验法求Jw—△P关系：由式：PVRPJmw可得：wmJPPVR调节变化△P测Jw，把V视为定值（非精确法）令：V原式变为：PRJPmwRm—截距；β—斜率。例如：当油含量为0.1%很低时，Jw与△P呈直线关系（无凝胶层）。当油含量为1.2%和7.3%，有凝胶层的影响。图为硅溶胶超滤的Jw—△P实验关系曲线。三、纯水制备（一）纯水制备中通用工艺：离子交换，配以