环境工程学-第12章膜分离

第12章膜分离MembraneSeparationProcesses本章内容第一节概述第二节电渗析第三节反渗透第四节超滤第一节概述一、膜分离法利用特定膜材料的透过性能，在一定驱动力的作用下，实现对水中颗粒、胶体、分子或离子的分离的方法，称为膜分离法。第一节概述二、膜的分类按分离机理离子交换膜分子扩散膜微孔膜按形态固体膜液体膜溶胀的凝胶第一节概述按结构形式板框式管式及中空纤维式卷式等按来源/性质天然膜合成膜(有机膜和无机膜)第一节概述分子扩散膜渗析(Dialysis，简称D)反渗透(ReverseOsmosis，简称RO)微孔膜微孔过滤(Microfiltration，简称MF)超滤(Ultrafiltration，简称UF)纳滤(Nanofiltration，简称NF)离子交换膜电渗析(Electrodialysis，简称ED)电位差—电渗析(ED)压力差—反渗透(RO)—纳滤(NF)—超滤(UF)—微滤(MF)浓度差—渗析(D)第一节概述三、膜分离推动力第一节概述膜过程推动力传质机理透过物截留物膜类型电渗析电位差电解质离子选择性透过阴、阳离子非电解质、大分子离子交换膜反渗透压力差溶剂的扩散水或溶剂溶质(SS、大分子、离子)反渗透膜(非对称膜或复合膜)超滤纳滤(膜过滤)压力差筛滤及表面作用水、盐及小分子有机物胶体、大分子、不溶有机物超滤膜纳滤膜非对称膜四、几种常见膜分离方法的对比p[bar]Particle/moleculardiameterdP[µm]0.00010.0010.010.11101000.1101001200UmkehrosmoseMikrofiltrationFiltrationUltra-filtrationNano-filtrationPressuredifferencep[bar]P[µm]110100101001200ReverseosmosisMicrofiltrationFiltrationUltra-filtrationNano-filtration第一节概述第一节概述(1)膜分离过程在常温下进行，不发生相变。(2)不改变分离物质的性质。(3)浓缩、分离同时进行。(4)操作简单，运行稳定，分离效率高。(5)投资较大。五、膜分离方法的共同特点第一节概述“18世纪电器改变了整个工业进程，而20世纪膜技术将改变整个面貌”；“目前没有一项技术能像膜技术这么广泛地应用”。膜法水处理技术将会在解决当今世界性水资源危机中发挥它的突出作用“要想发展化工就必须发展膜技术”；“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来”。膜技术已在苦咸水淡化、工业给水处理、纯水及高纯水制备、废水处理、食品工业、医药工业和特殊的化工过程中得到广泛应用。六、应用第一节概述食品、饮料行业用水系统医用制药工业用水系统第一节概述纯净水、矿泉水成套设备第一节概述住宅、酒店直饮水设备锅炉补给水系统第一节概述电子、光学工业超纯水石油、化工行业用水第一节概述医药化工分离、浓缩中成药膜法提取新工艺第一节概述第一节概述膜生物反应器(MBR)处理生活污水第一节概述“全膜法”——整个系统水净化全部由膜组件来完成，主要由超滤(UF)、反渗透(RO)、连续电去离子(EDI)等组成。第一节概述第二节电渗析电渗析在外加直流电场作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中的阴、阳离子的选择透过性，分离溶质和水的一种方法。是由离子交换树脂制成的一种特殊膜；对阴、阳离子具有选择透过特性；是离子交换树脂除盐的另一种应用形式。第二节电渗析一、离子交换膜(一)离子交换膜的分类(1)按膜体结构A异相膜B均相膜C半均相膜第二节电渗析A、异相膜由具有交换基团的聚合电解质(树脂)与成膜材料(粘合剂)粘合制成薄膜，并加入衬网而制成。特点：聚合电解质不连续；膜的化学性能不均匀。第二节电渗析B、均相膜完全按离子交换树脂的制造工艺制成。为连续的膜状物，在膜中聚合电解质和成膜材料之间发生了化学结合而成为共聚体。特点：化学性能是均匀的，膜的各部分具有相同特性，是单相的。第二节电渗析C、半均相膜聚合电解质与成膜材料混合得十分均匀，它的化学性能的均匀性可以大为提高，但两者之间并没有化学结合。第二节电渗析(2)按膜的选择透过性分阳膜——用阳离子交换树脂制成的膜RSO3--Na+磺酸型阴膜——用阴离子交换树脂制成的膜RCH2N+(CH3)3–Cl-季铵盐型特性：在直流电场作用下，阳膜只能通过阳离子，阴膜只能通过阴离子。第二节电渗析(三)影响膜选择透过性的因素(1)树脂的交联度。交联度高，交换基团浓度高，选择透过性好。(2)膜结构。化学结构均匀，选择透过性好。(3)膜外溶液的浓度。浓度高，选择透过性差。第二节电渗析二、电渗析的工作原理第二节电渗析电渗析利用外加直流电场的作用使水中阴、阳离子定向迁移，并利用阴、阳离子交换膜对水溶液中阴、阳离子的选择透过性，使原水在通过电渗析器时，一部分水被淡化，另一部分则被浓缩，从而使溶质和溶剂达到分离的一种方法。进水阴极阳极淡水浓水极水极水阳极室淡水室浓水室淡水室浓水室浓水室淡水室阴极室极膜阴膜阳膜阳膜阴膜阴膜极膜第二节电渗析三、电渗析器第二节电渗析由一层层交替排列的隔板、离子交换膜及两端的电极组成，外面用压板和螺杆把隔板和膜压紧而成。1、膜堆(1)膜堆由若干膜对构成。(2)膜对：阳膜+隔板+阴膜(3)隔板：①在两膜之间保持一定距离(2mm)形成隔室；②形成水流通道、均匀布水；③强化隔室中水流的湍流程度，减薄界面层厚度，减少极化现象。第二节电渗析（一）结构膜堆、极区、压紧装置、直流电源2、极区（提供直流电源，通入、排出极水）电极托板+电极+极框(1)电极作用：形成均匀直流电场。要求：导电性能好、机械强度高、能耐腐蚀。材料：涂钛钌电极、铅、石墨、不锈钢(2)极框（塑料板）在电极和膜之间形成极室。(3)极水管：将阴极室、阳极室串联，排出反应产物。第二节电渗析3、压紧装置组成：压板和螺杆作用：把隔板和膜压紧而成4、直流电源工作电压：40-280V工作电流：4~100A电流密度：0.5~2.3mV/cm2第二节电渗析第二节电渗析第二节电渗析四、极化和结垢电渗析器运行中在阴膜和阳膜靠浓水的面上有时出现结垢现象。结垢是由于电渗析器过程所产生的极化现象所引起的，而电流在电渗析器内传导的特殊性则为极化产生的原因。第二节电渗析应用领域进水浓度(mg/L)出水浓度(mg/L)单位体积淡水耗电量(kwh/m3)苦咸水淡化100005001~5纯水制取50010~501水的软化硬度3~10毫克当量/L硬度0.15~0.30毫克当量/L1海水淡化3500050012~25应用领域进水浓度(mg/L)出水浓度(mg/L)单位体积淡水耗电量(kwh/m3)苦咸水淡化100005001~5纯水制取50010~501水的软化硬度3~10毫克当量/L硬度0.15~0.30毫克当量/L1海水淡化3500050012~25六、电渗析在废水处理中的应用第三节反渗透反渗透就是在溶液一侧加上一个大于渗透压的压力P，使得溶液中的水从溶液一侧透过半透膜渗透至纯水一侧的过程，即渗透的反向过程。第三节反渗透第三节反渗透反渗透：向水溶液施加压力，使水透过反渗透膜，使水溶液中的分子态和离子态、分子态的溶解物质得到浓缩。特点分离介质：分子扩散膜，也称半透膜。截留因素：水溶液的渗透压和浓度。分离对象：分子态和离子态溶解物。二、反渗透膜(一)种类醋酸纤维素膜—CA膜。芳香族聚酰胺膜—中空纤维膜。(二)结构表皮层也称致密层或活化层。厚度为0.25~1微米，起脱盐作用。孔径小于100Å过渡层孔径200Å，多孔层孔径1000~4000Å过渡层为表皮层和多孔层间的过渡，两层占总厚度的99%，无脱盐作用。醋酸纤维素是成膜材料；丙酮是成膜过程所用溶剂；常用添加剂为甲酰胺、过氯酸镁。第三节反渗透第三节反渗透(三)反渗透膜的渗透机理(1)RO膜具有微孔结构—选择性吸附-毛细流动理论•反渗透膜看作是微细多孔结构物质。•膜具有选择吸附纯水而排斥溶质(盐分)的特性，可在膜表面上形成1H2O厚的纯水层。•在压力作用下，纯水层中水分子不断通过毛细管流过。•高价离子被排斥较远。第三节反渗透(2)RO膜不存在微孔结构——氢键理论膜为具有高度有序矩阵结构的聚合物，与水等溶剂形成氢键。盐水中的水分子能与膜上碳基的氧原子形成氢键，形成所谓的“结合水”。在力的作用下，“结合水”能从第一个氢键位置断裂而转移到下一个位置形成新的氢键。水分子通过一连串氢键形成和断裂而不断移位，直至离开表皮层而进人支撑层,畅通流出膜外。第三节反渗透技术发展历程：1784年法国学者阿贝·诺伦特发现，水能自然地扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象，发现并证实了渗透现象。1953年美国佛罗里达大学的里德(Reid)教授在美国内务部盐水局(OSW)开始进行反渗透的研究；1960年洛布和索里拉金制成了第一张高通量和高脱盐率的醋酸纤维素膜，为反渗透和超滤膜的分离技术奠定了基础。1961年美国Hevens公司首先提出管式膜组件的制造方法；1964年美国通用原子公司研制出螺旋式反渗透组件；1965年美国加里福尼亚大学制造出用于苦咸水淡化的管式反渗透装置；1967年美国杜邦公司首先研制出以尼龙-66为膜材料的中空纤维膜组件；1970年杜邦公司又研制出以芳香聚酞胺为膜材料的“PermasepB-9”中空纤维膜组件，获1971年美国柯克帕特里克化学工程最高奖。1966年我国开始开展反渗透半透膜的研究。第三节反渗透六、反渗透装置优点：能承受高压；缺点：占地面积大，易产生浓差极化。第三节反渗透板框式反渗透器反渗透单元组成：承压板；微孔支撑板覆盖承压板两侧；反渗透膜粘贴在微孔板的两面。多个反渗透单元叠合用长螺栓固定，装入密封耐压容器中——反渗透器。第三节反渗透管式反渗透器膜的外形是管状的，有内压式和外压式两种。管状膜衬在耐压微孔管套上，并把许多单管以串联或并联方式连接装配成管束。多采用内压式。优点：水流流态好，易安装、清洗、拆换；缺点：单位体积内膜面积小。优点：单位体积膜填充面积大，水流流态好，结构紧凑；缺点：易堵、清洗较困难。第三节反渗透卷式反渗透器卷式反渗透膜件：两张膜贴连成袋形反渗透膜中间夹一层多孔支撑材料；袋形膜之间设浓水导流网,袋形膜的开口固定在多孔集水管上；以淡水管为轴卷成螺旋卷状而成。盐水由一端流人导流隔网，从另一端流出。优点：单位体积膜填充密度大，结构紧凑;缺点：易堵、清洗困难，对预处理要求高。第三节反渗透空心纤维式反渗透器纤维外径50-100μm，壁厚12-25μm,内径为25-50μm。将多根中空长纤维弯成U形装在耐压容器中，开口端固定在圆板上用环氧树脂密封，构成反渗透器。在高压作用下，淡水透过每根纤维管管壁进人管内，由开口端汇集流出容器。第三节反渗透四、浓差极化与预防措施1、浓差极化在运行过程中，膜界面层处，溶液溶质浓度大于主体流中的溶质浓度，溶质在膜界面出现浓聚的现象。2、危害(1)透水率降低；(2)透盐率升高；(3)难溶盐在膜表面上沉淀，加快膜的变质速度。第三节反渗透3、预防措施(1)提高进水水流速度，加速离子的扩散。(2)一般透盐率高，浓差极化现象严重，为减轻浓差极化现象，循环脱盐可提高透水率和水的回收率。(3)预处理：去除水中的胶体物质、悬浮物和油类物质；调pH值(pH﹤6)抑制碳酸盐结垢和铁、锰沉淀；加稳定剂(聚磷酸盐)可抑制硫酸盐垢的生成。第三节反渗透一、超滤利用微孔膜为介质，截留普通过滤法不能分离的高分子有机物。如细菌、蛋白质、颜料和油类等。二、与反渗透的比较(一)相同点均为以膜为介质的分离过程，且膜的材质相同。推动力相同，均为静压差。第四节超滤(二)不同点1、膜结构和截留因素反渗透：分子扩散膜，截留因素溶液浓度和渗透压。超滤：微孔膜，截留因素膜表面孔隙的几何尺寸。第四节超滤2、操作压力反渗透：20～100kg/cm2超滤：0.7～7kg/cm23、处理对象反渗透：透过水分子，截留其它物质超滤：透过水、离子和小分子有机物，截留分子量较大(M500～50