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一．膜技术概论分离膜：分隔两相界面，并以特定的形式限制和传递两相界面。（均相或非均相，对称或非对称，固体或液体，中性或荷电性）膜分离：借助膜的选择渗透作用，对混合物中的溶质和溶剂进行分离分级提纯和富集的方法。膜分离技术：以选择性多孔薄膜为分离介质，使分离的溶液借助某种推动力（压力差，浓度差，电位差等）通过膜，低分子溶质透过膜，大分子溶质被截留，以此来分离溶液中不同分子量的物质，从而达到分离，浓缩，纯化的目的。膜分离过程特点：a不发生相变b分离效率高c常温下进行，适于热敏性物质的分离d装置简单操作方便e分离系数大工艺适应性强没有二次污染膜及膜分离过程的分类按外形：管式膜（无机陶瓷膜)毛细血管膜板式膜中空纤维膜卷式膜按结构：对称膜非对称膜按材料：有机膜无机膜按推动力：微滤(UF)纳滤（NF)超滤（MF)反渗透（RO)气体分离膜死端过滤：又叫全量过滤。溶剂和小于膜孔的溶质在压力的驱动下透过膜，大于膜孔的颗粒被截留，通常堆积在膜面上。死端过滤只需要克服膜阻力的能量，因此普通的实验室用真空泵或增压泵就可以提供足够的能量使微滤的流速达到要求。但是，随着时间的增加，膜面上堆积的颗粒也在增加，过滤阻力增大，膜渗透速率下降。因此，死端过滤是间歇式的，必须周期性的停下来清洗膜表面的污染层，或者更换膜。死端过滤操作简单，适于小规模场合。对于固含量低于0.1%的物料通常采用死端过滤。错流过滤：在泵的推动下料液平行于膜面流动，与死端过滤不同的是料液流经膜面时产生的间接力把膜面上滞留的颗粒带走，从而使污染层保持在一个较薄的水平。膜技术分离技术的分类压力差：反渗透RO、纳滤NF、超滤UF、微滤MF、气体分离膜、渗透汽化分离技术类型RONFUFMF膜的形式无孔致密膜表面有微孔存在带电基团表面有微孔表面有微孔膜孔径1nm(0.5~10nm)10nm(5nm~10μm)100nm(0.03~15μm)传质机理溶解扩散、优先吸附毛细孔流筛分效应、电荷效应筛分筛分应用海水脱盐、苦咸水淡化、纯水制备饮用水制备、工业废水处理、制药和食品行业的应用工业废水处理、冷杀菌、纯水制备油田采出水处理、食品和医药的应用截留分子量小于500200-10001000-10万大于100万一：反渗透RO1.渗透：水从较稀溶液通过渗透膜流向较浓溶液。渗透压：当加在溶液上的压力恰好能阻止溶剂进入溶液的额外压力。影响渗透压因素：溶液的种类溶液中溶质浓度温度。反渗透-反渗透过程是利用外来压力将水分子从较浓溶液经过反渗透膜压迫流向较稀液。利用反渗透原理，可达到分离溶液内成分的目的.例如:将水和溶解物质的分离.2.反渗透定义：利用反渗透膜选择性地只能透过溶剂而截留离子物质的性质，以膜两侧压差为推动力，克服溶剂的渗透压，使溶剂通过反渗透膜而实现对液体混合物进行膜分离的过程3.传质机理：（1）膜表面分为有孔区和无孔区（2）有孔区发生溶解扩散达到分离，有孔区发生优先吸附达到分离（3）不同的离子达到分离和膜的形态和结构有一定关系。4.特点：（1）物料无相变（2）能耗低（3）设备简单，技术成熟（4）适应性强（5）应用范围广5.反渗透膜对无机盐的作用：（1）依靠荷点排斥性一般纯水膜表面都带荷电,同时不同离子带有不同电荷,反渗透膜会对各种离子产生荷电排斥性；（2）依靠膜孔的筛选性反渗透膜对有机物的作用：（1）有机物的脱除率主要决定于有机分子的大小和形状；（2）携带电荷的有机物,由于荷电排斥作用相对更难透过反渗透膜.6.影响水质的物质：总悬浮物质：砂胶体三价铁；总溶解固体物：钠离子氯离子钙离子两价铁；生物污染：细菌热原体藻类7.预处理的目的：（1）防止膜表面的污染（2）防止膜表面结垢（3）确保膜不受机械和化学损伤（4）确保工作效率最大化8.预处理系统：悬浮物去除氯去除防止膜单元结垢预处理一:过滤工艺系统目的：去除总悬浮物（TSS)，降低AO设备进水SDI值。典型过滤设备：双/多过滤介质过滤器：去除总悬浮物的能力达到20微米。每星期反冲洗一次进行反冲洗。微滤/超滤膜：用以代替多介质过滤器，提高RO系统的进水水质。预处理二：脱氯工艺基础目的：去除水中的余氯，以避免余氯对反渗透膜造成不可恢复的损害。氯与活性炭反应（活性炭过滤法）；氯与亚硫酸氢钠反应（亚硫酸氢钠加药法）活性炭能去除物质：颜色和气味三氯甲烷低分子量有机物预处理三：软化工艺基础：软化法（软化器）；阻垢剂加药法反渗透后处理系统：初级离子去除（单级RO阴阳离子交换床蒸馏）；精处理（RO混床处理EDIUF)；水的储存于配送（臭氧消毒热水消毒化学消毒）9.反渗透的应用：（1）海水脱盐（2）苦咸水淡化（3）超纯水的生产（4）锅炉用水（5）工业水处理（6）产品浓缩（7）其他用途10.反渗透系统污染分类砂石，PVC碎屑等阻塞进水流道—无法通过清洗恢复；硬度结垢——酸性清洗；有机物，胶体污染——碱性清洗；④细菌，病毒等微生物滋生——杀菌剂加碱性清洗6.反渗透的操作模式段：膜组件的浓缩液不经过泵而流到下一组件进行处理，流经n组膜组件为n段。一段一膜组件。级：膜组件的透过液（产品水)再经过泵到下一组件进行处理，透过液经n次膜组件处理为n级。一级一泵。级数：进料经过加压的次数；段数：同一级中并列的膜组件数二：纳滤NF1.纳滤特征：对不同价态离子截留效果不同，对二价和高价离子截留率高于单价离子。离子半径越小，膜对该离子截留率越小。截留相对分子质量在200-1000之间适于分子大小为1nm的溶解组分的分离。④操作压力低，水通量大，截留低分子量物质能力强，抗污染性强。2.分离机理：（1）溶解—扩散；(2)Donnan效应3.分离规律：（1）对于阴离子截留率递增：NO3-、Cl-、OH-、SO42-、CO32-；（2）对于阳离子截留率递增：H+、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cu2+；（3）1价离子透过，多价截留；（4）截留分子量在200—2000，分子在1nm左右的组分4.纳滤的应用：（1）膜生物反应器（2）果汁浓缩（3）多肽及氨基酸的浓缩、分离(大豆乳清)（4）饮用水的制备（5）工业废水的处理（染料废水）（6）其他用途三：超滤UF1.超滤的定义：超滤是在压差推动力作用下进行的筛孔分离过程，它介于纳滤和微滤之间，膜孔范围在1nm-0.05um.2.超滤的基本原理：超滤的分离机理是“筛分”分子级的物质，即它可截留溶液中溶解的大分子物质，而透过小分子物质。理想的超滤膜分离是筛分过程，在压力推动下，进料液中的溶剂和小分子溶质透过膜进入滤液侧，溶液中的大分子物质、胶体、蛋白质等被超滤膜截留浓缩。3“筛分膜”和“深层膜”的比较（1）筛分膜：拥有几乎完美的圆柱形孔，这些孔或多或少与膜表面垂直或随机分散。深层膜：膜孔是弯曲不规则的，膜的表面很粗糙，部分孔的路径与膜表面平行；（2）筛分膜和深层膜的压降，流速与时间的关系（3）分离机理，筛分膜：膜表层截留。通过三种方式实现：a:比膜孔大的颗粒的机械截留。b:颗粒之间的相互作用（聚集，吸附）及颗粒与膜表面的吸附——吸附截留。c:颗粒之间的架桥作用——架桥截留。深层膜：颗粒截留在网络孔的内部——膜内部截留。对于表层截留，其过程接近于绝对过滤，易清洗，但杂质捕捉量相对于深度型较少。对于膜内部截留，其过程接近于公称值过滤。比表面积大，杂质捕捉量多，但不易清洗，多属于用毕弃型。3.超滤膜的特性：（1）超滤膜按形态结构可分两类：对称膜和非对称膜（2）超滤膜的分离特性：透过通量（速度）和截留率（分离效果）（3）超滤膜的材料：1）有机高分子材料（纤维素衍生物、聚砜类、乙烯类聚合物、含氟类聚合物）2）无机材料（多孔金属、多孔陶瓷、分子筛）4.膜污染的定义:指处理物料中的微粒，胶体粒子或溶质大分子，由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附，沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化。5.浓差极化：超滤时，由于筛分作用，料液中的部分大分子溶质会被膜截留，溶剂及小分子溶质则能自由地透过膜，从而表现出超滤膜的选择性。被截留的溶质在膜表面处积聚，其浓度会逐渐升高，在浓度梯度的作用下，及近膜面的溶质又以相反方向向料液主体扩散，平衡状态时膜表面形成一溶质浓度分布边界层，对溶剂等小分子物质的运动起阻碍作用。这种现象称为膜的浓差极化，是一个可逆过程。6.减轻浓差极化：（1）提高料液流速（2）升高料液温度（3）选择合适的膜组件结构6.造成膜污染的主要原因：a.料液性质b.膜及膜组件性质c.操作条件7.控制措施A.膜的压差较低时，膜自身的机械阻力和膜污染阻力占主导地位，应尽量减少膜污染阻力来提高膜的运行水平，①膜材料：与溶质电荷相同的强亲水和强疏水性膜较耐污染；②膜孔径：一般选孔径比被截留粒子尺寸小一个数量级的膜；③溶液pH值：一般把它调至远离等电点，可减少污染；④盐：自身沉积或改变蛋白质性质而产生膜污染；⑤温度：适宜的料液温度会减少膜的污染。B.膜的压差较高时，浓差极化产生的阻力占主导地位，此时应着重减少浓差极化阻力，其措施主要是：①增大料液流速；②升高料液温度；③选择合适的膜组件结构C.膜压差很高时，凝胶层阻力占主导地位，凝胶层是由浓差极化造成的，所以防止凝胶层的形成应尽量控制浓差极化。8.超滤膜的清洗：在实际膜分离技术应用中，尽管选择了较合适的膜和适宜的操作条件下，在长期运行中，过滤通量随运行时间的增加必然产生下降现象，即膜污染问题必然发生，此时需要采取一定的清洗方法，使膜面或膜孔内污染物去除，从而达到过滤通量恢复，延长膜寿命的目的。9.影响膜清洗的因素：膜的化学特性和污染物特性10.膜的清洗方法：（1）物理方法：水力方法和气液脉冲法（2）化学方法：物理清洗——清洗剂扩散到污垢表层——渗透扩散进污垢层——清洗反应——清洗反应产物转移至清洗剂体系11.常见的化学清洗剂：①酸碱液②表面活性剂③氧化剂④酶“膜长期停用时用0.5%甲醛体系保护”13.超滤的应用（1）工业废水处理（2）食品工业中的应用（3）高纯水制备中的应用（4）生物制药领域的应用12.间歇超滤截留液全循环方式截留液，部分循环方式连续错流截留液无循环，截留液部分循环，多级超滤膜组合四：微滤MF1.膜污染的控制方法：（1）膜通量较低时，膜自身的机械阻力和膜污染阻力占主导地位，应尽量减少膜污染阻力来提高膜的运行水平：膜材料的选择(注意材料的亲水性和荷电性)；选择合适结构的膜(膜的对称、皮层结构、孔径大小及其分布、膜表面粗糙度)；选择合适的膜组件，合适的操作参数(如压力、流速、回收率等)；选择合适的进料的浓度、pH、温度、离子强度等。（2）膜的浓差极化较高时，浓差极化产生的阻力占主导地位，此时应减少浓差极化的阻力：增大物料流速、升高物料温度、选择合适的膜组件结构。（3）膜压差很高时，浓差极化产生的凝胶层占主导地位，此时应停机清洗。五：电渗析ED1.离子交换膜的选择透过性：离子交换膜对离子选择性透过机理和离子在膜中的迁移历程可以由膜的—孔隙作用、静电作用、扩散作用2.性能测定方法：膜厚度、含水率、膜交换容量、膜面电阻、选择透过性3.电渗析过程的基本传质方程：对流传质、扩散传质、电迁移传质4.电渗析器的主要结构：电渗析器由膜堆、极区和夹紧装置三部分组成。膜堆位于电渗析器的中部，由阳膜、浓（或淡）水室隔板、阴膜、淡（浓）水室隔板交替排列成浓水室和淡水室。极区位于膜堆两侧，包括电极、极水框和保护室，其作用是供给电渗析器直流电，将原水导入膜堆的配水孔，将淡水和浓水排出电渗析器，并通入和排出极水。5.双极膜电渗析与普通电渗析有什么差别和联系？（1）普通电渗析是由阳膜、浓(或淡)水室隔板、阴膜、淡(浓)水室隔板交替排列成浓水室和淡水室。在通直流电的情况下，进行阴阳离子分别通过阴阳离子交换膜，达到去除离子的作用，得到淡水和浓水。（2）双极膜是由阳离子交换层和阴离子交换层复合形成的一种复合离子交换膜。它的特征是在通直流电的情况下将水解离成H+和OH-。双极膜电渗析制备酸碱是三室电渗析膜堆由双极膜、阴离子交换膜、阳离子交换膜、盐室、酸室及碱室组成。在通直流电的情况下，盐阴离子通过