第二章反渗透与正渗透

第二章反渗透与正渗透、纳滤、超滤与微滤1基本概念微滤、超滤、纳滤与反渗透都是以压力差（也称跨膜压差）为推动力的膜分离技术，当膜两侧施加一定的压差时，可使一部分溶剂及小于膜孔径的组分透过膜，而微粒、大分子、盐等被膜截留下来，从而达到分离的目的。主要区别：被分离物粒子或分子的大小和所采用的膜的结构和性能。微滤0.1um超滤0.01um-0.1um纳滤截留相对分子质量150-1000无机盐（NaCl等）悬浮固体大分子有机物，蛋白质，多肽小分子有机物、染料和重金属离子等反渗透-氯化钠截留率99%21正渗透与反渗透渗透、反渗透与正渗透让溶剂通过而不让溶质通过的膜，称为理想半透膜。(a)C1=C2,p1=p2π1=π2，μ1=μ2(b)C1C2,p1=p2π1π2,μ1μ2(c)C1C2,p1p2π1π2,μ1=μ2,Δp=Δπ(d)C1C2,p1p2π1π2,μ1μ2,ΔpΔπ3渗透压与最大溶质重量分数的关系13.8MPa6.9MPa3.5MPa0.69MPa溶质重量分率溶质分子量4几种化合物在水溶液中的浓度与渗透压的关系各化合物在水中的浓度，%(w/w)渗透压MPa35282114701、2、3、4、5、6、7、8氯化锂、氯化钠、乙醇、乙二醇、硫酸镁、硫酸锌、果糖、蔗糖5各种渗透压计算方程niiCRT1RTCiiBxsnaCBCCMRT2式中，B为常数,Xs为溶质摩尔分数；C为溶质的摩尔浓度6各种溶质-水体系的反渗透B值7世界上较大的反渗透海水淡化厂：（3）设在美国科罗拉多河岸，淡水产量38km3/d，1980年建成。（1）水源来自红海，设在沙特阿拉伯的吉达市，淡水产量56.8km3/d，1989年开工以来运转良好。由日本三菱重工和东洋纺织承建。（2）设在日本鹿岛，淡水产量32kt/d。反渗透8醋酸纤维素膜芳香族聚酰胺膜制作较容易，价廉，耐游离氯，膜表面光洁，不易结垢和污染脱盐率高，通量大，pH范围宽，耐生物降解，操作压力要求低pH范围窄，易水解，操作压力要求偏高，性能衰减较快不耐氧化，氧化后性能急剧衰减，抗结垢和污染能力差反渗透膜基本概念9反渗透膜的分类膜片（平板状）中空纤维状板式反渗透膜组件卷式反渗透膜组件管状管式反渗透膜组件中空纤维式膜组件膜外形1011基本原理反渗透：是借助于半透膜对溶液中溶质的截留作用，在高于溶液渗透压的压差推动力下，使溶剂渗透通过半透膜而实现对液体混合物进行分离的膜过程。溶液中化学位xRTPTln,*12反渗透基本机理及模型（1）优先吸附-毛细孔流动机理1950年，Sourirajan在Gibbs吸附方程基础上，提出了优先吸附-毛细孔流动机理，为反渗透膜的研制和制作过程的开发奠定了基础，而后又按此机理发展为定量表达式，及表面力-孔流动模型。)(APPARRAAmSxCxCKDJ溶质通量渗透系数13优先吸附-毛细孔流动机理示意图高压大气压溶剂：H2O溶质：NaCl膜表面选择吸附水优先吸附水渗透通过膜孔脱盐14反渗透过程的渗透系数若膜已确定，则在一定的压力下，与料液的浓度和流速无关，随温度升高而增加；当膜的平均孔径很小时，在很宽的压力范围内，几乎是个常量，当膜的孔径较大时，则随压力增加而趋于降低。AAmKD15渗透系数的物理意义是三个具有重要意义的物理量的组合，在反渗透设计中，不必知道其中每个数值，只需知道其总值即可。AAmKD16的值可通过选择适当的参考溶质来预测。如：氯化钠是醋酸纤维膜的参考溶质；甘油、葡萄糖可作为芳香聚酰胺膜的参考溶质。AAmKD17（2）Kedem-Katchalsky不可逆热力学模型。方程中有表示膜传递性能的三个系数，其中溶质渗透系数与反射系数由溶质的性质决定的。（3）溶解-扩散系数在假定膜是无缺陷的理想膜基础上，提出溶解-扩散机理来描述反渗透过程。该机理假定溶剂和溶质首先都溶解在均质无孔膜的表皮层中，然后各组分在非耦合形式的化学位梯度作用下，从膜上有侧向膜下游侧扩散，再从下游侧解析18反渗透过程的回收率VVPf式中，VP、Vf分别为透过液和原料液的浓度。19原料液浓度、回收率和截留率的关系当反渗透过程中溶质是所需要的组分时，如果膜不能完全截留溶质，有部分溶质被损失掉。RfRCC)1(CCRPfR()()11CR：截留液的浓度Cp：流出液的浓度20反渗透过程的溶质损失率与回收率、截留率的关系反渗透膜的溶质截留率大多在0.9～0.95之间；回收率不高；为提高料液的利用，必须采用多段或多级工艺过程。111（）R21反渗透膜对于无机粒子的分离率反渗透膜对于无机粒子的分离率，随粒子价数的增高而增高。价数相同时，分离率随着离子半径而变化。一般规律为：2CaRbKNaLi2222BaSrCaMg多原子单价阴离子：333ClOBrOIO极性有机物伯胺仲胺酸，叔胺胺醇醛醋酸乳酸苹果酸酒石酸柠檬酸异构体priisotert原仲异叔sec分子量大的分离性能好同一族系22反渗透工艺流程一级一段循环式反渗透流程一级一段连续式反渗透流程23一级三段连续式二级一段循环式24反渗透系统设计的总体要求1.达到所需的产水率；2.达到最高的脱盐率；3.提高水的回收率；4.减轻膜元件的污染和结垢，使系统运行稳定；5.减少膜元件和压力容器的数量，降低造价；6.降低系统运行压力，节约能量。25膜元件的种类（Filmtec/Dow公司膜元件）膜元件种类：海水高脱盐SW30HR海水SW30苦盐水BW30自来水TW30膜元件的直径与长度标准直径(in)：2.5、4.0、8.0等标准长度(in)：40、80等新产品:采用有效表面积替代直径与长度表示法。26膜元件选择基本原则1.按脱盐率＞92％TW30;＞98％BW30;＞99％SW30、SW30HR2.按进水含量TDS＜1000mg/LXLE＜2000mg/LTW/BWLE＜10000mg/LBW30＜10000-15000mg/LSW30＜10000-50000mg/LSW30HR273.按进水水源一般水源地表水，满足高脱盐率：BW30-365地下水，满足高脱盐率：BW30-400TDS＜2000，满足高通量：BW30LE-4404.高污染水源预处理采用传统过滤器：BW30-365FR预处理采用超滤、微滤：BW30-365FR285.按进水所需压力＜10.5atm:BW30LE,XLE-440(超低压膜）＜21.0atm:BW30(自来水可选TB30）6.按产品水流量＜0.2m3/h:2.5in＜3.0m3/h:4in＞3.0m3/h:8in29特殊工业应用膜元件的选择普通的膜元件与压力容器间存在死水区，因此部分用途的膜元件必须特别考虑：1.食品与饮料工业，宜采用HSRO类元件：为无外壳的元件结构，能经受85℃的热水消毒，满足FDA卫生标准。2.半导体工业，宜采用半导体级膜元件30反渗透系统设计的注意事项平均水通量及允许每年水通量衰减百分数水源SDI水通量（m3/m2.d）水通量衰减（百分数/年）地表水3~50.326~0.5717.3~9.9井水30.571~0.7344.4~7.3反渗透产品水10.815~1.2232.3~4.4SDI为给水的污泥密度系数，与反渗透膜上的污染物质的数量之间的相互关系相当吻合。31年盐透过率增加百分数膜种类膜型号盐透过率增加（百分数/年）超低压聚酰胺复合膜ESPA1、ESPA2、ESPA33~17低压聚酰胺复合膜CPA2、CPA3、CPA43~17低污染聚酰胺复合膜LFC1-365、LFC1LFC23~17海水淡化膜SWC1、SWC2、SWC33~17节能型聚酰胺纳滤膜ESNA1、ESNA23~1732膜元件的最大给水流量与最小浓水流量膜元件直径（英寸）最大给水流量（吨/小时）最小浓水流量（吨/小时）43.60.768.81.8817.02.78.519.33.233反渗透海水淡化降低成本的关键1.反渗透膜及其组件30％2.能量回收装置15－20％3.高压泵15％4.其它附属设备20－35％34反渗透在废水处理中的应用1、反渗透技术在尾矿废水处理中的应用北京桑德环境工程有限公司国内某大型钢铁企业尾矿湖中的尾矿渗滤液因含有大量的有害金属离子，对当地地下水造成很大污染，因此对该尾矿渗滤液进行处理很有现实意义，目前该企业拟将尾矿渗滤液处理后回用于电厂循环冷却水。该废水的主要特征为硬度比较大、含盐量比较高，且含有一定的悬浮物。根据该废水的特点，确定了其主体处理工艺采用反渗透技术。反渗透设备采用2根8英寸陶氏BW30-365/34i-FR抗污染反渗透膜；并设浓水回流管路。设计反渗透产水量为1m3·h-1，试验为期80d，分别考察了反渗透系统在50%和70%回收率条件下，反渗透及其预处理的效果、运行参数、膜污染情况以及反渗透膜进水流量、水温、膜通量和回收率对脱盐率的影响。其中前40d反渗透回收率为50%，后40d反渗透回收率为70%2、反渗透技术在放射性废水处理中的应用在核动力装置运行和检修中，回路的排污、系统和设备的去污、燃料元件的贮存以及其他日常工作中会产生大量的放射性废水，采用安全、高效和经济的方法对废水中的核素进行分离和浓缩，使产生的二次废物的体积和向环境中排放的放射性最小化是放射性废水处理所要达到的最终目标。1998年，美国WolfCreek核电厂建成了一套“超滤→反渗透”废水处理系统，用于处理该厂的地排水、反应堆排水、废树脂渗出水和各种杂质排废水等，系统流程见图2。废水先由管式超滤处理，超滤的浓缩水进行循环，透过水进入2级反渗透系统。在反渗透部分，第1级透过水进入第2级深度过滤，第2级的浓缩水进行循环而透过水进到精处理床，精处理床的出水合格即可排放。而第1级浓缩水再用一段海水淡化反渗透膜进行浓缩，浓缩水最后进入转鼓干燥装置处理3、反渗透在重金属废水处理中的应用电镀、采矿、化工、冶金等行业在生产过程中会产生大量含重金属的废水,主要有矿山排水、废石场淋浸水、选矿厂尾矿排水、有色金属冶炼厂除尘排水、有色金属加工厂酸洗水、电镀厂镀件洗涤水、钢铁厂酸洗排水,以及电解、农药、医药、油漆、颜料等工业废水。废水中重金属离子的种类、含量及其存在形态随不同生产情况而异,差异很大。重金属离子污染成分在环境中只能改变其形态或被转移、稀释、积累,但不能去除或降解,危害很大。这些废水排放到环境中,不仅浪费了资源还严重污染环境,对此国家制定了严格的排放标准,含重金属的废水必须进行处理。用反渗透技术处理含重金属的废水则不需投加药剂,能耗低,设备紧凑,易实现自动化,不改变溶液的物理化学性质,可以回收清水和贵金属,适用于封闭循环无排放系统。咸阳国际机场的地下水中Cr6+最大含量超标514倍。西安美星精密环保设备股份有限公司采用反渗透装置,对咸阳国际机场供水进行净化、淡化处理,Cr6+质量浓度从0.27mg/L降低到0.02mg/L,去除率达93%。反渗透能有效地去除水中的Cd2+。超滤43概述超滤（Ultrafiltration，简称UF)，又称超过滤。1861年，Schmidt公布用牛心包膜截留可溶性阿拉伯胶。1907年，Bechhold较为系统研究了超滤膜，首次采用“超滤”术语。1963年，Michaels开发了不同孔径的CA（醋酸纤维素）超滤膜1965-1975年，UF大发展，从CA扩大到PS（聚苯乙烯）、PC（聚碳酸酯）、PAN（聚丙烯腈）、PES（聚醚砜树脂）等等。我国的超滤技术，70年代中期起步，80年代大发展，90年获得广泛应用，10多个品种。44超滤的基本原理开始一般认为超滤是一种筛孔分离过程。在静压差为推动力的作用下，原料液中溶剂和小溶质粒子从高压的料液侧透过膜到低压侧，一般称为滤出液或透过液，而大粒