二、膜处理技术

第二部分膜滤技术概述微滤和超滤反渗透和纳滤电渗析应用2.1概述一、定义二、分类与特点一、定义在某种推动力的作用下，利用某种隔膜特定的透过性能，使溶质或溶剂分离的方法称为膜分离。分离溶质时一般叫渗析；分离溶剂时一般叫渗透。1、膜的种类膜有天然膜和人工合成的。人工合成的主要为有机膜和无机膜。有机的主要有纤维素、聚酰胺、芳香杂环等，无机膜材料主要有陶瓷、玻璃和金属等。2、膜应具有的特点1、良好的渗透性2、高效的选择性3、一定的化学稳定性和机械强度4、耐污染使用寿命长5、易制备加工6、抗压性3、膜组件的性能变化①膜污染：附着层和孔堵塞②劣化：物理性、化学性、生物性。二、分类与特点根据推动力的不同，膜分离有下列几种：浓度差：扩散渗析电位差：电渗析压力差：反渗透（压力差1.0~10.0MPa）纳滤（压力差0.5~2.5MPa）超滤（压力差0.1~0.5MPa）微滤（压力差0.01~0.2MPa）膜分离的特点：可在一般温度下操作，没有相变；浓缩分离同时进行；不需投加其他物质，不改变分离物质的性质；适应性强，运行稳定。2.2微滤和超滤一、微滤二、超滤一、微滤1、原理2、微滤的操作模型1、原理在压差推动力作用下进行的液相分离过程，属于精密过滤，但由于膜孔较大，无渗透压，可在较低压力下工作。一般几公斤。分离机理：小孔筛分作用。在一定的压力差作用下，原料液中水和小的溶质粒子从高压侧透过膜到低压侧，产生透过液，而被膜截流的大粒子组分使剩余滤液中的浓度增大成为浓缩液。分离范围：截留分子量超过500000的更大的分子。2、微滤的操作模型1、死端过滤也称无流动过滤，其操作简便易行，适用于实验室等小规模场合，对于固体含量低于0.1％的料液通常采用这种形式；固体含量在0.1％－0.5％的料液通则需进行预处理；而对于固体含量超过0.5％的料液通常采用错流过滤过程。2、错流过滤错流操作对减少浓差极化和结垢是必要和可能的，近年来微滤的错流操作技术发展很快，有代替死端过滤的趋势。二、超滤1、原理2、超滤过程中的浓差极化3、应用1、原理与反渗透一样是在压力差下工作，但由于膜孔较大，无渗透压，可在较低压力下工作。一般几公斤。分离机理：小孔筛分作用。一般以截留分子量来表示孔径特征，此外也与物质形状和性质有关。分离范围：截留分子量1000－1000000的物质，如细菌、蛋白质、颜料、油类等膜组件形式与反渗透类似。但既有有机膜，也有无机膜。2、超滤过程中的浓差极化在膜分离过程中，大分子溶质被膜所截留并不断累积在膜表面上，使溶质在膜面处的浓度Cm高于主体溶液中的浓度Cb，从而形成浓度差Cm-Cb，并促使溶质的反向扩散。这种现象称为浓差极化。mCbCmJw：水通量K：传质系数＝D/m当Cm增加到Cg时，膜面大分子物质生成凝胶层。一旦凝胶层形成，透水量并不因压力的增加而增加。bmwCCKJlngmwRRPJRm:膜阻力；Rg：凝胶层阻力减缓浓差极化现象的措施：（1）提高料液流速，增加膜面的紊动程度；（2）对膜面不断清洗；（3）控制料液浓度3、应用1．给水去除细菌、胶体等物质。家庭用膜式净水器与反渗透联合制备纯水2．废水回收分离有用物：涂料、羊毛脂、染料、纸浆等废水深度处理膜－生物反应器超滤设备2.3反渗透和纳滤一、反渗透二、纳滤二者均是将低分子量的溶质（无机盐、葡萄糖等）从溶剂中分离出来。纳滤称低压反渗透。一、反渗透1、渗透压和反渗透原理2、反渗透膜3、应用1、渗透压和反渗透原理渗透压：当用一张半透膜将纯水和盐水分开，纯水会透过半透膜向盐水扩散，使盐水侧溶液水面升高，直到动态平衡。渗透的推动力就是渗透压，这是正渗透。任何溶液都存在渗透压π，只是一般没表现出来。π=iRTCi：范特霍尔系数C：溶液的浓度。R气体常数。当在盐水侧施加压力Pπ，反渗透。一般压力在几十公斤。渗透与反渗透现象纯水咸水半透膜（a)渗透纯水咸水半透膜（b)平衡纯水咸水半透膜（c)反渗透πP＞π2、反渗透膜★性能指标脱盐率＝（C0－C）/C0×100％，一般高达90％以上。透水率（L/m2.d）膜种类：1）醋酸纤维素膜（CA）2）芳香族聚酰胺膜反渗透机理尚不十分清楚。选择性吸附－毛细管流机理：由于膜表面的亲水性，优先吸附水分子而排斥盐分子，因此在膜表皮层形成两个水分子（1nm）的纯水层，施加压力，纯水层的分子不断通过毛细管流过反渗透膜。控制表皮层的孔径非常重要，影响脱盐效果和透水性，一般为纯水层厚度的一倍时，称为膜的临界孔径，可达到理想的脱盐和透水效果。膜组件：板框式、管式（有内压和外压两种）、卷式（膜表面积大、透水量大、紊流效果好）、中空纤维式。2tt纯水层膜选择性吸着-毛细管机理示意3、应用1）苦咸水、海水淡化2）与离子交换联用，制取超纯水3）处理重金属废水，回收重金属：如处理镀镍废水，镍回收率可达99％。4）废水脱盐深度处理美国加州21世纪水处理回用厂，就是将二级生物处理出水，经一定的预处理后经反渗透处理后回灌地下水。二、纳滤1、分离原理2、纳滤膜3、应用1、分离原理纳滤与反渗透的分离原理是相同的，其差别在于分离溶质的大小，纳滤所需的压力则介于反渗透和超滤之间，其膜孔径在纳米级范围内。2、纳滤膜纳滤膜也叫低压反渗透膜。★性能指标脱盐率＝（C0－C）/C0×100％，一般高达90％以上。透水率（L/m2.d）膜种类：1）醋酸纤维素膜（CA）2）芳香族聚酰胺膜结构：表皮层、过渡层、多孔支撑层3、应用1）苦咸水、海水淡化2）与离子交换联用，制取超纯水3）处理重金属废水，回收重金属：如处理镀镍废水，镍回收率可达99％。4）废水脱盐深度处理美国加州21世纪水处理回用厂，就是将二级生物处理出水，经一定的预处理后经反渗透处理后回灌地下水。2.4电渗析一、原理二、离子交换膜三、关键设备四、电流效率与极限电流密度五、应用一、原理在直流电场作用下，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。阴膜只让阴离子通过；阳膜只让阳离子通过。阴极：还原反应：2H＋＋2e→H2↑阴极室溶液呈碱性，结垢阳极：氧化反应：4OH－→O2↑＋2H2O＋4e或2Cl-→Cl2↑+2e阳极室溶液呈酸性，腐蚀特点：只能将电解质从溶液中分离出去。不能去除有机物等。二、离子交换膜离子交换树脂：树脂与离子之间发生交换反应离子交换膜：对溶液中的离子具有选择透过的特性按其结构分为：异相膜、均相膜。异相膜：离子交换树脂磨成粉末，加入粘合剂，滚压在纤维网上。均相膜：离子及交换树脂的母体材料制成连续的膜状物，作为底膜，然后在上面嵌接上活性基团。1、离子交换膜的分类★按离子选择性分：阳离子交换膜（一般为聚苯乙烯磺酸型）：R－SO3H，在水中电离后，呈负电性阴离子交换膜（聚苯乙烯季胺型）：R－CH2N（CH3）3OH，电离后，呈正电性2、离子交换膜的基本要求离子交换膜是电渗析的关键部分，良好的电渗析应：1）高的离子选择性；2）渗水性差；3）导电性好；4）化学稳定性和机械强度三、关键设备电极一级一段两级一段一级两段两级两段电极倒向膜电渗析的组装方式电渗析可分为三部分：极区、膜堆和紧固部分极区：常用的电极有不锈钢、石墨等膜对：一对阴、阳膜和一对浓、淡水隔板交替排列，组成的最基本脱盐单元膜堆：若干膜对的集合体一级：一对正、负极之间的膜堆一段：具有同一水流方向的并联膜堆增加段数：加长水的流程长度，增加脱盐效率。增加膜对数：提高水处理量增加级数：降低两个电极之间的电压四、电流效率与极限电流密度1．电流效率η＝实际去除的盐量m1/理论去除量m2100%m1＝q(C1-C2)tMB/1000q：一个淡室的出水量,L/sC1，C2：进出水含盐量,mmol/Lt：通电时间,sMB：物质的摩尔质量依据法拉第定律：m2=ItMB/FF：法拉第常数I：电流强度，A2．极限电流密度如果电流密度过大：发生浓差极化现象电流传导靠Na＋和Cl－电流总量＝Cl－电量＋Na+电量Cl－电迁移数（总电量中所占比例）＝0.5Na+电迁移数（总电量中所占比例）＝0.5但在阴膜中，由于钠离子不能通过，氯离子的迁移数为1，为此补充此差需要动用边界层中的氯离子，致使边界层与主流层之间存在浓度差。电渗析过程当电流密度i过大时，C’趋于0，水分子开始电离，参加迁移，此时发生浓差极化现象极限电流密度极限电流密度的确定：电压-电流法电流密度（mA/cm）相对电压（v）Vpμmpc极化与结垢：极化现象主要发生在阳膜的淡室一侧，沉淀主要发生在阴膜浓室一侧。防止措施：1）极限电流法，在极限电流的70－90％下运行；2）倒换电极；3）定期酸洗五、应用1）海水或苦咸水（小于10克/L）淡化；2）自来水脱盐制取初级纯水；3）电渗析与离子交换组合制取高纯水；4）废液的处理回收（可以与电极反应联合进行）如酸洗废水回收硫酸和铁，芒硝回收硫酸和碱2.5膜分离技术的种类及应用：⑴.双膜法；⑵.纳滤法。双膜法超滤与反渗透联合使用的技术俗称—双膜法。超滤（UF）能截留尺寸在0.001－0.1微米之间的大分子物质及杂质，满足反渗透的进水要求。反渗透（RO）能有效截留所有溶解盐及分子量大于100的有机物，允许水分子通过。工艺流程反渗透膜：最为精密的一种膜分离产品，进水水质要求较高。保证反渗透膜不污阻是双膜法处理污水最关键的一步。运行核心膜分离装置卷式膜分离设备中空纤维式膜分离设备双膜法的优势1.技术成熟，系统自动化程度高，操作方便，产水水质稳定。2.适应于较大范围的进水水质，在处理工业废水（如焦化废水，电镀废水）和生活污水发挥很大作用。3.更小的基建空间需要，占传统处理的25%~50%4.处理水水质好，可以回用。·双膜法在实际工程中的应用超滤系统反渗透系统反渗透系统纳滤法（NF）纳滤技术是纳米技术与过滤技术交叉渗透而创新发明的介于超滤与反渗透之间的一个新品类，它的分离性能依赖于其活性分离层中的纳米级微孔结构，其分离机理遵循吸附-溶解-扩散-透滤模型。·纳滤装置卷式膜分离设备中空纤维式膜分离设备·纳滤法的优势1.NF分离是一种绿色水处理技术,在某些方面可以替代传统费用高,工艺繁琐的污水处理方法。2.可在高温,酸,碱等苛刻条件下运行,耐污染。3.运行压力低,膜通量高,装置运行费用低，可以和其他污水处理过程相结合以进一步降低费用和提高处理效果。·纳滤法在实际工程中的应用·对于膜分离技术的思考膜分离技术依然存在着明显缺点：1.膜表面容易形成附着层，使膜的通量显著下降。2.操作结束后，膜的清洗较困难，膜的耐用性差。3.膜分离技术的投资费用高，与传统污水处理法相比较基本无经济优势而言。纳滤能有效去除废水中（尤其对于造纸废水）的色度、硬度和异味，但是我国纳滤技术在造纸废水深度处理方面尚处于研究阶段，膜组件大都从国外进口。寻求廉价易得的，性能好的，易清洗的膜组件，是当前解决膜技术缺陷的关键。以前得到大量使用的醋酸纤维膜已经渐渐被其他各种各样的新型膜材料代替，如（合成复合膜，聚芳砜，异丙基聚芳砜等）。在一定程度上优化了抗菌性能，耐热性能以及机械性能。解决途径