第2章--反渗透、纳滤、超滤与微滤

第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤2.1膜Membrane2.2反渗透ReversOsmosis(RO)2.3纳滤Nanofiltration(NF)2.4超滤Ultrafiltration(UF)2.5微滤Microfiltration(MF)2.6各种膜组件比较现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤22.1膜膜：分隔两相界面，并以特定的形式限制和传递各种化学物的两相之间的一个不连续区间。2.1.1基本概念现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤32.1膜现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤42.1.2膜的分类（1）按膜材质分类无机膜、有机膜（2）按膜相态分类气膜、液膜、固膜（3）按膜孔径分类微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜（4）按膜形状分类板式膜、管式膜、毛细管膜、中空纤维膜2.1膜现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤52.2反渗透(ReversOsmosis,RO)醋酸纤维素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。现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤62.2反渗透(ReversOsmosis,RO)2.2.1基本概念反渗透膜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现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤7海水脱盐三醋酸纤维素系的中空纤维直链全芳族聚酰胺系中空纤维交链全芳族聚酰胺型薄层复合膜（卷式）芳基-烷基聚醚脲型薄层复合膜（卷式）交链的聚醚薄层复合膜反渗透膜高压反渗透膜低压反渗透膜超低压反渗透膜苦咸水脱盐1.4~2.0MPa疏松型反渗透膜纳滤膜2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤82.2反渗透(ReversOsmosis,RO)流涎（制膜液的组成和性质、温度、流涎厚度、溶剂的蒸发速度和蒸发量、凝胶化条件、热处理）纺丝（纺丝液和凝固液的组成和性质，温度、喷丝头的形状和纺丝速度、溶剂蒸发、牵伸率）现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤92.2反渗透(ReversOsmosis,RO)膜外形膜片（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现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤10复合膜连续制备示意图现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤11二醋酸纤维素三醋酸纤维素二醋酸纤维素混合搅拌溶解溶剂致孔剂过滤静置脱泡聚酯物预处理制备工艺浇铸复合溶剂挥发凝胶固化热处理后处理干燥成品膜醋酸纤维素平板膜现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤122.2反渗透(ReversOsmosis,RO)现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤132.2反渗透(ReversOsmosis,RO)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,*现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤14动态平衡(a)平衡过程c1=c2,p1=p2μ1=μ2,π1=π2(b)渗透过程c1c2,p1=p2μ1μ2,π1π2(c)渗透平衡过程(d)反渗透化学位大小渗透压差稀溶液浓溶液外界压力c1c2,p1p2μ1=μ2,π1π2Δp=Δπc1c2,p1p2μ1μ2,π1π2ΔpΔπ稀溶液浓溶液11pc22pc11pc22pc11pc22pc渗透压11pc22pc渗透压压力现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤15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2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤16反渗透：依靠外界压力使溶剂从高浓度溶质溶液侧向低浓度溶质侧渗透的过程。多组分体系的稀溶液，用扩展的范特荷夫渗透压公式计算溶液的渗透压：niicRT1ci:溶质摩尔浓度n:溶液中组分数2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤17渗透压与最大溶质质量分数的关系MPa69.0MPa5.3MPa9.6MPa8.131000800600400200001.02.03.04.05.06.07.0溶质相对分子量溶质质量分数2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤18溶液浓度较低时，极大部分电解质水溶液渗透压系数接近于1。电解质水溶液，引入渗透压系数iRTcii不变i溶液浓度增加增加i降低iKCl,NH4CL,KI…MgCl2,MgBr2,CaI2…NH4NO3,KNO3,AgNO3…实际应用中sBxxs:溶质摩尔浓度B:常数附录A电解质水溶液渗透压系数，P3652.2反渗透(ReversOsmosis,RO)现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤19建立了表面力-孔流动模型。2.2.2反渗透基本机理及模型（1）优先吸附-毛细孔流动机理1960年，Sourirajan在Gibbs吸附方程基础上提出的。为反渗透膜的研制、开发奠定了基础。2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤20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2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤21多孔膜界面上溶质吸附量与溶液表面张力Gibbs方程aRTln12m/mol,:附量单位膜界面上溶质的吸m/N,:力溶液与膜界面的表面张3cm/kg,:溶液中溶质的活度a水溶液与多孔膜接触，膜对水优先吸附，在膜与溶液界面附近形成一层被膜吸附的纯水层，纯水层厚度与溶质和膜表面化学性质有关。2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤22mRTmctA1000254.581000b33Abcm/kgm/molckg/molm溶液的的密度，氯化钠的浓度，溶液的质量摩尔浓度，溶液中溶质的活度系数；；对于电解质水溶液，用Matsuura提出的修正Gibbs等温吸附方程计算。2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤23（2）Kedem-Katchalsky不可逆热力学模型VSSpVJcJpLJ1溶质渗透系数溶质浓度；溶质通量；反射系数过滤系数；总通量SPcL;SVJJ以不可逆热力学为基础2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)溶质性质Lp/[m3/(h·atm)]RO50UF50～500MF500现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤24（3）溶解-扩散模型20世纪60年代末，Lonsdals，Riley都溶解在均质无孔膜的表皮层中溶质溶剂各组分受非耦合形式的化学位梯度作用无缺陷理想膜2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)膜上游侧扩散膜下游侧膜下游侧解吸溶解度扩散系数现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤25PlRTVcDJ溶剂渗透系数PAJW费克定律亨利定律压力≤15MPa时，DW、cW及VW与压力无关。△p膜两侧压差JW溶剂（水）通量溶剂dzdCDJ膜内扩散膜中溶解2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤26dldcDJimimi溶质压差引起的化学位差极小，通量几乎由浓度梯度产生。溶质扩散通量溶质i在膜中的扩散系数溶质i在膜中的浓度cib(cir)c'imcinc''imcilcipilimiirimiccKccK,通过平衡分配系数用膜外溶液浓度表示iiKKKipilcc2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤27溶质传递通过膜的浓度分布cib(cir)c'imcinc''imcilciplccKDJpriimi膜内浓度与膜厚呈线性关系,溶质浓度15%2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)均质膜现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤28摩擦模型孔道模型氢键理论及结合水-空穴有序扩散模型扩散-细孔流理论自由体积理论其他模型2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤292.2.3反渗透操作特性参数计算膜通量J截留率RrpccR1APARAxxpAJAPPARRAAmSxcxcKDJΔπ一般，R＞98%pficcBJ2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤30反渗透膜元件的典型脱盐率2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤312.2.4反渗透工艺流程段：流经膜组件浓缩液（浓水）不经泵自动流到下一组膜组件处理。级：流经膜组件浓缩液（浓水）再经泵被动流到下一组膜组件处理。段数：同一级中并列的膜组件数。级数：进料经过加压的次数。（1）工艺流程2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤32一级一段连续式反渗透流程一级一段循环式反渗透流程水回收率不高，较少采用pppp产水量较大，但水质下降2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤33一级三段连续式反渗透流程二级一段循环式反渗透流程料液浓缩，产水量增大低压低浓度，提高膜寿命2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤34多级多段循环式反渗透流程第1段第m段第n段水回收率提高，透过水水质提高2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)现代分离技术2020/4/19第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤35（2）回收率与溶质损失率回收率ηfPVV透过液体积原料液体积截留液浓度cRRfRcc1透过液浓度cPRccRfP11溶质损失率δR0RR10112.2反渗透(ReversOsmosis,RO)现代分离技术202