18膜技术

1第八章膜技术(membranetechnologies)第1节概述一、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。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(RO,reverseosmosis)：MW100,0.2-0.3nm,2–3A0纳滤(NF,nanofiltration)：MW:100-1000,0.5-5nm超滤(UF,ultrafiltration)：MW:1000—百万,5nm-0.2m微滤(MF,microfiltration)：0.2-1m(1A0=10-8cm,1=10-4cm,1nm=10-7cm)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。第2节电渗析一、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2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。★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★离子交换膜选择透过性主要是由于：1）膜的孔隙结构；2）活性交换基团的作用。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、关键设备如图3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/1000q：一个淡室的出水量,L/sC1，C2：进出水含盐量,mmol/Lt：通电时间,sMB：物质的摩尔质量依据法拉第定律：m2=ItMB/FF：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）＝0.5Na+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。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4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，芒硝回收硫酸和碱第3节扩散渗析高浓度溶液中的溶质透过隔膜向低浓度溶液中迁移的过程，浓度差为推动力。采用离子交换膜：阴膜。主要用于回收酸，碱。但不能将它们浓缩。其特点是不消耗能量。回收硫酸时，只有原废水硫酸浓度大于10％时，才有实用价值。第4节反渗透一、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，5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=iRTCi：范特霍尔系数C：溶液的浓度当在盐水侧施加压力Pπ，反渗透。一般压力在几十公斤。二、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★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。6★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、中空纤维三、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。第5节超滤一、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。二、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。Jw：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mCbCm7Rm: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）控制料液浓度三、应用1．给水1）去除细菌、胶体等物质。家庭用膜式净水器2）与反渗透联合制备纯水2．废水1）回收分离有用物：涂料、羊毛脂、染料、纸浆等2）废水深度处理3）膜－生物反应器gmwRRPJ