第七章-膜分离技术

第七章膜分离技术学习目标：了解膜分离技术的特点和类型，各种类型膜分离器的结构和优、缺点以及膜分离技术在工业生产中的典型应用和发展趋势。掌握反渗透、超滤、电渗析、气体膜分离、微滤的基本原理、工艺流程及各种膜分离过程的影响因素、能够分析解决实际问题。第一节概述一、膜和膜分离的分类1.膜的定义与分类膜是分离两相和作为选择性传递物质的屏障。选择性透过膜的定义按膜结构进行分类2.膜分离的定义、分类和特点膜分离---借助于膜，在某种推动力的作用下，利用流体中各组分对膜的渗透速率的差别而实现组分分离的过程。膜分离过程的特点如下:①一般不发生相变，能耗低；②一般在常温或温度不太高的条件下进行；③可除去病毒、细菌，溶液中的大分子和无机盐④装置简单、操作方便、维护费用低。二、对膜的基本要求1.膜应具有良好的选择透过性，通常表示为:①截留率RR=②透过速率（通量）J指单位时间、单位膜面积的透过的物质量，常用单位为kmol/(m2·s)。③截留物分子量一般取截留率为90%的物质的分子量为膜的截留物分子量。2.膜有足够的机械强度和化学稳定性。R=%100121ccc三、膜分离技术在环境工程中的应用1．饮用水的净化2．工业用水的处理3．工业污水和市政污水处理四、膜分离设备膜分离技术的核心是分离膜。无机膜聚合物膜｛按分离膜的材质不同按膜的分离功能：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、渗析膜、电渗析膜、气体分离膜、渗透蒸发膜、液体分离膜；按膜的形态：平板膜、管状膜、细管膜、中空纤维膜等。膜分离器---将膜以某种形式组装在一个基本单元设备内,也称膜组件:⑴板框式⑷中空纤维式⑵螺旋卷式⑸毛细管式⑶圆管式⑹槽式板框式膜组件构造示意图紧螺栓式板框式反渗透螺旋卷式反渗透膜组件螺旋卷式反渗透器管式膜组件杜邦公司中空纤维反渗透膜组件示意图毛细管膜组件示意图槽条式膜组件示意图第二节反渗透一、反渗透原理⑴渗透压（a）渗透；（b）渗透平衡；（c）反渗透渗透过程示意图⑵反渗透膜对反渗透膜的要求:①具有较好的分离透过性②良好的物化稳定性典型的非对称膜结构示意图二、影响反渗透因素——浓差极化浓差极化---溶质在膜表面附近积累，造成由膜表面到溶液主体之间的具有浓度梯度的边界层，引起溶质从膜表面通过边界层向溶液主体扩散。不良影响:①导致溶剂的渗透通量下降；②对溶剂渗透通量的增加提出了限制；③膜表面上形成沉淀，会堵塞膜孔；④会导致膜分离性能的改变；⑤出现膜污染。三、反渗透组件及其技术特征各种反渗透组件技术特征各种组件的比较各种组件的比较四、反渗透过程工艺流程⑴一级一段连续式⑵一级一段循环式一级一段连续式一级一段循环式一级一段循环式⑶一级多段连续式⑷一级多段循环式⑸多级多段循环式五、反渗透技术的应用（1）海水淡化目的：除去无机盐日本某海水淡化厂工艺流（2）纯水制备目的：除去水中悬浮固体、溶解固体、可溶性气体、挥发物质及微生物、细菌等超纯水生产的典型工艺流程（3）电镀污水处理目的：除去重金属（4）低分子溶液的浓缩电镀污水反渗透流程第三节超滤一、超滤原理①在膜表面及微孔内吸附；②在膜面的机械截留；③在微孔中停留而被除去。二、超滤的浓差极化溶质会在膜表面积聚并形成从膜面到主体溶液之间的浓度梯度。超滤分离原理示意图减轻浓差极化的措施：①错流设计，以利清除极化层；②流体流速提高，增加流体的湍动程度；③采用脉冲以及机械刮除法维持膜表面的清洁。三、超滤膜常用的膜材料有醋酸纤维、聚砜、聚丙烯睛、聚酰胺、聚偏氟乙烯等。四、超滤过程的工艺流程参见教材235页表7-5五、超滤技术的应用三种类型：①浓缩；②小分子溶质的分离；③大分子溶质的分级。1．回收电泳涂漆污水中的涂料超滤在金属电泳漆过程中的应用2．含油污水的回收超滤过程处理含油污水3．果汁的澄清果汁澄清新旧工艺比较（a）传统工艺，(b)超滤新工艺4．血清白蛋白的提取用超滤技术提取血清白蛋白工艺5．纺织工业污水的处理（1）聚乙烯醇（PVA）退浆水的回收；（2）染色污水中染料的回收；（3）羊毛清洗污水中回收羊毛脂。第四节电渗析一、电渗析原理及适用范围1．电渗析原理电渗析过程示意图表电位差为推动力2．电极反应阳极和阴极上所发生的反应分别是氧化反应和还原反应。以NaCl水溶液为例，其电极反应为：阳极：20H-1－2e：→[O]+H2OCl-－e→[Cl]H++Cl-→HCl阴极：2H+2e→H2Na++OH-→NaOH3．极化现象当操作电流极化现象大到一定程度时，膜内离子迁移被强化，就会在膜附近造成离子的“真空”状态，在膜界面处将迫使水分子离解成H+和OH-离子来传递电流，使膜两侧的pH值发生很大的变化，这一现象称为极化。极化的危害：①Ca2+、Mg2+等离子时将形成沉淀；②膜电阻增大，降低分离效率。4．离子交换膜可分为三类：（1）均相离子交换膜；（2）非均相离子交换膜；（3）半均相离子交换膜。对离子交换膜的要求是：①有良好的选择透过性；②膜电阻应低，膜电阻应小于溶液电阻；③有良好的化学稳定性和机械强度；有适当的孔隙度。5．电渗析的特点：①只对电解质的离子起选择迁移作用；②除盐过程中没有物相的变化，因而能耗低；③没有对环境的污染，属清洁工艺；④电渗析过程是在常温常压下进行的。6．电渗析的适用范围：①可作为离子交换工艺的预除盐处理，制取初级纯水。②将污水中有用的电解质进行回收，并再利用；③改革原有工艺，采用电渗析技术，实现清洁生产。二、电渗析的流程各种电渗析器的组合方式示意图直流式电渗析除盐流程循环式电渗析除盐流程部分循环式电渗析除盐流程三、电渗析技术的应用（１）咸水脱盐制淡水电渗析脱盐生产淡水的工艺流程1-渗析槽；2-冷凝器；3-浓缩罐；4-结晶罐；5-涡轮机；6-锅炉；7-浓液槽（2）重金属污水处理电渗析处理电镀含镍污水工艺流程（3）纯净水的生产（4）在食品工业中的应用（5）其他应用第五节微滤一、微滤原理微滤膜各种截留作用示意图二、影响微滤膜分离效果的因素（1）孔堵塞：①机械堵塞；②架桥；③吸附。（2）浓差极化（3）溶质吸附（4）生物污染三、微滤的操作流程（1）无流动操作无流动操作示意图（2）错流操作错流操作示意图四、微滤的应用1.微滤膜的特点⑴孔径的均一性⑵空隙率高⑶材薄2.微滤的应用⑴实验室中的应用⑵工业上的应用微生物检测微粒子检测制药工业电子工业其他领域｛｛｛｛