膜技术用于水处理

膜分离技术及其在水处理中的应用内容膜技术概述膜分离装置MBR及设计方法相关研究热点1.膜技术概述1.1基本概念膜，是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚相，它把流体相分隔为互不相通的两部分，并能使这两部分之间产生传质作用。膜的特性：不管膜多薄，它必须有两个界面。这两个界面分别于两侧的流体相接触。膜传质有选择性，它可以使流体相中的一种或几种物质透过，而不允许其他物质透过。水处理中膜的分类电渗析离子交换膜反渗透其他膜分离类型纳滤超滤微滤各种分离膜的特征分离膜的基本功能是从物质群中有选择地透过或输送特定的物质，如颗粒、分子、离子等。或者说，物质的分离是通过膜的选择性透过实现的。几种主要的膜分离过程及其传递机理如表2所示。表2几种主要分离膜的分离过程膜过程推动力传递机理透过物截留物膜类型微滤压力差颗粒大小形状水、溶剂溶解物悬浮物颗粒纤维多孔膜超滤压力差分子特性大小形状水、溶剂小分子胶体和超过截留分子量的分子非对称性膜纳滤压力差离子大小及电荷水、一价离子、多价离子有机物复合膜反渗透压力差溶剂的扩散传递水、溶剂溶质、盐非对称性膜复合膜膜过程推动力传递机理透过物截留物膜类型渗析浓度差溶质的扩散传递低分子量物、离子大分子物非对称性膜电渗析电位差电解质离子的选择传递电解质离子非电解质，大分子物质离子交换膜气体分离压力差气体和蒸汽的扩散渗透气体或蒸汽难渗透性气体或蒸汽均相膜、复合膜，非对称膜渗透蒸发压力差选择传递易渗溶质或溶剂难渗透性溶质或溶剂均相膜、复合膜，非对称膜液膜分离浓度差反应促进和扩散传递杂质待分离物乳状液膜、支撑液膜续上表电渗析运行时可能发生的过程RO、NF、UF、MF的区别项目RONFUFMF孔径(nm)0.3-0.71-21-10050-10000截留粒径0.06nm1.0nm2.0-100nm100nm运行压力(Bar)8-693.5-201-70.5-0.7能截留的物质盐分%98-99.620-9000病毒完全完全部分不能细菌完全完全较完全部分自来水水质主要特点自来水大肠杆菌、细菌、CODcr、BOD5、SS、色度含量水样指标原水含量处理后含量生活饮用水卫生标准大肠杆菌(个/L)700-1600~03细菌(cfu/ml)100-40001~40100CODcr(mg/l)3-161.56BOD5(mg/l)514SS(mg/l)20-401.2-2.03.0色度(度)5-30515分析：自来水如果消毒不严，则可能会含少量细菌及相对较多的病毒；如果消毒严格，则会含较多余氯。微生物分类及其个体大小微生物按个体大小分为9类：名称个体大小病名酵母菌5-150m霉菌2-10m螺旋体5-10m梅毒/回归热细菌0.5-5m痢疾等支原体0.2-0.25m胸膜炎/肺炎立克次氏体0.1-0.2m斑疹伤寒/羌虫热衣原体0.1-0.2m砂眼/结膜炎病毒0.05-0.1m流感/噬菌体/HIV亚病毒(DNA/RNA)0.015-0.03m疯牛病/Kuru病NF、RO、UF、MF的孔径比较020406080100120RONFUFMFPoresize(nm)UFNFRO肿瘤病毒15nm50nm1nmNF－制造饮用水的最佳选择自来水地表水中水井水RONF高纯水纯净水直饮水唉!寡淡无味喔噻!真好喝分析：由纳滤NF制得的直饮水，因其口感好，富含人体所需的营养元素而倍受国内外亲睐。膜材料用作分离膜的材料包括天然的与人工合成的有机高分子材料和无机材料。原则上讲，凡能成膜的高分子材料和无机材料均可用于制备分离膜。但实际上，真正成为工业化膜的膜材料并不多。这主要决定于膜的一些特定要求，如分离效率、分离速度等。此外，也取决于膜的制备技术。目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。从品种来说，已有成百种以上的膜被制备出来，其中约40多种已被用于工业和实验室中。以日本为例，纤维素酯类膜占53％，聚砜膜占33.3％，聚酰胺膜占11.7％，其他材料的膜占2％，可见纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位。1.纤维素酯类膜材料纤维素是由几千个椅式构型的葡萄糖基通过1,4-β-甙链连接起来的天然线性高分子化合物，其结构式为：OHOHOHHOHHOHHCH2OHHHOHHOHHOCH2OHOOHOHOHHOHHOHHCH2OHHHHOHHOHHOCH2OHHn_22从结构上看，每个葡萄糖单元上有三个羟基。在催化剂（如硫酸、高氯酸或氧化锌）存在下，能与冰醋酸、醋酸酐进行酯化反应，得到二醋酸纤维素或三醋酸纤维素。C6H7O2+(CH3CO)2O＝C6H7O2(OCOCH3)2+H2OC6H7O2+3(CH3CO)2O＝C6H7O2(OCOCH3)3+2CH2COOH醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一。醋酸纤维素性能稳定，但在高温和酸、碱存在下易发生水解。纤维素醋类材料易受微生物侵蚀，pH值适应范围较窄，不耐高温和某些有机溶剂或无机溶剂。因此发展了非纤维素酯类（合成高分子类）膜。醋酸纤维素膜醋酸纤维素膜的结构示意图99％表皮层孔径0.0008~0.001m过渡层孔径0.02m多孔层孔径0.1～0.4m1%显微镜下膜的照片显微镜下中空纤维膜膜丝结构图2.非纤维素酯类膜材料常用于制备分离膜的合成高分子材料有聚砜、聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合物。聚砜类树脂具有良好的化学、热学和水解稳定性，强度也很高，pH值适应范围为1～13，最高使用温度达120℃，抗氧化性和抗氯性都十分优良。因此已成为重要的膜材料之一。早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龙-4、尼龙-66等制成的中空纤维膜。这类产品对盐水的分离率在80％～90％之间，但透水率很低，仅0.076ml/cm2·h。以后发展了芳香族聚酰胺，用它们制成的分离膜，pH适用范围为3～11，分离率可达99.5％（对盐水），透水速率为0.6ml/cm2·h。长期使用稳定性好。由于酰胺基团易与氯反应，故这种膜对水中的游离氯有较高要求。聚酰亚胺具有很好的热稳定性和耐有机溶剂能力，因此是一类较好的膜材料。例如，下列结构的聚酰亚胺膜对分离氢气有很高的效率。NCCOONCCOOArn离子性聚合物可用于制备离子交换膜。与离子交换树脂相同，离子交换膜也可分为强酸型阳离子膜、弱酸型阳离子膜、强碱型阴离子膜和弱碱型阴离子膜等。在淡化海水的应用中，主要使用的是强酸型阳离子交换膜。磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最常用的两种离子聚合物膜。用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯、聚丙烯酰胺等。共聚物包括：聚丙烯醇/苯乙烯磺酸、聚乙烯醇/磺化聚苯醚、聚丙烯腈/甲基丙烯酸酯、聚乙烯/乙烯醇等。聚乙烯醇/丙烯腈接枝共聚物也可用作膜材料。常见材料的最高允许使用温度名称温度（℃）CA（CelluloseAcetate）聚酰胺聚苯并咪唑聚苯并咪唑酮磺化聚苯醚磺化聚砜聚醚砜酮3535907070120160无机膜多以金属及其氧化物、多孔玻璃、陶瓷为材料。从结构上可分为致密膜、多孔膜和复合非对称修正膜三种。膜的制备1.分离膜制备工艺类型膜的制备工艺对分离膜的性能十分重要。同样的材料，由于不同的制作工艺和控制条件，其性能差别很大。合理的、先进的制膜工艺是制造优良性能分离膜的重要保证。目前，国内外的制膜方法很多，其中最实用的是相转化法（流涎法和纺丝法）和复合膜化法。2.相转化制膜工艺相转化是指将均质的制膜液通过溶剂的挥发或向溶液加入非溶剂或加热制膜液，使液相转变为固相的过程。相转化制膜工艺中最重要的方法是L—S型制膜法。它是由加拿大人劳勃（S.Leob）和索里拉金（S.Sourirajan）发明的，并首先用于制造醋酸纤维素膜。将制膜材料用溶剂形成均相制膜液，在模具中流涎成薄层，然后控制温度和湿度，使溶液缓缓蒸发，经过相转化就形成了由液相转化为固相的膜，其工艺框图可表示如下：聚合物溶剂添加剂均质制膜液流涎法制成平板型、圆管型；纺丝法制成中空纤维蒸出部分溶剂凝固液浸渍水洗后处理非对称膜图2L-S法制备分离膜工艺流程3.复合制膜工艺由L-S法制的膜，起分离作用的仅是接触空气的极薄一层，称为表面致密层。它的厚度约0.25～1m，相当于总厚度的1/100左右。理论研究表明可知，膜的透过速率与膜的厚度成反比。而用L-S法制备表面层小于0.1m的膜极为困难。为此，发展了复合制膜工艺，其方框图如图3所示。多孔支持膜涂覆交联加热形成超薄膜亲水性高分子溶液的涂覆复合膜形成超薄膜的溶液交联剂图3复合制膜工艺流程框图膜的保存分离膜的保存对其性能极为重要。主要应防止微生物、水解、冷冻对膜的破坏和膜的收缩变形。微生物的破坏主要发生在醋酸纤维素膜；水解和冷冻破坏则对任何膜都可能发生。温度、pH值不适当和水中游离氧的存在均会造成膜的水解。冷冻会使膜膨胀而破坏膜的结构。2.膜分离装置平板膜（板框式）卷式膜（螺旋卷式）管式膜毛细管膜中空纤维膜MEMBRANEMODULESPlate-and-framemodulePLATE-AND-FRAMEMODULEThenumberofsetsneededforagivenmembraneareafurnishedwithsealingringandtwoendplatesthenbuildsuptoaplate-and-framestackPlate-and-framemoduleAdvantages-Highallowableworkpressure(highviscosityliquids)-Easytoclean-EasytoreplacemembranesDisadvantages-Lowmembraneareapervolume(100-400m2/m3)MEMBRANEMODULESSpiral-woundmoduleMEMBRANEMODULESTubularmoduleTUBULARMODULESTubularmoduleSchematicdrawingoftubularmoduleCrosssectionofmonolithicceramicmoduleThefeedsolutionalwaysflowsthroughthecentreofthetubeswhilethepermeateflowsthroughsupportingtubeintothemodulehousing.管式膜TubularmoduleAdvantages-Resistanceforfouling-EasytocleaningDisadvantages-Lowpackingdensity(300m2/m3)-ExpensiveReverseosmosis,ultrafiltrationMEMBRANEMODULESCapillarymoduleMEMBRANEMODULESHollow-fibermoduleCapillarymoduleCapillarymoduleconsistsofalargenumbersofcapillariesassembledtogetherinamodule.Thefreeendsofthecapillariesarepottedagentssuchasepoxyresins,polyurethans.CAPILLARYMODULEThechoicebetweenthetwoconceptsismainlybasedontheapplicationwheretheparameterssuchapressure,pressuredrop,typeofmembraneavailableetc.areimportant.Dependingontheconceptchosen,asymmetriccapillariesareusedwiththeirskinontheoutsideorinside.Twotypesofmodulearrangementscanbedistinguise