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1、 水污染控制工程水污染控制工程 主讲教师：龙良俊 膜分离法 (Membrane Separation Processes) 教学内容：教学内容： 一、一、膜的定义和分类膜的定义和分类 二、二、膜分离概述膜分离概述 三、三、扩散渗析（扩散渗析（diffusion dialysisdiffusion dialysis ） 四、四、电渗析电渗析( (electrodialysis)electrodialysis) 五、五、反渗透（反渗透（ reverse osmosis)reverse osmosis) 六、六、超过滤超过滤( (ultrafiltration)ultrafiltration) *水
2、污染控制工程4 一、膜的定义和分类一、膜的定义和分类 1 1、膜（、膜（分离膜分离膜）的定义）的定义 分离膜可看作是分离两相和作为选择性传递物质的屏障。它 可以是固态、液态或气态的，目前使用的分离膜绝大多数是固膜 。膜可以存在于两流体之间或附着于支撑体或载体的微孔隙上， 膜厚度要远小于其比表面积。 2 2、膜的分类、膜的分类 按膜结构分：有对称膜和不对称膜 按膜材料分：有机膜：纤维素膜、聚酰胺膜、聚砜膜、聚乙烯烯膜等 无机膜：玻璃膜、陶瓷膜、氧化铝膜等 按分离机理分：多孔膜、无孔膜和载体膜 按几何形状分：平板式、管式、毛细管式和中空纤维式膜 二、二、膜分离概述膜分离概述 1 1膜分离的概念膜分
3、离的概念 2 2、膜分离技术的特点膜分离技术的特点 3 3膜分离法的分类膜分离法的分类 4 4膜分离法的应用膜分离法的应用 *水污染控制工程6 1 1膜分离的概念膜分离的概念 用一张特殊制造的、具有选择透过性 能的薄膜（分离膜），在外力推动下对双组 分或多组分溶质和溶剂进行分离、提纯、浓 缩的方法，统称为膜分离法。膜分离可用于 液相和气相，对液相分离，可以用于水溶液 体系、非水溶液体系、水溶胶体系以及含有 其他微粒的水溶液体系等。 *水污染控制工程7 膜分离过程的推动力有两类： 借助外界能量，物质发生由低位向高位的流动； 以化学电位差为推动力，物质发生由高位向低位的流 动。 推 动 力膜 过
4、程 压力差 反渗透，超滤，微滤，气体 分离 电位差电渗析 浓度差扩散渗析、控制释放 浓度差（分压差）渗透气化 浓度差加化学反应液膜，膜传感器 一些主要的膜分离过程的推动力一些主要的膜分离过程的推动力 2 2、膜分离技术的特点、膜分离技术的特点 （a）膜分离过程不发生相变，因此能量转化的效率高 。例如在现在的各种海水淡化方法中反渗透法能耗 最低； （b）膜分离过程在常温下进行，因而特别适于对热敏 性物料，如果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩 ； （c）装置简单，操作简单，控制、维修容易，且分离 效率高。与其它水处理方法相比，具有占地面积小 、适用范围广、处理效率高等特点； （d）由于目前膜的成本
5、较高，所以膜分离法投资较高 ，有些膜对酸或碱的耐受能力较差。所以目前膜分 离法在水处理中一般用于回收废水中的有用成分或 水的回用处理。 *水污染控制工程9 3膜分离法的分类 膜分离法的种类很多，现已应用的膜过 程有反渗透、纳滤、超滤、微滤、扩散渗析 、电渗析、气体分离、渗透蒸发、控制释放 、液膜、膜蒸馏等。目前，在废水处理中常 用的有扩散渗析、电渗析、反渗透、超滤等 四种膜分离技术。 废水处理中几种常用膜分离法的特点如下表所示。 *水污染控制工程10 膜过程推动力传质机理 透过物及其 尺寸 截留物膜类型 电渗析电位差 离子选择性 透过 溶解性无机 物 非电解质 大分子 离子交 换膜 反渗透 压
6、力差2- 10MPa 溶剂的扩散水或溶剂 溶质、盐 、SS 非对称 膜 超过滤 压力差0.1- 10.MPa 筛滤及表面 作用 水、盐及低 分子有机物 胶体大分 子、不容 有机物 非对称 膜 渗析浓度差溶质的扩散 低分子物质 、离子 溶剂 非对称 膜 液膜 化学反应 和浓度差 反应促进和 扩散 电解质离子 溶剂（非 电解质 液膜 *水污染控制工程11 4 4、膜分离的应用领域、膜分离的应用领域 （1）化学/染料工业 活性染料的脱盐、纯化、浓缩与回收 食品染料的脱盐、纯化、浓缩与回收 催化剂与贵金属的回收利用 脱氧、氧化、酯化、皂化、磺化、硝化、脱氢反应中液体的分离、纯化 甘油/己内酰胺/苯/染
7、料活性剂等有机化工原料的回收 汽车/仪表及其它工业涂漆的浓缩回收 （2）食品/饮料工业 啤酒/果酒/黄酒/葡萄酒的澄清除菌过滤 苹果、梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、柠檬等果汁的澄清除菌过滤 苹果、梨、凤梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、柠檬等果汁的脱水浓缩 葡萄酒/果酒/茶/咖啡芬香气味的浓缩保留 豆蛋白/乳清蛋白/白蛋白/单糖/多糖溶液的澄清与浓缩 乳清、奶酶及其他乳品的澄清、脱盐与浓缩 蔬菜抽提汁/西红柿汁的脱水浓缩 *水污染控制工程12 （3）制药/生物工程 抗生素、维生素、有机酸、氨基酸、酶等发酵液的澄清除菌过滤 抗生素、维生素、有机酸、氨基酸等发酵液的蛋白剔除 酶、蛋白质、多糖制备过
8、程中细胞碎片的剔除 抗生素、氨基酸、维生素、有机酸、酶、多糖、蛋白质的纯化与浓缩 6-APA、7-ACA、7-ADCA及其他半合成抗生素的脱盐浓缩 中成药、保健品口服液的澄清除菌过滤 动物血浆、血清的浓缩精制 其他相关的脱盐浓缩、澄清除菌、蛋白剔除、细胞收集等分离过程 （4）空气过滤 喷雾干燥过程中染料、抗生素、奶粉等的回收 电池厂金属镉、氧化铅粉尘的收集 粉碎过程中磷酸盐、氧化镁、二氧化钛、碳粉、水泥、碳酸钙的回收 包装过程中砂糖、染料、奶粉、味精等的回收 干燥过程中PVC、二氧化硅、活性碳、肥料等的回收 合成氨尾气中氢气的回收利用 其他一切有关的粉尘收集及空气除尘过程 *水污染控制工程13
9、 （5）水处理 饮用纯水（太空水）的制备 医药工业中注射用水/洗瓶水及其他无菌水的制备 电子工业中超纯水的制备 火力发电厂锅炉补给水的制备 饮料与化妆品工业中产品配方用水的制备 制造业中终端洗涤水的制备 饮用水纯化/苦碱水脱盐/海水淡化 废水循环与再生利用（零排放） BOD/COD的最小化 垃圾填埋场渗出水的浓缩处理 染料、颜料、油漆、含油废水的处理 纸浆与造纸废水的处理及木素磺酸盐的回收 金属、食品、皮革、农药和除草剂废水的处理 纺织印染废水的处理及丝光废水的回收利用 *水污染控制工程14 三、扩散渗析（diffusion dialysis） 1、渗析：把水溶液中溶质透过半透膜而溶质 被截留
10、的现象称为渗析。 l半透膜：起渗析作用的薄膜，对溶质具有选择性。 l半透膜的发展： l动物的膀胱膜、肠膜、羊皮纸； l离子交换膜：阳离子交换膜、阴离子交换膜 2、扩散渗析的原理 利用离子交换膜的选择透过性，以浓度差为推动 力来实现酸与盐或者碱与酸的分离。 扩散渗析回收酸原理示意图 (1) 原液室；(2) 回收液室；A 阴离子交换膜 残液 / 渗析液 H2O 回收液 / 扩散液废酸液 A （2） （1） H+ H+ SO42- H+ H+ SO42- Fe2+ SO42- v 扩散渗析法回收酸的原理 为原液室，为回收室， 向室自下而上引入料液 (H2SO4和FeSO4的混合液)， 另向室自上而下
11、引入水流 。由于室中的酸及盐的浓 度较大，其中的Fe2、H、 SO42-均有向室扩散的趋势 ，因阴离子交换膜对离子具 有选择透过性，只允许阴离 子SO42-通过而不让阳离子透 过，所以Fe2受到阴膜的阻 挡而不能进入室，而H则 因性质特殊，其水合离子半 径小，迁移速度快，也能跟 随SO42-一起进入室，以保 持溶液的电中性。这样， 室中的H2SO4就不断扩散进入 (2)室，而FeSO4被阻挡在 室中，从而实现了酸与盐的 分离。 *水污染控制工程16 3、优缺点： l优点：能耗小，设备结构简单，操作方便， 不需要对膜进行酸碱再生，分离过程中不需 要加入其它化学药剂。 l缺点渗析速度慢，分离效率低
12、。 4、应用： l在生物医学上的应用最为广泛，主要的用途 是血液渗析法（又称为人工肾），此外还有 人工肺。 l在工业方面的应用 l从钢铁工业酸洗废液中回收硫酸及在其它废酸液 中回收硝酸等； l从化工厂人造丝浆压液中回收NaOH *水污染控制工程17 四、电渗析（electrodialysis，简称ED ） 1 1电渗析的基本原理电渗析的基本原理 电渗析是在直流电场的作用下，以 电位差为推动力，利用阴、阳离子交 换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过 性(即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只 允许阴离子通过），而使溶液中的溶 质与水分离的一种物理化学过程。从 而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提 纯的一种膜过程
13、。 + + + + + + 阳极 阴极 Cl- Na 阳膜 阳极室 Cl- Cl- Cl- Na Na Cl- Na Na Cl- Cl- Na Na 浓缩室淡化室浓缩室 阴极室 阴膜阳膜 阴膜 v 电渗析过程原理图 l l 阳极反应：阳极反应： l l 阴极反应：阴极反应： *水污染控制工程20 2离子交换膜 离子交换膜具有与离子交换树脂相同的 组成，含有活性基团和能使离子透过的 细孔。常用的离子交换膜按其选择透过 性可分为阳膜、阴膜、复合膜等 数种。 阳膜(cation exchange membrane)含有阳 离子交换基团，在水中交换基团发生离解，使 膜上带有负电，能排斥水中的阴离子，
14、吸引水 中的阳离子并使其通过。 阴膜(anion exchange membrane)含有阴离 子交换基团，在水中离解出阴离子，使膜 上带正电，吸引阴离子并使其通过。 复合膜复合膜由一面阳膜和一面阴膜其 间夹一层极薄的网布做成，具有方向性的 电阻。当阳膜面朝向阴极，阴膜面朝向阳 极时，正、负离子都不能透过膜，显示出 很高的电阻。当膜的朝向与上述相反时， 膜电阻降低，膜两侧相应的离子进入膜中 。 *水污染控制工程22 离子交换膜是一种由高分子材料制成的具有离子交换基团 的薄膜，其所以具有选择透过性主要是由于膜上孔隙和膜上 离子基团的作用。 膜上孔隙的作用是，在膜的高分子键之间有一足够大的孔 隙，
15、以容纳离子的进出和通过。是离子通过膜的大门和通道 。 膜上离子基团的作用是，在膜的高分子链上，连接着一些 可以发生解离作用的活性基团。在水溶液中，膜上的活性基 因会发生解离作用，解离所产生的离子(或称反离子）进入溶 液。于是，在膜上就留下了带有一定电荷的固定基团。存在 于膜微孔中的带一定电荷的固定基团，好比在一条狭长的通 道中设立的一个个关卡或“警卫”，以鉴别和选择通过的离子 。 vv 离子交换膜为什么具有选择透过性呢？离子交换膜为什么具有选择透过性呢？ 注意：离子交换膜的作用并不是起离子交换的作用，而是起 离子选择透过性作用。 *水污染控制工程23 离子交换膜功能示意图 *水污染控制工程24 3、电渗析器 电渗析器由膜堆、极区 和夹紧装置三部分组成。膜堆 位于电渗析器的中部，由阳膜 、浓（或淡）水室隔板、阴膜 、淡（浓）水室隔板交替排列 成浓水室和淡水室。极区位于 膜堆两侧，包括电极、极水框 和保护室，其作用是供给电渗 析器直流电，将原水导入膜堆 的配水孔，将淡水和浓水排出 电渗析器，并通入和排出极水 。压紧装置由盖板和螺杆组成 ，其作用是将极区和膜堆组成 不漏水的电渗析器整体，可采 用压板和螺栓拉紧，也可采用 液压压紧。 （1 1）电渗析器的组装）电渗析器的组装 电渗析器的组装依其应 用不同而有所不同。其 组装的情况是用级和段 来表示的。 级：一对正
