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1、,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： 一、膜的定义和分类 二、膜分离概述 三、扩散渗析（diffusion dialysis） 四、电渗析(electrodialysis) 五、反渗透（ reverse osmosis) 六、超过滤(ultrafiltration),2020/6/27,水污染控制工程,4,一、膜的定义和分类,1、膜（分离膜）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，
2、膜厚度要远小于其比表面积。 2、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,2020/6/27,水污染控制工程,6,1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。,2020/6/27,水污染控制工程,
3、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。,一些主要的膜分离过程的推动力,2、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
4、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。,2020/6/27,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。,2020/6/27,水污染控制工程,10,2020/6/27,水污染控制工程,11,4、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
5、、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,2020/6/27,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
6、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
7、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,2020/6/27,水污染控制工程,13,（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,2020/6/
8、27,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的现象称为渗析。 半透膜：起渗析作用的薄膜，对溶质具有选择性。 半透膜的发展： 动物的膀胱膜、肠膜、羊皮纸； 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
9、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。,2020/6/27,水污染控制工程,16,3、优缺点： 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。 缺点渗析速度慢，分离效率低。 4、应用： 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。 在工业方面的应用 从钢铁工业酸
10、洗废液中回收硫酸及在其它废酸液中回收硝酸等； 从化工厂人造丝浆压液中回收NaOH,2020/6/27,水污染控制工程,17,四、电渗析（electrodialysis，简称ED ）,1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。,电渗析过程原理图,阳极反应： 阴极反应：,2020/6/27,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
11、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，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。,20
12、20/6/27,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，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。,离子交换膜为什么具
13、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。,2020/6/27,水污染控制工程,23,离子交换膜功能示意图,2020/6/27,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
14、压紧。,（1）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、负电极之间的膜堆称为一级。 段：具有同一水流方向的并联膜堆称为一段。,电渗析器的组装示意图,2020/6/27,水污染控制工程,26,（2）电渗析器的级与段,一级一段,一级两段,两级一段,两级两段,一对正、负电极之间的膜堆称为一级,具有同一水流方向的并联膜堆称为一段,（3）实际应用的电渗析器,2020/6/27,水污染控制工程,28,4、电渗析在废水处理中的应用,目前，电渗析在废水处理实践中应用最普遍的有： 造纸工业废水处理，利用电渗析法处理造纸工业的亚硫酸纸浆废液和洗浆废水及碱法
15、造纸黑液，从中回收化学药品，已得到工业应用。 从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化钠。 从酸洗废液中制取硫酸和沉淀重金属离子。 电镀废水和废液处理，含Cd2+、Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cr6+等重金属离子和氰化物的电镀废水都适宜用电渗析法处理，其中应用最成熟的是含镍废水处理。 从放射性废水中分离放射性元素，然后将其浓缩液掩埋。,2020/6/27,水污染控制工程,29,五、反渗透（RO） Reverse Osmosis,1、概述 2、反渗透基本原理 3、反渗透膜及其透过机理 4、反渗透装置 5、反渗透工艺流程,2020/6/27,水污染控制工程,30,1、概述,反渗透是一项高新膜分离技术，其孔径
16、很小，大都1010 10（10A），它能去除滤液中的离子范围和分子量很小的有机物，如细菌、病毒、热源等。它已广泛用于海水或苦咸水淡化、电子、医药用纯水、饮用蒸馏水、太空水的生产，还应用于生物、医学工程。 特点 常温条件下，可以对溶质和水进行分离或浓缩，因而能耗低； 杂质去除范围广，可去除无机盐和各类有机物杂质； 较高的水回用率； 分离装置简单，容易操作和维修。,2020/6/27,水污染控制工程,31,应用范围 太空水、纯净水、蒸馏水等制备； 酒类制造及降度用水； 医药、电子等行业用水的前期制备； 化工工艺的浓缩、分离、提纯及配水制备； 锅炉补给水除盐软水； 海水、苦咸水淡化； 造纸、电镀、印染等行业用水及废水处理。,2、反渗透的原理,渗透和反渗透原理示意图,半透膜,开始时两边液面相同,由于浓度差存在，半透膜又不允许溶质通过，所以水透过膜，使浓水一边液面升高，产生渗透压,在浓水边加压，当压力超过渗透压时，则水透过半透膜，即反
