水污染课件第九章 膜分离

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1、1,第九章 膜 分 离,2,本章主要内容,渗析 电渗析 反渗透 超滤和纳滤 液膜 通过本章学习，重点掌握膜分离的基本原理、电渗析器的基本构造，原理与过程，理解电渗析和反渗透过程中段、级和浓差极化的概念；,3,概述,膜分离法是利用特殊的薄膜对液体中的某些成分进行选择性透过的方法的统称。 特殊的半透膜将溶液隔开，使某种溶质或者溶剂(水)渗透出来，达到分离溶质（离子、分子或某些微粒）的目的。,4,膜的特性,是一种流体相内或两种流体相之间一层薄的凝聚相物质，它把流体分隔成互不相通的两个部分，并能使这两个部分之间产生传质作用。 具有两个界面，分别与两侧流体相接触。 具有选择透过性，可以使流体相中的一种或

2、几种物质透过，而不允许其他物质透过。,5,膜的分类,固膜应用最多 按组成材料分有机膜和无机膜（近来进展很快），两者势均力敌； 按形态和结构分为多孔膜和致密膜，多孔膜（聚合物和无机材料均可）主要用于超滤、微滤和渗析过程；致密膜（仅限于聚合物材料）则主要用于反渗透、电渗析、渗透汽化和气体渗透过程。 液膜已有中试应用 气膜实验室研究阶段,生物膜细胞膜,合成膜,膜,6,各种膜材料的特点,7,膜分离法,膜分离法包括扩散渗析、电渗析、反渗透、超滤、纳滤、液膜分离和隔膜电解等分离技术。 依据溶质或溶剂透过膜的推动力和膜种类不同，水处理中常用的膜分离法可分为以下四类： 电渗析ED 反渗透RO 微滤MF 超滤U

3、F 其他膜技术,8,膜分离历史,膜分离历史 1950年出现了商品化的电渗析用离子交换膜。 1960年研制成功反渗透膜，60年代末提出液膜分离法。 1970S初，我国电渗析、离子交换膜扩散渗析、反渗透、超滤技术进入了生产实用阶段。 1980S液膜分离技术开始进行工业化应用。 反渗透膜、超滤膜、纳滤膜和微滤膜最初用于工业用水、海水、苦咸水的淡化和脱盐处理，近年来逐步应用于饮用水处理领域。现已广泛用于去除水中浊度、色度、臭味、消毒副产物前体物、微生物、溶解性有机物等，可部分或完全取代常规水处理工艺。,9,膜分离法的应用,10,膜分离法的特点,膜分离法的共同优点： 无相变，能量转化率高。 如现行各种海

4、水淡化方法中，反渗透法能耗最低。 常温下进行，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。 装置简单，操作容易，大多不消耗化学药剂，易控制、维修，且分离效率高。 作为一种新型的水处理方法，与常规水处理方法相比，具有占地面积小、适用范围广、处理效率高等特点。 缺点： 处理能力小；膜贵，易损坏。 需消耗相当的能量(扩散渗析除外)；,11,9.1 扩散渗析,原理 扩散渗析是使高浓度溶液中的溶质透过薄膜向低浓度溶液中迁移的过程。 推动力是薄膜两侧的浓度差。 使用离子交换膜的扩散渗析，利用膜的选择透过性，可以分离电解质。 图9-2所示为离子交换膜(阴膜)回收废酸的原理。 应用： 主要用于

5、生物医学（如血液渗析）和废酸、碱的回收，回收率可达7090，但不能将它们浓缩。其特点是不消耗能量。,12,扩散渗析示意图,如图所示，从酸洗钢铁废水中回收硫酸。,扩散渗析器除了没有电极以外，其它构造与电渗析器基本相同。 因效率低，常被更有效的电渗析所替代。,13,9.2 电渗析,9.2.1电渗析原理及过程 电渗析是在直流电场的作用下，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。 电渗析系统由一系列阴、阳膜交替置放于两电极之间组成，如图9-3所示。 离子减少的隔室称淡室，其出水为淡水； 离子增多的隔

6、室称浓室，其出水为浓水； 与电极板接触的隔室称极室，其出水为极水。 而每个室内离子的正负电荷仍是平衡的。,14,9.2.1 电渗析原理和工作过程,水解电离：H2O H+ +OH- NaClNa+ + Cl- 阳极（氧化反应）：Cl- Cl2 +2e 4OH- O2+2H2O+4e 阴极（还原反应）： 2H+2e H2,如：海水淡化,腐蚀,结垢,15,9.2.1 电渗析原理和工作过程,电渗析器在运行时同时发生着多种复杂过程。 反离子迁移 电解质浓差扩散 水的渗透、电渗和压渗 水的电离 其中次要过程，如：反离子迁移和电解质浓差扩散将降低除盐效果；水的渗透、电渗和压渗会降低淡水产量和浓缩效果；水的电

7、离会使耗电量增加，导致浓水室极化结垢等， 因此，在电渗析器的设计和操作中，必须设法消除或改善这些次要过程的不利影响。,16,9.2.2 离子交换膜,离子交换膜是电渗析器的关键部件 离子交换膜通常按结构（均相膜）、活性基团和成膜材料（有机）来分类： 按活性基团的不同分为阳离子交换膜、阴离子交换膜和特殊离子交换膜。 阳离子交换膜：指能离解出阳离子的离子交换膜，在膜结构中含有酸性活性基团的膜。 阴离子交换膜：指能离解出阴离子的离子交换膜，在膜结构中含有碱性活性基团的膜。 目前使用最多的磺酸型阳膜和季胺型阴膜都是有机均相膜。,17,电渗析膜的性能要求,选择透过性高，要求在95%以上； 导电性好，要求其

8、导电能力应大于溶液的导电能力。 交换容量大 溶胀率和含水率适量。 化学稳定性强； 机械强度大。,18,P+或P-越大，则选择透过性越好。 膜电阻：cm2=电阻率膜厚度 膜电阻越小，则所需电压越小，膜电阻在0.1mol/l的NaCl（25）溶液中测得。,离子交换膜的性能,19,9.2.2 电渗析器的构造,电渗析器是由膜堆、极区和夹紧装置三部分组成。 膜对是基本单元。由一对阴阳膜和一对浓淡水隔板交替排列组成。 膜堆由一对电极之间若干膜对组成，称为一级，同向水流之间并联膜堆称为一段。 极区包括电极、极水框、电极托板、橡胶垫板和保护室。 夹紧装置由盖板和螺杆组成。 配套设备：整流器、水泵、转子流量计等

9、。,20,9.2.2 电渗析器的构造,将阴、阳离子交换膜和隔板交替排列、再配上阴、阳极就构成了电渗析器。其组装示意如图96所示。 常用于水处理的电渗析器是由几十到几百个膜堆组成的压滤型(也称紧固型）电渗析器。其中隔板与膜的排列要求极严格，不允许有差错，否则影响出水质量。,21,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,22,23,电渗析器,24,9.2.3 电渗析的操作控制,电渗析器运行中存在的主要问题：极化和结垢。 浓差极化及其不良后果 在电渗析

10、中，电流的传导是靠阴、阳离子的定向迁移来完成的。当电流提高到相当程度，就会出现淡水侧相界面处的离子浓度值趋于零的情况，此时在淡水侧的边界层中就会发生水分子的电离，产生H +和OH - ，参与传导电流，以补充离子的不足。这种情况称为浓差极化，此时的电流密度称为极限电流密度。 极化结果结垢膜电阻增大，电流效率降低，膜的有效面积减小，寿命缩短，影响电渗析过程的正常进行。,25,电渗析存在的问题及克服方法,极化 最有效的防止方法是控制电渗析器在极限电流密度以下（70 - 90%）运行。 定期倒换电极和酸洗，可将膜上积聚的垢层溶解下来。 电极区腐蚀 阳极室中溶液呈酸性，氧、氯气都有强烈的腐蚀性，采用抗腐

11、蚀的电极板和膜。,26,9.2.3 电渗析的操作控制,电渗析操作控制中，最重要的是控制电能消耗和工作电流密度。 控制电能消耗需从电压和电流两方面考虑。 为了提高电能效率就必须提高电流效率和电压效率，提高电压效率的关键是降低电渗析器的总电阻。降低滞流层电阻能有效降低电能消耗。 增加水流速度，使边界层减薄，减轻极化现象。 定期倒换电极和酸洗（1-2%盐酸）除垢。,27,9.2.4 电渗析除盐的设计计算,包括由已知原水和处理水的污染物含量、处理水量来确定电渗析器的组装形式，膜对数、水头损失、电流、电压等。 设计计算步骤 确定极限流程长度Llim 。 选定隔板形式，确定隔板构造数值。 计算水流速度、电

12、流密度、污染物含量等。 各段(或各级)污染物含量均按临界极化状况的去除规律来分配。 计算水头损失p数值， 根据电流密度计算电流，根据水的电阻率计算电压，以选择直流电源。,28,电渗析的特点与应用,特点： 不需要消耗化学药品，设备简单，操作方便。 电渗析法的工作介质不需要再生，但消耗电能。 应用 主要是苦咸水（10g盐/L水）除盐。,29,9.2.5 电渗析在水处理中的应用,典型实例有： 处理碱法造纸废液，从浓液中回收碱，从淡液中回收木质素 从含金属离子的废水中分离和浓缩重金属离子 从酸洗废液中制取硫酸和沉积重金属离子； 处理电镀废水和废液，其中含镍废水处理技术最为成熟，回收的NiSO4浓液可返

13、回电镀槽，设备投资可在2年内收回。 从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化钠等。 从放射性废水中分离放射性元素，将其浓缩液掩埋,30,9.3 反渗透,原理： 用一种半透膜将淡水和盐水隔开，如图9-3所示，该膜只让水分子通过，而不让溶质通过。 如在盐水侧施加压力P，当P= 时，则水分子在膜两侧通过的数目相等，达到平衡状态。当P 时，则盐水中水分子将流向淡水中去，使盐水增浓，这就是反渗透。 由此可见，实现反渗透过程必须具备二个条件： 一是必须有一种高选择性和高透水性的半透膜； 二是操作压力必须高于溶液的渗透压。,31,图9-3 渗透和反渗透,C溶液的物质的量的浓度 mol/m3 系数，海水 =1.8 在咸水

14、一侧加压P，使P，从而实现反渗透。,32,反渗透膜,半透膜表皮层厚仅0.25 - 1 um, 表皮层的微孔径0.6 - 0.9 nm。 膜对溶质不仅有筛滤作用，而且还有膜对水分子的优先吸附作用。 反渗透膜以成膜材料分，主要有纤维素脂类膜和非纤维素脂类膜两大类。 目前研究得比较多和应用比较广的是醋酸纤维素膜（CA膜）和芳香族聚酰胺膜两种。,33,反渗透膜,影响CA膜工作性能的因素有温度、pH值、工作压力、进液流速和工作时间等。 供水温度一般以20 - 30度为宜，pH值范围为3-7，以在酸性中工作为好。 芳香族聚酰胺膜制成中空纤维膜时，其外径45 - 85um，内径24 - 42um，表皮层厚0

15、.1 - 1.0um。 这类反渗透膜具有良好的透水性能、较高的脱盐率，工作压力低（2.74Mpa)、机械强度好、化学稳定性好，能在pH值为4 - 11范围内使用，寿命长。,34,反渗透膜,35,反渗透装置,反渗透装置主要有板框式、管式（内压管式、外压管式）、螺旋式（卷式）和中空纤维式四种。 中空纤维式膜的装填密度最高，达9200m-1，操作压力低，透水量低，但单位体积产水量高（每天690），大型装置常用螺旋式（卷式）和中空纤维式两种。 其它三种形式，工艺参数相差不大。,36,反渗透膜的污染原因和一般特征,反渗透膜的污染及清洗,37,2）清洗遵循的法则10%法则 3）清洗工艺,反渗透膜清洗,38

16、,反渗透应用：,主要用于去除重金属离子，贵重金属被浓缩回收，渗透水也能重复利用。 如：电镀废水的处理，照相洗印度水的处理，酸性尾矿水的处理； 另外，反渗透用于造纸废水、印染废水、石油化工废水，医院污水处理和城市污水的深度处理也都获得了很好的效果。,39,9.4 超滤,机理： 超滤与反渗透相类似，也是依靠压力和膜进行工作。 超滤膜的制膜原料也是醋酸纤维素或聚砜酰胺等，但没有热处理工序，使制得的超滤膜的孔比较大，能在小压力下(几Kg/cm2或0.1 - 0.5MPa)工作，而且有较大的通水量。 超滤有小孔的筛分作用，可不受渗透压力的阻碍（图9-4所示）之外，对于高分子物质，还与溶质水膜之间的相互作用有关。 膜对物质的拒斥性，取决于它们的分子大小、形状与性质。,40,图9-4 超滤与反渗透的区别示意图,41,超滤设备和超滤工艺,超滤设备与反渗透相似，是由多孔性支撑体和膜构成，装在坚固的壳内，有板框式，管式，卷式和中空纤维式。 超滤工艺流程可分为间隔操作、连续超滤和重过滤三种。 间隔操作具有最大透过速率，效率高，但处理量小。 连续超滤过程操作常在部分循