水处理应用分离膜和膜过程

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1、水处理应用分离膜和膜过程水处理应用分离膜和膜过程水处理应用分离膜和膜过程美国海德能公司中国首席代表日东电工(上海松江) 副总经理工学博士 徐平2006 年 6 月 19 日 北京内 容分离膜和膜过程膜脱盐：反渗透/纳滤膜及膜元件膜脱浊：超滤/微滤膜及系统工艺集成膜过程（IMS）1 分离膜和膜过程过滤图谱um 0.001 0.01 0.1 1.0 10 100 100010 100 1000 104 105 106 107A分子量 100 200 5,00020,000 150,000 500,000溶解盐 碳黑 染料物料颗粒尺寸 热源 酵母 海砂金属离子 病毒 细菌硅胶 花粉蔗糖 白蛋白 面粉

2、反渗透纳滤 微滤过滤技术 纳滤超滤 过滤2 分离膜和膜过程膜分离过程原理：以选择性透膜为分离介质，通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压力差或电压差等）时，使进料侧组分选择性地透过膜，以达到分离提纯的目的。选择性透膜进料侧 膜 透过液（气）侧主要的膜分离过程膜的种类 膜的功能 分离驱动力 透过物质 被截留物质微滤 多孔膜、溶液的 压力差 水、溶剂、溶 悬浮物、细菌类、微微滤、脱微粒子 解物 粒子脱除溶液中的胶 溶剂、离子和 蛋白质、各类酶、细超滤 体、各类大分子 压力差 小分子 菌、病毒、乳胶、微粒子反渗透 脱除溶液中的盐 压力差 水、溶剂 无机盐、糖类、氨基和纳滤 类及低分子物 酸、BOD

3、、COD 等透析 脱除溶液中的盐 离子、低分子 无机盐、尿素、尿浓度差 酸、糖类、氨基酸类及低分子物 物、酸、碱电渗析 脱除溶液中的离 电位差 离子 无机、有机离子子渗透气化 溶液中的低分子 压力差、浓度差 蒸汽 液体、无机盐、乙醇及溶剂间的分离 溶液气体分离 气体、气体与蒸 浓度差 易透过气体 不易透过气体汽分离3 World Market Membranes & ModulesMicrofiltration Ultrafiltration40.5% 23.5%ElectrolysisElectrodialysis Others4.7% 6.0%Pervaporation Reverse O

4、smosis/Vapor Permeation Gas Separation8.0% Nanofiltration0.3% 17.0%Source from AventisMarket Membrans & Modules(apart from medical use)Others Water20% Desalination18%Diagnostics7%ChemicalIndustry Industrial Water12% TreatmentFood/Beverages PharmaSurface Water Biotechnoloty 18%11% 7%7%Source from Ave

5、ntis4 膜分离的物理化学原理机械截留（筛孔效应）截流机理和筛孔效应 物理作用或吸附截留架桥作用渗透和渗透压 网络内部截流Donnan 效应Donnan 效应内相 外相 不管初始时两边的盐浓度是否相等，平衡时Na+ = Na+H0 2 - -Cl= Cl+Na +Na Na-Cll - 问题：如果往内相加入Cl大量的高分子电解质，平衡时膜两边的 Na+和 Cl 浓-允许小分子、离子自由通过，但不允许大分子离子 度还相等吗 ？通过5 渗透与反渗透原理外加压力稀溶液 浓溶液渗透 反渗透膜技术优势操作简便、效率高操作简便、效率高选择性高、兼容性好低能耗、药耗少低能耗、药耗少稳定、组件化易于控制、实

6、现规模化硬件(材料) 软件(方法)无机膜 膜接触器有机膜 膜反应器CO-AGENTS 过程集成(催化剂, 功能团)6 离子交换膜反渗透 / 纳滤7 反渗透/纳滤（膜 脱 盐）作 用：去除水中溶解性杂质主要指标： 水中无机离子及溶解性有机物主要膜种： NF 部分脱盐RO 近乎全部脱盐EDI 精密脱盐竞争技术： 离子交换树脂电渗析（离子交换膜）蒸发世界脱盐市场SeawaterBrackish water 25%River waterWastewaterPure water8%4%4%59%IDA Worldwide Desalting Plants Inventory, May 20008 反渗透

7、膜发展回顾 From R. W. Bakers Book脱盐技术成本对比传统 RO 技术Advanced ROtechnology9 膜分离过程物料平衡 浓水给水 产水= + ( + 吸附)= + 膜表面附近的分离过程和浓差极化浓差极化层 膜给水 产水 (低压侧）（高压侧） 2 1S= B()323边界层 膜厚度（）（）10 产水通量: JwJw= A*(P ） = 0.082 x (T + 273 ) x （m1+m2+m3 ) TDS(mg/L)/1000 x 0.76 bar= TDS(mg/L)/1000 x 7.6 MPa(c)= 1.24C + 0.0045C*t (Miyakes

8、 Eq.)C: Cl. (/- 0 ), t: 温度(deg.C)00NDP (净推动压力) = P Jw= A*NDPA: 常数A =Kwx S x dKw: 纯水系数 S: 膜表面积 d: 膜厚度NDP (净推动压力)NDP = Pf-Pos-Pp-0.5 * PdPf -给水压力Pos渗透压Pp -产水压力Pd -压力降 ： (P) = Pf -PbPf Pb浓水给水 Pp 产水11 透盐通量: JsJs= C*Ks * S/dC: 膜两侧浓度差Ks: 透盐系数S: 膜面积d: 膜厚度Js = B*(C) = B*(23)Cp = Js /JwA-值:g/cm sec atm2 at 2

9、5A = Jw/(P )* *119.6 * 10-5B-值: cm/secB = (100 脱盐率)/(脱盐率*)*Jw*115.7 * 10-5脱盐过程中常用指标脱盐率： 盐或溶质脱除率，SR脱盐率(%) =( 1 透盐率) * 100(%)透盐率： 盐或溶质透过率，SPSP(%) =( Cp /Cfm) * 100(%)平均给水浓度: CfmCfm=( + ) /2 脱盐率(%) =( 1 Cp /Cfm )* 100(%)12 回收率: YY(%) = (QP / QF) * 100(%)Cp = 1-(1-Y)1-R / Y , R= 脱盐率 浓水给水 产水RO/NF 膜主要性能产数

10、特性通量 脱盐率或透盐率100 psi 1000 mg/L1 ft 膜 250 GPD 10 mg/L0.5 GFD / PSI 99 % 脱盐率1% 透盐率13RO 膜分离过程压力SO F+ 4Na +给水 H2O Mg+ 浓水HCO3 Ca HOHO 22 ClH2OHO HO2 2H2O膜HO H2O2 HO2产水错流过滤与全量过滤对比图2 StreamsFeedMembranePermeateCrossflow Filtration3 StreamsFeed ConcentrateMembranePermeate14 卷式膜元件原理MicronsSpiral Wound Element

11、 0.155015015Spiral Wound ElementRO 膜的化学成分OO -C -N - O-O-C - -N -C - O-C - -C-N -O -N -聚酰胺 -C -0.15 微米 OC CO O-C - -S - -C - -S -聚酚 OC O50 微米 C聚酯无纺布150 微米16 产水隔网的作用:-支撑膜，-将产水导向集水管Spiral Wound Element给水/浓水隔网的作用:分隔膜片让给水流过膜表面湍流促进Spiral Wound Element17 美国海德能公司分离膜技术的源泉海水淡化工业高纯水处理地表水处理工业废水处理特殊分离过程应用1992-20

12、05 世界主要膜公司申请美国专利统计US Patents Issued Year Trend65 获得专利总数Dow/FilmtecNitto/Hydra Dow/Filmtec: 10专4 Nitto/Hydra-27利 Toray申 3 Toray - 10请数 2101992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005Issued Year Membrane Area only Medical/Gas not included18 美国海德能公司是唯一通过了 IISO-9001 认证的膜供应商全自动膜元

13、件生产线 FA 膜卷制切膜机 进水隔网切割 淡水隔网切割 成品元件卷制 粘接 检验19 最终成品 全自动生产线组装(去性能检查工段） 元件切边修边漏水检查贴标签安装抗应力环外层涂检验尺寸，外观20 卷式膜全自动性能测试设备及数据记录系统测试设备（左） 测试设备（右）自动数据测量记录系统 自动输出流量曲线CPA 促进工艺改进 ESPA提升高技术产品产能 高产水量节能型膜IMS集成膜过程IMS 集成膜过程 QUAL-SEP SWC非水过程特种分离产品 ESNA高性能纳滤膜 大海是我们新的水库 LFCHYDRAcap地表水处理超滤技术 还有不能用膜处理的水吗21 海德能拥有全球最大的饮用水市场份额US超过 UK - HYDRAcap 处理地250 MGD 表水，Bristol Water市政水处理 U.A.E. SWC 在建的最大海水淡化装置Spain SWC 拥有最大的海水淡化市场CaribbeanSWC 饮用水Antigua, St. Maarten, Belize,和 Grand CaymansSingapore -LFC 处理市政废水Chile 干旱地区自来水美国海德能公司全球全球的工业应用业绩CPA