《第十讲膜分离技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第十讲膜分离技术（79页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、当代水处理新技术原理与应用 南开大学环境科学与工程学院 吴立波 联系方式：蒙民伟楼322 电话23503730（O） 手机13820716597E-mail:第十讲 膜分离技术概述一、膜 二、膜组件 三、膜分离 四、膜污染与防治 五、膜应用 六、膜技术耦合一、膜1.膜定义 l 膜还没有一个完整精确的定义，一种通用的广义上的定 义是膜是两相之间的不连续区间。膜是有一定三维结构 的隔层，以区别通常所说的“相界面”。照此定义，膜可 分为固相、液相和气相。 l 以高分子材料、致孔剂、添加剂为主要原料，采用人工 合成的高分子膜，这种膜对溶液具有选择透过性，只能 使溶剂或溶质透过，或只能使某些溶剂或溶质透
2、过，而 不能使另一些溶剂或溶质透过，膜的这种分离性能又称 为半透膜。 l 分离两相和选择性透过物质的屏障; l 半透膜,当一定的推动力应用于膜两侧时,它能按照物质 的物化性质使物质分离膜是一种起分子级分离过滤作用的介质,当溶液或 混和气体与膜接触时,在压力下,或电场作用下,或温 差作用下,某些物质可以透过膜,而另些物质则被选 择性的拦截,从而使溶液或混和气体中的不同组分 被分离,这种分离是分子级的分离。 一、膜2.膜分类 按功能分：反应型（控制反应物的输入或生成物的输出 ） 分离型（以分离为主要目的） 按来源分：天然型（天然物质改性或再生） 合成型（无机膜、有机膜、复合膜） 按形状分：管式膜、
3、板式膜、中空纤维膜、毛细管膜 按作用机理分：吸附性膜、扩散性膜、离子交换膜反应性膜（液膜、膜催化、膜反应器) 按结构分：多孔膜、非多孔膜、晶形膜、液膜 按用途分：气相系统用膜、气液系统用膜、液液系统用膜、 气固系统用膜、固固系统用膜、液固系统用膜(0. 11m) (0. 01 0. 1m) (0. 001 0. 005m) (0. 00010. 0005m) 按膜孔径分（截留物粒径或截留分子量）3.膜历史 1748 年法国阿贝、诺伦特首次揭示了膜分离技术现象：水自发透 过猪膀胱渗入到酒精中的渗透现象。 1863年杜不福特制成第一个膜渗析器，开始膜分离技术新纪元， 1864年，Traube成功研
4、制出第一片人造膜-亚铁氰化铜膜。 膜滤研究始于20世纪20年代的德国，1918年，Zsigmondy等人发 明了规模化生产的硝化纤维滤膜的工艺，并获得专利；1925年德 国人Gottigen成立了世界上第一家膜滤公司（Sartorius GmbH）, 30年代，硝酸纤维素微滤膜商品化；二战后德国和英国 都能生产 微滤膜（0.5 m ）。 1950年朱达制成具有实用价值的离子交换膜。 1953年，美国佛罗里达大学的Reid等人最早提出反渗透海水淡化 。 1960年，Loeb与Sourirtajan发明了第一代高性能的非对称性醋 酸纤维素膜，反渗透(RO)首次用于海波及苦咸水淡化；1961 年 美
5、国Hevens公司首先推出管式膜组件制造法；1964年美国通用原 子公司研制出螺旋式反渗透组件。 1967 年美国杜邦公司研究出尼龙 -66中孔纤维膜组件。 1970 年 E 卡斯勃尔研制成含流动载体的液膜，使膜技术提高到 创新水平。 1970s，超滤；1980s，气体分离；1990s，纳滤。 目前国际上反渗透膜的生产厂家主要为美国和日本的一些公司 所垄断，其中 中空纤维膜：杜邦（Dupont）公司 美国东洋纺（Toyobo）公司 日本 卷式膜： Filmtec公司 美国 (现为美国Dow Chemical子公司）Hydranautics公司 美国(现为日东电工子公司)日东电工（Nitto D
6、enko）公司 日本Fluid Systems 公司 美国 （现为美国KOCH子公司）东丽（Toray）公司 日本Desal公司 美国 （现为美国Osmonics子公司）Tresap公司 美国此外还有美国DDS Filtration, Desalination Systems Inc., U.S.Filter, Fastek/Osmonics, Millipore, 澳大利亚Memtec ,意大利 Rochem， 日本住友等企业。 膜分离技术在我国的发展是从50年代开始的,60年 代为起步阶段,70年代进入开发阶段,80年代跨入推 广应用阶段,90代已是大量的应用阶段。 浙江海洋局：醋酸纤维素
7、反渗透 天津工大：聚偏氟乙烯微滤 浙江大学：聚丙烯超滤 兰州：聚乙烯超滤、离子交换膜 武汉：陶瓷超滤4.膜结构对称膜，10-200微米； 不对称膜，致密皮层0.1-0.5微米，多孔支撑层50-100微米 复合膜，由不同的聚合物材料制成膜结构复合反渗透膜由于非对称膜的致密层和支撑层是在浇注中同时形成， 活化层很难做到比1000埃更薄，而且不是每种聚合物都 能被浇注形成非对称膜。 从结构上看，复合膜是两层薄皮的复合体，分两步制成 。第一步先用类似非对称膜的制法得到多孔支撑体；第 二步再在其表面上形成极薄的活化层，理论上可做到 200埃厚。聚砜高分子是目前所有性能优良复合膜的支 撑体，相当于聚砜超滤
8、膜。 与非对称膜相比，复合膜有更大的透水量、更高的脱盐 率和更小的流量衰减系数，它的出现大大降低了反渗透 的操作压力，延长的膜寿命，进一步扩大了反渗透的应 用范围。活化层厚度（埃）透水量（gfd）流量衰减系数（m）800140.0240.03160018.30.0200.02440029.40.0120.0185.膜材料 纤维素及其衍生物：乙酸纤维素膜(CA) 高分子有机聚合物：聚砜( PSF) 、聚丙烯 腈( PAN) 、聚偏氟乙烯(PVDF) 、聚醚酮 ( PEK) 、聚醚砜( PES)、聚乙烯（PE) 无机膜：金属、陶瓷、多孔玻璃、氧化 铝 有机-无机混合膜：无机矿物颗粒(如二氧 化锆)
9、 掺入有机多孔聚合物(如聚丙烯腈) 6. 几何 形状平板式管式，d10mm毛细管式， d=0.5-10mm中空纤维式， d10mm；毛细管式， d=0.5-10mm；中空纤维式， d0.5mm二、膜组件 膜的最小单元膜组件是一种将膜以某种形式组装在一个 基本单元设备内，然后在外界驱动力的 作用下实现对混合物中各组分分离的器 件。在膜分离工业装置中，根据生产规 模的需要，一般可设置数个乃至数千个 膜组件。 板式：板框式，卷式 管式：管式，毛细管式，中空纤维式 系统：串联，并联，递减串联卷式膜 管式膜 中空纤维膜 平板膜 中空纤维帘 式膜组件三 、膜分离 选择透过性膜作为分离介质,可在室温、无相变
10、条件下进行膜分离方式：死端过滤和错流过滤原 料 液溶 剂稀 释 液溶 液渗透：膜能使溶剂(水)透过的现象。反渗透、纳滤、超滤、微滤 渗析：膜能使溶质透过的现象。渗析、电渗析渗析示意膜分离机理膜分类 分离两相和选择性透过物质的屏障; 半渗透膜,当一定的推动力应用于膜两侧时,它能按照物质的物化性质使物质分离膜分离机理l筛分：筛滤+吸附l溶解/扩散：选择性附着-毛细管流机理l离子交换：道南平衡理论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、溶液的微 滤、脱微粒子压力差水、溶剂和溶解物悬浮物、细菌类、 微粒子超滤脱除溶液中的胶体 、各类大分子压力差溶剂、离子和小分 子蛋白质、各类酶、 细菌
11、、病毒、 乳胶、微粒子反渗透 和纳滤脱除溶液中的盐类 及低分子物压力差水、溶剂无机盐、糖类、氨 基酸、BOD、 COD等透析脱除溶液中的盐类 及低分子物浓度差离子、低分子物、 酸、碱无机盐、糖类、氨 基酸、BOD、 COD等电渗析脱除溶液中的离子电位差离子无机、有机离子渗透气化溶液中的低分子及 溶剂间的分离压力差、浓度差蒸汽液体、无机盐、乙 醇溶液气体分离气体、气体与蒸汽 分离浓度差易透过气体不易透过气体主要膜分离过程四、膜污染与防治 膜污染：选择性透过与水体溶液扩散失衡浓差极化凝胶层 膜组件通道污染渗透过程膜表面浓差极化渗 析 过 程 膜 表 面 浓 差 极 化渗透过程膜表面浓差极化渗 析
12、过 程 膜 表 面 浓 差 极 化防治方法 料液与膜性能匹配 优化膜分离操作条件：小通量间歇操作加强膜表面扰动加大错流速率 水力清洗：反冲、气水反冲 化学清洗：酸洗、碱洗、次氯酸钠在线五、膜应用应用功能 固液分离 灭菌 除盐 除有机物膜技术在水处理中应用的基本原理是:利用水溶液(原水) 中的 水分子具有透过分离膜的能力,而溶质或其他杂质不能透过分 离膜,在外力作用下对水溶液(原水) 进行分离,获得纯净的水,从 而达到提高水质的目的.（固液分离）渗透渗析电渗析膜萃取五、膜应用 供水:高质量饮用水工业供水医药用水 工艺水的处理(分离、浓缩、分级和纯化) 水资源化 :含油废水纯化中水回用海水淡化膜应
13、用设计要点 进出水水质:杂质去除率和产水率 工艺流程:膜膜组件形式 膜工艺计算:膜面积膜通量 膜工艺操作参数:工作压力、压力降、膜面 流速浓缩水排放量、回收比工作周期反洗清洗周期工作温度(a)一级反渗透系统纯净水生产举例(b)二级反渗透系统(在水质硬度较高 的地区可增加软化工序)纯净水生产举例(c)超滤、反渗透系统纯净水生产举例软化水生产举例这项技术在德国已经广泛应用。膜技术处理引黄饮用水自来 水生产举例顺德5000吨/天微滤水厂自来 水生产举例天津纪庄子2万吨/天再生水厂再生水举例出水水质再生水举例下水高级处理工艺流程 电镀废水多级膜处理工业废水回用举例系统组成工艺流程六、膜技术耦合耦合技术
14、 混凝:混凝剂 吸附:高分子聚合剂 乳化:表面活性剂胶团强化超滤 生化:膜生物反应器 离子交换:EDIEDI技术 1990s Ionpure公司发明EDI (Electrodeionization)技术，将连续电 去离子技术引进超纯水制备的领域。 EDI（electrodeionization）是离子交换混床和电渗析相结合的一 种技术，它体现了离子交换床和电渗析的优点，并克服了他们各 自的缺点。EDI技术和传统离子交换技术最大的区别在于离子交 换树脂再生方法，EDI借用直流电对交换树脂连续再生，不需要 使用化学药品再生。 EDI装置有淡水室(D室)和浓水室（C室）构成，有的产品设有极 水室（E
15、室）。给水淡水室内填充混合离子交换树脂，因而其宽 度要大于浓水室，给水中的离子由该部分除去。淡水室和浓水室 之间设置选择性的阴离子或阳离子交换膜，给水室中的阴、阳离 子在两端电极的作用下，不断定向迁移，通过阴、阳离子交换膜 进入浓水室。水在直流电能的作用下分解成H+和OH-,使淡水室中 的混合离子交换树脂经常处于再生状态，始终存有交换容量，而 浓水室中的浓水不断被排走。EDI装置在通电状态下，可以不断 制出纯水，内部填充的树脂不需要使用酸碱进行再生。EDI装置 每个制水单元均有一组树脂、离子交换膜和隔网组成。多个制水 单元并联组合在一起，组成一个完整的EDI装置。工作原理见图 EDI装置之所以
16、在类似电渗析器结构的淡水室中填充离子交换树 脂，是因为在一般的电渗析过程当中，当淡水室中溶液的浓度极 低时，溶液电阻增高，耗电量增加，效率下降，脱盐过程就难以 进行，以致实际上无法制取纯水。在填充树脂的电渗析中，由于 离子交换树脂的导电能力比一般低浓度水的电导率高约2-3个数 量级，树脂颗粒不断发生交换作用而构成“离子通道”，使淡水室 电导率极大增大，提高了电渗析器的极限电流，达到高度浓化。 此外不但淡水室内填充树脂后，流体流速比普通电渗析流速大很 多，而且树脂颗粒还起到搅拌水流的作用，促进离子扩散，改善 水力学状况，也促进了电导率的增大，极限电流密度的提高，有 助于深度淡化和提高产品水纯度。 当
