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1、第七章 反渗透和纳滤脱盐,第一节 膜法分离,1.1、膜分离法简介膜的概念 膜具有选择透过性的一层薄薄的凝聚物质。薄膜分离系统用于去除小颗粒及溶解盐。膜分离（Membrane Separation）是以选择性透过膜为分离介质，在膜两侧一定推动力的作用下，使混合物中的某些组分选择性地透过膜，从而使混合物得以分离，以达到浓缩、提纯等目的的分离过程。,加压的供水流平行通过薄膜表面，部分水流通过薄膜，被排除的颗粒在剩余的水流中浓度会越来越高。由于溶液是连续性的流过，被排除的颗粒不会沉积，反而会被浓缩液带走。因此，进水流在通过薄膜后便分为通过薄膜的溶液（渗透液）和残留的浓缩液。,1.2、膜分离过程的特点膜
2、分离过程均需要一定能量 物质选择透过膜的能量可分为两类： 借助外界能量，物质由低位到高位流动； 借助本身的化学位差，物质由高位到低位流动推动力：压力差、浓度差、电位差、温度差,1.3、膜分离法的分类 一般可分为：微滤（microfiltration ）、超滤（ultrafiltration;hyperfiltratio）、纳滤（nanofiltration;NF）和薄膜过滤反渗透（reverse osmosis，RO;reverse osmosis;RO ） 微滤、超滤、纳滤和反渗透均为压力推动的分离过程，即在压力差的作用下，溶剂及小分子能通过膜，而盐、大分子、微粒等被截留，其截留程度取决于膜
3、结构。,微滤 微滤能截留0.11微米之间的颗粒，微滤膜允许大分子有机物和溶解性固体（无机盐）等通过，但能阻挡住悬浮物、细菌、部分病毒及大尺度的胶体的透过，微滤膜两侧的运行压差（有效推动力）一般为0.7bar。 超滤 超滤利用一种压力活性膜，在外界推动力(压力)作用下截留水中胶体、颗粒和分子量相对较高的物质,而水和小的溶质颗粒透过膜的分离过程。通过膜表面的微孔筛选可截留分子量为1000100000的物质。水分子和分子量小于300500的溶质透过膜，可将水中含有的大部分胶体硅除去，同时可去除大量的有机物等。透膜压一般为17bar。,纳滤 纳滤膜的一个很大特性是膜本体带有电荷，这是它在很低压力下具有
4、较高除盐性能和截留相对分子质量为数百的物质，也可脱除无机盐的重要原因。主要去除直径为1nm左右的溶质粒子，故被命名为“纳滤膜”，二价或高价离子，特别是阴离子的截留率比较高，可大于90%，而对一价离子的截留率一般低于90%。截留物相对分子质量为200-1000 。透膜压一般为3.516bar。 反渗透反渗透是最精密的膜法液体分离技术，它能阻挡所有溶解性盐及分子量大于 100 的有机物，但允许水分子透过。醋酸纤维素反渗透膜脱盐率一般可大于 95%，反渗透复合膜脱盐率一般大于 98%。操作压力较高，一般为210 Mpa。,1.4、膜分离技术的优点（1）膜分离是一个高效分离过程，可以实现高纯度的分离；
5、（2）大多数膜分离过程不发生相变化，因此能耗较低；（3）膜分离通常在常温下进行，特别适合处理热敏性物料；（4）膜分离设备本身没有运动的部件，可靠性高，操作、维 护都十分方便。,1.5、分离膜性能 分离膜（Membrane）是膜分离过程的核心部件，其性能直接影响着分离效果、操作能耗以及设备的大小。分离膜的性能主要包括两个方面：透过性能 与分离性能,1透过性能 能使待分离的混合物有选择的透过是分离膜的最基本条件。表征膜透过性能的参数是透过速率。 透过速率指单位时间、单位膜面积透过组分的通过量，对于水溶液体系，又称透水率或水通量，以J表示。式中： J 透过速率，m3/(m2h)或 kg/(m2h)；
6、V透过组分的体积或质量，m3或kg；A膜有效面积，m2；t 操作时间，h。,膜的透过速率与膜材料的化学特性和分离膜的形态结构有关，且随操作推动力的增加而增大。此参数直接决定分离设备的大小。2分离性能分离膜必须对被分离混合物中各组分具有选择透过的能力，即具有分离能力，这是膜分离过程得以实现的前提。不同分离过程中膜的分离性能有不同的表示方法，如截留率、截留分子量、分离因数等。,（1）截留率 对于反渗透过程，通常用截留率表示其分离性能。截留率反映膜对溶质的截留程度，对盐溶液又称为脱盐率，以R表示，定义为式中CF 原料中溶质的浓度，kg/m3；CP渗透物液中溶质的浓度，kg/m3。100截留率表示溶质
7、全部被膜截留,此为理想的半渗透膜； 0 截留率则表示全部溶质透过膜，无分离作用。,（2）截留分子量 在超滤和纳滤中，通常用截留分子量表示其分离性能。截留分子量是指截留率为 90%时所对应的最小分子量。截留分子量的高低，在一定程度上反映了膜孔径的大小，通常可用一系列不同分子量的标准物质进行测定。,（3）分离因数 对于气体分离和渗透汽化过程，通常用分离因数表示各组分透过的选择性。对于含有A、B两组分的混合物，分离因数定义为式中 xA,xB原料中组分A与组分B的摩尔分率；yA,yB 透过物中组分A与组分B的摩尔分率。,1.6、膜的分类 按结构分： 对称膜（无孔膜、多孔膜）非对称膜（一体化非对称膜、复
8、合膜） 对称膜是一种均匀的薄膜，又称均质膜。膜的横截面结构及形态是均匀的，厚度一般在10200 m之间，传质阻力由膜的总厚度决定，降低膜的厚度可以提高透过速率。,（2）非对称膜 非对称膜的横断面是不对称结构，由一薄薄的皮层和多孔亚层构成。包括一体化非对称膜复合膜 。 一体化非对称膜是用同种材料制备、由厚度为0.10.5m的致密皮层和50150 m的多孔支撑层构成，其支撑层结构具有一定的强度，在较高的压力下也不会引起很大的形变。 复合膜：致密皮层与多孔亚层由不同材料构成，使每一层独立发挥最大作用。 非对称膜的作用主要由很薄的致密皮层决定，传质阻力小，其透过速率较对称膜高得多，因此非对称膜在工业上
9、应用十分广泛。,第二节 反渗透,2.1、定义 反渗透借助于半透膜对溶液中溶质的截留作用，在高于溶液渗透压的压差推动力下使溶剂渗透通过膜，达到溶液脱盐的目的。在膜的两侧造成一个压力差，并使其大于溶液的渗透压，溶剂就会渗透到膜的另一侧，使浓度较高的溶液得到浓缩,2.2、反渗透机理 把溶剂和溶液（或两种不同浓度的溶液）分别置于半透膜的两侧，纯溶剂将透过膜而自发地向溶液（或从低浓度溶液向高浓度溶液）一侧流动，这种现象称为渗透(osmosis)。当溶液的液位升高到所产生的压差恰好抵消溶剂向溶液方向流动的趋势，渗透过程达到平衡，此压力差称为该溶液的渗透压，以表示。若在溶液侧施加一个大于渗透压的压差时，则溶
10、剂将从溶液侧向溶剂侧反向流动，此过程称为反渗透(reverse osmosis) 这样，把溶液置于半透膜的一侧，利用反渗透过程可从溶液中获得纯溶剂。,2.3、反渗透膜及其性质1、反渗透膜 反渗透膜为半透膜：即能够让溶液中一种或几种组分通过而其它组分不能通过的选择性膜。 反渗透借助半透膜对溶液中溶质起截流作用，以压力差为推动力，使溶剂透过半透膜，从而达到溶液脱除溶质的目的。 膜的特性： 透水率、透盐率、抗压性等,反渗透膜的结构,反渗透膜分离技术具有以下特点：1.在常温不发生相变化的条件下，可以对溶质和水进行分离，适用于对热敏感物质的分离、浓缩，并且与有相变化的分离方法相比，能耗较低；2.杂质去除
11、范围广，不仅可以去除溶解的无机盐类，而且还可以去除各类有机物杂质；3.脱盐率高；4.由于只是利用压力作为膜分离的推动力，因此分离装置简单，易操作、控制和维护；,2、反渗透膜的种类,醋酸纤维素膜的结构,醋酸纤维素膜的性能,2.4反渗透膜元件,反渗透膜元件包括板框式、管式、卷式、中空纤维式 1、管式装置管式装置水力条件好，适当调节水流状态可防止浓差极化和膜污染，能够处理含悬浮固体的溶液，但单位体积中膜面积小，制造和安装费用较高。,2、螺旋卷式装置螺旋卷式装置单位体积的膜表面积较大，透水量大。紊流效果好，不易产生浓差极化现象。缺点是膜玷污后消除困难，不能处理含有悬浮物的液体。,3、中空纤维式装置优点
12、是单位体积的膜表面积很大，制造和安装简单，可在较低压力下运行，膜的压实现象减缓，不需要膜制成材料，浓差极化可忽略；缺点是制作工艺复杂，易堵塞，不能用于处理含悬浮物的液体,4、板框式装置这种装置结构牢固，能承受高压，占地面积不大；但液流状态差，易造成浓差极化，设备费用较大。,2.5反渗透的应用 反渗透是一种节能技术，过程中无相变，一般不需加热，工艺过程简单，能耗低，操作和控制容易，应用范围广泛。 主要应用：海水和苦咸水的淡化，纯水和超纯水制备，工业用水处理，饮用水净化，医药、化工和食品等工业料液处理和浓缩，以及废水处理等。,还可以用于1. 处理电镀废水 废水进入电渗析器分离后，浓缩液返回电镀槽再
13、次使用；处理水则补充至最后的漂洗槽，实现水量平衡。2. 冲印胶片废水的处理 照相洗印废水、电影制片厂排出的废水中含有多种有用物质，可回收。3.酸性尾矿水的处理,第三节 反渗透工艺设计要点,3.1、给水水质要求,3.2、水通量 产水量(水通量)指反渗透系统的产能，即单位时间内透过膜水量，根据不同水源反渗透膜应采用不同的水通量，定义为每小时每平方米膜产水的升数，L/(m h),或每天每平方英尺膜产水的美加仑，gfd;二者之间的关系式1 gfd=1.7 L/(m h)。 水通量越高，膜污染速度越快，有一个水通量的极点，如果高于这个极限值，膜将迅速污染。 3.3、膜数量的计算 膜数量=脱盐水产量/水通
14、量，以此为基数，再通过用膜公司软件核算膜数量。,3.4、膜的类型选择 根据水含盐量选择膜的类型。含盐量小于10g/L时选用苦咸水反渗透膜，含盐量大于10g/L时选用海水反渗透膜。 3.5、膜的回收率 指膜系统中给水转化成为产水或透过液的百分率。膜系统的设计是基于预设的进水水质而定的，设置在浓水管道上的浓水阀可以调节并设定回收率。回收率常常希望最大化以便获得最大的产水量，但是应该以膜系统内不会因盐类等杂质的过饱和发生沉淀为它的极限值。一般情况下取1米长元件回收率为15%，1.5米长元件为20%。,3.6、流 量： 流量是指进入膜元件的进水流率，常以每小时立方米（m3/h）或每分钟加仑表示（gpm
15、）。浓水流量是指离开膜元件系统的未透过膜的那部分“进水”流量。这部分浓水含有从原水水源带入的可溶性的组份，常以每小时立方米（m3/h）或每分钟加仑 表示（gpm）。,3.7反渗透的化学清洗清洗频率：3-6月清洗一次清洗流量：7-9m3/h 每只膜壳1) 正常清洗时，清洗系统压力采用使系统基本不能产出纯水时的压力为最好，清洗液温度基本保持在20-40。必须用反渗透产品水或去离子水配制清洗药液，药液混合要均匀。2) 清洗时要将反渗透压力容器和管道内的存水排掉，再把清洗过程冲产生的浓缩液向清洗药箱循环。如果回流清洗液明显变色或浑浊应重新准备清洗药液。若回流清洗液PH变化超过0.5，应重新调整PH或更
16、换清洗液。3) 按规定时间清洗完成后，应立即用反渗透产品水或去离子水进行冲洗。冲洗时间一般为30-60分钟，并将反渗透出口水放掉（开产水自动门、冲洗浓水测排放自门。4) 确认冲洗完成后，最好立即投入正常运行，化学清洗后至投入运行时间不得超过24小时,3.8、阻垢剂的投加结垢是由于给水中的微溶盐在给水逐渐浓缩时超过了浓度积而沉淀到膜上，因此必须防止CaCO3、CaSO4、SrSO4、BaSO4、SiO2、CaF2结垢。为了保证反渗透系统正常运行，有效防止膜组件结垢,采用投加阻垢剂的方法。 若浓水计算暂硬小于8mmol/L,可用国产阻垢剂；若浓水计算暂硬大于18mmol/L，可用进口阻垢剂；浓水暂
17、硬大于8mmol/L，可考虑加酸与阻垢剂配合。,第四节 纳滤,4.1简介 纳滤：最早被称为疏松反渗透，纳滤是一种特殊而又很有前途的分离膜品种，以压力差为推动力，介于反渗透和超滤之间的截留水中粒径为纳米级颗粒物的一种膜分离技术。它因能截留物质的大小约为 1 纳米（0.001 微米）而得名，它截留有机物的分子量大约为 200400 左右，截留溶解性盐的能力为 2098%之间，对单价阴离子盐溶液的脱除率低于高价阴离子盐溶液，如氯化钠及氯化钙的脱除率为 2080%，而硫酸镁及硫酸钠的脱除率为 9098%。纳滤膜一般用于去除地表水的有机物和色度，脱除井水的硬度及放射性镭，部分去除溶解性盐，浓缩食品以及分离药品中的有用物质等。,
