《《反渗透过程》ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《反渗透过程》ppt课件（116页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章 反渗透过程,反渗透(Reverse Osmosis)是最早工业化的膜分离过程之一，在压力的推动下，液体混合物中的溶剂(如水)和溶质以不同的速率透过膜，在膜的透过侧得到比较纯净的溶剂，而在膜的进料侧得到浓缩的进料溶液。,反渗透同其它分离方法相比的优点: 不发生相变； 设备简单； 占地少能耗低等。 从海水、苦咸水的脱盐开始的， 现在又有许多新的应用，如食品、医药工业中的浓缩，超纯水的制造，锅炉水的软化，城市污水处理及对微生物、细菌和病毒进行控制等。,反渗透的基本原理 反渗透过程的主要性能参数 反渗透过程的膜与膜组件 浓差(度)极化 膜的污染 反渗透过程的基本流程 反渗透过程的应用及经济性
2、反渗透过程的研究方向,4.1 反渗透的基本原理,渗透、渗透压与反渗透的概念 渗透压的计算 反渗透发生的条件 描述反渗透过程的机理模型,4.1.1 渗透、渗透压与反渗透的概念,用一张只能透过溶剂而不能透过溶质的理想膜将容器分成两部分，在膜的两侧分别注入纯溶剂和溶有溶质的溶液，当两侧具有同样的高度时，如图4-1(a)，溶剂侧中的溶剂将自发地穿过膜流入溶液一侧，这种现象叫渗透(osmosis)。,随着溶剂不断地流入，溶液侧的液面将不断升高，最后当两侧液面差为H时，溶剂将停止透过膜，体系处于平衡状态，如图4-1(b)， H高度溶液所产生的压头，称为该溶液的渗透压，=gH。若在(a)容器的溶液上方加一个
3、压力p，且p ，如图4-1(c)，则溶液中的溶剂透过膜向纯溶剂侧流动，这一现象称之为反渗透(Reverse Osmosis)，亦称为高滤。(hyper filtration)。,4.1.2 渗透压的计算,渗透压是溶液的物理性质之一，只与溶液的种类、浓度、温度等参数有关，而与膜无关。 理想溶液 真实溶液,理想溶液,理想溶液的渗透压可以根据Vant Hoff公式计算 式中: iVant Hoff 系数，当电解质完全解离时，其值等于单位摩尔浓度溶液中解离的阴阳离子的总摩尔浓度； Cs溶液中溶质的摩尔浓度，mol/L； T绝对温度，K；,(atm) (4-1),如求25 ，浓度为0.1mol/L的Na
4、Cl溶液的渗透压时，因NaCl完全电离，则i=2.0 所以： =0.0820620.1298=4.89(atm),对于同样重量浓度的溶液，大分子量的高分子溶液要比盐之类小分子量溶液的渗透压小得多。 用反渗透进行浓缩时，小分子量溶液的浓缩浓度一般不超过15%，大分子量溶液不超过20%， 以免产生过高的渗透压。,真实溶液 计算真实溶液的渗透压，常用方法:,渗透系数法 凝固点下降法 简化法,渗透系数法,引入渗透系数以校正真实溶液的非理想性，在文献中可查到各种溶质的值:,(4-2),凝固点下降法,式中: Tf=Tf*-Tf， 凝固点下降 Tf*-纯溶剂凝固点浓度 Tf- 溶液的凝固点浓度 hf-融化潜
5、热 VB-溶剂的偏摩尔体积,可以由凝固点下降求得渗透压:,(4-3),简化法,为了方便起见，常将式(4-2)简化成如下形式: =BXA (4-4) 式中:XA-溶质的摩尔分数； B-比例常数， 表4-1中列出一些常见的溶质-水体系的B值。,表 4-1 某些溶质-水体系的B值,*硫酸盐与其它盐不同，其B值随浓度的增高而减小,4.1.3 反渗透发生的条件,用一张选择透过溶剂的膜，将容器分成两部分，分别注入同种不同浓度的溶液，则会发生平衡、渗透和反渗透三种情况。,1. 当膜两侧的静压差等于渗透压差时，膜两侧的化学位相等，则系统处于平衡状态，如图4-2(a)、(c)。 2. 当膜两侧的静压差小于渗透压
6、差时，稀溶液一侧的化学位高，则溶剂将从稀溶液侧透过膜进入浓溶液侧，即发生渗透，如图4-2(b)。 3. 当膜两侧的静压差大于渗透压差时，如图4-2(d)，浓溶液的化学位高， 则溶剂将从浓溶液侧透过膜进入稀溶液侧，这就发生反渗透。,从上面的说明可知反渗透过程必须满足二个条件： 一是有选择透过性的膜； 二是操作压力差必须高于溶液的渗透压差。,4.1.4 描述反渗透过程的机理模型,反渗透过程主要应用于从海水或苦咸水中脱盐制淡水， 理想的脱盐反渗透膜应该是不妨碍水的透过，而溶解的盐完全不能透过。但实际上，水和盐均能透过膜，只不过是透过的速度不同而已。,有许多模型来描述反渗透过程，主要可以分三类：,微孔
7、类模型 溶解扩散理论 孔隙开闭学说,微孔类模型,氢键理论 筛分效应学说 优先选择吸附毛细孔流机制,氢键理论,氢键理论亦称孔穴式与有序式扩散(hole-type and alignment - type diffusion)，该理论主要用于描述醋酸纤维膜的反渗透过程，认为当水进入醋酸纤维膜的非结晶部分后，同羧基上的氧原子形成氢键，成为结合水， 这种结合水的结合强度取决于膜内的孔径，孔径越小结合越牢。,筛分效应学说,该学说认为反渗透也和一般的过滤一样， 主要是靠筛分效应把盐同水分开的，即由于膜内孔径比水分子大，但比水合后的离子小，从而水分子可以透过膜， 而盐不能，使盐水得以分离。图4-4为实验值(
8、)与该理论值(线)的比较， 这说明该学说还是能较好地描述反渗透过程。一般认为在反渗透过程中筛分效应起一定程度的作用。,优先选择吸附毛细孔流机制,优先选择吸附毛细孔流机制(Preferential SorptionCapillary flow mechamism)是由Souirajan提出的，根据Gibbs吸附方程， 认为由于膜的化学性质( 亲水性)使之对溶液中的溶质具有排斥作用，结果使靠近膜表面的溶质的浓度梯度急剧下降，而在膜的表面上吸附了一层纯水层，如图4-5(a)所示， 这一纯水层在压力的作用下，不断从膜的毛细孔中渗出，如图4-5(b)所示。,若纯水层的厚度为w，则根据该机制， 膜孔径的大
9、小最好为纯水层厚度w的2倍，称之临界直径。如果孔径大于2w，则在微孔的中心将出现一个直径为(孔径-2w)的溶液流，使溶质也从孔中透过膜，导致脱盐率下降；反之， 如果孔径小于2w，虽选择性好，但膜的渗透性能下降。,纯水层的厚度与界面性质有较大关系，大约一到两个分子层的厚度，可用下式计算。,(4-5),式中:w纯水层的厚度 a溶液中盐的活度系数 0溶液的表面张力 mo溶液的重量摩尔浓度,溶解扩散理论,溶解-扩散理论(Solution-diffusionmodel)，首先是由Lonsdale、Merten和Riley提出的，是目前被普遍接受的。该理论与上面讨论的微孔类模型不同，认为膜是一种完全致密的
10、界面，水和溶质通过膜是分两步完成的， 第一步是水和溶质被吸附溶解于膜表面，第二步是水和溶质在膜中扩散传递，最终透过膜。,在溶解扩散过程中，扩散是控制步骤，假设它服从Fick定律， 则可推导出 透水率 Fw为:,(4-6),式中：Fw透水速率，克/厘米2秒； Dw水在膜中的扩散系数，厘米2/秒； Cw水在膜中的浓度，克/厘米3； Vw水的偏摩尔体积，厘米3/摩尔； p膜两侧的压力差，大气压； 膜两侧溶液的渗透压差，大气压； R气体常数，厘米3大气压/摩尔K； T开氏温度，K 膜的有效厚度，厘米； ADwCwVw/RT，膜的水渗透系数(重量)，表示特定膜中水的渗透能力， 克/厘米2秒大气压。,同样
11、，也可以推导出溶质透过速率或称透盐率(Fs)方程如下:,(4-7),式中： Ds溶质在膜中的扩散系数，厘米2/秒； Ks溶质在溶液和膜两相中的分配系数，克/厘米3(膜)/克/厘米3(溶液)； C膜两侧溶液的浓度差，克/厘米3； BDsKs/，膜的溶质渗透系数或称透盐系数，表示特定膜的透盐能力，厘米/秒； Fs膜的透盐率，克/厘米2秒。,溶解扩散理论阐明了溶剂透过的推动力是压力，溶质透过的推动力是浓差，这已被许多实验数据所证实，但该理论同样有局限性，比如由式(4-7)和(4-9)可知溶剂和溶质通过膜的过程是独立的，互不相干，这在一些情况下是不符合实际的，所以Kedem，Kimura， Souri
12、rajan等对该理论做了进一步修正。,孔隙开闭学说,该学说认为膜内没有固定的连续孔道， 而是由于高聚物的链的热振动形成通道，使渗透物质得以透过。如图4-6所示，若分子(离子)a在链的一个振动周期内若能前进ys以上，就可以前进，若不能超过ys就后退回原处。,在未受压时，高聚物的链是无秩序的布朗运动，当受压时，物质通过膜而要损失一部分机械能，将被聚合物吸收，形成图4-6中那样的有序振动，随着压力的增高，吸收的能量变大，聚合物链的振动次数将增加。,4.2 反渗透过程的主要性能参数,膜的透水率 膜的透盐率 溶质的截留率 反渗透系统的回收率 膜的压密系数 操作参数对反渗透过程分离性能的影响,4.2.1
13、膜的透水率,重要参数 亦称水通量、 水透过膜的速率 单位时间内通过单位膜面积的水的流量 取决于膜的特性(如膜材料，膜结构等)、分离体系的性质以及操作条件(如操作温度、压力等)。,(4-8),4.2.2 膜的透盐率,膜的透盐率Fs是单位时间内通过单位膜面积的盐的流量，同样是取决于膜的特性、分离体系的性质及操作条件，但不同的是对一定的膜分离体系和操作温度，Fs几乎与操作压力无关，与膜两侧溶质的浓度差成正比，如式(4-9)，,对于反渗透过程一般希望Fs越小越好。,(4-9),4.2.3 溶质的截留率,溶质的截留率亦称脱盐率，通常以R表示， 是评价反渗透过程的最主要的指标，定义为: 式中Cp、Cf分别
14、为产品水和进料水中溶质的浓度。,(4-10),4.2.4 反渗透系统的回收率,反渗透系统的回收率定义如下: 式中Np、Nf分别为产品和进料溶液的流量。,(4-11),4.2.5 膜的压密系数,由于操作压力和温度对膜的持续作用，会使膜产生一系列的物理变化，比如孔隙率变小，水的透量变低，透水率的变化通常存在下列关系: 式中Fw1，Fwt分别为第1，第t小时后的透水率; t为操作时间; m即为压密系数，亦称压实斜率。,(4-12),m是可以通过实验测出的，是描述膜寿命的参数之一，m越小，膜的寿命越长。对于反渗透过程，m值一般应小于0.03。,4.2.6 操作参数对反渗透过程分离性能的影响,操作过程的
15、参数如原料液温度、压力及水的回收率都会对最终的分离性能即膜的透量、产品的质量产生影响，归纳如图4-7。,4.3 反渗透过程的膜与膜组件,膜和膜组件是完成反渗透过程的决定因素，为了使反渗透过程产量大、能耗低，则必须满足下列条件： 1. 膜应具有大的透水率，小的透盐率； 2. 膜必须尽量薄，且缺陷尽量少； 3. 水透过膜的阻力损失小； 4. 单位体积的膜组件提供较大的膜面积。,反渗透过程中使用的膜可以是非对称的、均质的，或者使用复合膜、动态形成膜. 主要的膜材料是醋酸纤维素(CA)、芳香聚酰胺、高分子电解质等。,反渗透过程中使用的膜组件可以是板框式的、管式的、螺旋卷式的， 也可以是中空纤维式的。工
16、业生产中主要使用后两种，但前两种也有各自的优点，仍在一定场合下使用。表4-2，4-3 对以上四种分离器的优缺点及性能参数进行了对比。后两种膜组件1988年的销售额见表4-4，但近年来， 中空纤维式反渗透分离器的增长速度最快。,表4-2 各种反渗透膜组件优缺点的比较,表4-3 各种反渗透膜组件性能的比较,表4-4 中空纤维式与螺旋卷式反渗透膜分离器的销售额,HF中空纤维式 SW螺旋卷式,4.4 浓差(度)极化 (Concentration Polarization),在反渗透过程中，由于膜优先选择透过溶剂，因此， 溶质则会在膜的高压侧积累，造成溶质由膜高压侧表面到原料主体溶液之间的浓度梯度，如图4-8所示，这种现象几乎存在于所有的膜分离过程中，叫做浓差极化或者浓度极化。,浓
