《水污染控制工程 教学课件 ppt 作者 孙体昌 娄金生水污染控制工程PPT10-16 第10章 膜分离》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水污染控制工程 教学课件 ppt 作者 孙体昌 娄金生水污染控制工程PPT10-16 第10章 膜分离（134页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第10章 膜 分 离 法,第10章 膜分离,膜分离法是以外界能量差为推动力，利用特殊的薄膜对溶液中的双组分或多组分进行选择性透过，从而实现分离、分级、提纯或富集的方法的统称。 透过膜的物质可以是溶剂，也可以是其中的一种或几种溶质。 溶剂透过膜的过程称为渗透，溶质透过膜的过程称为渗析。 根据膜的种类、功能和过程推动力的不同，废水处理中常用的膜分离法有渗析（D）、电渗析（ED）、反渗透（RO）、纳滤（NF）和超过滤（UF）。 膜分离技术发展很快，在水和废水处理、化工、医疗、轻工、生化等领域有广泛的应用。 本章介绍水和废水处理中常用的膜分离过程。,第10章 膜分离,本书中涉及的膜分离过程如图10-1
2、所示。,图10-1 膜分离过程示意图 1耐压容器 2膜 3浓水部分 4产品水部分,第10章 膜分离,可见，在废水处理中膜分离并不能完全把废水分成纯净的水和污染物两部分，而只能把废水分成污染物浓度较低和污染物浓度较高的两部分。 为叙述方便，本章中把未经膜分离处理的废水称为原水，处理后污染物在其中浓缩的部分称为浓水，污染物浓度降低的部分称为产品水。 膜分离过程实现的关键是膜，不同的膜分离过程使用的膜的性质也不同，本章介绍废水处理中常用的膜分离过程的工艺、装置和基本原理。,第10章 膜分离,10.1 渗析与电渗析 10.1.1原理和工作过程 10.1.2电渗析装置 10.1.3电渗析的特点和用途 1
3、0.1.4离子交换膜及透过机理 10.1.5电渗析的工艺 10.1.6电渗析的影响因素,10.2 反渗透 10.2.1反渗透的原理 10.2.2反渗透膜组件 10.2.3反渗透膜 10.2.4反渗透膜的透过机理 10.2.5反渗透装置的组合方式 10.2.6反渗透工艺参数,第10章 膜分离,10.3 纳滤与超滤 10.4 膜的污染及清洗 10.4.1膜的污染的原因 10.4.2膜的清洗 10.5膜分离法的特点及应用案例 10.5.1膜分离的特点和比较 10.5.2膜分离应用案例,第10章 膜分离,10.1 渗析与电渗析 10.1.1原理和工作过程 10.1.2电渗析装置 10.1.3电渗析的特
4、点和用途 10.1.4离子交换膜及透过机理 10.1.5电渗析的工艺 10.1.6电渗析的影响因素,10.2 反渗透 10.2.1反渗透的原理 10.2.2反渗透膜组件 10.2.3反渗透膜 10.2.4反渗透膜的透过机理 10.2.5反渗透装置的组合方式 10.2.6反渗透工艺参数,10.1 渗析与电渗析 10.1.1原理和工作过程,渗析是最早被发现和研究的膜分离过程，它是一种自然发生的物理现象。 用允许水中溶质通过的膜将不同浓度的溶液隔开，溶质即从浓度高的一侧透过膜而扩散到浓度低的一侧，这种过程称为渗析过程，也称扩散渗析、浓差渗析。 渗析过程的推动力是浓度梯度。 如果采用有选择性的膜，在溶
5、质透过膜时，由于溶质分子的大小不同，所以扩散速度有差异，利用这种扩散速度的差异就可以实现溶液中不同组分之间的分离。,渗析作用的推动力是浓度差，即依靠膜两侧溶液的浓度差引起溶质扩散从而实现分离。 这个扩散过程进行的很慢，需时较长，当膜两侧的浓度达到平衡时，渗析过程即停止。 通常只将这种方法用于分离移动速度较快的H+及OH离子，在废水处理中则主要用于酸、碱的回收，回收率可达7090。 渗析过程在医学上有广泛的应用，在废水处理中应用较少，此处不作详细介绍。,电渗析是依靠对水中离子有选择透过性的离子交换膜，在直流电场的作用下，使离子有选择性地从一种溶液透过离子交换膜进入另一种溶液，以达到分离废水中离子
6、的方法。 其中的关键是离子交换膜，它有使离子选择性透过的特性。 离子交换膜可以分为阳离子膜和阴离子膜两种，阳离子交换膜（简称阳膜）只允许阳离子通过，而不允许阴离子通过；阴离子交换膜（简称阴膜）则只允许阴离子通过而不允许阳离子通过。 离子交换膜的结构在下一节详细讨论。,电渗析是依靠对水中离子有选择透过性的离子交换膜，在直流电场的作用下，使离子有选择性地从一种溶液透过离子交换膜进入另一种溶液，以达到分离废水中离子的方法。 其中的关键是离子交换膜，它有使离子选择性透过的特性。 离子交换膜可以分为阳离子膜和阴离子膜两种，阳离子交换膜（简称阳膜）只允许阳离子通过，而不允许阴离子通过；阴离子交换膜（简称阴
7、膜）则只允许阴离子通过而不允许阳离子通过。 离子交换膜的结构在下一节详细讨论。,电渗析器的结构及其工作过程见图10-2，它是由一系列由阳膜和阴膜交替排列分隔成的小室构成的，这些小室位于阴、阳两电极中间，分别编号为。 图中代表阳离子，代表阴离子。在电渗析器的进水端，各室中的离子浓度是相同的，水沿与膜平行的方向流动。当电极通入直流电时，会在极板之间形成电场，在电场的作用下，水中的离子会向不同的方向移动，阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动。由于阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过，随着水在各室中的流动，各室中离子的运动轨迹不同。、室内的阳离子在运动时首先碰到的是阴膜，由于阴膜不允许阳离子通过，
8、所以这两室中的阳离子仍保留在各自的室内。,、室内的阳离子运动时首先碰到的是阳膜，由于阳膜允许阳离子通过，所以阳离子分别进入、室，在电场力的作用下，阳离子会继续向阴极移动，当遇到阳膜时又会被阻止而留在、室内，这样、室中阳离子的浓度就会增加，而、室内的阳离子浓度会降低。 阴离子也有类似的结果，读者可以自行分析。 所产生的结果是、室内离子浓度升高，而、室内离子浓度降低，分别收集不同室的水，即可得到浓水和产品水。 从图10-2中还可以看出，、两室和电极接触，称为极室，在两个极室内会出现离子电荷不平衡的现象，因此要发生电极反应，以保持电荷的平衡，所以极室的水要单独收集。,图10-2 电渗析过程示意图,阳
9、离子,阴离子,阴离子交换膜,阳离子交换膜,电极阴极,电极阳极,10.1.2电渗析装置,实际使用的电渗析器由离子交换膜、隔板、电极、极框和压紧装置等组成，如图10-3所示。 为了减少电渗析器的体积和提高电流的效率，离子交换膜之间是用隔板隔开的，隔板是用绝缘材料板制成的很薄的框，开有进、出水孔，放在阴、阳膜之间。隔板的作用有两个：一是作为膜的支撑体，使两膜之间保持一段距离；二是作为水流通道，使两层膜之间的水均匀分布。 隔板的长度方向流动，电流沿与隔板平面垂直的方向流动。隔板四周的边框与有弹性的离子交换膜在压紧时保持水密性，保证电渗析器内分成不同的室。隔板的材料有聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、硬橡胶板等
10、。,根据隔板的厚度不同又分为薄隔板（1.0mm)两种。废水处理中使用最多的是厚度为0.9mm的聚丙烯隔板。隔板又分为浓水室隔板和淡水室隔板两种，它们的结构基本相同，只是出水口的位置不同。 电极的作用是提供直流电，形成电场，因此也是电渗析器的主要部件。电极分为阳极和阴极。由于不同电极的电极反应不同，所需的材料也不同。 常用的电极有石墨，可作阴极或阳极；铅板，也可作阴极或阳极；不锈钢，只能作阴极；铅银合金，作阴、阳极均可。电极材料的选择要考虑所处理的水质、电流密度、使用寿命、强度、加工难易程度和耐腐蚀性等因素。 极框放在电极和膜之间，其主要作用是隔离膜与电极，提供极水流通和排出电极反应所产生的气体
11、的通道。,图10-3 电渗析器组装示意图,1压紧板 2垫板 3电极 4垫圈 5极水板 6阳离子交换膜 7淡水隔板 8阴离子交换膜 9浓水隔板,实际水处理过程一般需要通过多次电渗析过程才能完成，对不同的处理要求电渗析器的组装也有所不同。 在介绍电渗析器的组装之前先介绍膜对和膜堆的概念。由一对阴、阳离子交换膜和一对隔板交替排列组成的基本单元称为膜对。 在两电极之间由若干个膜对组装在一起则称为膜堆。电渗析器组装的情况是用“级”和“段”来表示的，如图10-4所示。 一对正、负电极之间的膜堆称为一级；具有同一水流方向的并联膜堆称为一段。 电渗析器分为多级的作用是降低两个电极之间的电压；分为多段的目的是使
12、几段串联起来增长水的流程长度。,图10-4 电渗析器的级与段,10.1.3电渗析的特点和用途,根据电渗析的原理和工艺过程可以总结出电渗析有如下优点： 它只对电解质离子起选择性迁移的作用，对非电解质不起作用，因此电渗析可以用于含盐水的浓缩或淡化，也可以用于电解质与非电解质的分离； 电渗析过程中没有物相的变化，因此能量消耗低。据统计，电渗析法只有蒸馏法能耗的1/4至1/40； 电渗析过程不需要从外界添加任何物质，因此保证了被分离物质的纯度，也没有二次污染问题，属清洁工艺； 电渗析所需的压力比反渗透低； 对进水的预处理要求低。由于电渗析过程中水不透过膜，仅是带电荷的离子透过膜，所以对水质要求低。,由
13、于电渗析过程中水不透过膜，仅是带电荷的离子透过膜，所以对水质要求低。电渗析的缺点是： 只对水中的离子起作用，对有机物不起作用； 除盐效率比较低； 设备结构比较复杂且对组装的要求高。 电渗析可以用于水的除盐，如海水和苦咸水淡化，淡水除盐，去除废水中的氟化物和砷化物。电渗析也可以作为离子交换法的预处理手段，可以大幅度地减少离子交换过程再生废液的产生；也可以用来从废水中回收电解质、酸和碱等物质,第10章 膜分离,10.1 渗析与电渗析 10.1.1原理和工作过程 10.1.2电渗析装置 10.1.3电渗析的特点和用途 10.1.4离子交换膜及透过机理 10.1.5电渗析的工艺 10.1.6电渗析的影
14、响因素,10.2 反渗透 10.2.1反渗透的原理 10.2.2反渗透膜组件 10.2.3反渗透膜 10.2.4反渗透膜的透过机理 10.2.5反渗透装置的组合方式 10.2.6反渗透工艺参数,10.1.4离子交换膜及透过机理,从上述分析可知，离子交换膜是电渗析器的关键部分，它具有与离子交换树脂（见第8章）类似的组成，其中含有活性基团和能使离子透过的细孔。 离子交换膜的种类很多，分类方法也较多，这里介绍常用的几种。 1按膜的结构分类 按膜的结构可以把离子交换膜分为异相膜、均相膜和半均相膜三类。 异相膜是把离子交换树脂磨成粉末与黏合剂混合后加工成薄膜状制成的，其中含有离子交换树脂和黏合剂，这样形
15、成的膜的化学结构是不连续的，所以称为异相膜，也称为非均相膜。这类膜的优点是制造容易、价格便宜；缺点是选择性差、膜电阻也较大。,均相膜有两种生产方式： 一是由具有离子交换基团的高分子材料直接制成的膜； 二是在高分子材料制成的膜基上直接接上具有离子交换功能的活性基团而制成的。 这类膜的离子交换基团与成膜的高分子材料之间发生化学结合，其组成是均匀的，所以称为均相膜。均相膜的性能优于异相膜，所以应用较多。 半均相膜的成膜高分子材料与离子交换活性基团结合得很均匀，但它们之间并没有形成化学结合。半均相膜的外观、结构和性能都介于异相膜与均相膜之间。,2. 按膜中活性基团分类,按膜中离子交换基团的不同，离子交
16、换膜可分为阳离子交换膜、阴离子交换膜和复合膜三种。 阳膜含有阳离子交换基团，在水中交换基团发生离解，使膜上带有负电，能排斥水中的阴离子阻止其穿过，但却能吸引水中的阳离子并使其通过。 阴膜含有阴离子交换基团，在水中离解出阴离子，使膜上带正电，吸引阴离子并使其通过。 复合膜是把阴离子交换膜和阳离子交换膜贴在一起构成的特殊用途的膜。,3按成膜材料的性质分类,离子交换膜可以分为有机离子交换膜和无机离子交换膜两类。 有机离子交换膜是由各种高分子材料制成的，常用的材料有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚砜等。无机离子交换膜是由无机材料制成的，常用磷酸锆和钒酸铝等。 无机离子交换膜具有热稳定、抗氧化、耐辐射等特点，一般用在特殊场合，废水处理中应用较少。,4离子交换膜的选择性透过机理,阳离子交换膜只允许阳离子通过的原因可以定性的解释如下： 由于阳离子交换膜由阳离子交换树脂制成，因此阳离子可以在树脂母体内自由运动，在电场力的作用下阳离子可以从膜中脱离而透过膜，此时会造成膜内的电
