《水质工程学 上册 教学课件 ppt 作者 谢水波 姜应和 主编 第13章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水质工程学 上册 教学课件 ppt 作者 谢水波 姜应和 主编 第13章（91页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、13.1 膜的分类与膜组件,13.1.1 膜的分类及膜分离的特点 13.1.2 膜材料及其性能参数 13.1.3 膜组件,13.1.1 膜的分类及膜分离的特点,13.1.2 膜材料及其性能参数,1.膜材料 2.膜的性能,1.膜材料,目前使用的固体分离膜大多数是高分子聚合物，近年来又出现了无机材料分离膜。高聚物膜通常由纤维素类、聚砜类、聚酰胺类、聚酯类、含氟高聚物等材料制成。无机分离膜包括陶瓷膜、玻璃膜、金属膜和分子筛炭膜等。,2.膜的性能,(1)透过性能 能够使被分离的混合物有选择地透过是分离膜的最基本要求。 (2)分离性能 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
2、膜分离过程得以实现的前提。,(1)透过性能 能够使被分离的混合物有选择地透过是分离膜的最基本要求。,(2)分离性能 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。,1)截留率。 2)截留相对分子质量。,13.1.3 膜组件,1.板框式膜组件 2.卷式膜组件 3.管式膜组件 4.毛细管膜组件 5.中空纤维膜组件,1.板框式膜组件,图13-1 板框式膜组件构造示意图,2.卷式膜组件,卷式膜组件一般用多孔性的淡水隔网被夹在信封状的半透膜带内，半透膜的开口与中心集水管密封，然后衬上盐水隔网，连同膜带一起在中心管外缠绕成卷。膜带的数目称为叶数，叶数越多密封
3、的要求也越高。在分离过程中，原料溶液从端面进入，轴向流过膜组件。而渗透物在多孔支撑层中沿螺旋路线流进收集管。盐水隔网不仅提供原水的通道，而且兼有湍流促进器的作用。隔网的大小、形状均会影响水流状态。对于不同的处理对象，可对卷式膜组件的结构作相应的改进。由于螺旋卷式膜组件结构简单，造价低廉，装填密度可达1000m2m3，还具有一定的抗污染性，尽管也有不易清洗等明显缺点，但应用较广。图13-2所示为螺旋卷式膜组件构造。,3.管式膜组件,图13-2 螺旋卷式膜组件构造,4.毛细管膜组件,图13-4 毛细管膜组件构造示意图,5.中空纤维膜组件,图13-5 中空纤维膜组件构造,13.2 微滤和超滤,13.
4、2.1 过滤原理与操作模式 13.2.2 微滤膜 13.2.3 超滤膜的结构及操作方式 13.2.4 浓差极化与膜污染 13.2.5 超滤的操作参数,13.2.1 过滤原理与操作模式,图13-6 微滤膜操作模式 a)死端过滤 b)错流过滤,13.2.2 微滤膜,1.微滤膜结构 2.微滤膜的材质,1.微滤膜结构,微滤膜大多为对称结构，厚度为10150m。微滤膜的孔径比较均匀，孔隙率在70%80%，过滤精度高，速度快。最常见的是曲孔型，类似于内有相连空隙的网状海绵；另一种是毛细管型，膜孔呈圆筒状垂直贯通膜面，该类膜孔隙率5%，但厚度仅为曲孔型的1/15。也有不对称的微孔膜，膜孔呈截头圆锥体状贯通膜
5、面，过滤时原水从孔径小的膜面流过。,2.微滤膜的材质,微滤膜的材质分有机和无机两大类。制备微孔膜的有机材质主要为聚合物，如纤维素酯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚砜、聚醚砜、聚醚酰亚胺、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯等。纤维素类膜因成本低，亲水性好，可热压灭菌，故广泛应用；而聚氯乙烯、聚四氟乙烯膜的化学稳定性高，可用于酸碱的过滤。无机膜主要有陶瓷膜和金属膜，具有良好的化学和热稳定性，目前主要用氧化铝、氧化锆制备陶瓷膜。,13.2.3 超滤膜的结构及操作方式,1.重过滤操作 2.间歇操作 3.连续式操作,1.重过滤操作,图13-7 连续式重过滤操作示意图,2.间歇操作,图13-8 多级错流过滤方式,
6、3.连续式操作,如图13-8所示，连续式操作多采用单级或多级错流过滤方式，常用于大规模生产。这种形式有利于提高效率，除最后一级在高浓度下操作渗透速率较低外，其他级操作的浓度不高，渗透速率较高。,13.2.4 浓差极化与膜污染,图13-9 浓差极化模型,13.2.5 超滤的操作参数,1.流速 2.操作压力及压力降 3.回收比和浓缩水排放量 4.工作温度,1.流速,流速是指供给水在膜表面上流动的线速度，是超滤系统中一项重要的操作参数。流速太快，不但产生过大的压力降，造成水的浪费，还加速了超滤膜分离性能的衰退。反之，如果流速过慢，容易产生浓差极化现象，影响透水性能，使透水质量下降。通常依据实验来确定
7、最佳流速。不同构型的超滤组件要求流速不一样，即便是相同构型的组件，处理不同的料液，要求的流速也可能相差甚远。例如浓缩电泳漆的流速约等于处理水的810倍。供给水量的多少，决定了流速的快慢，实际运行中可按产品说明书标定的数值操作。,2.操作压力及压力降,(1)操作压力 超滤工作压力是泛指在超滤处理溶液通常所使用的工作压力，约为0.10.7MPa。 (2)压力降 组件进出口间的压力差称为压力降，也称为压力损失。,(1)操作压力 超滤工作压力是泛指在超滤处理溶液通常所使用的工作压力，约为0.10.7MPa。,(2)压力降 组件进出口间的压力差称为压力降，也称为压力损失。,3.回收比和浓缩水排放量,回收
8、比是指透过水量与供给水量之比率，浓水排放量是指未透过膜而排出的水量。在超滤系统中，回收比与浓缩水排放量是一对相互制约的因素。因为供给水量等于浓缩水与透过水量之和，如果浓缩水排放量大，回收比就小。反之，如果回收比大，被缩水排放量就小。在使用过程中，根据超滤组件的构型和进料液的组成及状态(主要指混浊度)，通过调节组件进口阀及浓缩液出口阀门，选择适当的透过液量与浓缩水量比例。,4.工作温度,生产厂家所给出组件的性能数据绝大多数是在25条件下测定的。超滤膜的透水能力随着温度的升高而增大，在工程设计中应考虑供给水的实际温度，实际温度低于或者高于25时，应当乘以温度系数。在允许操作温度范围内，温度系数约为
9、0.0215/1，即温度每升高1，透水量相应地增加2.15%。,13.3 反渗透,13.3.1 渗透与反渗透 13.3.2 反渗透原理 13.3.3 反渗透装置 13.3.4 反渗透工艺流程 13.3.5 反渗透膜的分类及制造方法 13.3.6 反渗透膜的污染与清洗,13.3.1 渗透与反渗透,图13-11 渗透与反渗透现象 a)渗透 b)渗透平衡 c)反渗透,13.3.2 反渗透原理,图13-12 优先吸附毛细孔流动模型,13.3.3 反渗透装置,表13-2 各种形式反渗透器的性能比,13.3.4 反渗透工艺流程,图13-13 反渗透布置系统 a)单程式 b)循环式 c)多段式,13.3.5
10、 反渗透膜的分类及制造方法,1.反渗透膜的分类 2.反渗透膜的制造方法,1.反渗透膜的分类,表13-3 CA膜与聚酰胺复合膜的比较,2.反渗透膜的制造方法,不对称膜片的制备过程主要包括以下四个步骤：配制含有聚合物溶剂添加剂的三组分制膜液；将此制膜液展成一薄的液层，让其中的溶剂挥发一段时间；将挥发后的液层浸入非溶剂的凝胶浴中，使凝胶成聚合物的固态膜；将凝胶的膜进行热处理或压力处理，改变膜的孔径，使膜具有所需的性能。,13.3.6 反渗透膜的污染与清洗,1.反渗透膜的污染 2.膜清洗,1.反渗透膜的污染,表13-4 膜污染的一般特征,2.膜清洗,(1)膜清洗的要素 (2)清洗方法 膜清洗方法通常可
11、分为物理方法与化学方法。 (3)膜清洗效果的表征,(1)膜清洗的要素,1)膜的物化特性：系指耐酸性、耐碱性、耐温性、耐氧化性和耐化学试剂特性。 2)污染物特性：系指在不同pH值溶液中，不同种类盐及浓度溶液中，不同温度下的溶解性、荷电性、可氧化性及可酶解性等。,(2)清洗方法 膜清洗方法通常可分为物理方法与化学方法。,(3)膜清洗效果的表征,通常用纯水透水率恢复系数r来表达,13.4 电渗析,13.4.1 电渗析原理 13.4.2 电渗析设备 13.4.3 离子交换膜 13.4.4 极化 13.4.5 电流效率及极限电流密度 13.4.6 电渗析的设计与计算,13.4.1 电渗析原理,图13-1
12、4 电渗析原理示意图,13.4.2 电渗析设备,1.电渗析器 2.电渗析器的组装,1.电渗析器,(1)膜堆 一对阴、阳极膜和一对浓、淡水隔板交替排列，组成最基本的脱盐单元，称为膜对。 (2)极区 电渗析器两端的电极区连接直流电源，还设有原水进口，淡水、浓水出口以及极室水的通路。 (3)紧固装置 用来把整个极区与膜堆均匀夹紧，使电渗析器在压力下运行时不至漏水。,(1)膜堆 一对阴、阳极膜和一对浓、淡水隔板交替排列，组成最基本的脱盐单元，称为膜对。,图13-15 电渗析器的组成示意图,(2)极区 电渗析器两端的电极区连接直流电源，还设有原水进口，淡水、浓水出口以及极室水的通路。,(3)紧固装置 用
13、来把整个极区与膜堆均匀夹紧，使电渗析器在压力下运行时不至漏水。,2.电渗析器的组装,图13-16 电渗析器的组装方式,13.4.3 离子交换膜,1.孔隙作用 2.静电作用 3.扩散作用,1.孔隙作用,图13-17 磺酸型阳膜的 孔隙结构,2.静电作用,在膜的化学结构中，膜体内分布着带电荷的固定离子交换基，如图13-17所示。因此，膜内构成强烈的电场，阳膜产生负电场，阴膜产生正电场。根据静电效应原理，膜与带电离子将发生静电作用。作用的结果，阳膜只能选择吸附阳离子，阴膜只能选择吸附阴离子。它们分别排斥与各自电场性质相同的同名离子。对于双性膜，它们同时存在正、负电场，对阴、阳离子选择透过能力取决于正
14、负电场之间强度的大小。,3.扩散作用,膜对溶液中离子所具有的传质迁移能力，通常称之为扩散作用，或称溶解扩散作用。扩散作用依赖于膜内活性离子交换基和孔隙的存在，而离子的定向迁移是外加电场力推动的结果。孔穴形成无数迂回曲折的通道，在通道口和内壁上分布有活性离子交换基，对进入膜相的溶液离子继续进行鉴别选择。这种吸附解吸迁移的方式，类似接力赛，交替地一个传一个，直至把离子从膜的一端输送到另一端，这就是膜对溶解离子定向扩散作用的过程。,13.4.4 极化,1.极化现象 2.极化现象的危害性 3.防止极化和结垢的措施,1.极化现象,在利用离子交换膜进行电渗析的过程中，电流的传导是靠水中的阴阳离子的迁移来完
15、成的，当电流增大到一定数值时，若再提高电流，由于离子扩散不及，在膜界面处将引起水的离解，H+和OH-分别透过阳膜和阴膜来传递电流，这种膜界面现象称为极化。此时的电流密度称为极限电流密度。极化发生后阳膜淡室的一侧富集着过量的OH-，阳膜浓室的一侧富集着过量的H+；而在阴膜淡室的一侧富集着过量的H+，阴膜浓室的一侧富集着过量的OH-。,2.极化现象的危害性,(1)引起膜的结垢 极化的结果会使淡水室中的水电离成H+和OH-，OH-穿过阴膜进入浓室，使阴膜表层带碱性，pH值上升。 (2)极化 极化时，部分电能消耗在水的电离与H+和OH-的迁移上，使电流效率下降。 (3)沉淀、结垢的影响 使膜的交换容量
16、和选择透过性下降，也改变了膜的物理结构，使膜发脆易裂，机械强度下降，膜电阻增加，缩短膜的使用寿命。,(1)引起膜的结垢 极化的结果会使淡水室中的水电离成H+和OH-，OH-穿过阴膜进入浓室，使阴膜表层带碱性，pH值上升。,(2)极化 极化时，部分电能消耗在水的电离与H+和OH-的迁移上，使电流效率下降。,(3)沉淀、结垢的影响 使膜的交换容量和选择透过性下降，也改变了膜的物理结构，使膜发脆易裂，机械强度下降，膜电阻增加，缩短膜的使用寿命。,3.防止极化和结垢的措施,(1)极限电流法 将电渗析器的操作电流控制在极限电流以下，以避免极化现象产生，抑制沉淀生成，但不能消除阴极沉淀。 (2)倒换电极法 如图13-18所示，定时倒换电极，使浓、淡室，阴、阳极室随之相应倒换。 (3)定期酸性法 电渗析在运行一段时间后，总会有少量的沉淀物生成，积累到一定程度时，用倒换电极法也不能有效地去除，但可用酸洗。,(1)极限电流法 将电渗析器的操作电流控制在极限电流以下，以避免极化现象产生，抑制沉淀生成，但不能消除阴极沉淀。,(2)倒换电极法,图13-18
