单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,,*,,,,,,,,单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,,*,§,9,-,3,反渗透与纳滤,,一、反渗透:,（一）渗透现象与渗透压（物理化学已学过）,,1、半透膜：只能让水分子透过，而阻止溶质透过的膜——称为半透膜2、渗透过程：实验,,（1）有渗透现象；,,（2）平衡时压差为,πPa；,,（3）,反渗透π,称为渗透压这个渗透现象是一个自发的过程纯水的化学势（位）为,μ,0,,,咸水的化学势（位）为,μ,,,,则：,μ,=,μ,0,+RTlnx,,x——,咸水中水的摩尔分数，,,T——,热力学温度,KR——,理想气体常数，,R=8.314J/mol·K,,x＜1 lnx,为负值∴,μ,0,,＞,μ,,即纯水的化学位高于咸水的化学位， 所以纯水向化学位低的咸水一侧渗透水的化学位的大小决定着水的传质方向,3、渗透压：,π,,平衡态，膜两侧的水的压力差，,π,即为在指定温度下，溶液（咸水）渗透压：,,,π,=,icRT,（Pa）,,c——,溶液物质的量浓度，,mol/m,3,,,,i,——,系数，海水,i,≈1.8,,（,二）反渗透：,,在咸水侧施加压力,P＞π，,迫使咸水中的水向纯水一侧渗透的过程称为反渗透。
1、理论：反向加压大于,π,，克服渗透压迫使渗透反向 加压,→,咸水化学位＞纯水化学位,,2、理论耗能：（25℃）海水的盐度34.3‰（计算仅用34.3）,,,,,A——,系数，,A=0.00537,,T——,绝对温度，,KS——,海水盐度R——,理想气体常数，,,R=2.31×10,-6,kw·h/mol·K,,,——,水的偏摩尔体积，,,=0.018×10,-3,m,3,/mol,,∴W,lim,= 0.7 kW·h/m,3,,,1 kW·h =3.6×10,6,Pa · m,3,,,即为海水的极限渗透压实际工程应用要大该值三）反渗透膜及透过机理：,,,,醋酸纤维素（,CA）,,,芳香族聚酰胺膜,,,1、机理：,,选择性（优先）吸附——毛细管流机理,,,,,Δ↗,,,,,,,膜表面具有亲水性，选择吸附水分子（两个水分子厚1,nm,的纯水层）并排斥盐分，在施加压力的作用下，纯水由毛细孔不断流过反渗透膜 毛细孔孔径应为纯水层厚1,nm,的2倍以下（2,nm）,实际,2~3nm,以下 称为,临界孔径,若孔径大于临界孔径，透水性增大，盐分也可透过2、反渗透应用范围：,,（1）,CA,膜适用于含盐量小于10000,mg/l，,以下的苦咸水淡化。
2）含盐量大于10000,mg/l，,可用复合膜反渗透复合膜,：两种半透膜复合成一张膜3）可构成联合除盐系统：,,如反渗透——离子交换反渗透——先除胶体微粒，二氧化硅，高分子有机物，及大部分溶解盐目的：减轻后续离子交换工艺的负荷离子交换——脱盐，出水为纯水四）反渗透淡化装置，工艺流程与布置系统1、分类：,,四种形式：,,,（1）板框式：装置类似电渗析，许多膜层叠在框板架中2）管式：分串联和并联,,,毛细管（类似中空纤维式）,,,,（3）,卷式：,,,,,,,,（4）,中空纤维式：,,各类形式性能：,,,,,,,2、反渗透工艺流程：,,（1）预处理：反渗透进水水质PH=5.5~6.2,目的：防止某些溶解固体沉积于膜面，影响产水2）膜分离：,,,,,（3）后处理：,PH,调整，终端离子交换床；,,还有：杀菌，微孔过滤超滤原因：膜孔不均匀，,,加压力后，膜孔放大，有的孔道变大，,,使出水水质不是理想状态有来自树脂本身的溶解物，碎粒以及细,,菌的繁殖，终端超滤装置使出水纯度有,,保障3、反渗透系统布置：,,,（1）,单程式：水的回收率低2）（部分）循环式：提高了水的回收率，但淡水水质有所降低为什么部分循环：要求浓室内有一定的流速，防止膜面产生浓差极化（结垢）。
3）多段式：（串联式）水的回收率高，产水量大时用，膜组件逐段减少原因：维持一定流速防止膜表面浓差极化五,),反渗透装置的参数确定：,(,理想时,),,1、水的通量：,Jw,即水透过膜的通量,cm,3,/cm,2,·S,,Jw=Wp(△P－△,π,),,水通量与作用压力差成正比实际：,Jw=Wp(△P－δ△,π,),,δ——,膜对溶质的排垢系数式中：,,Wp——,水的透过系数，,cm,3,/cm,2,·S·Pa,实验测得△,P——,膜两侧压力差，,Pa,,△,π,——,膜的渗透压，,Pa,,,2、,溶质通量：,J,s,溶质透过膜的通量,mg/cm,2,·,s,,,J,s,=K,p,·,,△C,,K,p,——,溶质的透过系数cm/s,,△C——,膜两侧的浓度差mg/cm,3,,,溶质通量与浓度差,△C,成正增长 △,P↗→J,w,↗ → △C↗ → J,s,↗,,,增大 不一定引起淡水,,产水量 水质变差，因,J,w,变大了,,3、脱盐率：,R,溶质去除率膜两侧含盐浓度差，与进水含盐浓度的比值C,b,——,进水含盐量；,mg/l,,C,f,——,出水含盐量；,mg/l（,淡室）,,,由物料平衡关系,：,Q—,进水量,，,Q,f,—,淡化水量,，,,,则：,Q C,b,=(Q-Q,f,)C,c,+ Q,f,C,f,（1）,,C,c,——,浓盐水浓度。
若由,C,m,表示膜进水侧含盐量的平均浓度，,,（2）,,,则脱盐率可改写为：,,（2’）,,或为：,,,,而 淡水浓度3、淡化水的含盐量：（近似计算法）,,假设,C,f,为零：由物料平衡方程 ：,,,,,,代入（2）式，膜进水侧含盐量平均浓度：,,,,,令： 淡化水与进水流量的比值,,称为水的,回收率,得 ：,,,代入脱盐率方程（2’）式得：,,,得：,,,再代入平衡方程（1），求出,C,c,（,浓盐水浓度）；代入（2），求出平均浓,C,m,；再代入（3）中，求出新的,C,f,，,即为新的较精确值——淡化水的含盐量二、超滤：,1、膜性能：膜孔：5,nm~0.1µm ，,,,分离对象：300~300000分子量的大分子，,,如： 细菌、病菌、胶体等无脱盐能力,,,操作：类似反渗透，用压力0.1~1.0,MPa，,膜孔易堵2、设备特点：操作压力低，设备简单3、应用：纯水终端处理；工业废水处理和一些工业应用，如：医药、食品4、形式：同反渗透，（1）板框式（2）管式（3）卷式（4）中空纤维一）膜的截留分子量:,,用截留分子量表示膜的孔径，对膜分档。
超滤膜是多孔结构的膜，其去除水中杂质的工作机理主要是筛除作用同一张膜的所有孔径是不相同的，其截留高分子的分子量也有着一定的分布我们用截留率90%分子量，来表示膜截留分子量——代替所称的膜的孔径超滤过程的一般表达式:,,超滤与反渗透的区别，反渗透有较大的渗透压,π,，超滤没有；微小溶质可透过膜被截留的是大分子 其,渗透压较低可忽略不计,1、水的通量：,J,w,（cm,3,/cm,2,·,,s）,,,（,适用稀溶液）,,,P,w,—（,膜对水的透过特性）（,cm,3,/s·Pa）,,,,e—,膜开孔面积分数；,r—,孔半径；,,μ—,水粘度；,τ—,孔迂曲系数；,,,δ,m,—,膜厚（,cm）,,,,对稀溶液是一个常数（,cm/sPa）,,,△P —,膜两则压力差（,Pa）,,2、,溶质通量：,J,s,（mg/cm,2,s）,,,,P,s,—,膜对溶质的透过特性，,cm,2,/s,,C,b,，C,f,—,进水,和,出水,的溶质浓度,mg/cm,3,,,↓ ↓,,主体溶液 滤过液,,3、溶质去除率：,R（%）,,,,,,,,4、J,s,与,J,w,关系：,,,,代入上式：,,5、大分子溶质浓度较高时：,,超滤中便产生浓差极化现象。
这时，不再遵循上述规律 有的孔道被堵塞过滤液溶质浓度为：,,,,,,,式中：,,,,,第一个括号—表示溶质分子进入孔道的机率；,,,第二个括号—表示溶质流受到孔道摩擦阻力的阻碍程度是纯理论公式三）超滤过程中的浓差极化：,,,浓差极化：,,,水的通量和小溶质的通过膜，,,使膜面处溶质浓度,C,m,高于主,,体溶液中的浓度,C,b,，,在边界,,层形成浓差,C,m,—,C,b,使溶,,质由膜表面向主体溶液反向,,扩散，这种现象称为,浓差极化,2、公式推得：,,,（,1,）在稳定状态下：边界层厚,δ,,，,在,δ,中取一微元体,,ω,△,x ,,,ω,—,在,x,方向上的面积,,,,由,J,w,引起的迁移,,,,,由扩散引起的迁移，,,,D,—,扩散系数△,x,,x,,单位时间的输入量：,,,,,,,单位时间的输出量：,,,,,单位时间物料变化量：,,,,,平衡方程：,,,,,稳定时： 即：,,,,,,,,即：,,,,,,,,,,,积分得：,,,,,C,1,—,积分常数J,w,C,—,向着膜的溶质通量—由于扩散从膜返回主体溶液的溶质通量在稳定状态下，其差值为通透过膜的溶质通量,J,s,,,即：,,,,,,,据边界条件：,,x,=0,时，,C=C,m,；,x,=,δ,,时，,C=C,b,,,,,,,积分得,,： （1）,,,,C,f,—,滤过液（出水）的溶质浓度很小，可化简为：,,,,传质系数。
3、压力差与浓度极化的关系：,,,水通量：,,,,∴,,,,,,,,,,,压力增大,,,,△,P↗→J,w,↗ → ↗,,,,当,C,m,高到一定程度便在膜表面产生凝胶层其凝胶浓度用,C,g,表示是极限值）,,,,（四）形成凝胶层的影响：,,1、,刚形成凝胶层，水的通量：,,,2、,继续加大作用压力：,,△,P↗→ J,w,↗ →,凝胶层增厚,→,,J,w,↘ → △P,与,J,w,达新的平衡,,3、,生成凝胶层后的透水特性：,,（1）透过水量不因压力增大而增加2）（因为,C,g,是恒值）（由式,,可知），,J,w,与,C,b,的对数是直线关系减小3）与边界层厚度,δ,有关，透水特性还取决于,流体动力学条件,→,边界层厚度,δ,,4、,有凝胶层时水的通量：,,,,,,δ,,g,—,凝胶层厚度，（,cm ）,,P,g,—,凝胶层对水的透过特性（,cm,2,/s·Pa）,,R,m,—,膜阻力 （,S·Pa/cm）,,R,g,—,凝胶层阻力 （,S·Pa/cm）,,5、凝胶层的阻力,R,g,：,,R,g,与透过水量（体积）,V,成正比，,,与压力差△,P,也成正比 。
△,P↗→J,w,→,δ,,g,增厚↗→,R,g,↗,,,∴ α—,比例系数,,,,,,代入式中：,,,6、,实验法求,J,w,—△P,关系：,,,由式：,,,,可得：,,,,调节变化△,P,测,J,w,，,把,V,视为定值（非精确法）,,,令： 原式变为：,,,,,,R,m,—,截距；,,,β,—,斜率例如：,,,,,当油含量为,0.1%,很低时，,,,J,w,与△,P,呈直线关系（无,,凝胶层）当油含量为1.2%和7.3%，,,有凝胶层的影响图,为硅溶胶超滤的,,,J,w,—△P,实验关系曲线三、纯水制备,（一）纯水制备中通用工艺：,,,,,,离子交换，配以反渗透，超滤等组成纯水制备的处理系统图,22－26为,反渗透设于前端的超纯水制备系统的一例处理阶段有关水中微粒数、微生物数、电阻率以及总有机碳含量见表工艺中的前处理（亦称预处理）指混凝、沉淀、过滤以及调整,pH,反渗透功效：反渗透器用于去除水中离子、微粒和微生物的大部分经反渗透器后，出水的微粒数降到100个／,mL,左右，,,离子交换功效：离子交换复床以及混合床完全去除水中的残留离子。
系统中，利用反渗透进行预脱盐，,,目的：减轻离子交换的负荷紫外线灯功效：杀灭抑制细菌的繁殖超滤功效：去除微粒；细菌体；,,有来自树脂本身的溶解物，碎粒以及细菌的繁殖，终端超滤装置使出水纯度有保障经由超滤器后，使超纯水的微粒数保持在 10,0,个／,mL,以下这样，整个系统的可靠性更高，完全可以满足电子工业对超纯水水质的要求超纯水流经超滤器后，电阻率稍有下降，这是由于在超滤之前，超纯水电阻率已接近于理论值，纯度非常高又极其敏感当与超滤器部件接触时，多少总是要受到一些轻微的再污染的缘故。