水污染控制工程膜分离法处理废水

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1、水水污污染控制工程膜分离法染控制工程膜分离法处处理理废废水水 水水污染控制工程染控制工程教学内容：一、膜的定膜的定义和分和分类二、膜分离概述二、膜分离概述三、三、扩散渗析（散渗析（diffusiondialysis）四、四、电渗析渗析(electrodialysis)五、反渗透（五、反渗透（reverseosmosis)六、超六、超过滤(ultrafiltration)2024/7/22水水污染控制工程染控制工程5一、膜的定一、膜的定义和分和分类1 1、膜（、膜（、膜（、膜（分离膜分离膜分离膜分离膜）的定）的定）的定）的定义义分离膜可看作是分离两相和作分离膜可看作是分离两相和作为选择性性传递物

2、物质的屏障。它的屏障。它可以是固可以是固态、液、液态或气或气态的，目前使用的分离膜的，目前使用的分离膜绝大多数是固膜。大多数是固膜。膜可以存在于两流体之膜可以存在于两流体之间或附着于支撑体或或附着于支撑体或载体的微孔隙上，膜体的微孔隙上，膜厚度要厚度要远小于其比表面小于其比表面积。2 2 2 2、膜的分、膜的分、膜的分、膜的分类类 按膜按膜结构分：有构分：有对称膜和不称膜和不对称膜称膜按膜材料分：按膜材料分：有机膜：有机膜：纤维素膜、素膜、聚聚酰胺胺膜、膜、聚聚砜膜、膜、聚乙聚乙烯膜等膜等 无机膜：玻璃膜、陶瓷膜、氧化无机膜：玻璃膜、陶瓷膜、氧化铝膜等膜等 按分离机理分：多孔膜、无孔膜和按分离

3、机理分：多孔膜、无孔膜和载体膜体膜按几何形状分：按几何形状分：平板式、管式、毛平板式、管式、毛细管式和中空管式和中空纤维式式膜膜二、二、膜分离概述膜分离概述1 1膜分离的概念膜分离的概念2、膜分离技、膜分离技术的特点的特点3 3膜分离法的分膜分离法的分类4 4膜分离法的膜分离法的应用用2024/7/22水水污染控制工程染控制工程71 1膜分离的概念膜分离的概念 用一用一张特殊制造的、具有特殊制造的、具有选择透透过性性能的薄膜（分离膜），在外力推能的薄膜（分离膜），在外力推动下下对双双组分或多分或多组分溶分溶质和溶和溶剂进行分离、提行分离、提纯、浓缩的方法，的方法，统称称为膜分离法。膜分离法。膜

4、分离可用于膜分离可用于液相和气相，液相和气相，对液相分离，可以用于水溶液液相分离，可以用于水溶液体系、非水溶液体系、水溶胶体系以及含有体系、非水溶液体系、水溶胶体系以及含有其他微粒的水溶液体系等。其他微粒的水溶液体系等。2024/7/22水水污染控制工程染控制工程8膜分离膜分离过程的推程的推动力有两力有两类：借助外界能量，物借助外界能量，物质发生由低位向高位的流生由低位向高位的流动；以化学以化学电位差位差为推推动力，物力，物质发生由高位向低位的流生由高位向低位的流动。推推 动动 力力膜膜 过过 程程压力差压力差反渗透，超滤，微滤，气体反渗透，超滤，微滤，气体分离分离电位差电位差电渗析电渗析浓度

5、差浓度差扩散渗析、控制释放扩散渗析、控制释放浓度差（分压差）浓度差（分压差）渗透气化渗透气化浓度差加化学反应浓度差加化学反应液膜，膜传感器液膜，膜传感器一些主要的膜分离一些主要的膜分离一些主要的膜分离一些主要的膜分离过过程的推程的推程的推程的推动动力力力力2、膜分离技、膜分离技术的特点的特点（a a）膜分离膜分离过程不程不发生相生相变，因此能量，因此能量转化的效率高。化的效率高。例如在例如在现在的各种海水淡化方法中反渗透法能耗最在的各种海水淡化方法中反渗透法能耗最低；低；（b b）膜分离膜分离过程在常温下程在常温下进行，因而特行，因而特别适于适于对热敏敏性物料，如果汁、性物料，如果汁、酶、药物

6、等的分离、分物等的分离、分级和和浓缩；（c c）装置装置简单，操作，操作简单，控制、，控制、维修容易，且分离修容易，且分离效率高。与其它水效率高。与其它水处理方法相比，具有占地面理方法相比，具有占地面积小、小、适用范适用范围广、广、处理效率高等特点；理效率高等特点；（d d）由于目前膜的成本由于目前膜的成本较高，所以膜分离法投高，所以膜分离法投资较高，高，有些膜有些膜对酸或碱的耐受能力酸或碱的耐受能力较差。所以目前膜分离差。所以目前膜分离法在水法在水处理中一般用于回收理中一般用于回收废水中的有用成分或水水中的有用成分或水的回用的回用处理理。2024/7/22水水污染控制工程染控制工程10 3

7、3膜分离法的分膜分离法的分类 膜分离法的种膜分离法的种类很多，很多，现已已应用的膜用的膜过程有反渗透、程有反渗透、纳滤、超、超滤、微、微滤、扩散渗析、散渗析、电渗析、气体分离、渗透蒸渗析、气体分离、渗透蒸发、控制、控制释放、放、液膜、膜蒸液膜、膜蒸馏等。目前，在等。目前，在废水水处理中常用理中常用的有的有扩散渗析、散渗析、电渗析、反渗透、超渗析、反渗透、超滤等四等四种膜分离技种膜分离技术。 废水水处理中几种常用膜分离法的特点如下表所示。理中几种常用膜分离法的特点如下表所示。 2024/7/22水水污染控制工程染控制工程11膜过程膜过程推动力推动力传质机理传质机理透过物及其透过物及其尺寸尺寸截留

8、物截留物膜类型膜类型电渗析电渗析电位差电位差离子选择性离子选择性透过透过溶解性无机溶解性无机物物非电解质非电解质大分子大分子离子交离子交换膜换膜反渗透反渗透压力差压力差2-10MPa溶剂的扩散溶剂的扩散水或溶剂水或溶剂溶质、盐、溶质、盐、SS非对称非对称膜膜超过滤压力差0.1-10.MPa筛滤及表面作用水、盐及低分子有机物胶体大分子、不容有机物非对称膜渗析渗析浓度差浓度差溶质的扩散溶质的扩散低分子物质、低分子物质、离子离子溶剂溶剂非对称非对称膜膜液膜液膜化学反应化学反应和浓度差和浓度差反应促进和反应促进和扩散扩散电解质离子电解质离子溶剂（非溶剂（非电解质电解质液膜液膜2024/7/22水水污染

9、控制工程染控制工程124 4、膜分离的、膜分离的应用用领域域 （1）化学）化学/染料工染料工业活性染料的脱活性染料的脱盐、纯化、化、浓缩与回收与回收食品染料的脱食品染料的脱盐、纯化、化、浓缩与回收与回收催化催化剂与与贵金属的回收利用金属的回收利用脱氧、氧化、脱氧、氧化、酯化、皂化、磺化、硝化、脱化、皂化、磺化、硝化、脱氢反反应中液体的分离、中液体的分离、纯化化甘油甘油/己内己内酰胺胺/苯苯/染料活性染料活性剂等有机化工原料的回收等有机化工原料的回收汽汽车/仪表及其它工表及其它工业涂漆的涂漆的浓缩回收回收（2）食品）食品/饮料工料工业啤酒啤酒/果酒果酒/黄酒黄酒/葡萄酒的澄清除菌葡萄酒的澄清除菌

10、过滤苹果、梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、苹果、梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、柠檬等果汁的澄清除菌檬等果汁的澄清除菌过滤苹果、梨、苹果、梨、凤梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、柠檬等果汁的脱水檬等果汁的脱水浓缩葡萄酒葡萄酒/果酒果酒/茶茶/咖啡芬香气味的咖啡芬香气味的浓缩保留保留豆蛋白豆蛋白/乳清蛋白乳清蛋白/白蛋白白蛋白/单糖糖/多糖溶液的澄清与多糖溶液的澄清与浓缩乳清、奶乳清、奶酶及其他乳品的澄清、脱及其他乳品的澄清、脱盐与与浓缩蔬菜抽提汁蔬菜抽提汁/西西红柿汁的脱水柿汁的脱水浓缩2024/7/22水水污染控制工程染控制工程13（3）制）制药/生物工程生物工

11、程抗生素、抗生素、维生素、有机酸、氨基酸、生素、有机酸、氨基酸、酶等等发酵液的澄清除菌酵液的澄清除菌过滤抗生素、抗生素、维生素、有机酸、氨基酸等生素、有机酸、氨基酸等发酵液的蛋白剔除酵液的蛋白剔除酶、蛋白、蛋白质、多糖制、多糖制备过程中程中细胞碎片的剔除胞碎片的剔除抗生素、氨基酸、抗生素、氨基酸、维生素、有机酸、生素、有机酸、酶、多糖、蛋白、多糖、蛋白质的的纯化与化与浓缩6-APA、7-ACA、7-ADCA及其他半合成抗生素的脱及其他半合成抗生素的脱盐浓缩中成中成药、保健品口服液的澄清除菌、保健品口服液的澄清除菌过滤动物血物血浆、血清的、血清的浓缩精制精制其他相关的脱其他相关的脱盐浓缩、澄清除

12、菌、蛋白剔除、澄清除菌、蛋白剔除、细胞收集等分离胞收集等分离过程程（4）空气）空气过滤喷雾干燥干燥过程中染料、抗生素、奶粉等的回收程中染料、抗生素、奶粉等的回收电池厂金属池厂金属镉、氧化、氧化铅粉粉尘的收集的收集粉碎粉碎过程中磷酸程中磷酸盐、氧化、氧化镁、二氧化、二氧化钛、碳粉、水泥、碳酸、碳粉、水泥、碳酸钙的回收的回收包装包装过程中砂糖、染料、奶粉、味精等的回收程中砂糖、染料、奶粉、味精等的回收干燥干燥过程中程中PVC、二氧化硅、活性碳、肥料等的回收二氧化硅、活性碳、肥料等的回收合成氨尾气中合成氨尾气中氢气的回收利用气的回收利用其他一切有关的粉其他一切有关的粉尘收集及空气除收集及空气除尘过程

13、程2024/7/22水水污染控制工程染控制工程14（5）水）水处理理饮用用纯水（太空水）的制水（太空水）的制备医医药工工业中注射用水中注射用水/洗瓶水及其他无菌水的制洗瓶水及其他无菌水的制备电子工子工业中超中超纯水的制水的制备火力火力发电厂厂锅炉炉补给水的制水的制备饮料与化料与化妆品工品工业中中产品配方用水的制品配方用水的制备制造制造业中中终端洗端洗涤水的制水的制备饮用水用水纯化化/苦碱水脱苦碱水脱盐/海水淡化海水淡化废水循水循环与再生利用（零排放）与再生利用（零排放）BOD/COD的最小化的最小化垃圾填埋垃圾填埋场渗出水的渗出水的浓缩处理理染料、染料、颜料、油漆、含油料、油漆、含油废水的水的

14、处理理纸浆与造与造纸废水的水的处理及木素磺酸理及木素磺酸盐的回收的回收金属、食品、皮革、金属、食品、皮革、农药和除草和除草剂废水的水的处理理纺织印染印染废水的水的处理及理及丝光光废水的回收利用水的回收利用2024/7/22水水污染控制工程染控制工程15三、三、扩散渗析（散渗析（diffusion dialysis）1、渗析：把水溶液中溶、渗析：把水溶液中溶质透透过半透膜而溶半透膜而溶质被截留的被截留的现象称象称为渗析。渗析。l半透膜：起渗析作用的薄膜，半透膜：起渗析作用的薄膜，对溶溶质具有具有选择性。性。l半透膜的半透膜的发展：展：l动物的膀胱膜、物的膀胱膜、肠膜、羊皮膜、羊皮纸；l离子交离子

15、交换膜：阳离子交膜：阳离子交换膜、阴离子交膜、阴离子交换膜膜2、扩散渗析的原理散渗析的原理利用离子交利用离子交换膜的膜的选择透透过性，以性，以浓度差度差为推推动力来力来实现酸与酸与盐或者碱与酸的分离。或者碱与酸的分离。扩散渗析回收酸原理示意散渗析回收酸原理示意图(1) 原液室；原液室；(2) 回收液室；回收液室；A 阴离子交阴离子交换膜膜残液残液 / 渗析液渗析液H2O回收液回收液 / 扩散液散液废酸液酸液A（2）（1）H+ H+SO42-H+H+SO42-Fe2+SO42-v 扩散渗析法回收酸的原理散渗析法回收酸的原理为原液室，原液室，为回收室，回收室，向向室自下而上引入料液室自下而上引入料

16、液( (H H2 2SOSO4 4和和FeSOFeSO4 4的混合液的混合液) )，另，另向向室自上而下引入水流。室自上而下引入水流。由于由于室中的酸及室中的酸及盐的的浓度度较大，其中的大，其中的FeFe2 2、H H、SOSO4 42-2-均有向均有向室室扩散的散的趋势，因阴离子交因阴离子交换膜膜对离子具有离子具有选择透透过性，只允性，只允许阴离子阴离子SOSO4 42-2-通通过而不而不让阳离子透阳离子透过，所以所以FeFe2 2受到阴膜的阻受到阴膜的阻挡而而不能不能进入入室，而室，而H H则因性因性质特殊，其水合离子半径小，特殊，其水合离子半径小，迁移速度快，也能跟随迁移速度快，也能跟随

17、SOSO4 42-2-一起一起进入入室，以保持溶液室，以保持溶液的的电中性。中性。这样，室中的室中的H H2 2SOSO4 4就不断就不断扩散散进入入(2)(2)室，室，而而FeSOFeSO4 4被阻被阻挡在在室中，室中，从而从而实现了酸与了酸与盐的分离。的分离。 2024/7/22水水污染控制工程染控制工程173、优缺点：缺点：l优点：能耗小，点：能耗小，设备结构构简单，操作方便，操作方便，不需要不需要对膜膜进行酸碱再生，分离行酸碱再生，分离过程中不需程中不需要加入其它化学要加入其它化学药剂。l缺点渗析速度慢，分离效率低。缺点渗析速度慢，分离效率低。4、应用：用：l在生物医学上的在生物医学上

18、的应用最用最为广泛，主要的用途广泛，主要的用途是血液渗析法（又称是血液渗析法（又称为人工人工肾），此外），此外还有有人工肺。人工肺。l在工在工业方面的方面的应用用l从从钢铁工工业酸洗酸洗废液中回收硫酸及在其它液中回收硫酸及在其它废酸液酸液中回收硝酸等；中回收硝酸等；l从化工厂人造从化工厂人造丝浆压液中回收液中回收NaOH2024/7/22水水污染控制工程染控制工程18四、四、电渗析（渗析（electrodialysis，简称称EDED ） 1 1电渗析的基本原理渗析的基本原理 电渗析是在直流渗析是在直流电场的作用下，以的作用下，以电位差位差为推推动力，利用阴、阳离子交力，利用阴、阳离子交换膜膜

19、对溶液中阴、阳离子的溶液中阴、阳离子的选择透透过性性( (即阳膜只允即阳膜只允许阳离子通阳离子通过，阴膜只，阴膜只允允许阴离子通阴离子通过），而使溶液中的溶），而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学与水分离的一种物理化学过程。程。从从而而实现溶液的溶液的浓缩、淡化、精制和提、淡化、精制和提纯的一种膜的一种膜过程。程。+阳极阳极阴极阴极Cl-Na阳膜阳极室阳极室Cl-Cl-Cl-NaNaCl-NaNaCl-Cl-NaNa浓缩室淡化室淡化室浓缩室阴极室阴极室阴膜阳膜阴膜v 电渗析渗析过程原理程原理图l l阳极反阳极反应：l l阴极反阴极反应：2024/7/22水水污染控制工程染控制工程212 2离

20、子交离子交换膜膜离子交离子交换膜具有与离子交膜具有与离子交换树脂相同的脂相同的组成，含有活性基成，含有活性基团和能使离子透和能使离子透过的的细孔。常用的离子交孔。常用的离子交换膜按其膜按其选择透透过性可分性可分为阳膜、阴膜、复合膜阳膜、阴膜、复合膜等等数种数种。阳膜阳膜(cationexchangemembrane)含有阳含有阳离子交离子交换基基团，在水中交，在水中交换基基团发生离解，使生离解，使膜上膜上带有有负电，能排斥水中的阴离子，吸引水，能排斥水中的阴离子，吸引水中的阳离子并使其通中的阳离子并使其通过。阴膜阴膜(anionexchangemembrane)含有阴离含有阴离子交子交换基基团

21、，在水中离解出阴离子，使膜，在水中离解出阴离子，使膜上上带正正电，吸引阴离子并使其通，吸引阴离子并使其通过。复合膜复合膜复合膜由一面阳膜和一面阴膜其复合膜由一面阳膜和一面阴膜其间夹一一层极薄的网布做成，具有方向性的极薄的网布做成，具有方向性的电阻。阻。当阳膜面朝向阴极，阴膜面朝向阳当阳膜面朝向阴极，阴膜面朝向阳极极时，正、正、负离子都不能透离子都不能透过膜，膜，显示出示出很高的很高的电阻。阻。当膜的朝向与上述相反当膜的朝向与上述相反时，膜膜电阻降低，膜两阻降低，膜两侧相相应的离子的离子进入膜中。入膜中。2024/7/22水水污染控制工程染控制工程23 离子交离子交换膜是一种由高分子材料制成的具

22、有离子交膜是一种由高分子材料制成的具有离子交换基基团的薄膜，其所以具有的薄膜，其所以具有选择透透过性主要是由于性主要是由于膜上孔隙膜上孔隙和和膜上膜上离子基离子基团的作用。的作用。 膜上孔隙的作用是，在膜的高分子膜上孔隙的作用是，在膜的高分子键之之间有一足有一足够大的孔大的孔隙，以容隙，以容纳离子的离子的进出和通出和通过。是离子通。是离子通过膜的大膜的大门和通道。和通道。 膜上离子基膜上离子基团的作用是，在膜的高分子的作用是，在膜的高分子链上，上，连接着一些接着一些可以可以发生解离作用的活性基生解离作用的活性基团。在水溶液中，膜上的活性基。在水溶液中，膜上的活性基因会因会发生解离作用，解离所生

23、解离作用，解离所产生的离子生的离子(或称反离子）或称反离子）进入溶入溶液。于是，在膜上就留下了液。于是，在膜上就留下了带有一定有一定电荷的固定基荷的固定基团。存在。存在于膜微孔中的于膜微孔中的带一定一定电荷的固定基荷的固定基团，好比在一条狭，好比在一条狭长的通的通道中道中设立的一个个关卡或立的一个个关卡或“警警卫”，以，以鉴别和和选择通通过的离的离子。子。v 离子交离子交离子交离子交换换膜膜膜膜为为什么具有什么具有什么具有什么具有选择选择透透透透过过性呢？性呢？性呢？性呢？注意：离子交注意：离子交换膜的作用并不是起离子交膜的作用并不是起离子交换的作用，而是起的作用，而是起离子离子选择透透过性作

24、用。性作用。2024/7/22水水污染控制工程染控制工程24离子交离子交换膜功能示意膜功能示意图2024/7/22水水污染控制工程染控制工程25 3、电渗析器渗析器 电渗析器由膜堆、极区渗析器由膜堆、极区和和夹紧装置三部分装置三部分组成。膜堆成。膜堆位于位于电渗析器的中部，由阳膜、渗析器的中部，由阳膜、浓（或淡）水室隔板、阴膜、（或淡）水室隔板、阴膜、淡（淡（浓）水室隔板交替排列成）水室隔板交替排列成浓水室和淡水室。极区位于膜水室和淡水室。极区位于膜堆两堆两侧，包括，包括电极、极水框和极、极水框和保保护室，其作用是供室，其作用是供给电渗析渗析器直流器直流电，将原水，将原水导入膜堆的入膜堆的配水

25、孔，将淡水和配水孔，将淡水和浓水排出水排出电渗析器，并通入和排出极水。渗析器，并通入和排出极水。压紧装置由盖板和螺杆装置由盖板和螺杆组成，成，其作用是将极区和膜堆其作用是将极区和膜堆组成不成不漏水的漏水的电渗析器整体，可采用渗析器整体，可采用压板和螺栓拉板和螺栓拉紧，也可采用液，也可采用液压压紧。（1）电渗析器的渗析器的组装装电渗析器的渗析器的组装依其装依其应用不同而有所不同。其用不同而有所不同。其组装的情况是用装的情况是用级和段和段来表示的。来表示的。级：一一对正、正、负电极之极之间的膜堆称的膜堆称为一一级。段：段：具有同一水流方向具有同一水流方向的并的并联膜堆称膜堆称为一段一段。电渗析器的

26、渗析器的组装示意装示意图2024/7/22水水污染控制工程染控制工程27（2 2）电渗析器的渗析器的级与段与段一一级一段一段一一级两段两段两两级一段一段两两级两段两段一一对正、正、负电极之极之间的膜堆称的膜堆称为一一级具有同一水流方向的并具有同一水流方向的并联膜堆称膜堆称为一段一段（3）实际应用的用的电渗析器渗析器2024/7/22水水污染控制工程染控制工程29 4 4、电渗析在渗析在废水水处理中的理中的应用用 目前，目前，电渗析在渗析在废水水处理理实践中践中应用最普遍的有：用最普遍的有： 造造纸工工业废水水处理，利用理，利用电渗析法渗析法处理造理造纸工工业的的亚硫酸硫酸纸浆废液和洗液和洗浆废

27、水及碱法造水及碱法造纸黑液，从黑液，从中回收化学中回收化学药品，已得到工品，已得到工业应用。用。 从芒硝从芒硝废液中制取硫酸和液中制取硫酸和氢氧化氧化钠。 从酸洗从酸洗废液中制取硫酸和沉淀重金属离子。液中制取硫酸和沉淀重金属离子。 电镀废水和水和废液液处理，含理，含CdCd2+2+、CuCu2+2+、NiNi2+2+、ZnZn2+2+、CrCr6+6+等重金属离子和等重金属离子和氰化物的化物的电镀废水都适宜用水都适宜用电渗渗析法析法处理，其中理，其中应用最成熟的是含用最成熟的是含镍废水水处理。理。 从放射性从放射性废水中分离放射性元素，然后将其水中分离放射性元素，然后将其浓缩液掩埋。液掩埋。2

28、024/7/22水水污染控制工程染控制工程30 五、反渗透（五、反渗透（RORO） Reverse OsmosisReverse Osmosis1 1、概述、概述2 2、反渗透基本原理、反渗透基本原理3 3、反渗透膜及其透、反渗透膜及其透过机理机理4 4、反渗透装置、反渗透装置5 5、反渗透工、反渗透工艺流程流程2024/7/22水水污染控制工程染控制工程311、概述、概述 反渗透是一反渗透是一项高新膜分离技高新膜分离技术，其孔径很小，大都，其孔径很小，大都101010（10A），），它能去除它能去除滤液中的离子范液中的离子范围和分和分子量很小的有机物，如子量很小的有机物，如细菌、病毒、菌、病

29、毒、热源等。它已广泛用源等。它已广泛用于海水或苦咸水淡化、于海水或苦咸水淡化、电子、医子、医药用用纯水、水、饮用蒸用蒸馏水、水、太空水的生太空水的生产，还应用于生物、医学工程。用于生物、医学工程。特点特点常常温温条条件件下下，可可以以对溶溶质和和水水进行行分分离离或或浓缩，因因而而能能耗耗低；低；杂质去除范去除范围广，可去除无机广，可去除无机盐和各和各类有机物有机物杂质；较高的水回用率；高的水回用率；分离装置分离装置简单，容易操作和，容易操作和维修。修。2024/7/22水水污染控制工程染控制工程32应用范用范围太空水、太空水、纯净水、蒸水、蒸馏水等制水等制备；酒酒类制造及降度用水；制造及降度

30、用水；医医药、电子等行子等行业用水的前期制用水的前期制备；化工工化工工艺的的浓缩、分离、提、分离、提纯及配水制及配水制备；锅炉炉补给水除水除盐软水；水；海水、苦咸水淡化；海水、苦咸水淡化；造造纸、电镀、印染等行、印染等行业用水及用水及废水水处理。理。2 2、反渗透的原理、反渗透的原理渗透和反渗透原理示意渗透和反渗透原理示意图半透膜半透膜开始开始时两两边液液面相面相同同由于由于浓度差存在，半透膜度差存在，半透膜又不允又不允许溶溶质通通过，所以，所以水透水透过膜，使膜，使浓水一水一边液液面升高，面升高，产生渗透生渗透压在在浓水水边加加压，当，当压力超力超过渗透渗透压时，则水透水透过半透膜，即反半透

31、膜，即反渗透，渗透，实现净化化过程。程。2024/7/22水水污染控制工程染控制工程34 一种只能透一种只能透过溶溶剂而不能透而不能透过溶溶质的膜称的膜称为半透膜半透膜。当。当把溶把溶剂和溶液和溶液(或把两种不同或把两种不同浓度的溶液度的溶液)分分别置于此膜的置于此膜的两两侧时，纯溶溶剂将自然穿将自然穿过半透膜而自半透膜而自发地向溶液地向溶液(或从或从低低浓度溶液向高度溶液向高浓度溶液度溶液)一一侧流流动，这种种现象叫做象叫做渗透渗透。此此H称称为该溶液的溶液的渗透渗透压。=iRTc 若在溶液的液面上再施加一个大于若在溶液的液面上再施加一个大于 的的压力力P时，溶，溶剂将与将与原来的渗透方向相

32、反，开始从溶液向溶原来的渗透方向相反，开始从溶液向溶剂一一侧流流动，这就是所就是所谓的的反反渗透。渗透。 凡基于此原理所凡基于此原理所进行的行的浓缩或或纯化溶液的分离方法，一般化溶液的分离方法，一般称之称之为反渗透工反渗透工艺。 反渗透是渗透的一种反向迁移运反渗透是渗透的一种反向迁移运动，它主要是在，它主要是在压力推力推动下，借助下，借助半透膜的截留作用半透膜的截留作用，迫使溶液中的，迫使溶液中的济剂与溶与溶质分开。分开。3 3反渗透膜及其透反渗透膜及其透过机理机理（1 1）对反渗透膜的性能要求反渗透膜的性能要求选择性好，性好，单位膜面位膜面积上透水量大，脱上透水量大，脱盐率高；率高；机械机械

33、强度好，能抗度好，能抗压、抗拉、耐磨；、抗拉、耐磨；热和化学的和化学的稳定性好，能耐酸、碱腐定性好，能耐酸、碱腐蚀和微生物侵和微生物侵蚀，耐水解、，耐水解、辐射和氧化；射和氧化；结构均匀一致，尽可能地薄，寿命构均匀一致，尽可能地薄，寿命长，成本低。成本低。（2）反渗透膜的分）反渗透膜的分类按成膜材料按成膜材料可分可分为有机膜和无机高聚物膜；有机膜和无机高聚物膜；按膜的形状按膜的形状可分可分为平板状、管状、中空平板状、管状、中空纤维状膜；状膜；按膜按膜结构构可分可分为多孔性和致密性膜，或多孔性和致密性膜，或对称牲称牲( (均匀性均匀性) )和不和不对称性称性( (各向异性各向异性) )结构构膜；

34、膜；按按应用用对象象可分可分为海水淡化用的海水膜、海水淡化用的海水膜、咸水淡化用的咸水膜及用于咸水淡化用的咸水膜及用于废水水处理、分理、分离提离提纯等的膜。等的膜。1 1）醋酸）醋酸纤维素膜的素膜的结构及性能构及性能 膜的膜的结构构醋酸醋酸纤维素是没有素是没有强烈烈氢键的无定形的无定形链状高状高分子化合物。分子化合物。制膜制膜过程是将其溶解在丙程是将其溶解在丙酮中并加入甲中并加入甲酰胺胺作添加作添加剂，经混合混合调制、制、过滤、铸塑成型，塑成型，然后再然后再经蒸蒸发、冷水浸、冷水浸渍、热处理，即可得理，即可得到醋酸到醋酸纤维素素 ( (cellulose acetate,CA)cellulos

35、e acetate,CA)膜。膜。外外观为乳白色、半透明，有一定的乳白色、半透明，有一定的韧性，膜性，膜厚厚l00l00250250 m m。这种膜有不种膜有不对称称结构，表面构，表面结构致密，构致密，孔隙很小，通称孔隙很小，通称为表皮表皮层或致密或致密层、活、活化化层；下；下层结构构较疏松，孔隙疏松，孔隙较大，通大，通称称为多孔多孔层或支撑或支撑层。示意示意CACA膜是被水充分溶膜是被水充分溶胀了的凝胶体。了的凝胶体。由于由于铸膜液中的所有添加膜液中的所有添加剂及溶及溶剂在制膜在制膜过程中先后被除去，膜中程中先后被除去，膜中仅含水分。含水分。链接接醋酸纤维素膜的结构示意图99表皮表皮层，孔径

36、，孔径（810）1010m过渡渡层，孔径，孔径2001010m多孔多孔层，孔径，孔径（10004000）1010m1%显微微镜下下膜膜的的照照片片在相在相对湿度湿度为100100时，膜的含水量高达，膜的含水量高达6060，其中表皮，其中表皮层只含只含10102020，且主，且主要是以要是以氢键形式形式结合的所合的所谓一一级结合水和合水和少量的二少量的二级结合水。合水。多孔多孔层中除上述两种中除上述两种结合水外，合水外，较大的孔大的孔隙中隙中还充充满着毛着毛细管水，此管水，此层中含水率中含水率较高。高。正由于膜中存在正由于膜中存在这几种不同性几种不同性质的水，决的水，决定了定了CACA膜具有良好

37、的脱膜具有良好的脱盐性能和适宜的透性能和适宜的透水性能。水性能。膜必膜必须保存在水中保存在水中。 CACA膜的性膜的性质（a a）膜的方向性：膜的方向性：由于由于CACA膜是一种不膜是一种不对称膜，因此，在称膜，因此，在进行反渗透行反渗透时，必，必须保持表保持表层与待与待处理的理的溶液或溶液或废水接触，而决不能倒置，否水接触，而决不能倒置，否则达不到达不到处理的目的。理的目的。（b b）选择透透过性：性：CACA膜膜对无机无机电解解质和有机物具有和有机物具有选择透透过性性。对电解解质，离子价越高，或同价离子水合，离子价越高，或同价离子水合半径越大，半径越大，则脱除效果越好。脱除效果越好。阳离子

38、的脱除阳离子的脱除顺序序为：Sr2+Ba2+Li+Na+K+。阴离子的脱除阴离子的脱除顺序序为：柠檬酸根檬酸根酒石酸根酒石酸根SO42-CH3COO-Cl-Br-NO3-I-SCN-。对有机物，一般是水溶性好的、非解离性有机物，一般是水溶性好的、非解离性的、分子量小的脱除效果的、分子量小的脱除效果较差。而解离性差。而解离性大的、分子量大于大的、分子量大于200200的有机物，的有机物，则脱除脱除效果效果较好。好。对同一同一类有机物，随分子量增有机物，随分子量增大，脱除效率增加。大，脱除效率增加。对同分子量有机物，同分子量有机物，随分子支随分子支链的增加，脱除效果的增加，脱除效果变得更好。得更好

39、。（c c）压密效密效应：CA膜在膜在压力作用下，外力作用下，外观厚度一般减少厚度一般减少2550，同，同时，透水性及，透水性及对溶溶质的的脱除率也相脱除率也相应降低，降低，这种种现象称象称为膜的膜的压密效密效应。这种塑性种塑性变形是不可逆的，形是不可逆的，因此膜的性能在因此膜的性能在压力消失后不会恢复。力消失后不会恢复。（d）膜的水解作用和生物分解作用：膜的水解作用和生物分解作用：CA膜是一种膜是一种酯，易于水解，水解速率与，易于水解，水解速率与pH值和水的温度有关。一般在碱性介和水的温度有关。一般在碱性介质中的水解速率比在酸性介中的水解速率比在酸性介质中大，在中大，在pH4.55.2时最低

40、。最低。2024/7/22水水污染控制工程染控制工程46（3 3）反渗透膜的透）反渗透膜的透过机理机理1 1）氢键理理论该理理论认为，水透，水透过膜是由于水分子和膜的膜是由于水分子和膜的活化点形成活化点形成氢键及断开及断开氢键的的过程。程。即在高即在高压作用下，溶液中水分子和膜表皮作用下，溶液中水分子和膜表皮层活化点活化点缔合，原活化点上的合，原活化点上的结合水解离出来，合水解离出来，解离出来的水分子解离出来的水分子继续和下一个活化点和下一个活化点缔合，合，又解离出下一个又解离出下一个结合水。合水。水分子通水分子通过一一连串的串的缔合解离合解离过程，依次从一个程，依次从一个活化点活化点转移到下

41、一个活化点，直至离开表皮移到下一个活化点，直至离开表皮层，进入多孔入多孔层。2024/7/22水水污染控制工程染控制工程472)2)优先吸附毛先吸附毛细管流理管流理论该理理论把反渗透膜看作一种微把反渗透膜看作一种微细多孔多孔结构物构物质，它有，它有选择性吸附水分子而排斥性吸附水分子而排斥溶溶质分子的化学特性。分子的化学特性。当水溶液同膜接触当水溶液同膜接触时，膜表面，膜表面优先吸附先吸附水分子，在界面上形成一水分子，在界面上形成一层不含溶不含溶质的的纯水分子水分子层，其厚度，其厚度视界面性界面性质而异，而异，或或为单分子分子层或或为多分子多分子层。在外在外压作用下，界面水作用下，界面水层在膜孔

42、内在膜孔内产生生毛毛细管流管流连续地透地透过膜。膜。2024/7/22水水污染控制工程染控制工程483 3）溶解）溶解- -扩散机理散机理 溶溶剂与溶与溶质透膜的机理是由于溶透膜的机理是由于溶剂与溶与溶质在膜中的溶解，然后在化学位差在膜中的溶解，然后在化学位差的推的推动力下，从膜的一力下，从膜的一侧向另一向另一侧进行行扩散，直至透散，直至透过膜。膜。 4反渗透装置工工业生生产中使用的膜分离中使用的膜分离设备是由是由多个构造相同的多个构造相同的单个装置个装置组合而成合而成的，一般把构成的，一般把构成设备的相同的装置的相同的装置称称为膜膜组件（件（membrane modulemembrane m

43、odule）。反渗透膜反渗透膜组件有件有板框式（板框式（plate and plate and frame)frame)、管式管式( (tubular modules)tubular modules)、螺旋卷式螺旋卷式( (spirals wound)spirals wound)和和中空中空纤维式式( (hollow fiber)hollow fiber)等四种。等四种。2024/7/22水水污染控制工程染控制工程50四种反渗透装置的性能及操作特点四种反渗透装置的性能及操作特点 比较项目比较项目板板框框式式管管式式螺旋卷式螺旋卷式中空纤维式中空纤维式填充密度填充密度（m2/m3）2015025

44、01800易污染程度易污染程度难难中等中等易易易易膜清洗难度膜清洗难度内压式易，内压式易，外压式难外压式难易易难难难难膜更换难度膜更换难度内压式难，内压式难，外压式易外压式易一般一般易易易易原水预处理原水预处理成本成本低低中等中等高高高高相对价格相对价格高高高高低低低低（1 1）板框式反渗透膜）板框式反渗透膜组件件装配装配图进水水透透过水水浓缩水水耐耐压容器容器透水板透水板半透膜半透膜板框式膜板框式膜组件工件工作作过程示意程示意图特点：特点：结构构简单，体，体积比管式的小。比管式的小。缺点：缺点：装卸复装卸复杂，单位体位体积膜表面膜表面积小。小。（2）管式反渗透膜）管式反渗透膜组件件管式膜组件

45、又分为内压式和外压式内内压式管式膜式管式膜组件的内部件的内部结构示意构示意图特点特点:v 水力条件好，安水力条件好，安装、清洗、装、清洗、维修比修比较方便。方便。v 能耐高能耐高压，可以，可以处理高粘度的原水。理高粘度的原水。v 缺点是膜的有效缺点是膜的有效面面积小，装置体小，装置体积大，而且两端要大，而且两端要较多的多的联结装置装置。淡水淡水膜表皮膜表皮层玻璃玻璃纤维管管进水水束式外束式外压式膜式膜组件件 1 1档圈；档圈；2 2集水密封集水密封环；3 3聚聚氯乙乙烯烧结板；板；4 4锥形多孔橡胶塞；形多孔橡胶塞；5 5密封管接密封管接头；6 6进水水口；口；7 7壳体；壳体；8 8橡胶胆；

46、橡胶胆；9 9出水口；出水口；1010膜膜元件；元件；1111网套；网套；1212O O形密封圈；形密封圈；1313档圈槽；档圈槽；1414淡水出口淡水出口（3 3）螺旋卷式反渗透膜）螺旋卷式反渗透膜组件件密封密封密封密封密封密封螺旋卷式膜螺旋卷式膜组件一个膜叶件一个膜叶结构示意构示意图多孔透水材料多孔透水材料膜，上下两膜，上下两层膜叶膜叶透水网状材料透透过水水浓水水进水水螺旋卷式膜螺旋卷式膜组件件组合示意合示意图膜膜组件的件的组装示意装示意图进水水口口耐耐压容器容器连接接器器膜膜组件件密密封封圈圈端端盖盖透透过液液浓缩液液工工业应用用的的反反渗渗透透装装置置工工业应用用的反的反渗透渗透装置装

47、置的膜的膜组件件之之间的的连接接螺旋卷式反溶透装置的特点：螺旋卷式反溶透装置的特点：结构构紧凑，凑，单位容位容积的膜面的膜面积大。大。处理能力高，占地面理能力高，占地面积小，操作方小，操作方便。便。缺点是不能缺点是不能处理含有理含有悬浮物的液体，浮物的液体，原水流程短，原水流程短，压力力损失大，失大，浓水水难于循于循环以及密封以及密封长度大，清洗、度大，清洗、维修不方便，易堵塞。修不方便，易堵塞。（4）中空）中空纤维式反渗透膜式反渗透膜组件件中空中空纤维膜膜组件是由中空件是由中空纤维膜制成的。膜制成的。中空中空纤维外径外径5020050200 m m，内径内径2525 4242 m m。将数万

48、至数十万根中空将数万至数十万根中空纤维制成膜束，膜制成膜束，膜束外束外侧覆以保覆以保护性格网，内部中性格网，内部中间放置供放置供分配原水用的多孔管，膜束两端用分配原水用的多孔管，膜束两端用环氧氧树脂加固。脂加固。将其一端切断，使将其一端切断，使纤维膜呈开口状，并在膜呈开口状，并在这一一侧放置多孔支撑板。将整个膜束装在放置多孔支撑板。将整个膜束装在耐耐压筒内。筒内。中空中空纤维反渗透反渗透组件件简图 进水浓水水透透过水水多孔多孔进水管水管浓水出口水出口淡水出口淡水出口密封密封中空中空纤维膜膜外径外径50200内径内径2542密封密封耐耐压容器容器（4）中空）中空纤维式反渗透膜式反渗透膜组件件中空

49、纤维为U形的膜组件中空中空纤维式膜式膜组件的特点：件的特点：单位体位体积膜表面膜表面积大。大。制造和安装制造和安装简单，不需要支撑物。，不需要支撑物。缺点是不能用于缺点是不能用于处理含有理含有悬浮物的浮物的废水，水，预处理必理必须经过滤处理。理。难以以发现损坏的膜。坏的膜。5反渗透工艺流程反渗透工反渗透工艺一般包括一般包括预处理和膜分理和膜分离两部分。离两部分。预处理可以用物理化学法，也可以理可以用物理化学法，也可以用化学法。用化学法。所采取的所采取的预处理方法与原水的物理、理方法与原水的物理、化学性化学性质及生物学特性有关，及生物学特性有关，还与与膜装置的膜装置的结构有关。构有关。制定工制定

50、工艺流程流程应考考虑的因素：的因素：对溶液的分离有不同的溶液的分离有不同的质量要求。量要求。膜元件的使用寿命。膜元件的使用寿命。反渗透工反渗透工艺中的中的级与段：与段：段（段（concentratestaging)：指指膜膜组件的件的浓缩液液(浓水水)流到下一流到下一组膜膜组件件处理。流理。流经n组膜膜组件，即称件，即称为n段。段。级(permeatestaging)：指膜指膜组件件的的产品水再品水再经下一下一组膜膜组件件处理。透理。透过液液产品水品水经n次膜次膜组件件处理，称理，称为n级。一级一段的不同方式一一级一段一段连续式式一一级一段循一段循环式式可保可保证出水水出水水质，但水回收率低但

51、水回收率低可以提高水的回收可以提高水的回收率，但出水水率，但出水水质有有可能下降可能下降一一级多段多段连续式式水回收率高，水回收率高，浓缩液量少，液量少，浓度高，有利于度高，有利于回收其中的有用物回收其中的有用物质。但出水水。但出水水质差。差。一级多段循环式浓缩液液浓度高，出水水度高，出水水质较好。好。二级五段连续式第二第二级六、超六、超滤（Ultrafiltration)1、超过滤与反渗透的异同2、超过滤的原理3、超超滤膜及膜膜及膜组件件4、超超滤的基本工的基本工艺流程流程5、超超滤的特点及的特点及应用用领域域2024/7/22水水污染控制工程染控制工程751、超过滤与反渗透的异同超过滤简称

52、超滤，它同反渗透一样，都是利用膜来分离废水中溶解的物质。 两种方法的共同点在于：两种过程的动力同是溶液的压力，在溶液的压力下，溶剂的分子通过薄膜，而溶解的物质被阻滞在膜表面上。两者区两者区别在于：在于：（1）膜不同：超超过滤所所用用的的膜膜( (超超滤膜膜) )较疏疏松松，透透水水量量大大，除除盐率率低低，一一般般用用超超过滤分分离离高高分分子子和和低低分分子子有有机机物物以以及及无无机机离离子子等等，能能够分分离离的的溶溶质分分子子至至少少要要比比溶溶剂的的分分子子大大1010倍倍，在在这种种系系统中中渗渗透透压已已经不不起作用了。起作用了。反反渗渗透透所所用用的的膜膜 ( (反反渗渗透透膜

53、膜) )致致密密，透透水水量量低低，除除盐率率高高，具具有有选择透透过能能力力，用用以以分离分子大小大致相同的溶分离分子大小大致相同的溶剂和溶和溶质，（2）机理不同：超超过滤的去除机理主的去除机理主要是要是筛滤作用。在反渗透膜上分离作用。在反渗透膜上分离过程程伴随有半透膜、溶解物伴随有半透膜、溶解物质和溶和溶剂之之间复复杂的物理化学作用。的物理化学作用。（3）工作压力不同：超超过滤的工作的工作压力低力低(0.07(0.070.70.7MPa)MPa)。反渗透反渗透所需的所需的工作工作压力高力高( (大于大于2.82.8MPa)MPa)。超超滤装置与反渗透装置装置与反渗透装置类似，目前我国似，目

54、前我国试验研究及生研究及生产中普遍用管式装置。中普遍用管式装置。2024/7/22水水污染控制工程染控制工程78l超超滤又称又称为超超过滤，通通过膜表面的微孔膜表面的微孔结构构对物物质进行行选择性分离。当液体混合物在一定性分离。当液体混合物在一定压力下流力下流经膜表面膜表面时，小分子溶，小分子溶质透透过膜（称膜（称为超超滤液），而液），而大分子物大分子物质则被截留，使原液中大分子被截留，使原液中大分子浓度逐度逐渐提提高（称高（称为浓缩液），从而液），从而实现大、小分子的分离、大、小分子的分离、浓缩、净化的目的。化的目的。l用于去除用于去除废水中大分子物水中大分子物质和微粒和微粒（分子量（分子量

55、500500）。）。l超超滤截留大分子物截留大分子物质的机理是：的机理是：l膜表面的孔径机械膜表面的孔径机械筛分作用；分作用；l膜孔阻塞、阻滞作用；膜孔阻塞、阻滞作用；l膜表面及膜孔膜表面及膜孔对杂质的吸附作用。的吸附作用。2、超、超滤的原理的原理进口料液透过膜的溶液超滤膜出口溶液被截留物质透过膜的物质超超过滤原理示意原理示意图2024/7/22水水污染控制工程染控制工程803超超滤膜及膜膜及膜组件件超超滤膜膜一般用于制一般用于制备反渗透膜的材料也可用于反渗透膜的材料也可用于制制备超超滤膜，只是制膜液的膜，只是制膜液的组分配比和分配比和成膜工成膜工艺不同。超不同。超滤膜有多种，最常用膜有多种，

56、最常用的是：的是：醋酸醋酸纤维素膜素膜、聚聚砜膜膜。超超滤膜膜组件件：有板式、管式、卷式和中：有板式、管式、卷式和中空空纤维式四种。式四种。中空中空纤维超超滤膜膜设备 2024/7/22水水污染控制工程染控制工程824超超滤的基本工的基本工艺流程流程重重过滤操作操作：常用于小分子和大分子的分离。：常用于小分子和大分子的分离。间歇操作歇操作：常用于小：常用于小规模生模生产。从保。从保证膜透膜透过通量来看，通量来看，这种方式效率最高，因种方式效率最高，因为膜始膜始终可保可保证在最佳在最佳浓度范度范围内内进行操作。在低行操作。在低浓度度时，可，可得到很高的膜透得到很高的膜透过通量。通量。连续操作操作

57、：常用于大：常用于大规模生模生产。由于需要分离。由于需要分离物料的生物料的生产量常比控制量常比控制浓差极化所需的最小流量差极化所需的最小流量还小，因此运行小，因此运行时采用部分循采用部分循环方式，而且循方式，而且循环量常比料液量大得多。量常比料液量大得多。2024/7/22水水污染控制工程染控制工程832024/7/22水水污染控制工程染控制工程845、超、超滤的特点及的特点及应用用领域域特特点点l分离分离过程在常温和程在常温和较低低压力的条件下力的条件下进行，能行，能耗低，不需加耗低，不需加热，不需加，不需加药即可达到分离、即可达到分离、浓缩、分离、分离、纯化分化分级的目的。的目的。l装置装

58、置结构构简单，占地面，占地面积小，附属小，附属设备少，易于少，易于扩容和增加容和增加组件。件。l装置操作装置操作简单，启，启动快，易于快，易于维护，容易控制。，容易控制。2024/7/22水水污染控制工程染控制工程85应应用用用用领领域域域域工工业废水的水的处理理城市城市污水水处理理饮用水的生用水的生产蛋白蛋白质的的过滤、回收、回收果汁的澄清果汁的澄清食用油精食用油精练医医药产品的除菌品的除菌激素的提取激素的提取酒酒类酿制制电泳涂漆泳涂漆废水中涂料的回收水中涂料的回收2024/7/22水水污染控制工程染控制工程86可用可用超超滤处理的工理的工业废水：水： 电泳涂漆泳涂漆废水水含油含油废水水（如油田含油（如油田含油污水、金属加工用乳化水、金属加工用乳化废液、含油清液、含油清洗洗废水等）水等）摄影影显影液影液废水水造造纸工工业废水水（如（如亚硫酸硫酸纸浆废液、漂白液、漂白废水、水、纸张上色上色废水等）水等）纺织工工业废水水（如羊毛清洗（如羊毛清洗废水、染料水、染料废水、退水、退浆废水、水、涤纶纤维油油剂废水等）水等）光学玻璃研磨排水光学玻璃研磨排水放射性放射性废水水食品工食品工业废水，水，回收蛋白回收蛋白质、淀粉等。、淀粉等。