第 14章 膜法微滤与超滤电渗析反渗透其他膜技术
14.1微滤与超滤
14.1.1微孔过滤原理与装置微滤与超滤都是在压差推动力作用下的筛孔分离过程。一般用来分离分子量大于 500的溶质、胶体、悬浮物和高分子物质。
超滤、微滤与反渗透膜及过程特性比较过程膜特性 过程特征结构 孔隙率 /% 孔径 /mm 孔密度 /cm-2 截流分 子量 操作压力 /MPa pH
反渗透 不对称 100 200 淡水 2.8海水 5.6 4~11
超滤 不对称 ≈ 60 20~100 1011 103~106 0.3~1.05 1.5~13
微滤 对称 73~84 102~105 107~109 很高 0.2
1、微滤的原理与装置
1）原理
2）装置
（ 1）无流动操作
（ 2）错流操作无流动操作渗透 液原料液浓缩液原料液渗透 液错流操作
14.1.2微孔过滤膜结构：微滤膜多数为对称结构，厚度 10~150um不等，其中最常见的是曲孔型，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 1/15。
也有不对称的微孔膜，膜孔呈截头圆锥体状贯通膜面，过滤时原水在孔径小的膜面流过。微滤膜材料,CN-CA,PAN,CA-CTA,PSA、尼龙等，商品约十几种,400多个规格。
14.1.3超过滤的特点超滤膜与微滤膜同是多孔膜，虽然前者孔径较小，后者较大，但前者的工作周期比后者长得多。
原因：微滤是一种静态过滤，随过滤时间延长，膜面上截流沉积不溶物，引起水流阻力增大，透水速率下降，直至微孔全被堵塞；超滤过程是一种动态过程，在超滤进行时，由泵提供推动力，在膜表面产生两个分力：一个是垂直于膜面的法向分力，使水分子透过膜面，另一个是于膜面平行的切向力，把膜面截流物冲掉。因此，在超滤膜表面不易产生浓差极化和结垢，透水速率衰减较慢，运行周期相对较长。
14.1.4超过滤装置超滤装置有板框式，管式，卷式和中空纤维式。
14.1.5超过滤膜及作用机理超滤过程的一般表达式,
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b
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s
s
m
w
w
J)R1(CCJJ
C
CC
R
CC
P
J
P
P
J
注,1）对于高浓度大分子溶质，由于浓差极化现象的产生，
上述关系不复存在。
2）对于高浓度大分子溶质，浓差极化后：
v
5
5342
bf
r
r
q
q95.0q09.2q104.21q1q12CC
14.1.6超过滤过程的影响因素
1.膜材料 2.运行条件
14.2电渗析
14.2.1原理和工作过程
C—— 阳膜 A—— 阴膜阳极,Cl- →Cl2↑ +2e 阴极,2H++2e →H2↑
（氧化反应）,H2O →H+ +OH- （还原反应）,4OH- →O2↑+2H2O+4e
呈酸性极室呈碱性极室浓水淡水
AAAA cccc
O 2
Cl 2
正极负极 2
图14－1 电渗析原理图
14.2.2 电渗析装置
1,构造膜堆：一对阴阳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。
一对电极之间若干膜对组成膜堆。
极区：电极、极框、电极托板、橡胶垫板。
紧固装置：压杆、螺杆紧固。
配套设备：整流器、水泵、转子流量计等。
2．组装：
级：一对电极之间段：同向水流之间并联膜。
此段强调隔板构造有回路,流程长，脱盐效率高，流量小但要求高无回路,流程短，流速低，水流分布均匀，要求隔网搅动作用强，
使用于流量大场合
14.2.2 离子交换膜
%100t1 ttP
过率阳膜对阳离子的选择透
t1
ttP过率阴膜对阴离子的选择透阴）总电量（阳阳迁移离子迁移数
P+或 P-越大，则选择透过性越好。
2,膜电阻,Ω·cm2=电阻率 × 膜厚度膜电阻越小，则所需电压越小，膜电阻在 0.1mol/l的 NaCl（ 250C）溶液中测得。
14.2.3 电渗析的工艺参数
1．电流效率：一个淡室 m1=q（ C1-C2） MBvt/1000（ g）
时间为 t内，应析出的盐量
9 5 6 0 0 C / m o l F FI t MM B
l1 0 0 0
F)CC(q
m
m,211电流效率
2,极限电流密度：
D(C-C′) /1000 δ
δ
溶液阳膜水流
it/F
C′ C
界面层图14－2
的物质的量单间面积通过的阳离子单位时间,——F/ti?
1 0 0 0
CCD
F
it
F
ti
如：增大 i↑，则 C′↓，当 C′=0，则会产生电解出 H+透过，此时电流密度称为极限电流密度 ilim。
1 0 0 0
C
tt
FDi
l i m nV
k
V——水流速度
N——与水流紊乱有关，效果好 n越接近于 1,n=0.3～ 0.9
K——与隔板形式及厚度等因素有关。
k100 0tt
F D CVi n
lim ）（
21
21
C/Clg3.2
CCC
ilim=KCVn
K——水力特性系数：①,与膜性能②,隔板形式与厚③,隔网形式、水的离子组成、水温测量法：
电压 ——电流法
14.3 反渗透
14.3.1 反渗透的原理
1,渗透现象与渗透压（原理如图 14-3所示）
u=u0+RTlnx u——咸水中水的化学位
π
半透膜图14-3
icRT
C——溶液的物质的量的浓度
mol/m3
i——系数 海水 i=1.8
2,反渗透在咸水一侧加压 P，切 P＞ π，从而 u＞ u0，实现反渗透单位体积理论耗能量（最小耗能量）
海水的渗透压又
——M p a52.2106.3W
mPa 106.3h1K,
m/hK7.0
V
A R T S
W
6
l i m
36
w
3
wl i m
实际上，所需压力比理论值大的多。①反渗透进行过程中，海水浓度不断提高。
②为达到一定规模的生产能力。
3．反渗透膜及其透过机理：选择性吸着 ——毛细管流机理见图 14-5。两个分子厚 1nm
图14-5 毛细管流机理
2nm时，临界孔径2t
亲水性
tt
14.3.2 反渗透装置
中空纤维式卷式外压管式内压管式管式板框式装置中空纤维式
14.3.3 反渗透的工艺流程与参数
1．工艺流程
2．反渗透装置主要参数
1）水与溶质的通量：
出水浓度高④
③
②
①
不变增加原水浓度出水浓度低③
不变②
①
原水浓度增加
Js
Jw
P，
Js
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CKJ
)P(WJ
Ps
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ffcfb
pp
b
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CQCQ-Q QC,
KW
%100
C
CC
R,
物料平衡表示及用②
①脱盐率膜进水侧平均含盐量浓度：
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fm
C)P(W
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CJJ
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脱盐率
2）淡化水的含盐量 Cf
m2
CC2
Q
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2
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CQQC2
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C
CQQQQC——
C
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水的回收率——QQm f?
9 0 % )R，( )R1(CCm2 C2C，0C mfbmf 取初步计算则则①设
② 求得 Cf值代回求得新的 Cf值。
14.3.4反渗透膜的分类及制造方法反渗透膜的分类以成膜材料分主要有纤维素脂类膜和非纤维素脂类膜两大类。
反渗透膜的制造方法：
1） CA膜：由乙酰基含量为 39.8%或置换度 2.46的醋酸纤维素作骨架制成
2）芳香族聚酰胺膜：美国杜邦公司的,B-9”和,B-10”中空纤维件。
CA膜 聚酰胺复合膜
1．不可避免地会发生水解，脱盐率会下降 化学稳定性好，不会发生水解，脱盐率基本不变
2．脱盐率 95%，逐年递减 脱盐率高,>98%
3．易受微生物侵袭 生物稳定性好，不受微生物侵袭
4．只能在 pH值 4~7范围内运行 可在 pH值 3~11范围内运行
5．在运行中膜会被压紧，因而产水量会不断下降膜不会被压紧，因而产水量不变
6．膜透水速度较小，要求工作压力高，耗电量也较高膜透水速度高，故工作压力低，耗电量也较低
7．膜使用寿命一般为 3年 一般使用 5年以上性能基本不变
8．价格较便宜 抗氯性较差，价格较高
14.3.5反渗透膜的污染及清洗
1．反渗透膜的污染
1）引起膜污染的原因
2）污染的一般特征污染原因 一般特征盐透过率 组件的压损 产水量金属氧化物 增加速度快
≥ 2倍增加速度快
≥ 2倍急速降低
20%~25%
钙沉淀物 增加
10%~25%
增加
10%~25%
稍微减少
<10%
胶体物质 缓慢增加
≥ 2倍缓慢增加
≥ 2倍缓慢减少
≥ 50%
混合胶体 增加速度快
2~4倍缓慢增加
≥ 2倍缓慢减少
≥ 50%
细菌 增加速度快
≥ 2倍增加速度快
≥ 2倍减少
≥ 50%
2．清洗
率越高预处理越简单，清洗频隔越长预处理越完善，清洗间完善程度密切相关膜清洗频率与预处理的1 ),
2）,清洗遵循的法则 ——10%法则
3）清洗工艺
化学法海绵球清洗逆流清洗水气混合清洗水力清洗物理法清洗工艺
14.4其他膜技术在水处理中常用的膜技术还有钠滤和液膜分离
14.4.1钠滤
1．钠滤、超滤和微滤都是籍膜孔的“筛除” /“筛除”作用直接去除 /截留水中的物质，故皆可称为膜滤。
2．钠滤,筛除” 的包括了构成水溶液性质的溶解离子。
钠滤的渗透水，不止溶解离子的浓度有变化，碱度、硬度、
pH,TDS这些重要的水质参数的数值也要改变。
3．钠滤同时还能截流 DBP前体以及 NOM等低分子量的有机物。
14.4.2液膜分离
1．液膜的分类与构成
1）概念 2）分类
2．液膜法处理废水的机理
1）利用液膜对物质作选择性渗透；
2）在膜上或在膜包封的小水滴内发生化学反应；
3）膜相的萃取作用
4）在膜相界面上的选择性吸附
3．液膜分离操作
1）乳状液膜的制备
2）接触分离
3）液膜回收
14.1微滤与超滤
14.1.1微孔过滤原理与装置微滤与超滤都是在压差推动力作用下的筛孔分离过程。一般用来分离分子量大于 500的溶质、胶体、悬浮物和高分子物质。
超滤、微滤与反渗透膜及过程特性比较过程膜特性 过程特征结构 孔隙率 /% 孔径 /mm 孔密度 /cm-2 截流分 子量 操作压力 /MPa pH
反渗透 不对称 100 200 淡水 2.8海水 5.6 4~11
超滤 不对称 ≈ 60 20~100 1011 103~106 0.3~1.05 1.5~13
微滤 对称 73~84 102~105 107~109 很高 0.2
1、微滤的原理与装置
1）原理
2）装置
（ 1）无流动操作
（ 2）错流操作无流动操作渗透 液原料液浓缩液原料液渗透 液错流操作
14.1.2微孔过滤膜结构：微滤膜多数为对称结构，厚度 10~150um不等，其中最常见的是曲孔型，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 1/15。
也有不对称的微孔膜，膜孔呈截头圆锥体状贯通膜面，过滤时原水在孔径小的膜面流过。微滤膜材料,CN-CA,PAN,CA-CTA,PSA、尼龙等，商品约十几种,400多个规格。
14.1.3超过滤的特点超滤膜与微滤膜同是多孔膜，虽然前者孔径较小，后者较大，但前者的工作周期比后者长得多。
原因：微滤是一种静态过滤，随过滤时间延长，膜面上截流沉积不溶物，引起水流阻力增大，透水速率下降，直至微孔全被堵塞；超滤过程是一种动态过程，在超滤进行时，由泵提供推动力，在膜表面产生两个分力：一个是垂直于膜面的法向分力，使水分子透过膜面，另一个是于膜面平行的切向力，把膜面截流物冲掉。因此，在超滤膜表面不易产生浓差极化和结垢，透水速率衰减较慢，运行周期相对较长。
14.1.4超过滤装置超滤装置有板框式，管式，卷式和中空纤维式。
14.1.5超过滤膜及作用机理超滤过程的一般表达式,
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上述关系不复存在。
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14.1.6超过滤过程的影响因素
1.膜材料 2.运行条件
14.2电渗析
14.2.1原理和工作过程
C—— 阳膜 A—— 阴膜阳极,Cl- →Cl2↑ +2e 阴极,2H++2e →H2↑
（氧化反应）,H2O →H+ +OH- （还原反应）,4OH- →O2↑+2H2O+4e
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图14－1 电渗析原理图
14.2.2 电渗析装置
1,构造膜堆：一对阴阳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。
一对电极之间若干膜对组成膜堆。
极区：电极、极框、电极托板、橡胶垫板。
紧固装置：压杆、螺杆紧固。
配套设备：整流器、水泵、转子流量计等。
2．组装：
级：一对电极之间段：同向水流之间并联膜。
此段强调隔板构造有回路,流程长，脱盐效率高，流量小但要求高无回路,流程短，流速低，水流分布均匀，要求隔网搅动作用强，
使用于流量大场合
14.2.2 离子交换膜
%100t1 ttP
过率阳膜对阳离子的选择透
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P+或 P-越大，则选择透过性越好。
2,膜电阻,Ω·cm2=电阻率 × 膜厚度膜电阻越小，则所需电压越小，膜电阻在 0.1mol/l的 NaCl（ 250C）溶液中测得。
14.2.3 电渗析的工艺参数
1．电流效率：一个淡室 m1=q（ C1-C2） MBvt/1000（ g）
时间为 t内，应析出的盐量
9 5 6 0 0 C / m o l F FI t MM B
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2,极限电流密度：
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如：增大 i↑，则 C′↓，当 C′=0，则会产生电解出 H+透过，此时电流密度称为极限电流密度 ilim。
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N——与水流紊乱有关，效果好 n越接近于 1,n=0.3～ 0.9
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K——水力特性系数：①,与膜性能②,隔板形式与厚③,隔网形式、水的离子组成、水温测量法：
电压 ——电流法
14.3 反渗透
14.3.1 反渗透的原理
1,渗透现象与渗透压（原理如图 14-3所示）
u=u0+RTlnx u——咸水中水的化学位
π
半透膜图14-3
icRT
C——溶液的物质的量的浓度
mol/m3
i——系数 海水 i=1.8
2,反渗透在咸水一侧加压 P，切 P＞ π，从而 u＞ u0，实现反渗透单位体积理论耗能量（最小耗能量）
海水的渗透压又
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实际上，所需压力比理论值大的多。①反渗透进行过程中，海水浓度不断提高。
②为达到一定规模的生产能力。
3．反渗透膜及其透过机理：选择性吸着 ——毛细管流机理见图 14-5。两个分子厚 1nm
图14-5 毛细管流机理
2nm时，临界孔径2t
亲水性
tt
14.3.2 反渗透装置
中空纤维式卷式外压管式内压管式管式板框式装置中空纤维式
14.3.3 反渗透的工艺流程与参数
1．工艺流程
2．反渗透装置主要参数
1）水与溶质的通量：
出水浓度高④
③
②
①
不变增加原水浓度出水浓度低③
不变②
①
原水浓度增加
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物料平衡表示及用②
①脱盐率膜进水侧平均含盐量浓度：
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脱盐率
2）淡化水的含盐量 Cf
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14.3.4反渗透膜的分类及制造方法反渗透膜的分类以成膜材料分主要有纤维素脂类膜和非纤维素脂类膜两大类。
反渗透膜的制造方法：
1） CA膜：由乙酰基含量为 39.8%或置换度 2.46的醋酸纤维素作骨架制成
2）芳香族聚酰胺膜：美国杜邦公司的,B-9”和,B-10”中空纤维件。
CA膜 聚酰胺复合膜
1．不可避免地会发生水解，脱盐率会下降 化学稳定性好，不会发生水解，脱盐率基本不变
2．脱盐率 95%，逐年递减 脱盐率高,>98%
3．易受微生物侵袭 生物稳定性好，不受微生物侵袭
4．只能在 pH值 4~7范围内运行 可在 pH值 3~11范围内运行
5．在运行中膜会被压紧，因而产水量会不断下降膜不会被压紧，因而产水量不变
6．膜透水速度较小，要求工作压力高，耗电量也较高膜透水速度高，故工作压力低，耗电量也较低
7．膜使用寿命一般为 3年 一般使用 5年以上性能基本不变
8．价格较便宜 抗氯性较差，价格较高
14.3.5反渗透膜的污染及清洗
1．反渗透膜的污染
1）引起膜污染的原因
2）污染的一般特征污染原因 一般特征盐透过率 组件的压损 产水量金属氧化物 增加速度快
≥ 2倍增加速度快
≥ 2倍急速降低
20%~25%
钙沉淀物 增加
10%~25%
增加
10%~25%
稍微减少
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胶体物质 缓慢增加
≥ 2倍缓慢增加
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≥ 50%
混合胶体 增加速度快
2~4倍缓慢增加
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≥ 50%
细菌 增加速度快
≥ 2倍增加速度快
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≥ 50%
2．清洗
率越高预处理越简单，清洗频隔越长预处理越完善，清洗间完善程度密切相关膜清洗频率与预处理的1 ),
2）,清洗遵循的法则 ——10%法则
3）清洗工艺
化学法海绵球清洗逆流清洗水气混合清洗水力清洗物理法清洗工艺
14.4其他膜技术在水处理中常用的膜技术还有钠滤和液膜分离
14.4.1钠滤
1．钠滤、超滤和微滤都是籍膜孔的“筛除” /“筛除”作用直接去除 /截留水中的物质，故皆可称为膜滤。
2．钠滤,筛除” 的包括了构成水溶液性质的溶解离子。
钠滤的渗透水，不止溶解离子的浓度有变化，碱度、硬度、
pH,TDS这些重要的水质参数的数值也要改变。
3．钠滤同时还能截流 DBP前体以及 NOM等低分子量的有机物。
14.4.2液膜分离
1．液膜的分类与构成
1）概念 2）分类
2．液膜法处理废水的机理
1）利用液膜对物质作选择性渗透；
2）在膜上或在膜包封的小水滴内发生化学反应；
3）膜相的萃取作用
4）在膜相界面上的选择性吸附
3．液膜分离操作
1）乳状液膜的制备
2）接触分离
3）液膜回收
