水质工程学1 高景峰 第9章膜滤技术 ? 9.1概述 ? 9.2微滤和超滤 ? 9.3反渗透和纳滤 ? 9.4电渗析 9.1概述 ?一、定义 ?二、分类与特点 一、定义 ?在某种推动力的作用下，利用某种隔膜特定 的透过性能，使溶质或溶剂分离的方法称为 膜分离。 ?分离溶质时一般叫渗析； ?分离溶剂时一般叫渗透。 二、分类与特点 ?根据推动力的不同，膜分离有下列几种： ?浓度差：扩散渗析 ?电位差：电渗析 ?压力差：反渗透(RO, reverse osmosis)： MW<100, 0.2-0.3nm, 2 – 3 A 0 ?纳滤(NF, nanofiltration)：MW: 100- 1000, 0.5-5 nm ?超滤(UF, ultrafiltration)：MW: 1000— 百万, 5nm-0.2μm ?微滤(MF, microfiltration)：0.2-1 μm (1A 0 =10 -8 cm, 1μ =10 -4 cm, 1nm=10 -7 cm) ?膜分离的特点： ?可在一般温度下操作，没有相变； ?浓缩分离同时进行； ?不需投加其他物质，不改变分离物质的性 质； ?适应性强，运行稳定。 9.2微滤和超滤 ?一、微滤 ?二、超滤 一、微滤 ? 1、原理 ? 2、微滤的操作模型 1、原理 ?在压差推动力作用下进行的液相分离过程，属于精 密过滤，但由于膜孔较大，无渗透压，可在较低压 力下工作。一般几公斤。 ?分离机理：小孔筛分作用。在一定的压力差作用 下，原料液中水和小的溶质粒子从高压侧透过膜到 低压侧，产生透过液，而被膜节流的大粒子组分使 剩余虑液中的浓度增大成为浓缩液。 ?分离范围：截留分子量超过500000的更大的分子。 2、微滤的操作模型 ? 1、死端过滤 也称无流动过滤，其操作简便易行，适用于实验室等小 规模场合，对于固体含量低于0.1％的料液通常采用这种形 式；固体含量在0.1％－0.5％的料液通则需进行预处理；而 对于固体含量超过0.5％的料液通常采用错流过滤过程。 ? 2、错流过滤 错流操作对减少浓差极化和结垢是必要和可能的，近年 来微滤的错流操作技术发展很快，有代替死端过滤的趋势。 二、超滤 ? 1、原理 ? 2、超滤过程中的浓差极化 ? 3、应用 1、原理 ?与反渗透一样是在压力差下工作，但由于膜孔较 大，无渗透压，可在较低压力下工作。一般几公斤。 ?分离机理：小孔筛分作用。一般以截留分子量来表 示孔径特征，此外也与物质形状和性质有关。 ?分离范围：截留分子量1000－1000000的物质，如 细菌、蛋白质、颜料、油类等 ?膜组件形式与反渗透类似。但既有有机膜，也有无 机膜。 2、超滤过程中的浓差极化 ?在膜分离过程中，大分子 溶质被膜所截留并不断累 积在膜表面上，使溶质在 膜面处的浓度C m 高于主体 溶液中的浓度C b ，从而形 成浓度差C m -C b ，并促使 溶质的反向扩散。这种现 象称为浓差极化。 δm Cb Cm J w ：水通量K：传质系数＝D/δ m 当C m 增加到C g 时，膜面大分子物质生成凝胶层。 一旦凝胶层形成，透水量并不因压力的增加而 增加。 b m w C C KJ ln= gm w RR P J + Δ = R m :膜阻力；R g ：凝胶层阻力 ?减缓浓差极化现象的措施： ?（1）提高料液流速，增加膜面的紊动程度； ?（2）对膜面不断清洗； ?（3）控制料液浓度 3、应用 ? 1．给水 ?去除细菌、胶体等物质。家庭用膜式净水器 ?与反渗透联合制备纯水 ? 2．废水 ?回收分离有用物：涂料、羊毛脂、染料、纸 浆等 ?废水深度处理 ?膜－生物反应器 超滤设备 中空纤维超滤系统 9.3反渗透和纳滤 ?一、反渗透 ?二、纳滤 一、反渗透 ? 1、渗透压和反渗透原理 ? 2、反渗透膜 ? 3、应用 1、渗透压和反渗透原理 ?渗透压： ?当用一张半透膜将纯水和盐水分开，纯水会透过半 透膜向盐水扩散，使盐水侧溶液水面升高，直到动 态平衡。渗透的推动力就是渗透压，这是正渗透。 ?任何溶液都存在渗透压π，只是一般没表现出来。 ?π= i R T C ? i：范特霍尔系数 ? C：溶液的浓度 ?当在盐水侧施加压力P>π，反渗透。一般压力在几 十公斤。 渗透与反渗透现象 纯水 咸水 半透膜 （a)渗透 纯水 咸水 半透膜 （b)平衡 纯水 咸水 半透膜 （c)反渗透 πP＞π 2、反渗透膜 ?★性能指标 ?脱盐率＝（C 0 －C）/C 0 ×100％，一般高达90％ 以上。 ?透水率（L/m 2 .d） ?膜种类： ? 1）醋酸纤维素膜（CA） ? 2）芳香族聚酰胺膜 ?结构： ?表皮层、过渡层、多孔支撑层 反渗透机理 ?尚不十分清楚。 ?选择性吸附－毛细管流机理：由于膜表面的 亲水性，优先吸附水分子而排斥盐分子，因 此在膜表皮层形成两个水分子（1nm）的纯 水层，施加压力，纯水层的分子不断通过毛 细管流过反渗透膜。控制表皮层的孔径非常 重要，影响脱盐效果和透水性，一般为纯水 层厚度的一倍时，称为膜的临界孔径，可达 到理想的脱盐和透水效果。 ?膜组件： ?板框式、管式（有内压和外压两种）、卷式： 膜表面积大、透水量大、紊流效果好、中空 纤维 2t t 纯 水 层 膜 选择性吸着-毛细管机理示意 3、应用 ? 1）苦咸水、海水淡化 ? 2）与离子交换联用，制取超纯水 ? 3）处理重金属废水，回收重金属：如处理镀 镍废水，镍回收率可达99％。 ? 4）废水脱盐深度处理 ?美国加州21世纪水处理回用厂，就是将二级 生物处理出水，经一定的预处理后经反渗透 处理后回灌地下水。 二、纳滤 ? 1、分离原理 ? 2、纳滤膜 ? 3、应用 1、分离原理 纳滤与反渗透的分离原理是相同的，其 差别在于分离溶质的大小，纳滤所需的压力 则介于反渗透和超滤之间，其膜孔径在纳米 级范围内。 2、纳滤膜 ?纳滤膜也叫低压反渗透膜。 ?★性能指标 ?脱盐率＝（C 0 －C）/C 0 ×100％，一般高达90％以上。 ?透水率（L/m 2 .d） ?膜种类： ? 1）醋酸纤维素膜（CA） ? 2）芳香族聚酰胺膜 ?结构： ?表皮层、过渡层、多孔支撑层 3、应用 ? 1）苦咸水、海水淡化 ? 2）与离子交换联用，制取超纯水 ? 3）处理重金属废水，回收重金属：如处理镀 镍废水，镍回收率可达99％。 ? 4）废水脱盐深度处理 ?美国加州21世纪水处理回用厂，就是将二级 生物处理出水，经一定的预处理后经反渗透 处理后回灌地下水。 9.4电渗析 ?一、原理 ?二、离子交换膜 ?三、关键设备 ?四、电流效率与极限电流密度 ?五、应用 一、原理 ?在直流电场作用下，利用阴、阳离子交换膜 对溶液中的阴、阳离子的选择透过性，分离 溶质和水。 ?阴膜只让阴离子通过；阳膜只让阳离子通过。 ?阴极： ?还原反应：2H ＋ ＋2e →H 2 ↑ ?阴极室溶液呈碱性，结垢 ?阳极： ?氧化反应：4OH － →O 2 ↑＋2H 2 O ＋4e ?或2Cl - →Cl 2 ↑+2e ?阳极室溶液呈酸性，腐蚀 ?特点：只能将电解质从溶液中分离出去。不 能去除有机物等。 二、离子交换膜 ?离子交换树脂：树脂与离子之间发生交换反应 ?离子交换膜：对溶液中的离子具有选择透过的特性 ?按其结构分为：异相膜、均相膜。 按其结构分为：异相膜、均相膜。 ?异相膜：离子交换树脂磨成粉末，加入粘合剂，滚 压在纤维网上。 ?均相膜：离子及交换树脂的母体材料制成连续的膜 状物，作为底膜，然后在上面嵌接上活性基团。 1、离子交换膜的分类 ?★按离子选择性分： ?阳离子交换膜（一般为聚苯乙烯磺酸型）： R－SO 3 H，在水中电离后，呈负电性 ?阴离子交换膜（聚苯乙烯季胺型）：R－CH 2 N（CH 3 ） 3 OH，电离后，呈正电性 2、离子交换膜的基本要求 ?离子交换膜是电渗析的关键部分，良好的电 渗析应： ? 1 ）高的离子选择性； ? 2 ）渗水性差； ? 3 ）导电性好； ? 4 ）化学稳定性和机械强度 三、关键设备 电极 一级一段两级一段一级两段两级两段 电极 倒向膜 电渗析的组装方式 ?电渗析可分为三部分：极区、膜堆和紧固部分 ?极区：常用的电极有不锈钢、石墨等 ?膜对：一对阴、阳膜和一对浓、淡水隔板交替 排列，组成的最基本脱盐单元 ?膜堆：若干膜对的集合体 ?一级：一对正、负极之间的膜堆 ?一段：具有同一水流方向的并联膜堆 ?增加段数：加长水的流程长度，增加脱盐效率。 ?增加膜对数：提高水处理量 ?增加级数：降低两个电极之间的电压 四、电流效率与极限电流密度 ? 1．电流效率 ?η＝实际去除的盐量m 1 /理论去除量m 2 ×100% ? m 1 ＝q(C 1 -C 2 ) t M B /1000 ? ? q：一个淡室的出水量, L/s ? C 1 ，C 2 ：进出水含盐量, mmol/L ? t：通电时间, s ? M B ：物质的摩尔质量 ?依据法拉第定律：m 2 =I t M B /F ? F：法拉第常数I：电流强度，A 2．极限电流密度 ?如果电流密度过大：发生浓差极化现象 ?电流传导靠Na ＋ 和Cl － ?电流总量＝Cl － 电量＋Na + 电量 ? Cl － 电迁移数（总电量中所占比例）＝0.5 ? Na + 电迁移数（总电量中所占比例）＝0.5 ?但在阴膜中，由于钠离子不能通过，氯离子的 迁移数为1，为此补充此差需要动用边界层中的氯 离子，致使边界层与主流层之间存在浓度差。 电渗析过程 ?当电流密度i过大时， C’趋于0，水分子开 始电离，参加迁移， 此时发生浓差极化现 象 ?极限电流密度 极限电流密度的确定：电压-电流法 电流密度（mA/cm） 相对电压（ v ） Vp μm p c 极化与结垢： ?极化现象主要发生在阳膜的淡室一侧，沉淀 主要发生在阴膜浓室一侧。 ?防止措施： ? 1）极限电流法，在极限电流的70－90％下 运行； ? 2）倒换电极； ? 3）定期酸洗 五、应用 ? 1）海水或苦咸水（小于10克/L）淡化； ? 2）自来水脱盐制取初级纯水； ? 3）电渗析与离子交换组合制取高纯水； ? 4）废液的处理回收（可以与电极反应联合 进行） ?如酸洗废水回收硫酸和铁，芒硝回收硫 酸和碱