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1 第五章膜技术Membranetechnology 2 第1节概述第2节电渗析第3节扩散渗析第4节压力驱动膜分离 3 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 第1节概述 4 滤池vs膜 SandFiltervsMembrane 厚度0 Xmm 孔径0 0X 0 X m 滤池 孔径40 80 m 5 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 分离离子 小分子 电位差 电渗析 分离离子 压力差 反渗透 RO reverseosmosis 纳滤 NF nanofiltration 超滤 UF ultrafiltration 微滤 MF microfiltration 6 X c P T E x 膜 过滤原料 渗透物 位差主要有 压力差 P 浓度差 c 温度差 T 电位差 E 化学位差 电化学位差 7 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 8 第2节电渗析 Electrodialysis 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 9 Cation Anion 10 阴极 还原反应 H2O H OH 2H 2e H2 阴极室溶液呈碱性 结垢阳极 氧化反应 4OH O2 2H2O 4e或2Cl Cl2 2e阳极室溶液呈酸性 腐蚀 11 二 离子交换膜1 离子交换膜的种类按活性基团分类 离子交换膜与离子交换树脂具有相同的化学结构 可分为基膜和活性基团两大部分 基膜即具有立体网状结构的高分子化合物 活性基团是由具有交换作用的阳 或阴 离子和与基膜相连的固定阴 或阳 离子所组成 按活性基团的带电情况分 阳离子交换膜 简称阳膜 和阴离子交换膜 简称阴膜 12 阳膜 阳膜中含有带负电的酸性活性基团 它能选择性透过阳离子而不让阴离子透过 活性基团主要有 磺酸基 SO3H 磷酸基 PO3H2 膦酸基 OPO3H 羧酸基 COOH 等 阴膜 阴膜中含有带正电的碱性活性基团 它能选择性透过阴离子而不让阳离子透过 活性基团主要有 季胺基 N CH3 3OH 伯胺基 NH2 仲胺基 NHR 叔胺基 NR2 等 13 2 离子交换膜的选择透过性 P 阳膜对阳离子的选择透过率 t 阳离子在溶液中迁移数t 阳离子在阳膜内迁移数 对理想的膜 应等于1 阳离子交换膜应对阳离子具有较高的选择透过性 即对阳离子的选择性迁移数一般应大于0 9 对阴离子迁移数则应小于0 1 14 3 离子交换膜的选择性透过机理 阳离子交换膜中含有很高浓度带负电荷的固定离子 由于静电相斥的作用 膜中的固定离子将阻止其他相同电荷的离子进入膜内 因此 在电渗析过程中 只有反离子才可能在电场的作用下渗透通过膜 15 三 关键设备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 16 17 隔板甲 乙连接的配水孔与流水道的布水槽位置不同 18 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 19 基本组装方式 20 四 电流效率与极限电流密度1 电流效率 实际去除的盐量m1 理论去除量m2 100 m1 q c1 c2 tMB 1000 g q 一个淡室的出水量 L sc1 c2 进出水含盐量 mmol L 以当量粒子为基本单元 t 通电时间 sMB 物质的摩尔质量 g mol依据法拉第定律 m2 ItMB F g F 法拉第常数 I 电流强度 A 21 电能效率 衡量电能利用程度的一个指标 整台电渗析器脱盐所需的理论耗电量与实际耗电量之比电能效率 理论耗电量 实际耗电量 22 2 极限电流密度单位面积膜通过的电流称为电流密度i mA cm2 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 23 Cl 电迁移数 总电量中所占比例 0 5Na 电迁移数 总电量中所占比例 0 5 但在阴膜中 由于Na 不能通过 Cl 迁移数为1 为此补充此差需要动用边界层中的Cl 致使边界层与主流层之间存在浓度差 当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 24 极限电流密度确定 电压 电流法逐次提高操作电压 测定与其相应电流值 点C的电流密度为极限电流密度ilim ilim Kcvnv 淡水隔板流水道中的水流速度c 淡室中水的对数平均离子浓度K 水力特征系数 25 极化与结垢 极化现象主要发生在阳 阴膜的淡室一侧 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70 90 下运行 2 倒换电极 3 定期酸洗 26 27 五 应用海水或苦咸水 小于10g L 淡化 自来水脱盐制取初级纯水 电渗析与离子交换组合制取高纯水 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 Na2SO4 回收硫酸和碱 28 Na2SO4 2H SO42 H2SO4 OH Na NaOH 29 第3节扩散渗析 高浓度溶液中的溶质透过隔膜向低浓度溶液中迁移的过程 浓度差为推动力 主要用于回收酸 碱 但不能将它们浓缩 其特点是不消耗能量 采用回收废酸时 离子交换膜 阴膜 回收硫酸时 只有原废水硫酸浓度大于10 时 才有实用价值 30 31 采用扩散渗析法从酸洗钢材废液中回收硫酸 32 第4节压力驱动膜分离 pressuredrivenmembraneseparation 反渗透 RO 孔径 1nm 分离无机离子和小分子纳滤 NF 孔径1 5nm 分离无机离子和小分子超滤 UF 孔径5nm 0 1 m 分离大分子以及细菌 病毒 胶体等颗粒微滤 MF 孔径0 1 10 m 分离细菌 粘土等微粒 33 1 分离特性 高于溶液渗透压的压差为推动力 工作压力几十kg 分离对象 溶质 小分子物质脱盐率作为重要的指标 一 RO分离特性与工艺系统 34 Jw 膜的水通量 cm3 cm2s WP 水的透过系数 cm3 cm2sPa P 膜两侧压力差 Pa 膜两侧渗透压差 PaJS 溶质透过膜的通量 mg cm2s KP 溶质的透过系数 cm s C 膜两侧浓度差 mg cm3 操作压力 进水浓度如何影响Jw和Js 1 水与溶质的通量 35 2 脱盐率 Cb 进水含盐量 mg L Cf 淡化水含盐量 mg L 进水CbQ 浓水Cc 淡水Cf Qf 反渗透过程中的物料平衡 膜进水侧含盐量平均浓度 有循环时 则 36 3 水回收率 Q 进水流量 Qf 淡化水流量 对于RO一般70 80 37 2 膜材料与膜组件型式 膜材料 醋酸纤维素 CA 芳香族聚酰胺膜组件 卷式膜组件 38 39 40 3 工艺系统 41 二 UF和MF分离特性与工艺系统1 分离特性 溶质可以透过 无渗透压现象 可在较低压力下工作 一般几公斤 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 分离对象 大分子物质 胶体 悬浮物 如蛋白质 细菌 颜料 油类等存在浓差极化现象 42 截留分子量 截留率达到90 的分子量 43 浓差极化现象 44 凝胶层形成后 压力升高到一定值后 水通量基本与压力没有关系 45 Rm 膜阻力Rg 凝胶层阻力 V PV 累积透水体积 在凝胶层存在时 P JW对 P作图 求得Rm和 并由此计算Rg 46 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 47 2 膜组件型式 板框式 48 管式 49 中空纤维式 50 三 膜技术应用1 苦咸水 海水淡化 世界上最大的海水反渗透淡化装置为33万吨 日 以色列 2005年建成 能耗比电渗析低 大约为4kWh t 51 2 饮用水处理新工艺 MF UF NF家用净水器 活性炭 MF 3 纯水制备 UF RO 52 4 废水深度处理 二级生物处理出水 MF RO美国加州21世纪水处理回用厂 就是将二级生物处理出水 经一定的预处理后再经RO处理后回灌地下水 Rawwastewater Effluent S GC PC AT SS MForUF RO RO 53 Secondaryeffluent Dosingtrough Storagetank1 CMFunits Bacteriostasisagent Storagetank2 Backwashingwastewatertank Towastewatertreatmentplant ROsystem Scale resistingagent Highqualityreclamationwater Reclamationwaterformiscellaneoususe Concentratedwater Towastewatertreatmentplant 天津TEDA经济开发区 双膜 污水回用工艺 54 UF装置 RO装置 55 曝气池 进水 系统出水 曝气装置 膜 生物反应器工艺流程 膜组件 56 膜 生物反应器的特点 污染物去除效率高 处理出水水质良好 反应器内污泥浓度高 装置处理容积负荷大 占地省 有利于增殖缓慢的微生物的截留和生长 剩余污泥产生量低