反渗透基本原理

1、膜分离法膜分离法 (Membrane Separation Processes) 2021-7-25水污染控制工程3 分离膜可看作是分离膜可看作是分离两相和作为选择性传递物质的屏障分离两相和作为选择性传递物质的屏障。 它可以是固态、液态或气态的，目前使用的分离膜绝大多数是固它可以是固态、液态或气态的，目前使用的分离膜绝大多数是固 膜。膜可以存在于两流体之间或附着于支撑体或载体的微孔隙上，膜。膜可以存在于两流体之间或附着于支撑体或载体的微孔隙上， 膜厚度要远小于其比表面积。膜厚度要远小于其比表面积。 按膜结构分：有对称膜和不对称膜按膜结构分：有对称膜和不对称膜 按膜材料分：按膜材料分：有机膜：纤

2、维素膜、有机膜：纤维素膜、聚酰胺聚酰胺膜、膜、聚砜膜、聚砜膜、聚乙烯聚乙烯膜等膜等 无机膜：玻璃膜、陶瓷膜、氧化铝膜等无机膜：玻璃膜、陶瓷膜、氧化铝膜等 按分离机理分：多孔膜、无孔膜和载体膜按分离机理分：多孔膜、无孔膜和载体膜 按几何形状分：按几何形状分：平板式、管式、毛细管式和中空纤维式平板式、管式、毛细管式和中空纤维式膜膜 2021-7-25水污染控制工程5 用一张特殊制造的、具有选择透过性用一张特殊制造的、具有选择透过性 能的薄膜（分离膜），在外力推动下对双组能的薄膜（分离膜），在外力推动下对双组 分或多组分溶质和溶剂进行分离、提纯、浓分或多组分溶质和溶剂进行分离、提纯、浓 缩的方法，统

3、称为膜分离法。缩的方法，统称为膜分离法。膜分离可用于膜分离可用于 液相和气相，对液相分离，可以用于水溶液液相和气相，对液相分离，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。 2021-7-25水污染控制工程6 膜分离过程的推动力有两类：膜分离过程的推动力有两类： 借助外界能量，物质发生由低位向高位的流动；借助外界能量，物质发生由低位向高位的流动； 以化学电位差为推动力，物质发生由高位向低位的流以化学电位差为推动力，物质发生由高位向低位的流 动。动。 推推 动动 力力膜膜 过过 程程 压力差压力差

4、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 （a a）膜分离过程不发生相变，因此能量转化的效率高。例如在膜分离过程不发生相变，因此能量转化的效率高。例如在 现在的各种海水淡化方法中反渗透法能耗最低；现在的各种海水淡化方法中反渗透法能耗最低； （b b）膜分离过程在常温下进行，因而特别适于对热敏性物料，膜分离过程在常温下进行，因而特别适于对热敏性物料， 如果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩；如果

5、汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩； （c c）装置简单，操作简单，控制、维修容易，且分离效率高。装置简单，操作简单，控制、维修容易，且分离效率高。 与其它水处理方法相比，具有占地面积小、适用范围广、处与其它水处理方法相比，具有占地面积小、适用范围广、处 理效率高等特点；理效率高等特点； （d d）由于目前膜的成本较高，所以膜分离法投资较高，有些膜由于目前膜的成本较高，所以膜分离法投资较高，有些膜 对酸或碱的耐受能力较差。所以目前膜分离法在水处理中一对酸或碱的耐受能力较差。所以目前膜分离法在水处理中一 般用于回收废水中的有用成分或水的回用处理般用于回收废水中的有用成分或水的回用处理。 2021-

6、7-25水污染控制工程8 3 3膜分离法的分类膜分离法的分类 膜分离法的种类很多，现已应用的膜过膜分离法的种类很多，现已应用的膜过 程有程有反渗透、纳滤、超滤、微滤、扩散渗析、反渗透、纳滤、超滤、微滤、扩散渗析、 电渗析、气体分离、渗透蒸发、控制释放、电渗析、气体分离、渗透蒸发、控制释放、 液膜、膜蒸馏液膜、膜蒸馏等。目前，在废水处理中常用等。目前，在废水处理中常用 的有扩散渗析、电渗析、反渗透、超滤等四的有扩散渗析、电渗析、反渗透、超滤等四 种膜分离技术。种膜分离技术。 废水处理中几种常用膜分离法的特点如下表所示。废水处理中几种常用膜分离法的特点如下表所示。 2021-7-25水污染控制工程

7、9 2021-7-25水污染控制工程10 2021-7-25水污染控制工程11 渗透和反渗透原理示意图渗透和反渗透原理示意图 半透膜半透膜 开始时两边液开始时两边液 面相面相同同 由于浓度差存在，半透膜由于浓度差存在，半透膜 又不允许溶质通过，所以又不允许溶质通过，所以 水透过膜，使浓水一边液水透过膜，使浓水一边液 面升高，产生渗透压面升高，产生渗透压 在浓水边加压，当压在浓水边加压，当压 力超过渗透压时，则力超过渗透压时，则 水透过半透膜，即反水透过半透膜，即反 渗透，实现净化过程。渗透，实现净化过程。 2021-7-25水污染控制工程12 膜过程膜过程推动力推动力传质机理传质机理 透过物及

8、其透过物及其 尺寸尺寸 截留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 1.0- 1.5MPa 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 50- 500kPa 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

9、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 2021-7-25水污染控制工程13 三、扩散渗析（三、扩散渗析（diffusion dialysisdiffusion dialysis） 1、渗析、渗析：把水溶液中溶质透过：把水溶液中溶质透过半透膜半透膜而溶质而溶质 被截留的现象称为渗析。被截留的现象称为渗析。 l半透膜：起渗析作用的薄膜，对溶质具有选择性。半透膜：起渗析作用的薄膜，对溶质具有选择性。 l半透膜的发展：半透膜的发展： l动物的膀胱膜、肠膜、羊皮纸；动物的膀胱膜、肠膜、羊皮纸； l离子交换膜：阳离子交换膜、阴离子交换膜离子交换膜：阳离子交换膜、阴离

10、子交换膜 2、扩散渗析的原理扩散渗析的原理 利用离子交换膜的选择透过性，以浓度差为推动利用离子交换膜的选择透过性，以浓度差为推动 力来实现酸与盐或者碱与酸的分离。力来实现酸与盐或者碱与酸的分离。 扩散渗析回收酸原理示意图扩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 阴离子交换膜阴离子交换膜 残液残液 / 渗析液渗析液 H2O 回收液回收液 / 扩散液扩散液废酸液废酸液 A （2） （1） H+ H+ SO42- H+ H+ SO42- Fe2+ SO42- v 扩散渗析法回收酸的原理扩散渗析法回收酸的原理 为原液室，为回收室，为原液室，为回收室， 向室自下而

11、上引入料液向室自下而上引入料液 ( (H H2 2SOSO4 4和和FeSOFeSO4 4的混合液的混合液) )， 另向室自上而下引入水流。另向室自上而下引入水流。 由于室中的酸及盐的浓度由于室中的酸及盐的浓度 较大，其中的较大，其中的FeFe2 2、 、H H、 、 SOSO4 42- 2-均有向室扩散的趋势， 均有向室扩散的趋势， 因阴离子交换膜对离子具有因阴离子交换膜对离子具有 选择透过性，只允许阴离子选择透过性，只允许阴离子 SOSO4 42- 2-通过而不让阳离子透过， 通过而不让阳离子透过， 所以所以FeFe2 2 受到阴膜的阻挡而 受到阴膜的阻挡而 不能进入室，而不能进入室，而H

12、 H 则因 则因 性质特殊，其水合离子半径性质特殊，其水合离子半径 小，迁移速度快，也能跟随小，迁移速度快，也能跟随 SOSO4 42- 2-一起进入室，以保持 一起进入室，以保持 溶液的电中性。这样，室溶液的电中性。这样，室 中的中的H H2 2SOSO4 4就不断扩散进入就不断扩散进入 (2)(2)室，而室，而FeSOFeSO4 4被阻挡在被阻挡在 室中，从而实现了酸与盐的室中，从而实现了酸与盐的 分离。分离。 2021-7-25水污染控制工程15 3、优缺点：、优缺点： l优点：能耗小，设备结构简单，操作方便，优点：能耗小，设备结构简单，操作方便， 不需要对膜进行酸碱再生，分离过程中不需

13、不需要对膜进行酸碱再生，分离过程中不需 要加入其它化学药剂。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：、应用： l在生物医学上的应用最为广泛，主要的用途在生物医学上的应用最为广泛，主要的用途 是血液渗析法（又称为人工肾），此外还有是血液渗析法（又称为人工肾），此外还有 人工肺。人工肺。 l在工业方面的应用在工业方面的应用 l从钢铁工业酸洗废液中回收硫酸及在其它废酸液从钢铁工业酸洗废液中回收硫酸及在其它废酸液 中回收硝酸等；中回收硝酸等； l从化工厂人造丝浆压液中回收从化工厂人造丝浆压液中回收NaOH 2021-7-25水污染控制工程16 四、电

14、渗析（四、电渗析（electrodialysiselectrodialysis，简称简称EDED ） 电渗析是在直流电场的作用下，以电渗析是在直流电场的作用下，以 电位差为推动力，利用阴、阳离子交电位差为推动力，利用阴、阳离子交 换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过 性性( (即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只 允许阴离子通过），而使溶液中的溶允许阴离子通过），而使溶液中的溶 质与水分离的一种物理化学过程。质与水分离的一种物理化学过程。从从 而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提 纯纯的一种膜过程。的一种膜过程。

15、v 电渗析过程原理图电渗析过程原理图 2021-7-25水污染控制工程18 2 2离子交换膜离子交换膜 离子交换膜具有与离子交换树脂相同的离子交换膜具有与离子交换树脂相同的 组成，含有活性基团和能使离子透过的组成，含有活性基团和能使离子透过的 细孔。常用的离子交换膜按其选择透过细孔。常用的离子交换膜按其选择透过 性可分为性可分为阳膜、阴膜、复合膜阳膜、阴膜、复合膜等等 数种数种。 阳膜阳膜(cation exchange membrane)含有阳含有阳 离子交换基团，在水中交换基团发生离解，使离子交换基团，在水中交换基团发生离解，使 膜上带有负电，能排斥水中的阴离子，吸引水膜上带有负电，能排斥

16、水中的阴离子，吸引水 中的阳离子并使其通过。中的阳离子并使其通过。 阴膜阴膜(anion exchange membrane)含有阴离含有阴离 子交换基团，在水中离解出阴离子，使膜子交换基团，在水中离解出阴离子，使膜 上带正电，吸引阴离子并使其通过上带正电，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 间夹一层极薄的网布做成，具有方向性的间夹一层极薄的网布做成，具有方向性的 电阻。电阻。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 极时，极时，正、负离子都不能透过膜，显示出正、负离子都不能透过膜，显示出 很高的电阻。很高的电阻。当

17、膜的朝向与上述相反时当膜的朝向与上述相反时， 膜电阻降低，膜两侧相应的离子进入膜中。膜电阻降低，膜两侧相应的离子进入膜中。 2021-7-25水污染控制工程20 五、反渗透（五、反渗透（RORO） Reverse OsmosisReverse Osmosis 1 1、概述、概述 2 2、反渗透基本原理、反渗透基本原理 3 3、反渗透膜及其透过机理、反渗透膜及其透过机理 4 4、反渗透装置、反渗透装置 5 5、反渗透工艺流程、反渗透工艺流程 2021-7-25水污染控制工程21 1 1、概述、概述 反渗透是一项高新膜分离技术，其孔径很小，大都反渗透是一项高新膜分离技术，其孔径很小，大都 1010

18、 10（10A），），它能它能去除滤液中的离子范围和去除滤液中的离子范围和 分子量很小的有机物，如细菌、病毒、热源等分子量很小的有机物，如细菌、病毒、热源等。它已广。它已广 泛用于海水或苦咸水淡化、电子、医药用纯水、饮用蒸泛用于海水或苦咸水淡化、电子、医药用纯水、饮用蒸 馏水、太空水的生产，还应用于生物、医学工程。馏水、太空水的生产，还应用于生物、医学工程。 特点特点 常温条件下，可以对溶质和水进行分离或浓缩，因而能常温条件下，可以对溶质和水进行分离或浓缩，因而能 耗低；耗低； 杂质去除范围广，可去除无机盐和各类有机物杂质；杂质去除范围广，可去除无机盐和各类有机物杂质； 较高的水回用率；较高的

19、水回用率； 分离装置简单，容易操作和维修。分离装置简单，容易操作和维修。 2021-7-25水污染控制工程22 太空水、纯净水、蒸馏水等制备；太空水、纯净水、蒸馏水等制备； 酒类制造及降度用水；酒类制造及降度用水； 医药、电子等行业用水的前期制备；医药、电子等行业用水的前期制备； 化工工艺的浓缩、分离、提纯及配水制备；化工工艺的浓缩、分离、提纯及配水制备； 锅炉补给水除盐软水；锅炉补给水除盐软水； 海水、苦咸水淡化；海水、苦咸水淡化； 造纸、电镀、印染等行业用水及废水处理。造纸、电镀、印染等行业用水及废水处理。 显显 微微 镜镜 下下 膜膜 的的 照照 片片 工业生产中使用的膜分离设备是由工业

20、生产中使用的膜分离设备是由 多个构造相同的单个装置组合而成多个构造相同的单个装置组合而成 的，一般把构成设备的相同的装置的，一般把构成设备的相同的装置 称为称为膜组件（膜组件（membrane modulemembrane module）。 反渗透膜组件有反渗透膜组件有板框式（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)和和中空纤中空纤 维式维式( (hollow fiber)hollow fiber)等四

21、种。等四种。 螺旋卷式反渗透膜组件螺旋卷式反渗透膜组件 工工 业业 应应 用用 的的 反反 渗渗 透透 装装 置置 工业工业 应用应用 的反的反 渗透渗透 装置装置 的膜的膜 组件组件 之间之间 的连的连 接接 反渗透工艺一般包括反渗透工艺一般包括预处理预处理和和膜分膜分 离离两部分两部分。 预处理可以用物理化学法，也可以预处理可以用物理化学法，也可以 用化学法。用化学法。 所采取的预处理方法与原水的物理、所采取的预处理方法与原水的物理、 化学性质及生物学特性有关，还与化学性质及生物学特性有关，还与 膜装置的结构有关。膜装置的结构有关。 制定工艺流程应考虑的因素：制定工艺流程应考虑的因素： 对

22、溶液的分离有不同的质量要求。对溶液的分离有不同的质量要求。 膜元件的使用寿命。膜元件的使用寿命。 反渗透工艺中的级与段：反渗透工艺中的级与段： 段（段（concentrate staging)：指指 膜组件的浓缩液膜组件的浓缩液(浓水浓水)流到下一组膜组件处流到下一组膜组件处 理。流经理。流经n组膜组件，即称为组膜组件，即称为n段。段。 级级(permeate staging)：指膜组件指膜组件 的产品水再经下一组膜组件处理。透过液产的产品水再经下一组膜组件处理。透过液产 品水经品水经n次膜组件处理，称为次膜组件处理，称为n级。级。 一级一段的不同方式 一级一段连续式一级一段连续式一级一段循环式一级一段循环式 可保证出水水质，可保证出水水质， 但水回收率低但水回收率低 可以提高水的回收可以提高水的回收 率，但出水水质有率，但出水水质有 可能下降可能下降 一级多段连续式一级多段连续式 水回收率高，浓缩液量少，浓度高，有利水回收率高，浓缩液量少，浓度高，有利 于回收其中的有用物质。但出水水质差。于回收其中的有用物质。但出水水质差。 一级多段循环式 浓缩液浓度高，出水水质较好。浓缩液浓度高，出水水质较好。 二级五段连续式 第二级第二级 六、超滤六、超滤（Ultrafiltration