环境工程学-第12章 膜分离

1、第第 12 章章 膜分离膜分离Membrane Separation Processes本本 章章 内内 容容第一节第一节 概述概述第二节第二节 电渗析电渗析第三节第三节 反渗透反渗透第四节第四节 超滤超滤第一节第一节 概述概述一、膜分离法一、膜分离法 利用特定膜材料的透过性能，在一定驱动力的作利用特定膜材料的透过性能，在一定驱动力的作用下，实现对水中颗粒、胶体、分子或离子的分离用下，实现对水中颗粒、胶体、分子或离子的分离的方法，称为膜分离法。的方法，称为膜分离法。截留 VS 透过第一节第一节 概述概述二、二、 膜的分类膜的分类按分离机理按分离机理离子交换膜离子交换膜分子扩散膜分子扩散膜微孔膜

2、微孔膜按按 形形 态态固体膜固体膜液体膜液体膜溶胀的凝胶溶胀的凝胶第一节第一节 概述概述按结构形式按结构形式板框式板框式管式及中空纤维式管式及中空纤维式卷式等卷式等按来源按来源/ /性质性质天然膜天然膜合成膜合成膜( (有机膜和无机膜有机膜和无机膜) )第一节第一节 概述概述分子扩散膜分子扩散膜 渗析渗析(Dialysis，简称，简称D) 反渗透反渗透(Reverse Osmosis，简称，简称RO)微孔膜微孔膜微孔过滤微孔过滤(Microfiltration，简称，简称MF)超滤超滤(Ultrafiltration，简称，简称UF)纳滤纳滤(Nanofiltration，简称，简称NF)离子

3、交换膜离子交换膜电渗析电渗析(Electrodialysis，简称，简称ED) 电位差电位差 电渗析电渗析(ED) 压力差压力差 反渗透反渗透(RO) 纳滤纳滤(NF) 超滤超滤(UF) 微滤微滤(MF) 浓度差浓度差 渗析渗析(D)第一节第一节 概述概述三、三、 膜分离推动力膜分离推动力第一节第一节 概述概述膜过程膜过程推动力推动力传质机理传质机理透过物透过物截留物截留物膜类型膜类型电渗析电渗析电位差电位差电解质离子电解质离子选择性透过选择性透过阴、阳离子阴、阳离子非电解质、非电解质、大分子大分子离子离子交换膜交换膜反渗透反渗透压力差压力差溶剂的扩散溶剂的扩散水或溶剂水或溶剂溶质溶质(SS、

4、大分、大分子、离子子、离子)反渗透膜反渗透膜(非对称膜非对称膜或复合膜或复合膜)超滤超滤纳滤纳滤(膜过滤膜过滤)压力差压力差筛滤及筛滤及表面作用表面作用水、盐及小水、盐及小分子有机物分子有机物胶体、大分子、胶体、大分子、不溶有机物不溶有机物超滤膜超滤膜纳滤膜纳滤膜非对称膜非对称膜四、几种常见膜分离方法的对比四、几种常见膜分离方法的对比第一节 概 述第一节第一节 概述概述 (1) 膜分离过程在常温下进行，不发生相变。膜分离过程在常温下进行，不发生相变。 (2) 不改变分离物质的性质。不改变分离物质的性质。 (3) 浓缩、分离同时进行。浓缩、分离同时进行。 (4) 操作简单，运行稳定，分离效率高。

5、操作简单，运行稳定，分离效率高。 (5) 投资较大。投资较大。五、五、 膜分离方法的共同特点膜分离方法的共同特点第一节第一节 概述概述u“18世纪电器改变了整个工业进程，而世纪电器改变了整个工业进程，而20世纪膜技术将世纪膜技术将改变整个面貌改变整个面貌”；“目前没有一项技术能像膜技术这么广泛目前没有一项技术能像膜技术这么广泛地应用地应用”。u膜法水处理技术将会在解决当今世界性水资源危机中发挥膜法水处理技术将会在解决当今世界性水资源危机中发挥它的突出作用它的突出作用u “要想发展化工就必须发展膜技术要想发展化工就必须发展膜技术”； “谁掌握了膜技谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来术，谁就掌握

6、了化工的未来”。u 膜技术膜技术已在苦咸水淡化、工业给水处理、纯水及高纯水已在苦咸水淡化、工业给水处理、纯水及高纯水制备、废水处理、食品工业、医药工业和特殊的化工过程中制备、废水处理、食品工业、医药工业和特殊的化工过程中得到广泛应用。得到广泛应用。六、六、 应用应用第一节第一节 概述概述食品、饮料行业用水系统食品、饮料行业用水系统医用制药工业用水系统医用制药工业用水系统第一节第一节 概述概述纯净水、矿泉水成套设备纯净水、矿泉水成套设备第一节第一节 概述概述住宅、酒店直饮水设备住宅、酒店直饮水设备锅炉补给水系统锅炉补给水系统第一节第一节 概述概述电子、光学工业超纯水电子、光学工业超纯水石油、化工

7、行业用水石油、化工行业用水第一节第一节 概述概述医药化工分离、浓缩医药化工分离、浓缩中成药膜法提取新工艺中成药膜法提取新工艺第一节第一节 概述概述第一节第一节 概述概述膜生物反应器膜生物反应器(MBR)处理生活污水处理生活污水第一节第一节 概述概述“全膜法全膜法”整个系统水净化全部由膜组件来完成，主整个系统水净化全部由膜组件来完成，主要由超滤要由超滤(UF)、反渗透、反渗透(RO)、连续电去离子、连续电去离子(EDI)等组成。等组成。第一节第一节 概述概述第二节第二节 电渗析电渗析电渗析电渗析 在外加直流电在外加直流电场作用下，利用场作用下，利用阴、阳离子交换阴、阳离子交换膜对溶液中的阴、膜对

8、溶液中的阴、阳离子的选择透阳离子的选择透过性，分离溶质过性，分离溶质和水的一种方法。和水的一种方法。 是由离子交换树脂制成的一种特殊膜；是由离子交换树脂制成的一种特殊膜；对阴、阳离子具有选择透过特性；对阴、阳离子具有选择透过特性；是离子交换树脂除盐的另一种应用形式。是离子交换树脂除盐的另一种应用形式。第二节第二节 电渗析电渗析一、一、 离子交换膜离子交换膜 (一一) 离子交换膜的分类离子交换膜的分类 (1) 按膜体结构按膜体结构 A 异相膜异相膜 B 均相膜均相膜 C 半均相膜半均相膜 第二节第二节 电渗析电渗析 A、异相膜、异相膜 由具有交换基团的聚合电解质由具有交换基团的聚合电解质(树脂树

9、脂)与成膜材料与成膜材料(粘合剂粘合剂)粘合粘合制成薄膜，并加入衬网而制成。制成薄膜，并加入衬网而制成。 特点：特点： 聚合电解质不连续；膜的化聚合电解质不连续；膜的化学性能不均匀。学性能不均匀。第二节第二节 电渗析电渗析 B、均相膜、均相膜 完全按离子交换树脂的制造完全按离子交换树脂的制造工艺制成。为连续的膜状物，工艺制成。为连续的膜状物，在膜中聚合电解质和成膜材料在膜中聚合电解质和成膜材料之间发生了之间发生了化学结合化学结合而成为共而成为共聚体。聚体。 特点：化学性能是均匀的，特点：化学性能是均匀的，膜的各部分具有相同特性，是膜的各部分具有相同特性，是单相的。单相的。 第二节第二节 电渗析

10、电渗析 C、半均相膜、半均相膜 聚合电解质与成膜材料混合得十分均匀，它的化聚合电解质与成膜材料混合得十分均匀，它的化学性能的均匀性可以大为提高，但两者之间并没有学性能的均匀性可以大为提高，但两者之间并没有化学结合。化学结合。 第二节第二节 电渗析电渗析 (2) 按膜的选择透过性分按膜的选择透过性分 阳膜阳膜用阳离子交换树脂制成的膜用阳离子交换树脂制成的膜 RSO3- -Na+ 磺酸型磺酸型 阴膜阴膜用阴离子交换树脂制成的膜用阴离子交换树脂制成的膜 RCH2N+ (CH3)3Cl- 季铵盐型季铵盐型 特性：在直流电场作用下，阳膜只能通过阳离特性：在直流电场作用下，阳膜只能通过阳离子，阴膜只能通过

11、阴离子。子，阴膜只能通过阴离子。 第二节第二节 电渗析电渗析(三三) 影响膜选择透过性的因素影响膜选择透过性的因素 (1) 树脂的交联度。交联度高，交换基团浓度高，树脂的交联度。交联度高，交换基团浓度高，选择透过性好。选择透过性好。 (2) 膜结构。化学结构均匀，选择透过性好。膜结构。化学结构均匀，选择透过性好。 (3) 膜外溶液的浓度。浓度高，选择透过性差。膜外溶液的浓度。浓度高，选择透过性差。第二节第二节 电渗析电渗析二、电渗析的工作原理二、电渗析的工作原理第二节第二节 电渗析电渗析 电渗析利用外加直流电场的作用使水中阴、阳离电渗析利用外加直流电场的作用使水中阴、阳离子定向迁移，并利用阴、

12、阳离子交换膜对水溶液中子定向迁移，并利用阴、阳离子交换膜对水溶液中阴、阳离子的选择透过性，使原水在通过电渗析器阴、阳离子的选择透过性，使原水在通过电渗析器时，一部分水被淡化，另一部分则被浓缩，从而使时，一部分水被淡化，另一部分则被浓缩，从而使溶质和溶剂达到分离的一种方法。溶质和溶剂达到分离的一种方法。进水阴极阳极淡水浓水极水极水阳极室淡水室浓水室淡水室浓水室浓水室淡水室阴极室极膜阴膜阳膜阳膜阴膜阴膜极膜第二节第二节 电渗析电渗析三、电渗析器三、电渗析器第二节第二节 电渗析电渗析 由一层层交由一层层交替排列的隔板、替排列的隔板、离子交换膜及两离子交换膜及两端的电极组成，端的电极组成，外面用压板和

13、螺外面用压板和螺杆把隔板和膜压杆把隔板和膜压紧而成。紧而成。1、 膜堆膜堆 (1) 膜堆由若干膜对构成。膜堆由若干膜对构成。 (2) 膜对：阳膜膜对：阳膜+隔板隔板+阴膜阴膜 (3) 隔板：隔板： 在两膜之间保持一定距离在两膜之间保持一定距离(2mm)形成隔室；形成隔室； 形成水流通道、均匀布水；形成水流通道、均匀布水； 强化隔室中水流的湍流程度，减薄界面层厚强化隔室中水流的湍流程度，减薄界面层厚度，减少极化现象。度，减少极化现象。第二节第二节 电渗析电渗析（一）结构（一）结构 膜堆、极区、压紧装置、直流电源膜堆、极区、压紧装置、直流电源2、极区、极区 （提供直流电源，通入、排出极水）（提供直

14、流电源，通入、排出极水） 电极托板电极托板+电极电极+极框极框 (1) 电极电极 作用：形成均匀直流电场。作用：形成均匀直流电场。 要求：导电性能好、机械强度高、要求：导电性能好、机械强度高、能耐腐蚀能耐腐蚀。 材料：涂钛钌电极、铅、石墨、不锈钢材料：涂钛钌电极、铅、石墨、不锈钢 (2) 极框极框 （塑料板）（塑料板） 在电极和膜之间形成极室。在电极和膜之间形成极室。 (3) 极水管：将阴极室、阳极室串联，排出反应产物。极水管：将阴极室、阳极室串联，排出反应产物。第二节第二节 电渗析电渗析3、压紧装置、压紧装置 组成：压板和螺杆组成：压板和螺杆 作用：把隔板和膜压紧而成作用：把隔板和膜压紧而成

15、4、直流电源、直流电源 工作电压：工作电压：40-280V 工作电流：工作电流：4100A 电流密度：电流密度：0.52.3mV/cm2第二节第二节 电渗析电渗析第二节第二节 电渗析电渗析第二节第二节 电渗析电渗析四、四、 极化和结垢极化和结垢 电渗析器运行中在阴膜和阳膜靠浓水的面上有电渗析器运行中在阴膜和阳膜靠浓水的面上有时出现结垢现象。时出现结垢现象。 结垢是由于电渗析器过程所产生的极化现象所结垢是由于电渗析器过程所产生的极化现象所引起的，而电流在电渗析器内传导的特殊性则为极引起的，而电流在电渗析器内传导的特殊性则为极化产生的原因。化产生的原因。第二节第二节 电渗析电渗析六、电渗析在废水处

16、理中的应用六、电渗析在废水处理中的应用 第第 三三 节节 反渗透反渗透 反渗透就是在溶液一侧加上一个大于反渗透就是在溶液一侧加上一个大于渗透压渗透压的压力的压力P P，使得溶液中的水从溶液一侧透过半透膜，使得溶液中的水从溶液一侧透过半透膜渗透至纯水一侧的过程，即渗透的反向过程渗透至纯水一侧的过程，即渗透的反向过程。 第三节第三节 反渗透反渗透第三节第三节 反渗透反渗透 反渗透：向水溶液施加压力，使水透过反渗透膜，反渗透：向水溶液施加压力，使水透过反渗透膜，使水溶液中的分子态和离子态、分子态的溶解物质得使水溶液中的分子态和离子态、分子态的溶解物质得到浓缩。到浓缩。特点特点 分离介质：分子扩散膜，

17、也称半透膜。分离介质：分子扩散膜，也称半透膜。 截留因素：水溶液的渗透压和浓度。截留因素：水溶液的渗透压和浓度。 分离对象：分子态和离子态溶解物。分离对象：分子态和离子态溶解物。 二、反渗透膜二、反渗透膜 (一一) 种类种类 醋酸纤维素膜醋酸纤维素膜CA膜。膜。 芳香族聚酰胺膜芳香族聚酰胺膜中空纤维膜。中空纤维膜。 (二二) 结构结构表皮层表皮层 也称致密层或活化也称致密层或活化层。厚度为层。厚度为0.251微米，起微米，起脱盐作用。孔径小于脱盐作用。孔径小于100 过渡层过渡层 孔径孔径200 ，多孔层多孔层 孔径孔径10004000 过渡层为表皮层和多孔过渡层为表皮层和多孔层间的过渡，两层

18、占总厚层间的过渡，两层占总厚度的度的99%，无脱盐作用。，无脱盐作用。 醋酸纤维素是成膜材料；醋酸纤维素是成膜材料；丙酮是成膜过程所用溶剂；丙酮是成膜过程所用溶剂；常用添加剂为甲酰胺、过常用添加剂为甲酰胺、过氯酸镁。氯酸镁。第三节第三节 反渗透反渗透第三节第三节 反渗透反渗透 (三三) 反渗透膜的渗透机理反渗透膜的渗透机理 (1) RO膜具有微孔结膜具有微孔结构构选择性吸附选择性吸附-毛细流动理论毛细流动理论 反渗透膜看作是微细多孔结构物质。反渗透膜看作是微细多孔结构物质。 膜具有选择吸附纯水而排斥溶质膜具有选择吸附纯水而排斥溶质(盐分盐分)的特性，可在膜表面上形成的特性，可在膜表面上形成1H

19、2O厚的纯厚的纯水层。水层。在压力作用下，纯水层中水分子不断通在压力作用下，纯水层中水分子不断通过毛细管流过。过毛细管流过。高价离子被排斥较远。高价离子被排斥较远。第三节第三节 反渗透反渗透(2) RO膜不存在微孔结构膜不存在微孔结构氢键理论氢键理论 膜为具有高度有序矩阵结构的膜为具有高度有序矩阵结构的聚合物，与水等溶剂形成氢键。聚合物，与水等溶剂形成氢键。 盐水中的水分子能与膜上碳基盐水中的水分子能与膜上碳基的氧原子形成氢键，形成所谓的的氧原子形成氢键，形成所谓的“结合水结合水”。 在力的作用下，在力的作用下，“结合水结合水”能能从第一个氢键位置断裂而转移到从第一个氢键位置断裂而转移到下一个

20、位置形成新的氢键。下一个位置形成新的氢键。 水分子通过一连串氢键形成和水分子通过一连串氢键形成和断裂而不断移位，直至离开表皮断裂而不断移位，直至离开表皮层而进人支撑层层而进人支撑层,畅通流出膜外。畅通流出膜外。第三节第三节 反渗透反渗透技术发展历程：1784年法国学者阿贝诺伦特发现，水能自然地扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象，发现并证实了渗透现象。1953年美国佛罗里达大学的里德(Reid)教授在美国内务部盐水局(OSW)开始进行反渗透的研究；1960年洛布和索里拉金制成了第一张高通量和高脱盐率的醋酸纤维素膜，为反渗透和超滤膜的分离技术奠定了基础。1961年美国Hevens公

21、司首先提出管式膜组件的制造方法；1964年美国通用原子公司研制出螺旋式反渗透组件；1965年美国加里福尼亚大学制造出用于苦咸水淡化的管式反渗透装置；1967年美国杜邦公司首先研制出以尼龙-66为膜材料的中空纤维膜组件；1970年杜邦公司又研制出以芳香聚酞胺为膜材料的“Permasep B-9”中空纤维膜组件，获1971年美国柯克帕特里克化学工程最高奖。1966年我国开始开展反渗透半透膜的研究。第三节第三节 反渗透反渗透六、反渗透装置六、反渗透装置 优点：优点：能承受高压；能承受高压；缺点：缺点：占地面积大，易产生浓差极化。占地面积大，易产生浓差极化。第三节第三节 反渗透反渗透 板框式反渗透器板

22、框式反渗透器反渗透单元组成：反渗透单元组成： 承压板；承压板； 微孔支撑板覆盖承压微孔支撑板覆盖承压板两侧；板两侧； 反渗透膜粘贴在微孔反渗透膜粘贴在微孔板的两面。板的两面。 多个反渗透单元叠合多个反渗透单元叠合用长螺栓固定，装入密用长螺栓固定，装入密封耐压容器中封耐压容器中反渗反渗透器。透器。第三节第三节 反渗透反渗透管式反渗透器管式反渗透器 膜的外形是管状的，有内膜的外形是管状的，有内压式和外压式两种。压式和外压式两种。 管状膜衬在耐压微孔管套管状膜衬在耐压微孔管套上，并把许多单管以串联或上，并把许多单管以串联或并联方式连接装配成管束。并联方式连接装配成管束。多采用内压式。多采用内压式。优

23、点：水流流态好，易安装、优点：水流流态好，易安装、清洗、拆换；清洗、拆换；缺点：单位体积内膜面积小。缺点：单位体积内膜面积小。优点：单位体积膜填充面积大， 水流流态好，结构紧凑；缺点：易堵、清洗较困难。第三节第三节 反渗透反渗透卷式反渗透器卷式反渗透器卷式反渗透膜件：卷式反渗透膜件： 两张膜贴连成袋形反渗透两张膜贴连成袋形反渗透膜中间夹一层多孔支撑材料；膜中间夹一层多孔支撑材料； 袋形膜之间设浓水导流网袋形膜之间设浓水导流网, 袋形膜的开口固定在多孔袋形膜的开口固定在多孔集水管上；以淡水管为轴卷成集水管上；以淡水管为轴卷成螺旋卷状而成。螺旋卷状而成。 盐水由一端流人导流隔网盐水由一端流人导流隔

24、网，从另一端流出。，从另一端流出。优点：单位体积膜填充密度大，结构紧凑单位体积膜填充密度大，结构紧凑; ;缺点：易堵、清洗困难，对预处理要求高。易堵、清洗困难，对预处理要求高。第三节第三节 反渗透反渗透空心纤维式反渗透器空心纤维式反渗透器 纤维外径纤维外径50-100m，壁厚壁厚12-25 m ,内径为内径为25-50m 。 将多根中空长纤维弯成将多根中空长纤维弯成U形装在耐压容器中，开形装在耐压容器中，开口端固定在圆板上用环氧口端固定在圆板上用环氧树脂密封，构成反渗透器。树脂密封，构成反渗透器。 在高压作用下，淡水透在高压作用下，淡水透过每根纤维管管壁进人管过每根纤维管管壁进人管内，由开口端

25、汇集流出容内，由开口端汇集流出容器。器。第三节第三节 反渗透反渗透四、浓差极化与预防措施四、浓差极化与预防措施 1、浓差极化、浓差极化 在运行过程中，膜界面层处，溶液溶质浓度大于主在运行过程中，膜界面层处，溶液溶质浓度大于主体流中的溶质浓度，溶质在膜界面出现浓聚的现象。体流中的溶质浓度，溶质在膜界面出现浓聚的现象。 2、危害、危害 (1) 透水率降低；透水率降低； (2) 透盐率升高；透盐率升高； (3) 难溶盐在膜表面上沉淀，加快膜的变质速度。难溶盐在膜表面上沉淀，加快膜的变质速度。第三节第三节 反渗透反渗透3、预防措施、预防措施 (1) 提高进水水流速度，加速离子的扩散。提高进水水流速度，

26、加速离子的扩散。 (2) 一般透盐率高，浓差极化现象严重，为减轻浓一般透盐率高，浓差极化现象严重，为减轻浓差极化现象，循环脱盐可提高透水率和水的回收率。差极化现象，循环脱盐可提高透水率和水的回收率。 (3) 预处理：预处理： 去除水中的胶体物质、悬浮物和油类物质；去除水中的胶体物质、悬浮物和油类物质； 调调pH值值(pH6) 抑制碳酸盐结垢和铁、锰沉淀；抑制碳酸盐结垢和铁、锰沉淀； 加稳定剂加稳定剂(聚磷酸盐聚磷酸盐)可抑制硫酸盐垢的生成。可抑制硫酸盐垢的生成。第三节第三节 反渗透反渗透一、超滤一、超滤 利用微孔膜为介质，截留普通过滤法不能分离的高利用微孔膜为介质，截留普通过滤法不能分离的高分子有机物。如细菌、蛋白质、颜料和油类等。分子有机物。如细菌、蛋白质、颜料和油类等。二、与反渗透的比较二、与反渗透的比较 (一一) 相同点相同点 均为以膜为介质的分离过程，且膜的材质相同。均为以膜为介质的分离过程，且膜的材质相同。 推动力相同，均为静压差。推动力相同，均为静压差。第四节第四节 超滤超滤 (二二) 不同点不同点 1、膜结构和截留因素、膜结构和截留因素 反渗透：分子扩散膜，截留因素溶液浓度和渗透压。反渗透：分子扩散膜，截留因素溶液浓度和渗透压。 超超 滤：微孔膜，截留