水质工程学第9章膜过滤技术

1、 第第2篇篇 物理、化学及物理化学控物理、化学及物理化学控制技术制技术第第9章章 膜过滤技术膜过滤技术 9.1 膜分离法膜分离法 (Membrane Separation Processes)2022-4-21水质工程4 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。

2、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2022-4-21水质工程6 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

3、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。2022-4-21水质工程7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；以化学位差为推动力，物质发生由高位向低位的流动。以化学位差为推动力，物质发生由高位向低位的流动

4、。推推 动动 力力膜膜 过过 程程压力差压力差反渗透，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。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；例如在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

5、离、分级和浓缩；性物料，如果汁、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、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、处理效率高等特点；适用范围广、处理效率高等特点；（d d）由于目前膜的成本较高，所以膜分离法投资较高，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般用于回收废水中的有用成分或水的回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用处

6、理。2022-4-21水质工程9 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。 2022-4-21水质工程10膜过

7、程膜过程推动力推动力传质机理传质机理透过物及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压力差压力差2-10MPa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压力差0.1-10.MPa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和扩散扩散电解质离子电解

8、质离子溶剂（非溶剂（非电解质电解质液膜液膜2022-4-21水质工程11 （1）化学）化学/染料工业染料工业 活性染料的脱盐、纯化、浓缩与回收活性染料的脱盐、纯化、浓缩与回收 食品染料的脱盐、纯化、浓缩与回收食品染料的脱盐、纯化、浓缩与回收催化剂与贵金属的回收利用催化剂与贵金属的回收利用脱氧、氧化、酯化、皂化、磺化、硝化、脱氢反应中液体的分离、纯化脱氧、氧化、酯化、皂化、磺化、硝化、脱氢反应中液体的分离、纯化甘油甘油/己内酰胺己内酰胺/苯苯/染料活性剂等有机化工原料的回收染料活性剂等有机化工原料的回收汽车汽车/仪表及其它工业涂漆的浓缩回收仪表及其它工业涂漆的浓缩回收（2）食品）食品/饮料工业饮

9、料工业 啤酒啤酒/果酒果酒/黄酒黄酒/葡萄酒的澄清除菌过滤葡萄酒的澄清除菌过滤苹果、梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、柠檬等果汁的澄清除菌过滤苹果、梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、柠檬等果汁的澄清除菌过滤苹果、梨、凤梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、柠檬等果汁的脱水浓缩苹果、梨、凤梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、柠檬等果汁的脱水浓缩葡萄酒葡萄酒/果酒果酒/茶茶/咖啡芬香气味的浓缩保留咖啡芬香气味的浓缩保留豆蛋白豆蛋白/乳清蛋白乳清蛋白/白蛋白白蛋白/单糖单糖/多糖溶液的澄清与浓缩多糖溶液的澄清与浓缩乳清、奶酶及其他乳品的澄清、脱盐与浓缩乳清、奶酶及其他乳品的澄清、脱盐与浓缩蔬菜抽提汁蔬菜抽提汁/西

10、红柿汁的脱水浓缩西红柿汁的脱水浓缩 2022-4-21水质工程12（3）制药）制药/生物工程生物工程 抗生素、维生素、有机酸、氨基酸、酶等发酵液的澄清除菌过滤抗生素、维生素、有机酸、氨基酸、酶等发酵液的澄清除菌过滤抗生素、维生素、有机酸、氨基酸等发酵液的蛋白剔除抗生素、维生素、有机酸、氨基酸等发酵液的蛋白剔除酶、蛋白质、多糖制备过程中细胞碎片的剔除酶、蛋白质、多糖制备过程中细胞碎片的剔除抗生素、氨基酸、维生素、有机酸、酶、多糖、蛋白质的纯化与浓缩抗生素、氨基酸、维生素、有机酸、酶、多糖、蛋白质的纯化与浓缩6-APA、7-ACA、7-ADCA及其他半合成抗生素的脱盐浓缩及其他半合成抗生素的脱盐浓

11、缩中成药、保健品口服液的澄清除菌过滤中成药、保健品口服液的澄清除菌过滤动物血浆、血清的浓缩精制动物血浆、血清的浓缩精制其他相关的脱盐浓缩、澄清除菌、蛋白剔除、细胞收集等分离过程其他相关的脱盐浓缩、澄清除菌、蛋白剔除、细胞收集等分离过程（4）空气过滤）空气过滤 喷雾干燥过程中染料、抗生素、奶粉等的回收喷雾干燥过程中染料、抗生素、奶粉等的回收 电池厂金属镉、氧化铅粉尘的收集电池厂金属镉、氧化铅粉尘的收集 粉碎过程中磷酸盐、氧化镁、二氧化钛、碳粉、水泥、碳酸钙的回收粉碎过程中磷酸盐、氧化镁、二氧化钛、碳粉、水泥、碳酸钙的回收 包装过程中砂糖、染料、奶粉、味精等的回收包装过程中砂糖、染料、奶粉、味精等

12、的回收 干燥过程中干燥过程中PVC、二氧化硅、活性碳、肥料等的回收二氧化硅、活性碳、肥料等的回收 合成氨尾气中氢气的回收利用合成氨尾气中氢气的回收利用 其他一切有关的粉尘收集及空气除尘过程其他一切有关的粉尘收集及空气除尘过程 2022-4-21水质工程13（5）水处理）水处理 饮用纯水（太空水）的制备、海水淡化饮用纯水（太空水）的制备、海水淡化 医药工业中注射用水医药工业中注射用水/洗瓶水及其他无菌水的制备洗瓶水及其他无菌水的制备 电子工业中超纯水的制备电子工业中超纯水的制备 火力发电厂锅炉补给水的制备火力发电厂锅炉补给水的制备 饮料与化妆品工业中产品配方用水的制备饮料与化妆品工业中产品配方用

13、水的制备 制造业中终端洗涤水的制备制造业中终端洗涤水的制备 饮用水纯化饮用水纯化/苦碱水脱盐苦碱水脱盐/海水淡化海水淡化 废水循环与再生利用（零排放）废水循环与再生利用（零排放） BOD/COD的最小化的最小化 垃圾填埋场渗出水的浓缩处理垃圾填埋场渗出水的浓缩处理 染料、颜料、油漆、含油废水的处理染料、颜料、油漆、含油废水的处理 纸浆与造纸废水的处理及木素磺酸盐的回收纸浆与造纸废水的处理及木素磺酸盐的回收 金属、食品、皮革、农药和除草剂废水的处理金属、食品、皮革、农药和除草剂废水的处理 纺织印染废水的处理及丝光废水的回收利用纺织印染废水的处理及丝光废水的回收利用 2022-4-21水质工程14

14、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

15、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

16、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，不能进入室，而而H 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 42-2-一起进入室一起进入室，以保持，以保持溶液的电中性。这样，室溶液的电中性。这

17、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。 2022-4-21水质工程16 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

18、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NaOH2022-4-21水质工程17四、电渗析（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

19、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。+阳极阳极阴极阴极Cl-Na阳膜阳极室阳极室Cl-Cl-Cl-NaNaCl-NaNaCl-Cl-NaNa浓缩室淡化室淡化室浓缩室阴极室阴极室阴膜阳膜阴膜v 电渗析过程原理图电渗析过程原理图222CleClHOHOH22OHOeOH22244HClOHClOHCl22OHHeOH22

20、222NaOHOHNa2022-4-21水质工程202 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，能排斥水中的阴离子，吸引水中的阳离子并使其通过

21、。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

22、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。2022-4-21水质工程22 离子交换膜是一种由高分子材料制成的具有离子交换基团离子交换膜是一种由高分子材料制成的具有离子交换基团的薄膜，其所以具有选择透过性主要是由于的薄膜，其所以具有选择透过性主要是由于膜上孔隙膜上孔隙和和膜上膜上离子基团离子基团的作用。的作用。 膜上孔隙的作用是，在膜的高分子键之间有一足够大的孔膜上孔隙的作用是，在膜的高分子键之间有一足够大的孔隙，以容纳离子的进出和通过。是离子通过膜的大门和通道。隙，以容纳离子的进出和通过。是离子通过膜的大门和通道。 膜上离子基团的作用是，在膜的高分子链上，连接着一些膜上离子

23、基团的作用是，在膜的高分子链上，连接着一些可以发生解离作用的活性基团。在水溶液中，膜上的活性基可以发生解离作用的活性基团。在水溶液中，膜上的活性基因会发生解离作用，解离所产生的离子因会发生解离作用，解离所产生的离子(或称反离子）进入溶或称反离子）进入溶液。于是，在膜上就留下了带有一定电荷的固定基团。存在液。于是，在膜上就留下了带有一定电荷的固定基团。存在于膜微孔中的带一定电荷的固定基团，好比在一条狭长的通于膜微孔中的带一定电荷的固定基团，好比在一条狭长的通道中设立的一个个关卡或道中设立的一个个关卡或“警卫警卫”，以鉴别和选择通过的离，以鉴别和选择通过的离子。子。注意：注意：离子交换膜的作用离子

24、交换膜的作用并不是起离子交换并不是起离子交换的作用，而是起的作用，而是起离子离子选择透过性选择透过性作用。作用。2022-4-21水质工程23离子交换膜功能示意图离子交换膜功能示意图2022-4-21水质工程24 3 3、电渗析器、电渗析器 电渗析器由电渗析器由膜堆、极区膜堆、极区和夹紧装置和夹紧装置三部分组成。膜堆三部分组成。膜堆位于电渗析器的中部，由阳膜、位于电渗析器的中部，由阳膜、浓（或淡）水室隔板、阴膜、浓（或淡）水室隔板、阴膜、淡（浓）水室隔板交替排列成淡（浓）水室隔板交替排列成浓水室和淡水室。极区位于膜浓水室和淡水室。极区位于膜堆两侧，包括电极、极水框和堆两侧，包括电极、极水框和保

25、护室，其作用是供给电渗析保护室，其作用是供给电渗析器直流电，将原水导入膜堆的器直流电，将原水导入膜堆的配水孔，将淡水和浓水排出电配水孔，将淡水和浓水排出电渗析器，并通入和排出极水。渗析器，并通入和排出极水。压紧装置由盖板和螺杆组成，压紧装置由盖板和螺杆组成，其作用是将极区和膜堆组成不其作用是将极区和膜堆组成不漏水的电渗析器整体，可采用漏水的电渗析器整体，可采用压板和螺栓拉紧，也可采用液压板和螺栓拉紧，也可采用液压压紧。压压紧。 电渗析器的组装依其应电渗析器的组装依其应用不同而有所不同。其用不同而有所不同。其组装的情况是用级和段组装的情况是用级和段来表示的。来表示的。级：级：一对正、负电极之一对

26、正、负电极之间的膜堆称为一级。间的膜堆称为一级。段：段：具有同一水流方向具有同一水流方向的并的并联膜堆称为一段联膜堆称为一段。电渗析器的组装示意图电渗析器的组装示意图2022-4-21水质工程26（2 2）电渗析器的级与段）电渗析器的级与段一级一段一级一段一级两段一级两段两级一段两级一段两级两段两级两段一对正、负电极之间的膜堆称为一级一对正、负电极之间的膜堆称为一级具有同一水流方向的并具有同一水流方向的并联膜堆称为一段联膜堆称为一段（3）实际应）实际应用的电渗析器用的电渗析器2022-4-21水质工程28 4 4、电渗析在废水处理中的应用、电渗析在废水处理中的应用 目前，电渗析在废水处理实践中

27、应用最普遍的有：目前，电渗析在废水处理实践中应用最普遍的有： 造纸工业废水处理，利用电渗析法处理造纸工业造纸工业废水处理，利用电渗析法处理造纸工业的亚硫酸纸浆废液和洗浆废水及碱法造纸黑液，从的亚硫酸纸浆废液和洗浆废水及碱法造纸黑液，从中回收化学药品，已得到工业应用。中回收化学药品，已得到工业应用。 从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化钠。从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化钠。 从酸洗废液中制取硫酸和沉淀重金属离子。从酸洗废液中制取硫酸和沉淀重金属离子。 电镀废水和废液处理，含电镀废水和废液处理，含CdCd2+2+、CuCu2+2+、NiNi2+2+、ZnZn2+2+、CrCr6+6+等重金属离子和氰化物的电

28、镀废水都适宜用电等重金属离子和氰化物的电镀废水都适宜用电渗析法处理，其中应用最成熟的是含镍废水处理。渗析法处理，其中应用最成熟的是含镍废水处理。 从放射性废水中分离放射性元素，然后将其浓缩从放射性废水中分离放射性元素，然后将其浓缩液掩埋。液掩埋。 2022-4-21水质工程29 五、反渗透（五、反渗透（RORO） Reverse OsmosisReverse Osmosis1 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、反渗透工艺流程孔径大小依次是孔径大小依次是 微滤、超滤、纳滤、反

29、渗透微滤、超滤、纳滤、反渗透 2022-4-21水质工程301 1、概述、概述 反渗透是一项高新膜分离技术，其孔径很小，它能反渗透是一项高新膜分离技术，其孔径很小，它能去除去除滤液中的离子范围和分子量很小的有机物，如细菌、病滤液中的离子范围和分子量很小的有机物，如细菌、病毒、热源等毒、热源等。它已广泛用于海水或苦咸水淡化、电子、。它已广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。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

30、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。2022-4-21水质工程31 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

31、纸、电镀、印染等行业用水及废水处理。 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，半透膜又不允由于浓度差存在，半透膜又不允许溶质通过，所以水透过膜，使许溶质通过，所以水透过膜，使浓水一边液面升高，产生渗透压浓水一边液面升高，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。2022-4-21水质工程33 一种只能透过溶剂而不能透过溶质的膜称为一种只能透过溶剂而不能透过溶质的膜称为半透膜半透膜。当。当把溶剂和溶液把溶剂和溶液(

32、或把两种不同浓度的溶液或把两种不同浓度的溶液)分别置于此膜的分别置于此膜的两侧时，纯溶剂将自然穿过半透膜而自发地向溶液两侧时，纯溶剂将自然穿过半透膜而自发地向溶液(或从或从低浓度溶液向高浓度溶液低浓度溶液向高浓度溶液)一侧流动，这种现象叫做一侧流动，这种现象叫做渗透渗透。此此H称为该溶液的称为该溶液的渗透压渗透压 。=iRTc 若在溶液的液面上再施加一个大于若在溶液的液面上再施加一个大于 的压力的压力P时，溶剂将与时，溶剂将与原来的渗透方向相反，开始从溶液向溶剂一侧流动，这就是所原来的渗透方向相反，开始从溶液向溶剂一侧流动，这就是所谓的谓的反反渗透。渗透。 凡基于此原理所进行的浓缩或纯化溶液的

33、分离方法，一般凡基于此原理所进行的浓缩或纯化溶液的分离方法，一般称之为称之为反渗透工艺反渗透工艺。 反渗透是渗透的一种反向迁移运动，它主要是在反渗透是渗透的一种反向迁移运动，它主要是在压力推动压力推动下，借助下，借助半透膜的截留作用半透膜的截留作用，迫使溶液中的济剂与溶质分开。，迫使溶液中的济剂与溶质分开。3 3反渗透膜及其透过机理反渗透膜及其透过机理（1 1）对反渗透膜的性能要求）对反渗透膜的性能要求选择性好，单位膜面积上透水量大，脱选择性好，单位膜面积上透水量大，脱盐率高；盐率高；机械强度好，能抗压、抗拉、耐磨；机械强度好，能抗压、抗拉、耐磨；热和化学的稳定性好，能耐酸、碱腐蚀热和化学的稳

34、定性好，能耐酸、碱腐蚀和微生物侵蚀，耐水解、辐射和氧化；和微生物侵蚀，耐水解、辐射和氧化；结构均匀一致，尽可能地薄，寿命长，结构均匀一致，尽可能地薄，寿命长，成本低。成本低。（2 2）反渗透膜的分类）反渗透膜的分类按成膜材料按成膜材料可分为可分为有机膜有机膜和和无机高聚物膜无机高聚物膜；按膜的形状按膜的形状可分为可分为平板状平板状、管状管状、中空纤中空纤维状维状膜；膜；按膜结构按膜结构可分为多孔性和致密性膜，或可分为多孔性和致密性膜，或对对称牲称牲( (均匀性均匀性) )和和不对称性不对称性( (各向异性各向异性) )结构结构膜；膜；按应用对象按应用对象可分为海水淡化用的可分为海水淡化用的海水

35、膜海水膜、咸水淡化用的咸水淡化用的咸水膜咸水膜及用于及用于废水处理废水处理、分分离提纯离提纯等的膜。等的膜。 膜的结构膜的结构醋酸纤维素是没有强烈氢键的无定形链状高醋酸纤维素是没有强烈氢键的无定形链状高分子化合物。分子化合物。制膜过程是将其溶解在丙酮中并加入甲酰胺制膜过程是将其溶解在丙酮中并加入甲酰胺作添加剂，经混合调制、过滤、铸塑成型，作添加剂，经混合调制、过滤、铸塑成型，然后再经蒸发、冷水浸渍、热处理，即可得然后再经蒸发、冷水浸渍、热处理，即可得到醋酸纤维素到醋酸纤维素 ( (cellulose acetate,CA)cellulose acetate,CA)膜。膜。外观为乳白色、半透明，

36、有一定的韧性，膜外观为乳白色、半透明，有一定的韧性，膜厚厚l00l00250250 mm。这种膜有不对称结构，表面结构致密，这种膜有不对称结构，表面结构致密，孔隙很小，通称为表皮层或致密层、活孔隙很小，通称为表皮层或致密层、活化层；下层结构较疏松，孔隙较大，通化层；下层结构较疏松，孔隙较大，通称为多孔层或支撑层。称为多孔层或支撑层。示意示意CACA膜是被水充分溶胀了的凝胶体。膜是被水充分溶胀了的凝胶体。由于铸膜液中的所有添加剂及溶剂由于铸膜液中的所有添加剂及溶剂在制膜过程中先后被除去，膜中仅在制膜过程中先后被除去，膜中仅含水分。含水分。链接链接醋酸纤维素膜的结构示意图99表皮层，孔径表皮层，孔

37、径（810）1010m过渡层，孔径过渡层，孔径2001010m多孔层，孔径多孔层，孔径（10004000）1010m1%显显微微镜镜下下膜膜的的照照片片在相对湿度为在相对湿度为100100时，膜的含水量高达时，膜的含水量高达6060，其中表皮层只含，其中表皮层只含10102020，且主，且主要是以氢键形式结合的所谓一级结合水和要是以氢键形式结合的所谓一级结合水和少量的二级结合水。少量的二级结合水。多孔层中除上述两种结合水外，较大的孔多孔层中除上述两种结合水外，较大的孔隙中还充满着毛细管水，此层中含水率较隙中还充满着毛细管水，此层中含水率较高。高。正由于膜中存在这几种不同性质的水，决正由于膜中存

38、在这几种不同性质的水，决定了定了CACA膜具有良好的脱盐性能和适宜的透膜具有良好的脱盐性能和适宜的透水性能。水性能。膜必须保存在水中膜必须保存在水中。 CACA膜的性质膜的性质（a a）膜的方向性：膜的方向性：由于由于CACA膜是一种不对称膜，因此，在进膜是一种不对称膜，因此，在进行反渗透时，必须保持表层与待处理的行反渗透时，必须保持表层与待处理的溶液或废水接触，而决不能倒置，否则溶液或废水接触，而决不能倒置，否则达不到处理的目的。达不到处理的目的。（b b）选择透过性：选择透过性：CACA膜对无机电解质和有机物具有选择透膜对无机电解质和有机物具有选择透过性过性。对电解质，离子价越高，或同价离

39、子水合对电解质，离子价越高，或同价离子水合半径越大，则脱除效果越好。半径越大，则脱除效果越好。阳离子的脱除顺序为：阳离子的脱除顺序为：Sr2+Ba2+Li+Na+ K+。阴离子的脱除阴离子的脱除顺序为：柠檬酸根顺序为：柠檬酸根酒石酸根酒石酸根SO42-CH3COO-Cl-Br-NO3-I-SCN-。对有机物，一般是水溶性好的、非解离性对有机物，一般是水溶性好的、非解离性的、分子量小的脱除效果较差。而解离性的、分子量小的脱除效果较差。而解离性大的、分子量大于大的、分子量大于200200的有机物，则脱除的有机物，则脱除效果较好。对同一类有机物，随分子量增效果较好。对同一类有机物，随分子量增大，脱除

40、效率增加。对同分子量有机物，大，脱除效率增加。对同分子量有机物，随分子支链的增加，脱除效果变得更好。随分子支链的增加，脱除效果变得更好。（c c）压密效应：压密效应：CA膜在压力作用下，外观厚度一般减少膜在压力作用下，外观厚度一般减少2550，同时，透水性及对溶质的，同时，透水性及对溶质的脱除率也相应降低，这种现象称为膜的脱除率也相应降低，这种现象称为膜的压密效应。这种塑性变形是不可逆的，压密效应。这种塑性变形是不可逆的，因此膜的性能在压力消失后不会恢复。因此膜的性能在压力消失后不会恢复。（d）膜的水解作用和生物分解作用：膜的水解作用和生物分解作用：CA膜是一种酯，易于水解，水解速率与膜是一种

41、酯，易于水解，水解速率与pH值和水的温度有关。一般在碱性介质值和水的温度有关。一般在碱性介质中的水解速率比在酸性介质中大，在中的水解速率比在酸性介质中大，在pH4.55.2时最低。时最低。2022-4-21水质工程45（3 3）反渗透膜的透过机理）反渗透膜的透过机理1 1）氢键理论）氢键理论该理论认为，水透过膜是由于水分子和膜的该理论认为，水透过膜是由于水分子和膜的活化点形成氢键及断开氢键的过程。活化点形成氢键及断开氢键的过程。即在高压作用下，溶液中水分子和膜表皮层即在高压作用下，溶液中水分子和膜表皮层活化点缔合，原活化点上的结合水解离出来，活化点缔合，原活化点上的结合水解离出来，解离出来的水

42、分子继续和下一个活化点缔合，解离出来的水分子继续和下一个活化点缔合，又解离出下一个结合水。又解离出下一个结合水。水分子通过一连串的缔合解离过程，依次从一个水分子通过一连串的缔合解离过程，依次从一个活化点转移到下一个活化点，直至离开表皮层，进活化点转移到下一个活化点，直至离开表皮层，进入多孔层。入多孔层。2022-4-21水质工程462)2)优先吸附毛细管流理论优先吸附毛细管流理论该理论把反渗透膜看作一种微细多孔结该理论把反渗透膜看作一种微细多孔结构物质，它有选择性吸附水分子而排斥构物质，它有选择性吸附水分子而排斥溶质分子的化学特性。溶质分子的化学特性。当水溶液同膜接触时，膜表面优先吸附当水溶液

43、同膜接触时，膜表面优先吸附水分子，在界面上形成一层不含溶质的水分子，在界面上形成一层不含溶质的纯水分子层，其厚度视界面性质而异，纯水分子层，其厚度视界面性质而异，或为单分子层或为多分子层。或为单分子层或为多分子层。在外压作用下，界面水层在膜孔内产生在外压作用下，界面水层在膜孔内产生毛细管流连续地透过膜。毛细管流连续地透过膜。2022-4-21水质工程473 3）溶解溶解- -扩散机理扩散机理 溶剂与溶质透膜的机理是由于溶剂溶剂与溶质透膜的机理是由于溶剂与溶质在膜中的溶解，然后在化学位差与溶质在膜中的溶解，然后在化学位差的推动力下，从膜的一侧向另一侧进行的推动力下，从膜的一侧向另一侧进行扩散，直

44、至透过膜。扩散，直至透过膜。 工业生产中使用的膜分离设备是由工业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( (ho

45、llow fiber)hollow fiber)等四种。等四种。2022-4-21水质工程49四种反渗透装置的性能及操作特点四种反渗透装置的性能及操作特点 比较项目比较项目板板 框框 式式管管 式式螺旋卷式螺旋卷式中空纤维式中空纤维式填充密度填充密度（m2 /m3）201502501800易污染程度易污染程度难难中等中等易易易易膜清洗难度膜清洗难度内压式易，内压式易，外压式难外压式难易易难难难难膜更换难度膜更换难度内压式难，内压式难，外压式易外压式易一般一般易易易易原水预处理原水预处理成本成本低低中等中等高高高高相对价格相对价格高高高高低低低低（1 1）板框式反渗透膜组件）板框式反渗透膜组件装

46、配图装配图进水进水透过水透过水浓缩水浓缩水耐压容器耐压容器透水板透水板半透膜半透膜板框式膜组件工板框式膜组件工作过程示意图作过程示意图特点：特点：结构简单，体积结构简单，体积比管式的小。比管式的小。缺点：缺点：装卸复装卸复杂，单杂，单位体积位体积膜表面膜表面积小。积小。（2 2）管式反渗透膜组件）管式反渗透膜组件管式膜组件又分为内压式和外压式内压式管式膜组件的内部结构示意图内压式管式膜组件的内部结构示意图特点特点:v 水力条件好，安水力条件好，安装、清洗、维修比装、清洗、维修比较方便。较方便。v 能耐高压，可以能耐高压，可以处理高粘度的原水。处理高粘度的原水。v 缺点是膜的有效缺点是膜的有效面

47、积小，装置体积面积小，装置体积大，而且两端要较大，而且两端要较多的联结装置多的联结装置。淡水淡水膜表皮层膜表皮层玻璃纤维管玻璃纤维管进进水水束式外压式膜组件束式外压式膜组件 1 1档圈；档圈；2 2集水密封环；集水密封环；3 3聚氯乙烯烧结板；聚氯乙烯烧结板；4 4锥形多孔橡胶塞；锥形多孔橡胶塞；5 5密封管接头；密封管接头；6 6进水进水口；口；7 7壳体；壳体；8 8橡胶胆；橡胶胆；9 9出水口；出水口；1010膜膜元件；元件；1111网套；网套；1212O O形密封圈；形密封圈；1313档圈槽；档圈槽；1414淡水出口淡水出口（3 3）螺旋卷式反渗透膜组件）螺旋卷式反渗透膜组件密封密封密

48、封密封密封密封螺旋卷式膜组件一个膜叶结构示意图螺旋卷式膜组件一个膜叶结构示意图多孔透水材料多孔透水材料膜，上下两层膜，上下两层膜叶膜叶透水网状材料透过水透过水浓浓水水进进水水螺旋卷式膜组件组合示意图螺旋卷式膜组件组合示意图膜组件的组装示意图膜组件的组装示意图进进水水口口耐压耐压容器容器连连接接器器膜膜组组件件密密封封圈圈端端盖盖透透过过液液浓浓缩缩液液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螺旋卷式反溶透装置的特点：螺旋卷式反溶透装置的特点：结构紧凑，单位容积的膜面积大。结构紧凑，单位容积的膜面积大。处理能力高，占地面

49、积小，操作方处理能力高，占地面积小，操作方便。便。缺点是不能处理含有悬浮物的液体，缺点是不能处理含有悬浮物的液体，原水流程短，压力损失大，浓水难原水流程短，压力损失大，浓水难于循环以及密封长度大，清洗、维于循环以及密封长度大，清洗、维修不方便，易堵塞。修不方便，易堵塞。中空纤维膜组件是由中空纤维膜制成的。中空纤维膜组件是由中空纤维膜制成的。中空纤维外径中空纤维外径5020050200 m m，内径内径2525 4242 m m。将数万至数十万根中空纤维制成膜束，膜将数万至数十万根中空纤维制成膜束，膜束外侧覆以保护性格网，内部中间放置供束外侧覆以保护性格网，内部中间放置供分配原水用的多孔管，膜束

50、两端用环氧树分配原水用的多孔管，膜束两端用环氧树脂加固。脂加固。将其一端切断，使纤维膜呈开口状，并在将其一端切断，使纤维膜呈开口状，并在这一侧放置多孔支撑板。将整个膜束装在这一侧放置多孔支撑板。将整个膜束装在耐压筒内。耐压筒内。中空纤维反渗透组件简图中空纤维反渗透组件简图 进水浓水浓水透过水透过水多孔进水管多孔进水管浓水出口浓水出口淡水出口淡水出口密封密封中空纤维膜中空纤维膜外径外径50200内径内径2542密封密封耐压容器耐压容器（4 4）中空纤维式反渗透膜组件）中空纤维式反渗透膜组件中空纤维为U形的膜组件中空纤维式膜组件的特点：中空纤维式膜组件的特点：单位体积膜表面积大。单位体积膜表面积大

51、。制造和安装简单，不需要支撑物。制造和安装简单，不需要支撑物。缺点是不能用于处理含有悬浮物的缺点是不能用于处理含有悬浮物的废水，预处理必须经过滤处理。废水，预处理必须经过滤处理。难以发现损坏的膜。难以发现损坏的膜。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：对溶液的分离有不

52、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

53、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、超过滤六、超过滤（UltrafiltrationUltrafiltration) )1、超过滤与反渗透的异同2、超过滤的原理3、超滤膜及膜组件超滤膜及膜组件4、 超滤的基本工艺流程超滤的基本工艺流程5、 超滤的

54、特点及应用领域超滤的特点及应用领域2022-4-21水质工程741、超过滤与反渗透的异同超过滤简称超滤，它同反渗透一样，都是利用膜来分离废水中溶解的物质。 两种方法的共同点在于：两种过程的动力同是溶液的压力，在溶液的压力下，溶剂的分子通过薄膜，而溶解的物质被阻滞在膜表面上。（1）膜不同：超过滤所用的膜超过滤所用的膜( (超滤膜超滤膜) )较疏较疏松，透水量大，除盐率低，一般用超过滤松，透水量大，除盐率低，一般用超过滤分离高分子和低分子有机物以及无机离子分离高分子和低分子有机物以及无机离子等，能够分离的溶质分子至少要比溶剂的等，能够分离的溶质分子至少要比溶剂的分子大分子大1010倍，在这种系统中

55、渗透压已经不倍，在这种系统中渗透压已经不起作用了。起作用了。反渗透所用的膜反渗透所用的膜 ( (反渗透膜反渗透膜) )致密，透水量致密，透水量低，除盐率高，具有选择透过能力，用以低，除盐率高，具有选择透过能力，用以分离分子大小大致相同的溶剂和溶质，分离分子大小大致相同的溶剂和溶质，（2）机理不同：超过滤的去除机理主超过滤的去除机理主要是筛滤作用。在反渗透膜上分离过程要是筛滤作用。在反渗透膜上分离过程伴随有半透膜、溶解物质和溶剂之间复伴随有半透膜、溶解物质和溶剂之间复杂的物理化学作用。杂的物理化学作用。（3）工作压力不同：超过滤的工作超过滤的工作压力低压力低(0.07(0.070.70.7MPaMPa) )。反渗透反渗透所需的所需的工作压力高工作压力高( (大于大于2.82.8MPaMPa) )。超滤装置与反渗