矿业环境工程十

1、膜膜 第八节第八节 膜法处理膜法处理 膜可以是固态的，也可以是液态的和气态的。膜可以是固态的，也可以是液态的和气态的。 膜可以是均相的或非均相的，对称的或非对称的。膜可以是均相的或非均相的，对称的或非对称的。 膜可以是带电的或中性的，而带电膜又可以是带正膜可以是带电的或中性的，而带电膜又可以是带正电或带负电的，或二者兼而有之。电或带负电的，或二者兼而有之。 膜可以是具有渗透性的，也可以是具有半渗透性的，膜可以是具有渗透性的，也可以是具有半渗透性的，但不能是完全不透过性的。但不能是完全不透过性的。 膜可以存在于两流体之间，也可以附着于支撑体或膜可以存在于两流体之间，也可以附着于支撑体或载体的微孔

2、隙上，膜厚度应比表面积小得多。载体的微孔隙上，膜厚度应比表面积小得多。 膜是将两相分开的一薄层物质。膜是将两相分开的一薄层物质。1、基本认识、基本认识膜分离法膜分离法 分离溶质时一般叫渗析；分离溶剂时一般叫渗透。分离溶质时一般叫渗析；分离溶剂时一般叫渗透。 第八节第八节 膜法处理膜法处理 膜分离法可用于液相和气相。膜分离法可用于液相和气相。 对液相分离，可以用于水溶液体系、非水溶液体对液相分离，可以用于水溶液体系、非水溶液体系、水溶胶体系以及含有其它微粒的水溶液体系等。系、水溶胶体系以及含有其它微粒的水溶液体系等。 以选择性透过膜为分离介质，当膜两侧存在某、以选择性透过膜为分离介质，当膜两侧存

3、在某、种推动力（如压力差、浓度差、电位差等）时，原料种推动力（如压力差、浓度差、电位差等）时，原料侧组分选择性地透过膜，达到分离、提纯、富集或分侧组分选择性地透过膜，达到分离、提纯、富集或分级目的的方法，统称为膜分离法。级目的的方法，统称为膜分离法。1、基本认识、基本认识膜分离法分类膜分离法分类 第八节第八节 膜法处理膜法处理根据推动力的不同，膜分离主要有下列几种：根据推动力的不同，膜分离主要有下列几种： 浓度差：扩散渗析浓度差：扩散渗析 电位差：电渗析电位差：电渗析 压力差：反渗透压力差：反渗透 纳滤纳滤 超滤超滤 微滤微滤1、基本认识、基本认识 膜分离技术的特点膜分离技术的特点第八节第八节

4、 膜法处理膜法处理 （1）能耗较低。能耗较低。 膜分离过程不发生相变。膜分离过程不发生相变。 （2）在常温下进行。在常温下进行。因而特别适于对热敏感的物质，如对果汁、酶、药品因而特别适于对热敏感的物质，如对果汁、酶、药品 等的分离、分级、浓缩与富集过程。等的分离、分级、浓缩与富集过程。 （3）应用对象广泛。应用对象广泛。不仅适用于有机物和无机物，从病毒、细菌到微粒的广不仅适用于有机物和无机物，从病毒、细菌到微粒的广 泛分离，而且还适用于许多特殊溶液体系的分离，如溶泛分离，而且还适用于许多特殊溶液体系的分离，如溶 液中大分子与无机盐的分离，一些共沸物或近沸点物系液中大分子与无机盐的分离，一些共沸

5、物或近沸点物系 的分离等，而后者常规的蒸馏常常是无能为力的。的分离等，而后者常规的蒸馏常常是无能为力的。 （4）分离装置简单，操作容易且易控制，便于维修，分离效率高。分离装置简单，操作容易且易控制，便于维修，分离效率高。 作为一种新型的水处理方法与常规水处理方法相比，具有占地面积小，处作为一种新型的水处理方法与常规水处理方法相比，具有占地面积小，处 理效率高等特点。理效率高等特点。1、基本认识、基本认识2 2、渗析、渗析 第八节第八节 膜法处理膜法处理渗析法原理渗析法原理浓差扩散浓差扩散2 2、渗析、渗析 第八节第八节 膜法处理膜法处理渗析方程渗析方程2 2、渗析、渗析 第八节第八节 膜法处理

6、膜法处理渗析的应用渗析的应用 （1）人工肾）人工肾2 2、渗析、渗析 第八节第八节 膜法处理膜法处理渗析的应用渗析的应用（2）废酸液的处理与回收）废酸液的处理与回收 上海硅钢片厂与中科院上海有机所及上海冶金设计院合作，首次成功地采上海硅钢片厂与中科院上海有机所及上海冶金设计院合作，首次成功地采用了这种工艺，其具体工艺参数如下：用了这种工艺，其具体工艺参数如下： 废酸成分废酸成分 扩散液扩散液(渗析液渗析液)成分成分 H2S04 200220gL H2S04 140160gL FeSO4 180200gL FeSO4 不大于不大于10gL H2SO4回收率：回收率：7895，一般不小于，一般不小

7、于85 透酸速率透酸速率 ：不小于：不小于70gm2h 废酸处理负荷废酸处理负荷q0 ：不小于不小于0.44Lm2. h 2 2、渗析、渗析 第八节第八节 膜法处理膜法处理渗析的应用渗析的应用（2）废酸液的处理与回收）废酸液的处理与回收 分离后的分离后的FeSOFeSO4 4可以作为水处理混凝剂使用，也可以用隔膜电解法回可以作为水处理混凝剂使用，也可以用隔膜电解法回收铁粉。收铁粉。 该法的主要特点是在废酸处理与回收中不消耗能源，而且回收的酸该法的主要特点是在废酸处理与回收中不消耗能源，而且回收的酸还可以再返回酸洗工艺中使用，质量符合生产要求，工艺简单，操作方还可以再返回酸洗工艺中使用，质量符合

8、生产要求，工艺简单，操作方便，使用寿命长。便，使用寿命长。 我国使用最广泛的渗析膜最初是强碱性阴离子交换膜我国使用最广泛的渗析膜最初是强碱性阴离子交换膜S-203，现为现为聚偏氟乙烯均相膜聚偏氟乙烯均相膜F201，其使用寿命达其使用寿命达4年以上。由浙江宁波镇海环保设年以上。由浙江宁波镇海环保设备厂生产的各种规格扩散渗析器，已供应市场。日本产酸渗析膜有德山备厂生产的各种规格扩散渗析器，已供应市场。日本产酸渗析膜有德山曹达的曹达的DFM膜和旭硝子的膜和旭硝子的DMV膜。膜。3 3、电渗析、电渗析 第八节第八节 膜法处理膜法处理电渗析法原理电渗析法原理 在直流电场作用下，以电位差为推动力，利用阴、

9、阳离子交换膜在直流电场作用下，以电位差为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中的阴、阳离子的选择透过性，把电解质从溶液中分离出来，对溶液中的阴、阳离子的选择透过性，把电解质从溶液中分离出来，从而实现溶液的淡化、浓缩、精制或纯化的目的。从而实现溶液的淡化、浓缩、精制或纯化的目的。 3 3、电渗析、电渗析 第八节第八节 膜法处理膜法处理电渗析法原理电渗析法原理 电渗析过程是电渗析过程是电解和渗析扩散过程电解和渗析扩散过程的组合。的组合。 核心：离子交换核心：离子交换膜的选择透过性膜的选择透过性3 3、电渗析、电渗析 第八节第八节 膜法处理膜法处理电渗析法原理电渗析法原理 3 3、电渗析、电渗析 第八

10、节第八节 膜法处理膜法处理电渗析法原理电渗析法原理 离子交换膜的选择透过机理：离子交换膜的选择透过机理： 双电层理论双电层理论 唐南膜平衡理论唐南膜平衡理论3 3、电渗析、电渗析 第八节第八节 膜法处理膜法处理电渗析法原理电渗析法原理 阴极：还原反应：阴极：还原反应：2H 2e H2 阴极室溶液呈碱性，阴极室溶液呈碱性，结垢结垢 阳极：氧化反应：阳极：氧化反应：4OH O22H2O 4e 或或 2Cl-Cl2+2e 阳极室溶液呈酸性，阳极室溶液呈酸性，腐蚀腐蚀 特点：特点：只能将电解质从溶液中分离出去。不能去除有机物等。只能将电解质从溶液中分离出去。不能去除有机物等。3 3、电渗析、电渗析 第

11、八节第八节 膜法处理膜法处理离子交换膜离子交换膜 按其结构分为：按其结构分为：异相膜、均相膜。 异相膜：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：均相膜：离子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。按离子选择性分：按离子选择性分： 阳离子交换膜（一般为聚苯乙烯磺酸型）：阳离子交换膜（一般为聚苯乙烯磺酸型）：RSO3H，在水中电离，在水中电离 后，呈负电性后，呈负电性 阴离子交换膜（聚苯乙烯季胺型）：阴离子交换膜（聚苯乙烯季胺型）：RCH2 N（CH3）3OH，电离，电离 后，呈正电性后，呈正电性 3 3、电渗析、电渗析 第八节第八节

12、膜法处理膜法处理电流效率与极限电流密度电流效率与极限电流密度电流效率电流效率 实际去除的盐量实际去除的盐量m1/理论去除量理论去除量m2 100% m1q(C1-C2) t MB /1000 q：一个淡室的出水量：一个淡室的出水量, L/s C1、C2：进、出水含盐量：进、出水含盐量, mmol/L t：通电时间：通电时间, s MB：物质的摩尔质量：物质的摩尔质量 依据法拉第定律：依据法拉第定律：m2=I t MB/F F：法拉第常数：法拉第常数 I：电流强度，：电流强度，A3 3、电渗析、电渗析 第八节第八节 膜法处理膜法处理电流效率与极限电流密度电流效率与极限电流密度极限电流密度极限电流

13、密度 如果电流密度过大如果电流密度过大发生浓差极化现象发生浓差极化现象 电流传导靠电流传导靠Na+ 和和Cl- 电流总量电流总量Cl-电量电量+Na+电量电量 Cl-电迁移数（总电量中所占比例）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）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，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。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。 当电流密度当电流密度i过大时，过大时，C趋于趋于0，

14、水分子开始电离，参加迁移，此时发，水分子开始电离，参加迁移，此时发生浓差极化现象生浓差极化现象极限电流密度极限电流密度3 3、电渗析、电渗析 第八节第八节 膜法处理膜法处理电流效率与极限电流密度电流效率与极限电流密度极限电流密度极限电流密度极限电流密度的确定：电压极限电流密度的确定：电压-电流法电流法极化与结垢：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7090下运行；2）倒换电极；3）定期酸洗3 3、电渗析、电渗析 第八节第八节 膜法处理膜法处理应用应用（1）除盐）除盐 电渗析水处理技术，一般作为制取除盐水或作为制备纯

15、水及高纯水的前处理电渗析水处理技术，一般作为制取除盐水或作为制备纯水及高纯水的前处理(或称预处理或称预处理)较为经济。较为经济。直接制取纯水和高纯水不经济的，但用填充床电渗析，则可直接制取高纯水。直接制取纯水和高纯水不经济的，但用填充床电渗析，则可直接制取高纯水。 电渗析目前用于水处理的除盐范围在各国不尽相同：电渗析目前用于水处理的除盐范围在各国不尽相同： 美国美国 原水含盐量在原水含盐量在2005000mg/L； 日本日本 原水含盐量在原水含盐量在50010000 mg/L，10008000 mg/L最经济；最经济； 前苏联前苏联 原水含盐量在原水含盐量在30008000 mg/L 最合适；

16、最合适； 我国我国 另外，原水在进入电渗析之前，还要进行过滤，以除去水中的悬浮物和胶体杂质，除铁、锰及另外，原水在进入电渗析之前，还要进行过滤，以除去水中的悬浮物和胶体杂质，除铁、锰及有机物等，以保证电渗析水处理过程能稳定运行。有机物等，以保证电渗析水处理过程能稳定运行。3 3、电渗析、电渗析 第八节第八节 膜法处理膜法处理例：例： 碱法及硫酸盐法造纸黑液碱法及硫酸盐法造纸黑液 电渗析法治理技术电渗析法治理技术（我国东北某厂）（我国东北某厂） 在电渗析器中黑液的处理可达到三个目的： 从阴极室得到了纯净的火碱，从阴极室得到了纯净的火碱， 在阳极室在阳极室OH放电产生放电产生O2和和H，能氧化降低

17、能氧化降低COD，又能降低又能降低pH值。值。 经电渗析回收碱以后的黑液：无机物回收为有用的经电渗析回收碱以后的黑液：无机物回收为有用的NaOH， 有机物同时被氧化成代有有机物同时被氧化成代有C00H的化合物，的化合物， pH从从14以上降到以上降到6左右，左右， Na2Si03脱水变成脱水变成SiO2沉淀到槽底。沉淀到槽底。 此时，将黑液的有机物用絮凝剂进行絮凝，提取木质素有机肥料(腐质酸含量50以上)，数量可达到lt 肥/1t 纸。 黑液中的木素有机物，还可提取木钙水泥减水剂。 经上述处理的废水，为微黄色透明，而COD、pH、悬浮物均已达到国家排放标准。应用应用（2）废水处理）废水处理4

18、4、反渗透、反渗透 第八节第八节 膜法处理膜法处理渗透压和反渗透原理渗透压和反渗透原理4 4、反渗透、反渗透 第八节第八节 膜法处理膜法处理 在浓液一边加上比自然渗透压更高的压力，扭转自在浓液一边加上比自然渗透压更高的压力，扭转自然渗透方向，把浓溶液中的溶剂然渗透方向，把浓溶液中的溶剂( (水水) )压到半透膜的另一压到半透膜的另一边稀溶液中，这种和自然界正常渗透过程相反的渗透，边稀溶液中，这种和自然界正常渗透过程相反的渗透，称为反渗透。称为反渗透。渗透压和反渗透原理渗透压和反渗透原理4 4、反渗透、反渗透 第八节第八节 膜法处理膜法处理渗透压渗透压： 当用一张半透膜将纯水和盐水分开，纯水会透

19、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 ，只是一般没表现出来。 = 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，反渗透。一般压力在几十公斤一般压力在几十公斤。渗透压和反渗透原理渗透压和反渗透原理4 4、反渗透、反渗透 第八节第八节 膜法处理膜法处理反渗透膜反渗透膜性能指标 脱盐率（C0C）/C0100，一般高达90以上。 透水率（L/m2.d） 膜种类： 醋酸纤维素膜（CA） 芳香族聚酰胺膜 结构： 表皮层、过渡层、多孔支撑层4 4、反渗透、反渗透 第八节第八节 膜法处理膜法处理反渗透膜反渗透膜反渗透机理： 尚不十分清楚。 选择性吸附毛细管流机理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。4 4、反渗透、反渗透 第八节第八节 膜法处理膜法处理应应 用用4 4、反渗透、反