水污染控制工程新

1、授课教师：鲁金凤南开大学环境科学与工程学院第十四讲 水的淡化与除盐内 容电渗析反渗透超滤纯水制备13.3 电渗析法电渗析反渗透超 滤渗 析膜分离法在某种推动力作用下，利用特定膜的透过性能，达到分离水中离子或分子以及某些微粒的目的。表13-3 各种膜分离方法的特征13.3.1 电渗析使用的膜 电渗析使用的分离膜为离子交换膜。离子交换膜分阴离子交换膜和阳离子交换膜，两种膜通常需配套使用。离子交换膜的分类按膜的结构分类按活性基团分类按材料性质分类异相膜均相膜半均相膜阳离子交换膜：磺酸基、磷酸基、羧酸基阴离子交换膜：季胺基、伯胺基、叔胺基特种膜：双极性膜有机离子交换膜：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯无机离子

2、交换膜：磷酸锆、矾酸铝按选择透过性分类阳膜阴膜电渗析器的重要组成部分1.选择透过性 P+或P-越接近1，则选择透过性越好。 2.膜电阻 膜电阻（cm2）=膜的电阻率膜厚度 膜电阻越小，则所需电压越小。13.3.2 电渗析原理及过程 是膜分离技术的一种，它是在直流电场的作用下，以单位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，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。其过程是电解和渗析扩散过程的组合。利用离子交换膜的选择透过性，即阳膜理论上只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过，在外加电场作用下，阴、阳离子分别向阳极和阴极移动。应用范围：苦咸水淡化海水淡化制取饮用水工业废

3、水处理电渗析示意图 + -Na+ C ACl-浓室浓室淡室1. 电渗析工艺过程1-料液2-阴极3-阳极4-阴极废水5-阳极废水6-稀产品水7-浓产品水A-阴极膜C-阳极膜H2O H+ +OH-阴极 ：2H+2e H2 （还原反应） 阳极: 4OH-O2+2H2O+4e； Cl-Cl2 +2e (氧化反应)图13-5 电渗析原理图13.3.3 电渗析器构造膜堆紧固装置极区电渗析器的构造一对阴、阳膜和一对浓、淡水隔板交替排列，组成最基本的脱盐单元，称为膜对。电极之间若干组膜对堆叠在一起组成膜堆。由电极、极框、电极托板、橡胶垫板等组成均匀夹紧整个极区与膜堆，保证不漏水。常用压杆、螺杆紧固。隔板构造：

4、隔板流水道分为有回路式和无回路式两种。 有回路： 流程长，脱盐效率高，流量小但要求高 无回路： 流程短，流速低，水流分布均匀，要求隔网搅动作用强，适用于流量大场合电渗析器的组装电渗析器的组装方式用“级”和“段”来说明 级：一对电极之间的膜堆称为一级；段：具有同向水流的并联膜堆称为一段。图13-6 电渗析器的组装方式13.3.4 电渗析的工艺参数 1电流效率： 电渗析器淡化水时，一个淡室实际去除盐量为： m1=q(c1-c2) tMB/1000（g） 根据法拉第定律，应析出的盐量为 电渗析器电流效率：一个淡化室实际除盐量与应析出盐量之比2. 极限电流密度： 电流密度：电渗析器运行时，单位面积膜通

5、过的电流称为电流密度i极限电流密度：电渗析器的膜界面出现浓差极化现象时，所对应的电流密度称为极限电流密度ilim浓差极化稳定状态时，离子迁移与扩散之间存在平衡关系：i，则C，当C 0，水则会电解出H+透过阳膜来传递电流，这种膜界面现象称为浓差极化。此时电流密度即为极限电流密度ilim。n与水流紊乱有关，水流紊乱效果越好，n越接近于1， n=0.30.9k与隔板形式及厚度等因素有关。K水力特性系数：与膜性能、隔板形式与厚度、隔网形式、水的离子 组成、水温有关。其中，v水流速度极限电流密度公式 测量极限电流密度的方法： 电压-电流法 图13-8 极限电流密度的确定13.3.5 极化与沉淀阳膜的淡室

6、一侧：极化现象（浓差极化） 可采取以下措施来减少浓差极化等因素对电渗析过程的影响： 尽可能提高液体流速，以强化溶液主体与膜表面之间的传质，这是减少浓差极化效应的重要措施。 膜的尺寸不宜过大，以使溶液在整个膜表面上能够均匀流动。一般来说，膜的尺寸越大，就越难达到均匀的流动。 采取较小的膜间距，以减小电阻。 采用清洗沉淀或互换电极等措施，以消除离子交换膜上的沉淀。 适当提高操作温度，以提高扩散系数。 严格控制操作电流，使其低于极限电流密度。防止沉淀结垢的主要措施：控制操作电流，避免极化现象 发生，减缓水垢生成；定时倒换电极，使浓、淡室也 随之变换，这样，阴膜两侧表 面上的水垢溶解与沉淀相互交 替；

7、定期酸洗，用浓度1-1.5%的盐 酸溶液在电渗析器内循环清洗出现沉淀现象的原因：阴膜淡室一侧出现水的离解，产生OH-迁移通过阴膜进入浓室，使浓水的pH值上升，出现CaCO3及Mg(OH)2的沉淀现象。阴膜的淡室一侧：沉淀现象13.4 反渗透渗透：一种溶剂通过一种半透膜进入一种溶液或是从一种稀溶液向一种比较浓的溶液的自然渗透；1.渗透现象与反渗透半透膜反渗透：咸水一侧施加压力P大于该溶液渗透压H时，可迫使渗透反向，即为反渗透过程；2. 渗透压与反渗透的理论耗能量渗透压：反渗透法淡化单位体积海水所需的最小耗能量：其中，i-系数，海水取1.8；c-溶液的物质的量浓度； R-气体常数； T-热力学温度

8、，K。其中，A-系数，海水取0.000537； S-海水盐度，一般取34.3%0； -纯水的摩尔体积；3.反渗透膜醋酸纤维膜（CA）和芳香族聚酰胺膜。图13-9 CA膜结构示意图-方向性：膜的不对称性，必须保持表皮与待处理的溶液接触,不能倒置；-选择透过性：对电解质，离子价越高，或同价离子水合半径越小，则脱除效果越好CA膜特点：4.反渗透膜的透过机理选择性吸着毛细管流机理：反渗透膜具有选择吸附水分子而排斥溶质分子的化学特性。在膜表面形成一层不含溶质的水分子层，在外压作用下，界面水层在膜孔内产生毛细管流，连续透过膜。5. 反渗透膜装置 （1）板框式（2）管式 （3）卷式（4）中空纤维式优点： （

9、1）成本低； （2）易小型化； （3）单位持液量低；缺点： 易堵，难清洗6. 反渗透布置系统 图13-11 反渗透布置系统1）水与溶质的通量：7. 反渗透装置主要参数 2）脱盐率：膜两侧的含盐浓度差与进水含盐量的比率水透过膜的通量溶质透过膜的通量膜进水侧平均含盐量浓度： 3）淡化水的含盐量Cf求得Cf值代回求得新的Cf值。对优质反渗透装置有下列要求1、对膜能提供合适的支撑；2、处理溶液在膜面上必须均匀分布；3、在最小能耗情况下，对处理溶液提供良好的流动 状态；4、单位体积中膜的有效面积比率高；5、组件容易拆卸和更换；6、在运行压力下，有效地工作时安全与可靠性高；7、外部的泄漏尽可能从压力变化能

10、看出；8、建造、维护和修理都很方便。反渗透的应用1、海水淡化2、苦咸水淡化3、纯水和超纯水制备（膜法作为离子交换的预处理）4、城市给水5、城市污水处理及利用6、工业废水处理（如处理电镀漂洗水）13.5 超滤以特殊的超滤膜为分离介质，以膜两侧的压力差为推动力，用于截留水中胶体大小的颗粒，而水和低分子量溶质则允许透过膜。超滤超滤膜的孔径介于反渗透和微滤膜之间，操作压力比反渗透低。超滤可有效去除水中的微粒、胶体、细菌、病毒，但几乎不能截留无机离子，无脱盐性能，一般用于纯水终端处理。在超滤过程中，单位时间内通过膜的溶液体积称为膜通量。由于膜不仅本身具有阻力，而且在超滤过程中还会因浓度极化、形成凝胶层、

11、受到污染等原因而产生新的阻力。因此，随着超滤过程的进行，膜通量将逐渐下降。膜通量超滤膜种类醋酸纤维素膜、聚砜膜以及聚酰胺膜超滤装置种类板框式、管式、卷式和中空纤维式。超滤膜的截留分子量超滤膜的主要机理：筛除作用。通常用截留分子量表示膜孔径特征。截留率达到90%的分子量图13-12 各种不同截留分子量的超滤膜大于截留分子量的分子几乎全部被超滤膜所截留。超滤膜的截留分子量范围：1000-1000000超滤过程中的浓差极化 超滤中的浓差极化现象：外源压力迫使分子量较小的溶质通过超滤膜，而大分子被截留于膜表面，并逐渐形成浓度梯度，这就是所谓“浓差极化”现象。超滤中浓差极化特点膜截留的粒子和溶质在膜面上建立界面层浓度梯度大分子扩散系数比常见的盐类的扩散系数小得多，因此超滤中极化现象就显得更加严重。膜表面邻近处的溶质浓度超过一定值后，膜表面附近就形成凝胶层。通量由串联着的凝胶层阻力和膜阻力之和决定PJWJW -P关系图克服方法浓差极化的措施：加强搅拌，加快平行膜面的进水流速进水渠道尽量做得浅些；提高液体温度。 13.5 纯水制备前处理反渗透器脱盐水箱离子交换复床离子交换混床紫外线灯超滤器回水 纯水制备系统1. 膜法-离子交换法纯水制备系统图13-13 反渗透设于前端的超纯水制备系统2. 蒸馏法1）多效蒸发 将多个蒸发器串联操作，以提