反渗透基本原理

膜分离法(MembraneSeparationProcesses)2023/1/141水污染控制工程内容：一、膜的定义和分类二、膜分离概述三、扩散渗析（diffusiondialysis）四、电渗析(electrodialysis)五、反渗透（reverseosmosis)六、超过滤(ultrafiltration)2023/1/142水污染控制工程一、膜的定义和分类1、膜（分离膜）的定义

分离膜可看作是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。2、膜的分类

按膜结构分：有对称膜和不对称膜按膜材料分：有机膜：纤维素膜、聚酰胺膜、聚砜膜、聚乙烯膜等

无机膜：玻璃膜、陶瓷膜、氧化铝膜等

按分离机理分：多孔膜、无孔膜和载体膜按几何形状分：平板式、管式、毛细管式和中空纤维式膜

2023/1/143水污染控制工程二、膜分离概述1．膜分离的概念2、膜分离技术的特点3．膜分离法的分类2023/1/144水污染控制工程1．膜分离的概念用一张特殊制造的、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。膜分离可用于液相和气相，对液相分离，可以用于水溶液体系、非水溶液体系、水溶胶体系以及含有其他微粒的水溶液体系等。2023/1/145水污染控制工程膜分离过程的推动力有两类：

①借助外界能量，物质发生由低位向高位的流动；

②以化学电位差为推动力，物质发生由高位向低位的流动。推动力膜过程压力差反渗透，超滤，微滤，气体分离电位差电渗析浓度差扩散渗析、控制释放浓度差（分压差）渗透气化浓度差加化学反应液膜，膜传感器一些主要的膜分离过程的推动力2023/1/146水污染控制工程2、膜分离技术的特点（a）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；（b）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；（c）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、处理效率高等特点；（d）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般用于回收废水中的有用成分或水的回用处理。2023/1/147水污染控制工程

3．膜分离法的分类

膜分离法的种类很多，现已应用的膜过程有反渗透、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、液膜、膜蒸馏等。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。

2023/1/148水污染控制工程2023/1/149水污染控制工程2023/1/1410水污染控制工程2、反渗透的原理渗透和反渗透原理示意图半透膜开始时两边液面相同由于浓度差存在，半透膜又不允许溶质通过，所以水透过膜，使浓水一边液面升高，产生渗透压在浓水边加压，当压力超过渗透压时，则水透过半透膜，即反渗透，实现净化过程。2023/1/1411水污染控制工程膜过程推动力传质机理透过物及其尺寸截留物膜类型电渗析电位差离子选择性透过溶解性无机物非电解质大分子离子交换膜反渗透1.0-1.5MPa溶剂的扩散水或溶剂溶质、盐、SS非对称膜超过滤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浓度差溶质的扩散低分子物质、离子溶剂非对称膜液膜化学反应和浓度差反应促进和扩散电解质离子溶剂（非电解质液膜2023/1/1412水污染控制工程三、扩散渗析（diffusiondialysis）

1、渗析：把水溶液中溶质透过半透膜而溶质被截留的现象称为渗析。 半透膜：起渗析作用的薄膜，对溶质具有选择性。半透膜的发展：动物的膀胱膜、肠膜、羊皮纸；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

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。2023/1/1413水污染控制工程扩散渗析回收酸原理示意图(1)—原液室；(2)—回收液室；A—阴离子交换膜残液/渗析液H2O回收液/扩散液废酸液A（2）（1）H+H+SO42-H+H+SO42-Fe2+SO42-

扩散渗析法回收酸的原理⑴为原液室，⑵为回收室，向⑴室自下而上引入料液(H2SO4和FeSO4的混合液)，另向⑵室自上而下引入水流。由于⑴室中的酸及盐的浓度较大，其中的Fe2＋、H＋、SO42-均有向⑵室扩散的趋势，因阴离子交换膜对离子具有选择透过性，只允许阴离子SO42-通过而不让阳离子透过，所以Fe2＋受到阴膜的阻挡而不能进入⑵室，而H＋则因性质特殊，其水合离子半径小，迁移速度快，也能跟随SO42-一起进入⑵室，以保持溶液的电中性。这样，⑴室中的H2SO4就不断扩散进入(2)室，而FeSO4被阻挡在⑴室中，从而实现了酸与盐的分离。

2023/1/1414水污染控制工程

3、优缺点：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，分离过程中不需要加入其它化学药剂。缺点渗析速度慢，分离效率低。

4、应用：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），此外还有人工肺。在工业方面的应用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；从化工厂人造丝浆压液中回收NaOH2023/1/1415水污染控制工程四、电渗析（electrodialysis，简称ED）

1．电渗析的基本原理电渗析是在直流电场的作用下，以电位差为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性(即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯的一种膜过程。2023/1/1416水污染控制工程电渗析过程原理图2023/1/1417水污染控制工程2．离子交换膜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细孔。常用的离子交换膜按其选择透过性可分为阳膜、阴膜、复合膜等数种。阳膜(cationexchangemembrane)含有阳离子交换基团，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，吸引水中的阳离子并使其通过。2023/1/1418水污染控制工程阴膜(anionexchangemembrane)含有阴离子交换基团，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。复合膜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，具有方向性的电阻。当阳膜面朝向阴极，阴膜面朝向阳极时，正、负离子都不能透过膜，显示出很高的电阻。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。2023/1/1419水污染控制工程

五、反渗透（RO）

ReverseOsmosis1、概述2、反渗透基本原理3、反渗透膜及其透过机理4、反渗透装置5、反渗透工艺流程2023/1/1420水污染控制工程1、概述反渗透是一项高新膜分离技术，其孔径很小，大都≤10×10–10（10A），它能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。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，还应用于生物、医学工程。

特点常温条件下，可以对溶质和水进行分离或浓缩，因而能耗低；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；

分离装置简单，容易操作和维修。2023/1/1421水污染控制工程应用范围太空水、纯净水、蒸馏水等制备；

酒类制造及降度用水；

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；

锅炉补给水除盐软水；

海水、苦咸水淡化；

造纸、电镀、印染等行业用水及废水处理。2023/1/1422水污染控制工程显微镜下膜的照片2023/1/1423水污染控制工程4．反渗透装置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的，一般把构成设备的相同的装置称为膜组件（membranemodule）。反渗透膜组件有板框式（plateandframe)、管式(tubularmodules)、螺旋卷式(spiralswound)和中空纤维式(hollowfiber)等四种。2023/1/1424水污染控制工程螺旋卷式反渗透膜组件2023/1/1425水污染控制工程工业应用的反渗透装置2023/1/1426水污染控制工程工业应用的反渗透装置的膜组件之间的连接2023/1/1427水污染控制工程5．反渗透工艺流程反渗透工艺一般包括预处理和膜分离两部分。预处理可以用物理化学法，也可以用化学法。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，还与膜装置的结构有关。2023/1/1428水污染控制工程制定工艺流程应考虑的因素：对溶液的分离有不同的质量要求。膜元件的使用寿命。反渗透工艺中的级与段：段（concentratestaging)：指膜组件的浓缩液(浓水)流到下一组膜组件处理。流经n组膜组件，即称为n段。级(permeatestaging)：指膜组件的产品水再经下一组膜组件处理。透过液产品水经n次膜组件处理，称为n级。2023/1/1429水污染控制工程一级一段的不同方式一级一段连续式一级一段循环式可保证出水水质，但水回收率低可以提高水的回收率，但出水水质有可能下降2023/1/1430水污染控制工程一级多段连续式水回收率高，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。2023/1/1431水污染控制工程一级多段循环式浓缩液浓度高，出水水质较好。2023/1/1432水污染控制工程二级五段连续式第二级2023/1/1433水污染控制工程六、超滤（Ultrafiltration)1、超过滤与反渗透的异同2023/1/1434水污染控制工程1、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。2023/1/1435水污染控制工程两者区别在于：（1）膜不同：超过滤所用的膜(超滤膜)较疏松，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等，能够分离的溶质分子至少要比溶剂的分子大10倍，在这种系统中渗透压已