矿业环境工程十

●膜

第八节膜法处理

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，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。1、基本认识●膜分离法

分离溶质时一般叫渗析；分离溶剂时一般叫渗透。

第八节膜法处理

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、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、富集或分级目的的方法，统称为膜分离法。1、基本认识●膜分离法分类

第八节膜法处理根据推动力的不同，膜分离主要有下列几种：浓度差：扩散渗析电位差：电渗析压力差：反渗透

纳滤

超滤

微滤1、基本认识●膜分离技术的特点第八节膜法处理

（1）能耗较低。∵膜分离过程不发生相变。（2）在常温下进行。因而特别适于对热敏感的物质，如对果汁、酶、药品等的分离、分级、浓缩与富集过程。（3）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。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。1、基本认识2、渗析

第八节膜法处理渗析法原理浓差扩散2、渗析

第八节膜法处理渗析方程2、渗析

第八节膜法处理渗析的应用——

（1）人工肾2、渗析

第八节膜法处理渗析的应用——（2）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，首次成功地采用了这种工艺，其具体工艺参数如下：

废酸成分扩散液(渗析液)成分

H2S04200—220g／L

H2S04140～160g／LFeSO4180～200g／LFeSO4

不大于10g／LH2SO4回收率：78％～95％，一般不小于85％透酸速率：不小于70g／m2h

废酸处理负荷q0：不小于0.44L／m2.h

2、渗析

第八节膜法处理渗析的应用——（2）废酸液的处理与回收

分离后的FeSO4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。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S-203，现为聚偏氟乙烯均相膜F201，其使用寿命达4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曹达的DFM膜和旭硝子的DMV膜。3、电渗析

第八节膜法处理电渗析法原理

在直流电场作用下，以电位差为推动力，利用阴、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，从而实现溶液的淡化、浓缩、精制或纯化的目的。

3、电渗析

第八节膜法处理电渗析法原理

●电渗析过程是电解和渗析扩散过程的组合。

●核心：离子交换膜的选择透过性3、电渗析

第八节膜法处理电渗析法原理

3、电渗析

第八节膜法处理电渗析法原理

离子交换膜的选择透过机理：①双电层理论②唐南膜平衡理论3、电渗析

第八节膜法处理电渗析法原理

阴极：还原反应：2H＋＋2e→H2↑

阴极室溶液呈碱性，结垢阳极：氧化反应：4OH－→O2↑＋2H2O＋4e

或2Cl-→Cl2↑+2e

阳极室溶液呈酸性，腐蚀

特点：只能将电解质从溶液中分离出去。不能去除有机物等。3、电渗析

第八节膜法处理离子交换膜按其结构分为：异相膜、均相膜。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：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：阳离子交换膜（一般为聚苯乙烯磺酸型）：R－SO3H，在水中电离后，呈负电性阴离子交换膜（聚苯乙烯季胺型）：R－CH2N（CH3）3OH，电离后，呈正电性

3、电渗析

第八节膜法处理电流效率与极限电流密度①电流效率

η＝实际去除的盐量m1/理论去除量m2

100%m1＝q(C1-C2)tMB/1000q：一个淡室的出水量,L/sC1、C2：进、出水含盐量,mmol/Lt：通电时间,sMB：物质的摩尔质量依据法拉第定律：m2=ItMB/FF：法拉第常数I：电流强度，A3、电渗析

第八节膜法处理电流效率与极限电流密度②极限电流密度

如果电流密度过大—发生浓差极化现象

电流传导靠Na+

和Cl-电流总量＝Cl-电量+Na+电量

Cl-电迁移数（总电量中所占比例）＝0.5Na+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1，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。当电流密度i过大时，C’趋于0，水分子开始电离，参加迁移，此时发生浓差极化现象—极限电流密度3、电渗析

第八节膜法处理电流效率与极限电流密度②极限电流密度

极限电流密度的确定：电压-电流法③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70－90％下运行；2）倒换电极；3）定期酸洗3、电渗析

第八节膜法处理应用——（1）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水及高纯水的前处理(或称预处理)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。电渗析目前用于水处理的除盐范围在各国不尽相同：美国原水含盐量在200－5000mg/L；日本原水含盐量在500－10000mg/L，1000－8000mg/L最经济；前苏联原水含盐量在3000－8000mg/L最合适；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、锰及有机物等，以保证电渗析水处理过程能稳定运行。3、电渗析

第八节膜法处理例：碱法及硫酸盐法造纸黑液

电渗析法治理技术（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，在阳极室OH－放电产生O2和H＋，能氧化降低COD，又能降低pH值。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－C00H的化合物，pH从14以上降到6左右，Na2Si03脱水变成SiO2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——（2）废水处理4、反渗透

第八节膜法处理渗透压和反渗透原理4、反渗透

第八节膜法处理

在浓液一边加上比自然渗透压更高的压力，扭转自然渗透方向，把浓溶液中的溶剂(水)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，称为反渗透。渗透压和反渗透原理4、反渗透

第八节膜法处理渗透压：当用一张半透膜将纯水和盐水分开，纯水会透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π，只是一般没表现出来。

π=iRTCi：范特霍尔系数

C：溶液的浓度当在盐水侧施加压力P>π，反渗透。一般压力在几十公斤。渗透压和反渗透原理4、反渗透

第八节膜法处理反渗透膜★性能指标脱盐率＝（C0－C）/C0×100％，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、反渗透

第八节膜法处理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：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