水的膜分离技术课件

第十章膜法

第一节概论第二节电渗析第三节反渗透第四节超滤第一节概述

膜分离法是在某种推动力作用下，利用特殊的薄膜对液体中的某些成分进行选择性透过的方法的统称。常用的膜分离方法有电渗析、反渗透、超滤，其次是自然渗析和液膜技术.

膜分离技术有以下共同特点：

①不发生相变，能量转化效率高；

②在常温下进行；

③装置简单，操作容易，分离效率高。一、电渗析原理和工作过程

1.原理

C——阳膜A——阴膜阳极：Cl-→Cl2↑+2e阴极：2H++2e→H2↑（氧化反应）：4OH-→O2↑+2H2O+4e（还原反应）：图9-1电渗析工作原理图

Cl-Na+

2.工作过程主要过程：离子电迁移和电极反应

次要过程（1）反离子的迁移（2）电解质浓差扩散（3）水的渗透（4）水的电渗透（5）水的压渗（6）水的电离海水淡化电渗析法示意图1、离子交换膜的分类

（1）按膜体结构分类

a．异相膜b．半均相膜c．均相膜（2）按活性基团分类a．阳离子交换膜b.阴离子交换膜c．特种膜（3）按材料性质分类a.有机离子交换膜b.无机离子交换膜

二、离子交换膜离子交换膜电渗析器2、离子交换膜的性能（1）交换容量

一定量膜样品中所含活性基团数，通常以单位面积、单位体积或单位干重膜所含可交换离子的毫克当量数表示。（2）含水量

湿膜中所含水的百分数。

一般为30％～50％。（3）破裂强度

衡量膜机械强度的重要指标之一。（4）厚度

膜厚度与膜电阻和机械强度有关。

一般异相膜约1mm，均相膜0.2～0.6mm，最薄的为0.015mm。3离子交换膜的选择性透过机理（1）双电层理论

（2）Donnan膜平衡理论三、电渗析器的构造1.构造

膜堆：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。电极之间若干膜对组成膜堆。

极区：电极、极框、电极托板、橡胶垫板。

紧固装置：压杆、螺杆紧固。

配套设备：整流器、水泵、转子流量计等。

(1)离子交换膜

（组装前对膜的处理）

首先将膜放在操作溶液中浸泡24～48小时，使之与膜外溶液平衡，然后剪裁打孔。膜的尺寸大小比隔板周边小1mm，应比隔板水孔大1mm。电渗析停运时，应在电渗析器中充满溶液，以防膜发霉变质，或膜因干燥收缩变形甚至破裂。

(3)电极

常用铅板或石墨作阳极，不锈钢作阴极。(4)夹紧装置

作用是把极区和膜堆组成不漏水的电渗析器整体。可采用压板和螺栓拉紧，也可采用液压压紧。2电渗析器的组成将阴、阳离子交换膜和隔板交替排列、再配上阴、阳极就构成了电渗析器。电渗析器的组装方式有几种，如图所示。

1、电能消耗分析

电渗析过程，主要消耗的是电能，因此，耗电量的大小，不但直接地影响到处理成本，也在一定程度上反映了操作技术水平。单位体积成品水的电能消耗按下式计算：(kWh/m3)式中V——工作电压，V；

I——工作电流，A；

Qd——淡水产量，m3／h。

电渗析器的工作电压V可分解为下式中的几个部分：

2电流密度控制（1）浓差极化

在电渗析操作中，如采用的电流密度过大，会产生浓差极化现象，如图所示。

（2）极限电流密度

发生浓差极化的情况下的电流密度称为极限电流密度。理论值：式中ilim—极限电流密度，A/cm2；

c—淡水室溶液中的离子浓度，mmol/L；

δ——扩散边界层厚度，cm；

D——离子扩散系数，cm2/s；

F——法拉第常数，F＝96500C/mol。3.流速与压力的确定

电渗析器都有自身的额定流量，流量过大进水压力过高，设备容易产生漏水和变形。流量过小时，达不到正常流速，水流不均匀，容易极化结垢，都会影响电渗析器的正常运行。目前一般水流速度控制在5～25cm/s，进水压力一般不超过O.3MPa。五电渗析除盐的设计计算1．设计计算步骤①确定电渗析在临界极化状态下所需要的极限流程长度

Llim。以此为依据，确定电渗析器的工作状况。②选定隔板形式，确定隔板构造数值。③计算水流速度、电流密度、污染物含量等④各段（或各级)污染物含量均按临界极化状况的去除规律来分配。⑤计算水头损失Δp数值，以校核所选取的水流速度是否可行。有时由于水压的限制需要试算，以确定合理的水流速度。⑥根据电流密度计算电流，根据水的电阻率计算电压，以选择直流电源。

(4)水头损失除盐流程长度上的综合水头损失(沿程损失与局部损失)可按下式估算:(5)电流、电压及电耗

电渗析工作电流为有效膜面积与平均电流密度的乘积，即六、电渗析法在废水处理中的应用(1)处理碱法造纸废液，从浓液中回收碱，从淡液中回收木质素；(2)从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化钠；(3)从酸洗废液中制取硫酸和沉积重金属离子；(4)放射性废水中分离放射性元素，其浓缩液掩埋；(5)处理电镀废水和废液，含Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cr6+等金属离子的废水都适宜用电渗析处理。阳极反应式：阴极反应式：第三节反渗透反渗透原理反渗透膜及其传质机理反渗透装置反渗透工艺流程及操作控制反渗透法在废水处理中的应用举例反渗透法是以压力为驱动力的膜法分离技术。渗透和反渗透一、反渗透原理第三节反渗透二、反渗透膜及其传质机理反渗透膜是一类具有不带电荷的亲水性基团的膜，是实现反渗透分离的关键。1．醋酸纤维素膜(简称CA膜)的结构及性能

毛细管流机理膜膜2.反渗透膜的透过机理(1)氢键理论

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之故。(2)优先吸附毛细管流理论三、反渗透装置板框式把渗透膜贴在多孔透水板单侧或两侧，再紧贴在不锈钢或环氧玻璃钢承压板的两侧，构成一个渗透元件管式把渗透膜装在耐压微孔承压管的内侧或外侧，制成管状膜的元件螺旋卷式在两层反渗透膜中间夹一层多孔的柔性格网，再在下面铺一层供废水通过的多孔透水格网，然后将它们的一端粘贴在多孔集水管上，绕管卷成螺旋卷筒，并将另一端密封，就成为一个反渗透元件中空纤维式在两层反渗透膜的原料空心纺丝而成中空纤维管1、板框式反渗透装置

在多孔透水板的单侧或两侧贴上反渗透膜，即构成板式反渗透元件。再将元件紧粘在用不锈钢或环氧玻璃钢制作的承压板两侧。然后将几块或几十块元件成层叠合，用长螺栓固定，装入密封耐压容器中，制成板式反渗透器。2、管式装置把膜和支撑物均制成管状，两者装在一起，再将一定数量的管，以一定方式联成一体而组成。3、螺旋卷式装置

其膜组件是在两层膜中间夹一层多孔的柔性格网，并将它们的三边粘合密封起来、再在下面铺一层供废水通过的多孔透水格网，然后将另一开放边与一根多孔集水管密封联接，使进水与净化水完全隔开，最后以集水管为轴，将膜叶螺旋卷紧而成。4、中空纤维式装置

中空纤维膜是一种细如头发的空心管，由制膜液空心纺丝而成。纤维外经为50～100μm，内径为25～42μm。将数十万根中空纤维膜捆成膜束，弯成U字形装入耐压圆筒容器中，并将纤维膜开口端固定在环氧树脂管板上，即可组成反渗透器。

反渗透系统由其预处理及反渗透装置和后处理三部分组成。核心是反渗透装置，预处理是反渗透装置能否长期稳定运行的前提，后处理用以满足不同处理对象的最终产水水质指标。

四、反渗透工艺流程及操作控制

1.工艺流程2．工艺参数(1)净化水质与回收率根据物料平衡，进出反渗透系统的溶质有下列关系：

式中Qf、Qc、Qp——分别为进水、浓水和淡水流量；

cf、cc、cp——分别为进水、浓水和淡水浓度。浓水侧溶质的平均浓度cm可用下式计算：

令溶质的平均去除率为Rm，则：

按上面的公式用试算法可以简便地求出净化水质。由于cp很小，故先假定cp＝0，则有

式中Y为水的回收率，Y＝Qp／Qf。由此得

在已知Q、cf、Rm及取定Y值的条件下，将按公式算得的cp初步值代入公式，求得cp的新值。重复计算几次就可获得较精确的cp值。(2)工作压力

膜的透水量取决于膜的物理特性、膜的化学组成以及系统的操作条件等。实际上，膜的物理特性、水温、进出水浓度、流速等对一定的过程是固定的，因此透水量仅是膜两侧压力差的函数，可按下式计算：

式中Fs——膜的平均透水量，g/cm2.s；KW——膜的水透过系数，g/cm2·s.MPa；Δp——供水压力与淡水压力的差值，MPa；Δπ——供水与淡水的渗透压力差，MPa(3)膜的透盐量

膜的透盐量或某溶质组分的透过量与浓度差有关，可按下式汁算：

式中Fy——透盐量，g/cm2·s；

Py——溶质在膜内的扩散系数，cm2/s；

δ——膜的有效厚度，cm；

β——膜的透盐常数，表示特定膜的透盐能力。3．浓差极化

在反渗透过程中，由于水不断地透过膜，引起膜表面附近的溶液浓度升高，从而在膜的高压一侧溶液中，从膜表面到主体溶液之间形成一个浓度梯度，引起溶质从浓的部分向淡的部分扩散，这一现象即为浓差极化。4.膜的污染与清洗引起膜污染的原因大致可分为三类：(1)原水中的亲水性悬浮物，在水透过膜时，被膜吸附；(2)原水中本来处于非饱和状态的溶质，在水透过膜后浓度提高变成过饱和状态，在膜上析出；(3)浓差极化使溶质在膜面上析出。

染膜的清洗方法包括物理法和化学法。

第四节超滤

依靠压力推动力和半透膜实现分离。在本质上是一种筛滤过程，膜表面的孔隙大小是主要的控制因素，溶质能否被膜孔截留取决于溶质粒子的大小、形状、柔韧性以及操作条件等，而与膜的化学性质关系不大。

作用溶质在膜表面和微孔孔壁上发生吸附溶质的粒径大小与膜孔径相仿，溶质嵌在孔中，引起堵塞溶质的粒径大于膜