膜分离技术完

膜分离技术知识点：膜分离过程的分类及定义，膜分离机理，膜分离理论，膜材料，膜组件，膜分离过程的应用实例。重点：膜分离过程的分类，概念，实质及其适用范围。膜污染的原因及常规处理方法，膜分离机理的毛细管流动模型和溶解扩散模型，传递理论中过滤模型和浓差极化问题，超滤器的型式及其方式。难点：膜分离机理和传递理论。

目录1.膜分离概述2.膜的分类膜分离概述3.膜分离技术的发展历史4.膜分离机理5.膜分离组件与设备6.膜污染、防治与清洗7.膜分离技术的应用8.膜分离技术的展望与趋势9.各种膜分离技术介绍1.膜分离概述定义：在一种流体相内或两种流体相之间，有一薄层凝聚相物质将流体相分隔成两部分。凝聚相：固态或液态流体物质：液态或气态膜分离技术的特点

膜过程一般较简单

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；设备体积小

装置、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；膜分离技术的特点

经济性好；节能、高效、无二次污染

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。分离系数较大膜分离技术的特点

常温下可连续操作、实现集成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；各种膜分离过程的简介

按驱动力不同而划分压力差：微滤、超滤、纳滤、反渗透、气体分离浓度差：渗析、渗透汽化、乳化液膜电化学势，电渗透：电渗析、EDI常用膜分离技术的基本特征原理

ROmembraneNFmembraneUFmembraneMFmembrane原理动漫

膜分离的应用领域

（1）化学/染料工业

活性染料的脱盐、纯化、浓缩与回收

食品染料的脱盐、纯化、浓缩与回收催化剂与贵金属的回收利用脱氧、氧化、酯化、皂化、磺化、硝化、脱氢反应中液体的分离、纯化甘油/己内酰胺/苯/染料活性剂等有机化工原料的回收汽车/仪表及其它工业涂漆的浓缩回收（2）食品/饮料工业

啤酒/果酒/黄酒/葡萄酒的澄清除菌过滤苹果、梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、柠檬等果汁的澄清除菌过滤苹果、梨、凤梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、柠檬等果汁的脱水浓缩葡萄酒/果酒/茶/咖啡芬香气味的浓缩保留豆蛋白/乳清蛋白/白蛋白/单糖/多糖溶液的澄清与浓缩乳清、奶酶及其他乳品的澄清、脱盐与浓缩蔬菜抽提汁/西红柿汁的脱水浓缩

（3）制药/生物工程

抗生素、维生素、有机酸、氨基酸、酶等发酵液的澄清除菌过滤抗生素、维生素、有机酸、氨基酸等发酵液的蛋白剔除酶、蛋白质、多糖制备过程中细胞碎片的剔除抗生素、氨基酸、维生素、有机酸、酶、多糖、蛋白质的纯化与浓缩6-APA、7-ACA、7-ADCA及其他半合成抗生素的脱盐浓缩中成药、保健品口服液的澄清除菌过滤动物血浆、血清的浓缩精制其他相关的脱盐浓缩、澄清除菌、蛋白剔除、细胞收集等分离过程（4）空气过滤

喷雾干燥过程中染料、抗生素、奶粉等的回收

电池厂金属镉、氧化铅粉尘的收集粉碎过程中磷酸盐、氧化镁、二氧化钛、碳粉、水泥、碳酸钙的回收

包装过程中砂糖、染料、奶粉、味精等的回收干燥过程中PVC、二氧化硅、活性碳、肥料等的回收

合成氨尾气中氢气的回收利用

其他一切有关的粉尘收集及空气除尘过程

（5）水处理

饮用纯水（太空水）的制备

医药工业中注射用水/洗瓶水及其他无菌水的制备

电子工业中超纯水的制备

火力发电厂锅炉补给水的制备

饮料与化妆品工业中产品配方用水的制备

制造业中终端洗涤水的制备

饮用水纯化/苦碱水脱盐/海水淡化

废水循环与再生利用（零排放）

BOD/COD的最小化

垃圾填埋场渗出水的浓缩处理

染料、颜料、油漆、含油废水的处理

纸浆与造纸废水的处理及木素磺酸盐的回收

金属、食品、皮革、农药和除草剂废水的处理

纺织印染废水的处理及丝光废水的回收利用

纳滤在工业上的应用-----------------------------2.膜分离材料分类膜的种类膜材料的种类表征膜性能的参数

膜的种类根据膜的材质固体膜液体膜根据材料来源天然膜合成膜无机材料膜有机高分子膜根据膜的结构多孔膜致密膜离子交换膜渗析膜微孔过滤膜超过滤膜反渗透膜渗透汽化膜气体渗透膜根据膜的功能

固体膜根据膜断面的物理形态根据固体膜的形态对称膜不对称膜复合膜平板膜管式膜中空纤维膜卷式膜膜材料种类高分子分离膜材料纤维素衍生物类聚砜类聚酰胺类聚酰亚胺类聚酯类聚烯烃类乙烯类聚合物含硅聚合物含氟聚合物甲壳素类无机膜致密膜多孔膜致密的金属膜致密的固体电解质膜致密的“液体充实固体化”动态原位形成的致密膜Pd膜及Pd合金膜Ag膜及Ag合金膜氧化锆膜复合固体氧化膜多孔负载膜多孔金属膜，多孔不锈钢膜多孔Ni膜，多孔Ag膜，多孔Pd膜，多孔Ti膜多孔陶瓷膜，包括Al2O3膜，SiO2膜，ZrO2膜，TiO2膜（多孔玻璃膜分子筛膜，包括碳分子筛）具体分类种类具体分类纤维素衍生物类再生纤维素，硝酸纤维素，二醋酸纤维素，三醋酸纤维素，乙基纤维素，其他纤维素衍生物聚砜类双酚A型聚砜，聚芳醚酚，酚酞型聚醚酚，聚醚酮聚酰胺类脂肪族聚酰胺，聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，交联芳香聚酰胺聚酰亚胺类脂肪族二酸聚酰亚胺，全芳香聚酰亚胺，含氟聚酰亚胺聚酯类涤纶，聚对苯二甲酸丁二醇酯，聚碳酸酯聚烯烃类聚乙烯，聚丙烯，聚4-甲基-1-戊烯乙烯类聚合物聚丙烯腈，聚乙烯醇，聚氯乙烯，聚偏氯乙烯含硅聚合物聚二甲基硅氧烷，聚三甲基硅氧烷含氟聚合物聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯甲壳素类无膜性能分离性能：对物质选择透过的能力透过性能：在一定分离率下，愈大愈好物理、化学稳定性：耐热性、耐酸碱性、抗氧化性、抗微生物分解性、亲水性、表面吸附性、机械强度等经济性：取决于膜材料、膜制造工艺表征膜性能的参数孔的性质水通量耐压能力pH适用范围对热和溶剂的稳定性截留分子量分布膜科学的发展史膜工业的发展史3.膜分离技术的发展历史年代科学家主要内容1748AbbeNollet水能自发地穿过猪膀胱进入酒精溶液，发生渗透现象1827Dutrochet名词渗透作用（Osmosis）的引入1831J.V.Mitchell气体透过橡胶膜的研究1855Fick发现了扩散定律，至今用于通过膜的扩散；制备了早期的人工半渗透膜1861～1966Graham发现气体通过橡皮有不同的的渗透率，发现渗析（Dialysis）现象1860～1977Van‘tHoff，Tranbe，Preffer渗透压定律1906Kahlenbery观察到烃/乙醇溶液选择透过橡胶薄膜1917Kober引入名词渗透气化（Pervaporqtion）膜科学的发展史1911DonnanDonnan分布定律。研究了分子带电荷体的形成，电荷分布，Donnan电渗析和伴生传递的平衡现象1922ZsigmondyBachmanFofirol..etc微孔膜用于分离极细粒子、初期的超滤和反渗透（膜材料为赛璐玢和再生纤维）1920Mangold，Michaels.Mobain..etc用赛璐玢和消化纤维素膜观察了电解质和非电解质的反渗透现象1930Teorell，Meyer，Sievers进行了膜电势的研究，是电渗析和膜电极的基础1944WilliamKolff初次成功使用了人工肾1950Juda，Mcrae合成膜的研究，发明了电渗析，微孔过滤和血液透析等分离工程1960Loeb-Sourirajan相转化法制出了非对称反渗透膜1968N.N.Li发明了液膜1980Cadotte制出了界面反应聚合复合膜续表：分离过程年代目前主要厂商应用微滤1925MilliporeCorp，Pallcorp.，AsahiChemical微电子、医学、食品、化工等电渗析1960OonicsIns.，TokuyamaSoda，AsahiGlass苦咸水脱盐、水分解、氯碱工业反渗透1965FilmTech./DOW，Hydronautics/Nitto，Torray，DduPont海水脱盐、饮用水生产、食品工业、造纸工业等渗析1965Enka/AKZO，Gambro，AsahiChemical血液渗析、工业废液等超滤1970AmiconCorp.，KochEng.Inc.，NittlDenko制药工业、乳品工业等气体分离1980Permea/AirProd.，UbeInd.，Hoechst/Celanese医疗、燃烧过程等渗透汽化1990GFTGmbH无水乙醇生产膜工业的发展史4.膜分离机理和传递理论

优先吸附-毛细管流动模型溶解-扩散模型孔模型氢键模型

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。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。

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NaOH

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。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。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。

一种只能透过溶剂而不能透过溶质的膜称为半透膜。当把溶剂和溶液(或把两种不同浓度的溶液)分别置于此膜的两侧时，纯溶剂将自然穿过半透膜而自发地向溶液(或从低浓度溶液向高浓度溶液)一侧流动，这种现象叫做渗透。此H称为该溶液的渗透压Π

。Π=iRTc

若在溶液的液面上再施加一个大于Π

的压力P时，溶剂将与原来的渗透方向相反，开始从溶液向溶剂一侧流动，这就是所谓的反渗透。

凡基于此原理所进行的浓缩或纯化溶液的分离方法，一般称之为反渗透工艺。

反渗透是渗透的一种反向迁移运动，它主要是在压力推动下，借助半透膜的截留作用，迫使溶液中的济剂与溶质分开。3．反渗透膜及其透过机理（1）对反渗透膜的性能要求选择性好，单位膜面积上透水量大，脱盐率高；机械强度好，能抗压、抗拉、耐磨；热和化学的稳定性好，能耐酸、碱腐蚀和微生物侵蚀，耐水解、辐射和氧化；结构均匀一致，尽可能地薄，寿命长，成本低。（2）反渗透膜的分类按成膜材料可分为有机膜和无机高聚物膜；按膜的形状可分为平板状、管状、中空纤维状膜；按膜结构可分为多孔性和致密性膜，或对称牲(均匀性)和不对称性(各向异性)结构膜；按应用对象可分为海水淡化用的海水膜、咸水淡化用的咸水膜及用于废水处理、分离提纯等的膜。1）醋酸纤维素膜的结构及性能①膜的结构醋酸纤维素是没有强烈氢键的无定形链状高分子化合物。制膜过程是将其溶解在丙酮中并加入甲酰胺作添加剂，经混合调制、过滤、铸塑成型，然后再经蒸发、冷水浸渍、热处理，即可得到醋酸纤维素(celluloseacetate,CA)膜。外观为乳白色、半透明，有一定的韧性，膜厚l00－250

m。这种膜有不对称结构，表面结构致密，孔隙很小，通称为表皮层或致密层、活化层；下层结构较疏松，孔隙较大，通称为多孔层或支撑层。CA膜是被水充分溶胀了的凝胶体。由于铸膜液中的所有添加剂及溶剂在制膜过程中先后被除去，膜中仅含水分。醋酸纤维素膜的结构示意图99％表皮层，孔径（8－10）×10－10m过渡层，孔径200×10－10m多孔层，孔径（1000－4000）×10－10m1%显微镜下膜的照片在相对湿度为100％时，膜的含水量高达60％，其中表皮层只含10％－20％，且主要是以氢键形式结合的所谓一级结合水和少量的二级结合水。多孔层中除上述两种结合水外，较大的孔隙中还充满着毛细管水，此层中含水率较高。正由于膜中存在这几种不同性质的水，决定了CA膜具有良好的脱盐性能和适宜的透水性能。膜必须保存在水中。②CA膜的性质（a）膜的方向性：由于CA膜是一种不对称膜，因此，在进行反渗透时，必须保持表层与待处理的溶液或废水接触，而决不能倒置，否则达不到处理的目的。（b）选择透过性：CA膜对无机电解质和有机物具有选择透过性。对电解质，离子价越高，或同价离子水合半径越大，则脱除效果越好。阳离子的脱除顺序为：Sr2+>Ba2+>Li+>Na+>K+。阴离子的脱除顺序为：柠檬酸根>酒石酸根>SO42->CH3COO->Cl->Br->NO3->I->SCN-。对有机物，一般是水溶性好的、非解离性的、分子量小的脱除效果较差。而解离性大的、分子量大于200的有机物，则脱除效果较好。对同一类有机物，随分子量增大，脱除效率增加。对同分子量有机物，随分子支链的增加，脱除效果变得更好。（c）压密效应：CA膜在压力作用下，外观厚度一般减少25％―50％，同时，透水性及对溶质的脱除率也相应降低，这种现象称为膜的压密效应。这种塑性变形是不可逆的，因此膜的性能在压力消失后不会恢复。（d）膜的水解作用和生物分解作用：CA膜是一种酯，易于水解，水解速率与pH值和水的温度有关。一般在碱性介质中的水解速率比在酸性介质中大，在pH4.5－5.2时最低。优先吸附--毛细孔流动模型

溶液的表面吸附：液体中溶有不同种类物质时，其表面张力的变化不同。溶质的分散是不均匀的，即溶质在溶液表层中的浓度与溶液内部的浓度不同。表面张力降低，正吸附表面张力升高，负吸附优先吸附--毛细孔流动模型优先吸附：表面张力可引起溶质在两界面上正的或负的吸附，实际上是溶液中某一成分优先吸附在界面上。

优先吸附的状态与界面的物化作用力大小有关。该理论把反渗透膜看作一种微细多孔结构物质，它有选择性吸附水分子而排斥溶质分子的化学特性。当水溶液同膜接触时，膜表面优先吸附水分子，在界面上形成一层不含溶质的纯水分子层，其厚度视界面性质而异，或为单分子层或为多分子层。在外压作用下，界面水层在膜孔内产生毛细管流连续地透过膜。优先吸附--毛细孔流动模型溶解扩散模型

具体过程包括：①溶质和溶剂在膜的料液侧表面外吸附和溶解。②溶质和溶剂之间没有相互作用，它们在各自化学位差的推动下仅以分子扩散方式（不存在溶质和溶剂的对流传递）通过反渗透膜的活性层。③溶质和溶剂在膜的透过液侧表面解吸。氢键模型氢键理论：膜中由于氢键和范德华力作用，存在两个部分：晶相区域（牢固结合、平行排列）：水和溶质不能进入非晶相区域（完全无序排列）：溶剂水充满其中水与羰基上的氧原子形成氢键构成所谓的“结合水”结合水：有序扩散方式迁移，不断改变形成氢键的位置来通过膜。普通水：孔穴扩散方式迁移通过孔的中央氢键模型在压力作用下，溶液中的水分子和醋酸纤维素的活化点——羰基上的氧原子形成氢键，而原来水分子形成的氢键被断开，水分子解离出来并随之移到下一个活化点并形成新的氢键。板框式膜组件卷式膜组件管式膜组件中空纤维膜组件

膜分离设备流程图5.膜分离组件与设备（1）板框式反渗透膜组件装配图进水透过水浓缩水耐压容器透水板半透膜板框式膜组件工作过程示意图特点：结构简单，体积比管式的小。缺点：装卸复杂，单位体积膜表面积小。（2）管式反渗透膜组件管式膜组件又分为内压式和外压式内压式管式膜组件的内部结构示意图特点:水力条件好，安装、清洗、维修比较方便。能耐高压，可以处理高粘度的原水。缺点是膜的有效面积小，装置体积大，而且两端要较多的联结装置。淡水淡水膜表皮层玻璃纤维管进水束式外压式膜组件1－档圈；2－集水密封环；3－聚氯乙烯烧结板；4－锥形多孔橡胶塞；5－密封管接头；6－进水口；7－壳体；8－橡胶胆；9－出水口；10－膜元件；11－网套；12－O形密封圈；13－档圈槽；14－淡水出口（3）螺旋卷式反渗透膜组件密封密封密封螺旋卷式膜组件一个膜叶结构示意图多孔透水材料膜，上下两层膜叶透水网状材料透过水浓水进水螺旋卷式膜组件组合示意图膜组件的组装示意图进水口耐压容器连接器膜组件密封圈端盖透过液浓缩液工业应用的反渗透装置工业应用的反渗透装置的膜组件之间的连接螺旋卷式反溶透装置的特点：结构紧凑，单位容积的膜面积大。处理能力高，占地面积小，操作方便。缺点是不能处理含有悬浮物的液体，原水流程短，压力损失大，浓水难于循环以及密封长度大，清洗、维修不方便，易堵塞。（4）中空纤维式反渗透膜组件中空纤维膜组件是由中空纤维膜制成的。中空纤维外径50―200

m，内径25

42

m。将数万至数十万根中空纤维制成膜束，膜束外侧覆以保护性格网，内部中间放置供分配原水用的多孔管，膜束两端用环氧树脂加固。将其一端切断，使纤维膜呈开口状，并在这一侧放置多孔支撑板。将整个膜束装在耐压筒内。中空纤维反渗透组件简图

进水浓水透过水多孔进水管浓水出口淡水出口密封中空纤维膜外径50－200μ内径25－42μ密封耐压容器中空纤维反渗透组件简图

进水浓水透过水多孔进水管浓水出口淡水出口密封中空纤维膜外径50－200μ内径25－42μ密封耐压容器（4）中空纤维式反渗透膜组件中空纤维为U形的膜组件中空纤维式膜组件的特点：单位体积膜表面积大。制造和安装简单，不需要支撑物。缺点是不能用于处理含有悬浮物的废水，预处理必须经过滤处理。难以发现损坏的膜。各种膜组件的优缺点比较

组件优点缺点板框式保留体积小，操作费用低的压力降，液流稳定，比较成熟投资费用大，大的固含量会堵塞进料液通道，拆卸比清洁管道更费时间螺旋卷式设备投资低，操作费用也低，单位体积中所含过滤面积大，换新膜容易料液需经预处理，压力降大，易污染，难清洗，液流不易控制管式易清洗，单根管子容易调换，对液流易控制，无机组件可在高温下用有机溶剂进行操作并可用化学试剂来消毒高的设备投资和操作费用，保留体积大，单位体积中所含有过滤面积较小，压力降大中空纤维式保留体积小，单位体积中所含过滤面积大，可以逆流操作，压力较低，设备投资低料液需要预处理，单根纤维管损坏时，需调换整个组件，不够成熟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。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。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。一级多段循环式浓缩液浓度高，出水水质较好。二级五段连续式第二级超过滤（Ultrafiltration)1、超过滤与反渗透的异同2、超过滤的原理3、超滤膜及膜组件4、超滤的基本工艺流程5、超滤的特点及应用领域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。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经不起作用了。反渗透所用的膜(反渗透膜)致密，透水量低，除盐率高，具有选择透过能力，用以分离分子大小大致相同的溶剂和溶质，（2）机理不同：超过滤的去除机理主要是筛滤作用。在反渗透膜上分离过程伴随有半透膜、溶解物质和溶剂之间复杂的物理化学作用。（3）工作压力不同：超过滤的工作压力低(0.07－0.7MPa)。反渗透所需的工作压力高(大于2.8MPa)。超滤装置与反渗透装置类似，目前我国试验研究及生产中普遍用管式装置。

超滤又称为超过滤，通过膜表面的微孔结构对物质进行选择性分离。当液体混合物在一定压力下流经膜表面时，小分子溶质透过膜（称为超滤液），而大分子物质则被截留，使原液中大分子浓度逐渐提高（称为浓缩液），从而实现大、小分子的分离、浓缩、净化的目的。

用于去除废水中大分子物质和微粒（分子量>500）。超滤截留大分子物质的机理是：膜表面的孔径机械筛分作用；膜孔阻塞、阻滞作用；膜表面及膜孔对杂质的吸附作用。2、超滤的原理进口料液透过膜的溶液超滤膜出口溶液被截留物质透过膜的物质超过滤原理示意图3．超滤膜及膜组件

超滤膜

一般用于制备反渗透膜的材料也可用于制备超滤膜，只是制膜液的组分配比和成膜工艺不同。超滤膜有多种，最常用的是：醋酸纤维素膜、聚砜膜。

超滤膜组件：有板式、管式、卷式和中空纤维式四种。中空纤维超滤膜设备

4．超滤的基本工艺流程

重过滤操作：常用于小分子和大分子的分离。

间歇操作：常用于小规模生产。从保证膜透过通量来看，这种方式效率最高，因为膜始终可保证在最佳浓度范围内进行操作。在低浓度时，可得到很高的膜透过通量。

连续操作：常用于大规模生产。由于需要分离物料的生产量常比控制浓差极化所需的最小流量还小，因此运行时采用部分循环方式，而且循环量常比料液量大得多。5、超滤的特点及应用领域特点

分离过程在常温和较低压力的条件下进行，能耗低，不需加热，不需加药即可达到分离、浓缩、分离、纯化分级的目的。装置结构简单，占地面积小，附属设备少，易于扩容和增加组件。装置操作简单，启动快，易于维护，容易控制。应用领域

工业废水的处理

城市污水处理

饮用水的生产

蛋白质的过滤、回收

果汁的澄清

食用油精练

医药产品的除菌

激素的提取

酒类酿制

电泳涂漆废水中涂料的回收

可用超滤处理的工业废水：电泳涂漆废水含油废水（如油田含油污水、金属加工用乳化废液、含油清洗废水等）摄影显影液废水造纸工业废水（如亚硫酸纸浆废液、漂白废水、纸张上色废水等）纺织工业废水（如羊毛清洗废水、染料废水、退浆废水、涤纶纤维油剂废水等）光学玻璃研磨排水放射性废水食品工业废水，回收蛋白质、淀粉等。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。++++++阳极－－－－－－阴极Cl-Na＋阳膜阳极室Cl-Cl-Cl-Na＋Na＋Cl-Na＋Na＋Cl-Cl-Na＋Na＋浓缩室淡化室浓缩室阴极室阴膜阳膜阴膜电渗析过程原理图阳极反应：阴极反应：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。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。离子交换膜是一种由高分子材料制成的具有离子交换基团的薄膜，其所以具有选择透过性主要是由于膜上孔隙和膜上离子基团的作用。膜上孔隙的作用是，在膜的高分子键之间有一足够大的孔隙，以容纳离子的进出和通过。是离子通过膜的大门和通道。膜上离子基团的作用是，在膜的高分子链上，连接着一些可以发生解离作用的活性基团。在水溶液中，膜上的活性基因会发生解离作用，解离所产生的离子(或称反离子）进入溶液。于是，在膜上就留下了带有一定电荷的固定基团。存在于膜微孔中的带一定电荷的固定基团，好比在一条狭长的通道中设立的一个个关卡或“警卫”，以鉴别和选择通过的离子。离子交换膜为什么具有选择透过性呢？注意：离子交换膜的作用并不是起离子交换的作用，而是起离子选择透过性作用。离子交换膜功能示意图

3、电渗析器电渗析器由膜堆、极区和夹紧装置三部分组成。膜堆位于电渗析器的中部，由阳膜、浓（或淡）水室隔板、阴膜、淡（浓）水室隔板交替排列成浓水室和淡水室。极区位于膜堆两侧，包括电极、极水框和保护室，其作用是供给电渗析器直流电，将原水导入膜堆的配水孔，将淡水和浓水排出电渗析器，并通入和排出极水。压紧装置由盖板和螺杆组成，其作用是将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。

（1）电渗析器的组装电渗析器的组装依其应用不同而有所不同。其组装的情况是用级和段来表示的。级：一对正、负电极之间的膜堆称为一级。段：具有同一水流方向的并联膜堆称为一段。电渗析器的组装示意图（2）电渗析器的级与段一级一段一级两段两级一段两级两段一对正、负电极之间的膜堆称为一级具有同一水流方向的并联膜堆称为一段（3）实际应用的电渗析器

4、电渗析在废水处理中的应用目前，电渗析在废水处理实践中应用最普遍的有：⑴造纸工业废水处理，利用电渗析法处理造纸工业的亚硫酸纸浆废液和洗浆废水及碱法造纸黑液，从中回收化学药品，已得到工业应用。⑵从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化钠。⑶从酸洗废液中制取硫酸和沉淀重金属离子。⑷电镀废水和废液处理，含Cd2+、Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cr6+等重金属离子和氰化物的电镀废水都适宜用电渗析法处理，其中应用最成熟的是含镍废水处理。⑸从放射性废水中分离放射性元素，然后将其浓缩液掩埋。

浓差极化膜污染6.膜的污染、防治及清洗浓差极化当溶质向膜面的流动速度与浓度梯度使溶质向本体溶液扩散速度达到平衡时，在膜面附近形成一个稳定的浓度梯度区，这一区域称为浓度极化边界层，这一现象称为浓差极化。浓差极化形成图解浓差极化特性

1）它是一个可逆过程。只有在膜过程运行中产生存在，停止运行，浓差极化逐渐消失。2）它与操作条件相关，可通过降低膜两侧压差，减小料液中溶质浓度，改善膜面流体力学条件，来减轻浓差极化程度，提高膜的透过流量。浓差极化的危害膜表面溶质浓度增加，透过膜的流量也增加界面上渗透压增加，透水率降低局部浓度增高，部分溶质饱和，晶析沉积膜污染

膜污染是指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子、由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化的现象。膜污染特性◆

一旦料液与膜接触，膜污染即开始；即，由于溶质与膜之间相互作用产生吸附，开始改变膜特性。而对于超滤，若膜材料选择不合适，此影响相当大，与初始纯水透水率相比，可降20%到40%。◆

操作运行开始后，由于浓差极化产生，尤其在低流速、高溶质浓度情况下，在膜面达到或超过溶质饱和溶解度时，便有凝胶层形成，导致膜透过通量的急剧降低，且不依赖于所加压力。膜分离技术应用中需注意的几个问题

膜材料的选择膜孔径或截留分子量的选择

膜结构选择

组件结构选择

溶液pH控制

溶液温度影响

溶质浓度，料液流速与压力的控制膜材料选择几种聚合物滤膜对蛋白质的吸附性

聚合物种类lgG吸附量(mg/cm2)

牛血清蛋白吸附量(mg/cm2)

亲疏水性

聚醚砜/聚砜（UF）1.05

203.6

疏水

再生纤维素（UF）0.1-0.2

43.2-56.5

亲水CA（UF）0.37

50.4

亲水改性PVDF（MF）0.04

亲水PVDF(MF)3.0

2.0

CA（MF）5.0

5.0

亲水尼龙（MF）

126

31

荷电膜结构的选择不对称膜对称膜中空纤维超滤膜结构示意图内皮层中空纤维超滤膜的优点★

膜的装填密度大，组件结构紧凑。★由于料液流经中空纤维内孔，所以料液分配均匀，流速较高，有利于克服浓差极化;★可很容易地把膜组件装入或卸出膜设备。★

由于内、外表面上的孔径差别较大，且无中间海绵层(双皮层膜有)所以透过内表皮层的分子，不会被外皮层截留，产生堵塞与吸留的可能性小。★由于凝胶层形成仅发生在内表面，所以可用反冲洗来有效地清除。中空纤维超滤膜结构单内皮层双皮层组件结构选择项目中空纤维管式板框式卷式结构 自承式有支撑管有支撑板有支撑网料液的流向在管外环绕从管内流过流道层流道层流动/从管内流动

应用领域RO，UFRO,UF,MFRO,UF,EDRO,NF,UF优点装填密度高，料液流速高，可更换单对膜结构简单，造单位膜面积对堵塞不敏片，不易污染价低廉，装填制造费用低，感,易清洗，无需黏结密度相对较高耐压好压力损失小缺点对堵塞很敏感装填密度小，密封处多，渗透边流体流有时压力损压力损失压力损失较大，动路径较长，失大大,能耗大装填密度小难以清洗膜必需是可焊接或可黏结的

溶液pH

值控制溶液温度对透水率的影响料液流速与压力的控制

膜污染的预防①预处理法②开发抗污染的膜③加大供给液的流速预处理法①一般采用絮凝、沉淀、过滤或生物处理法去除进料液中的浊度和悬浮固体；②用氯、紫外线或臭氧杀菌，以防止微生物、细菌的侵蚀；③加六偏磷酸钠或酸，防止钙、镁离子结垢；④严格控制pH值和余氯，以防止膜的水解；⑤控制水温；⑥注意控制进料流速和进水电导率。

预处理的一般原则

(1)地表水中悬浮物、胶体物质杂质较多，预处理主要去除这些杂质：

①地面水悬浮物含量小于50mg／L时，可采用直流混凝过滤法；

②地面水悬浮物含量大于50mg／L时，可采用混凝、澄清、过滤法。

预处理的一般原则

(2)地下水中含悬浮物、胶体杂质较少，即其浊度sDI值较低，由于长期缺氧，地下水中存在有Fe，Sr，H2S等具有还原性的成分，尤其是二价铁离子普遍含量较高：①Fe小于O.3mg／L，SS小于20mg／L时，可采用直接过滤法；②Fe小于O.3mg／L，SS大于20mg／L时，可采用直流混凝过滤法；③Fe大于O.3mg／L，应考虑除铁，再采用直接过滤工艺或直流混凝过滤法。

预处理的一般原则

(3)原水中有机物含量较高时：

采用加氯、混凝、澄清、过滤处理。若仍不能满足要求，可同时采用活性炭过滤除去有机物。(4)原水中碳酸盐硬度较高时：

加药处理仍造成CaC03在反渗透膜上沉淀时，可采用石灰处理。(5)原水中硅酸盐含量较高时：

可加石灰、氧化镁(或白云粉)进行处理。

预处理过程

一、悬浮固体和胶体的去除

悬浮固体包括淤泥、氧化铁和腐蚀产物、二氧化锰、与硬度有关的沉淀物、铝的氢氧化物、二氧化硅、硅藻、细菌、有机胶体等，其中胶体最难处理。(1)大悬浮物颗粒：重力作用沉降，反渗透前，用砂过滤或多介质过滤器，或使用5～25牲m的过滤筒就可以充分去除。

预处理过程

(2)小悬浮物颗粒和胶体物质：包括水中的细菌、黏土、胶体和铁的腐蚀物等，澄清器中使用的铝盐、氧化铁、阳离子聚电解质等化学药品，在澄清器和随后的过滤中未被很好地去除，阳离子聚电解质与带负电的阻垢剂产生的沉淀。

胶体本身的布朗运动(动力稳定性)和带电稳定性及水化作用，使尺寸较小的悬浮物及胶体杂质能在水中长期保持稳定分散状态。但在进料液的浓缩过程中，胶体的稳定性会受到破坏而凝聚沉积在膜面上，这将改变组件内流体的流动状态，从而使沉积更加严重。实践表明，O.3～5μm粒径的悬浮颗粒和胶体最容易引起膜的污染。

预处理过程

①絮凝——多介质过滤

胶体粒子很小又带电荷，用通常的过滤方法无法去除。为了沉降胶体颗粒，常使用不同的化学混凝剂使胶体颗粒以不同的方式失稳，常使用双电层压缩、吸附与电性中和、架桥絮凝或吸附网捕(卷扫)等方法来使胶体粒子凝集成大的胶团，然后再用一般的过滤方法有效地去除这种胶团。常用的混凝剂包括无机絮凝剂：硫酸铝、聚合氯化铝(PAC)、硫酸亚铁、氯化铁、聚合铁(PFS)。

预处理过程

水过滤时使用的过滤介质，包括粒状滤料(粒料)和滤芯滤料两大类。a．粒状滤料(粒料)过滤是指水过滤时使用的一定大小、形状的滤料(粒料)。常用的滤料有石英砂，还有特殊用途的滤料如活性炭(GAO)，它起过滤和吸附的双重作用。通常使用时以磺化煤和石英砂作为双层滤料，石英砂、磺化煤和石榴石或钛铁矿作为三层滤料。

预处理过程

b滤芯滤料过滤对于反渗透器进水，除了需预先对原水进行常规的粒状滤料过滤外，还有必要使用滤芯滤料过滤，以除去水中微量的悬浮杂质。滤芯滤料过滤后，可使出水浊度小于0.3NTU，污染指数SDI小于3。c．直流过滤：针对原水(地表水)中悬浮物较低的水，不加沉淀设备，把混凝剂与助凝剂直接加到过滤器的进水管中，让水中杂质形成可过滤的细小矾花，以便在后面的过滤器中除去杂质的过程。

预处理过程

②微滤和超滤法预处理：

其优点是除去范围宽，包括胶体在内，可连续操作，性能优良，产水水质好，对高压泵及反渗透的保护性好，少用或不用药剂，物理消毒安全，投资少占地少等。

预处理过程

二、可溶性有机物的去除

可溶性有机物(长链的可离解成离子的有机脂肪酸等除外)和胶体物质不同，用沉降或凝聚法无法去除。去除可溶性有机物的方法有以下几种。①用氯或次氯酸钠进行氧化，几乎能去除可溶性的、胶体状的和悬浮性的有机物。氧、臭氧和高锰酸钾虽然是强氧化剂，使用效果好，成本也较高。

预处理过程

②用活性炭吸附几乎可除去所有非极性、中高分子量的可溶性有机物。由于活性炭能够再生，相对来说还是经济的。但是对那些不能被活性炭吸附的可溶性有机物，如醇、酚等仍需要用氧化法处理。③用聚阳离子絮凝剂除去阴离子极性大分子。④易挥发性的低分子化合物，可借助脱气法除去。⑤弱解离的大分子可用吸附树脂除去。⑥在有些情况下，还可考虑用超滤去除一定分子量的有机物。

预处理过程

三、可溶性无机物的去除(1)水中铁的去除

对于酸性矿山废水，虽然含有大量的铁，酸性条件下铁离子是稳定的，所以反渗透组件能够长期稳定运转。

然而氢氧化铁、氧化锰以不溶性的胶体或胶团形式存在，它们对膜是有危害的。如果配水管使用易腐蚀的钢管而在进料水中又有较充分的溶解氧，那么配水管中铁的溶出会影响膜的分离。

预处理过程

①混凝法

当水中铁盐以氢氧化铁胶体或有机化合物胶体(如腐殖酸铁)形态存在时，可使用混凝剂，使胶体失稳，凝聚成大颗粒，在澄清过滤工艺中除去。②曝气法天然水中的铁离子以Fe离子存在，当水中溶解氧的浓度很低和水中的pH值较低的深井水时，曝气氧化生成氢氧化铁沉淀。对地面水而言，由于溶解氧含量较大，当其pH在7左右时，水中铁几乎只有胶溶状的Fe(OH)3存在。

预处理过程

③锰砂过滤法Fe(OH)3沉淀物经锰砂过滤后被除去，锰砂滤层起着催化和过滤的双重作用。(2)二氧化硅的去除

二氧化硅在水中常以悬浮颗粒、胶体和硅酸根的形式存在，后两种形式对反渗透装置有害。

胶体硅常用混凝去除，溶硅常用阴离子交换树脂去除。

预处理过程

(3)难溶盐(碳酸钙、硫酸钙)沉淀的预防反渗透过程中水垢是普遍的膜污染。给水水源为海水时，通常考虑碳酸钙成垢；给水水源为苦咸水时，需考虑碳酸钙、硫酸钙成垢。a软化法b酸化法c添加阻垢剂

预处理过程

(4)水中余氯的去除

氯化杀菌后的水中有残余氯

当使用反渗透复合膜和芳香族聚酰胺中空纤维膜时，进水必须除去残余氯。①加亚硫酸钠

向含残余氯的水中投加一定量的还原剂亚硫酸钠，使之发生脱氯反应。②采用活性炭用活性炭过滤法除去水中游离氯比较彻底。活性炭脱氯不是单纯的物理吸附作用，而是在其表面发生催化作用，促使游离氯通过活性炭滤层时，很快水解并分解出原子氧。

预处理过程

(5)微生物(细菌、藻类)的去除

细菌的存在会对膜产生侵蚀。细菌的侵蚀会使膜的乙酰基含量下降，引起脱盐率的降低。氯气、次氯酸钠作为杀菌剂广泛使用在水处理中。污染膜是否清洗的判据①根据膜分离装置进出口压力降的变化：②根据透水量或透水质量的变化：③定时清洗：污染膜的常用清洗方法①采用增大流速、逆洗、脉冲流动，超声波清洗等机械方法。②添加酸、碱、酶（蛋白酶）、螯合剂或表面活性剂等起溶解作用的物质。③添加过氧化氢、高锰酸钾和次氯酸盐等起氧化作用的物质。④添加磷酸盐和聚磷酸盐等起渗透作用的物质。⑤改变离子强度、pH值和ξ电位等起切断离子结合作用的方法。

浓差极化与膜污染的防治方法1、预处理法2、膜表面改性3、改善膜表面的流体力学条件4、附加场的方法5、反冲6、机械方法7、其他方法膜的清洗方法物理方法化学方法所用的清洗剂水力方法气－液脉冲反冲洗涤循环洗涤酸碱液表面活性剂螯合剂氧化剂酶化学清洗液酸在去除诸如碳酸钙和磷酸钙等钙基垢、氧化铁和金属硫化物方面是有效的。碱清洗溶液包括磷酸盐、碳酸盐和氢氧化物。这些溶液可使沉淀物松动、乳化和分散。当去除诸如硅酸盐等特别难以去除的沉积物时,交替使用碱清洗剂和酸清洗剂。表面活性剂如SDS、吐温80、Triton、X-100(一种非离子型表面活性剂)等在许多场合有很好的清洗效果，可根据实际情况加以选择，但有些阴离子型和非离子型的表面活性剂能同膜结合造成新的污染在选用时须加以注意。除了强酸和碱外，螯合剂也用于去除污染膜的沉积物。常用的螯合剂有乙二胺四醋酸(EDTA)、磷羧基羧酸、葡萄糖酸和柠檬酸等。其中，葡萄糖酸在强碱溶液中螯合铁离子(Fe3+)通常是有效的。EDTA常用于溶解碱土金属硫酸盐。当NaOH或表面活性剂不起作用时，可以用氯进行清洗，其用量为200～400mg/L活性氯(相当于400～800mg/LNaClO)，其最适pH为10～11。由醋酸纤维等材料制成的膜，由于不能耐高温和极端pH，在膜通量难以恢复时，须采用能水解蛋白质的含酶清洗剂清洗。但使用酶清洗剂不当会造成新的污染。如采用固定化酶形式，把酶固定在载体上，用含载体液进行清洗，效果很好。内压式中空纤维膜使用7、膜分离技术的应用应用水的脱盐和净化食品工业医疗、卫生方面石油、化工方面环境工程其他方面海水与苦咸水淡化电厂锅炉供水脱盐超纯水制备城市家庭饮用水的净化乳品加工酒类生产果汁加工酶制剂生产医疗、卫生用水药品生产医疗应用中药提炼回收有机蒸气制取富氧空气无水乙醇生产膜与生物技术国防上的应用交通、运输方面脱气膜电泳漆废水电镀废水纤维工业废水造纸工业废水其他废水膜技术在牛乳和乳清加工中的应用反渗透技术应用现状：反渗透膜分为高压、中压、低压、超低压及极低压膜芳香聚酰胺复合膜：功能性不断扩展，商品化了抗氧化、抗污染、高通量膜膜组件：卷式占91%以上，中空纤维5%，板框式4%反渗透技术应用现状：2001年世界上海水淡化，蒸馏法占据主导地位，目前反渗透已成为主流。2000年后反渗透在我国的应用迅速增加，90%用于生产饮用水、工业纯水和超纯水。逐步广泛应用于工业废水、城市污水处理回用中。

电力、钢铁、有色金属、石化、电镀行业。反渗透技术应用我国市场需求和发展目标：1.海水淡化如何获取淡水已成为全球性问题RO优势：投资少、能耗低、淡化成本低、建设周期短。随着技术的不断发展和规模的扩大，成本不断下降。2005年：海水淡化综合成本明显高于居民自来水价，与工业自来水价持平；2010年：海水淡化综合成本将低于工业自来水价，在居民自来水价区间中。

海水淡化技术将大规模应用于市政供水。反渗透技术应用2.饮用水净化以膜为核心的饮用水深度净化工艺是一种新的更有效的水净化技术。目前利用反渗透膜取得纯净水，能有效的去除对人体有害的微生物、有机物，但同时也使水中的含盐量降低96%~99%，去除了人体必需的微量元素钙、镁等。反渗透膜并不适合于饮用水净化。3.废水资源化工业废水与城市污水处理与回用。反渗透技术发展趋势1.开发低压反渗透膜反渗透膜的基本性能：分离特性、操作压力分离特性：膜材料操作压力：制膜技术（无新型材料，改进技术）相同通量下更低压力反渗透技术发展趋势2.提高反渗透膜的耐污染能力目前难题：由微生物及微生物代谢产物造成的膜污染。聚酰胺材料抗氧化性较差，添加氧化剂以外的杀菌剂，改变膜材料带电状态（电中性），改变膜间隔网形状促进流道畅通等。反渗透技术发展趋势3.开发高通量超滤或微滤-反渗透集成系统已经广泛应用，但仍存在问题，提高通量，提高稳定性。4.提高反渗透系统水回收率碳酸钙和硅在浓缩过程中晶析成垢，解决结垢问题，提高回收率。主要是硅垢。反渗透技术发展趋势5.开发无需添加药品的膜法超纯水制备技术反渗透+EDI