过滤及膜技术

关于过滤及膜技术第2页,共56页，星期六，2024年，5月第3页,共56页，星期六，2024年，5月膜技术：以高分子功能膜为代表，利用特殊薄膜对液体中的某些成分进行选择性透过的方法。以高分功能膜为代表

1953年首次提出反渗透技术淡化海水构想；

1960年加利福尼亚大学研制出第一张可实用的反渗透膜，标志着膜科学技术诞生。渗透和渗析渗透：溶剂透过膜的过程。渗析：溶质透过膜的过程。常规膜技术：反渗透、纳滤、超滤、微滤（、电渗析、自然渗析、液膜技术）等。第4页,共56页，星期六，2024年，5月应用（1）海水和苦咸水脱盐；（2）废水回用和循环；处理市政污水用于间接饮用与直接工业回用，工业用水循环再利用，甚至饮用水直接回用，以二级市政污水生产高质量饮用水。（3）拓展：前景广阔饮用水处理、工业废水脱色、垃圾填埋场渗滤液处理、膜生物反应器、水的回收循环利用等。第5页,共56页，星期六，2024年，5月特点（P126）（1）不发生相变，能量转化率高；（2）分离与浓缩同时进行，可回收有价值的物质；（3）根据膜特性将不同物质分开；（4）膜分离过程不会破坏对热不稳定性的物质，常温下即可分离；（5）不需投加药剂、可节省原材料和化学药品；（6）适应性强，操作及维护方便，易于实现自控。第6页,共56页，星期六，2024年，5月从药剂投量和加注点沉淀后过滤直接过滤微絮凝过滤(接触)凝聚过滤微絮凝过滤：滤池前设一简易微絮凝池，原水加药混合后先经微絮凝池，形成粒径相近的微絮粒（40~60μm），即刻进入滤池过滤。

微絮凝：要求形成絮体尺寸较小，便于深入滤层深处以提高滤层含污能力。

絮凝：要求絮凝体尺寸愈大愈好，以便在沉淀池内下沉。接触过滤：原水经加药后直接进入滤池过滤，滤前不设任何絮凝设备，进入滤池后滤料也是接触凝聚介质。第7页,共56页，星期六，2024年，5月三、双层滤料过滤

P.121滤层含污量：单位体积滤料中的平均含污量（滤层含污能力）第8页,共56页，星期六，2024年，5月第9页,共56页，星期六，2024年，5月第10页,共56页，星期六，2024年，5月实践证明：双层滤料含污能力较单层滤料含污能力高1倍以上。第11页,共56页，星期六，2024年，5月§2反渗透（RO）

一、膜分离法概述1kg/cm2=98.067KPa=0.98bar；1bar=0.1MPa=1.02kg/cm2第12页,共56页，星期六，2024年，5月第13页,共56页，星期六，2024年，5月膜分离过程多数膜有三股液流：进水、浓水、渗透液（P127图5-10）死端过滤（静态死端式、全流过滤）：进料液体垂直流过膜，无截留液；交叉流过滤：进水流向与膜面平行（水力冲刷，沉积微粒返回流体主体，有效减轻膜面有机物积累），在高通量下运行更持久。回收率：截留率：第14页,共56页，星期六，2024年，5月二、反渗透机理1、渗透现象与渗透压第15页,共56页，星期六，2024年，5月恰能阻止渗透现象继续发生而达到动态平衡时的压力称为渗透压力，用符号π表示，单位KPa或Pa

。（1）定义渗透第16页,共56页，星期六，2024年，5月（2）渗透压力与浓度、温度的关系

溶液的渗透压与温度、浓度的关系：范特荷甫公式：Π＝cRT

式中Π

－溶液的渗透压kPac－溶液浓度mol/LT－绝对温度K(273.15＋t0C)R－气体常数8.31kPa·L·mol-1·K-1

第17页,共56页，星期六，2024年，5月

a.在一定温度下，溶液的渗透压与它的浓度成正比。

C

b.在一定浓度下，溶液的渗透压与绝对温度成正比。

T由上式可知：稀溶液的渗透压与溶液的物质的量浓度及绝对温度成正比，而与溶质及溶剂的种类无关。第18页,共56页，星期六，2024年，5月Π＝cRT的意义在一定温度下，溶液的渗透压与溶液的浓度成正比即

与溶液中溶质的数目成正比，而与溶质的本性无关不论溶质微粒是小分子或大分子，只要溶液中溶质粒子的数目相等，则渗透压就相同第19页,共56页，星期六，2024年，5月Π＝cRT适用范围

Π＝cRT只适用于非电解质稀溶液如：0.3mol/L葡萄糖溶液与0.3mol/L蔗糖溶液，其Π相同；当两种非电解质溶液的c不同时，c大，它的Π就大第20页,共56页，星期六，2024年，5月

由于电解质分子在溶液中发生电离产生离子，使溶液中粒子的数目成倍增加，用Π＝cRT计算电解质溶液的渗透压将会产生较大的误差。为了消除误差，引入一个校正系数i

渗透压公式改写为Π＝icRT计算电解质溶液的渗透压

式中i－校正因子，指溶质的一个分子在溶液中能产生的粒子数。例如：0.3mol/LNaCl

Π

1(i=2)0.3mol/LC6H12O6

Π

2(i=1)

则Π

1＝2

Π

2第21页,共56页，星期六，2024年，5月

例：1L溶液中含5.0g马的血红素，在298K时测得溶液的渗透压为1.8102Pa，求马血红素的相对分子量。解：第22页,共56页，星期六，2024年，5月定义：在咸水一侧施加压力P大于溶液渗透压，则渗透反向。2、反渗透单位体积海水理论耗能量（P128）：

海水淡化过程，盐度不断提高，渗透压随之升高，实际所耗能量比理论值大得多。第23页,共56页，星期六，2024年，5月反渗透分离物质反渗透在纯净水制备中的作用3、反渗透机理第24页,共56页，星期六，2024年，5月一级反渗透第25页,共56页，星期六，2024年，5月二级反渗透第26页,共56页，星期六，2024年，5月三、工艺1、膜及膜组件醋酸纤维素（CA）膜芳香族聚酰胺膜膜

平板膜：板框式、卷式管式膜：管式、中空纤维膜膜组件（1）板框式：书P129图5-13（a），由一定数量的多孔隔板组合，每块隔板两面装有反渗透膜；（2）卷式：板框式卷绕；（3）管式：内压式、外压式（4）中空纤维膜组件：外径50-100μm，壁厚12-25μm第27页,共56页，星期六，2024年，5月2、预处理（1）pH值调整（5.5-6.2，弱酸，防沉淀堵塞）；（2）去悬浮固体及胶体（混凝、精密过滤）；（3）去除可溶性有机物及残留胶体、悬浮性有机物（化学氧化，氯或次氯酸盐）（4）水的回收率控制：越高则有机物越浓缩（多级串联）（5）细菌、藻类、微生物的去除；（6）超滤去除油、胶体、微生物等。SDI：污染指数（淤泥密度指数,FI）,表征水中颗粒、胶体和其他能阻塞各种水纯化设备的物质含量，是测定反渗透系统进水的重要指标之一。SDI的测量是通过47mm直径，0.45μm孔径的膜的流速的衰减，转换为1-100,反渗透进水应不高于5。第28页,共56页，星期六，2024年，5月3、工艺P132图5-7：单程式、循环式、多段式4、膜清洗

物理法：水力清洗、水气混合冲洗、逆流清洗化学法：根据污染物性质选择清洗药剂（与污染物反应；溶解污染物）

P133表5-6、5-7，清洗配方的配制及选用。四、计算：略五、反渗透的应用

海水淡化：34300mg/L（3.5%），5-7MPa

苦咸水淡化（1000-5000mg/L），2-3MPa

城市污水深度处理（二级处理水）电镀废水第29页,共56页，星期六，2024年，5月第30页,共56页，星期六，2024年，5月

反渗透技术还应用于水果和蔬菜汁的浓缩等过程。第31页,共56页，星期六，2024年，5月第32页,共56页，星期六，2024年，5月§3纳滤（NF）分离压力：0.5-2.0MPa(反渗透2-7MPa)；膜孔径：3-60nm(纳米级)；截留分子量：100-1000（200-500），可截留一部分无机盐；对单价离子和分子量小于300的小分子截留率较低；对二价离子和分子量大于300的有机小分子截留率较高；应用广泛：在饮用水领域用于脱除三卤甲烷中间体（THMFP）、异味、色度、农药、合成洗涤剂、可溶性有机物、Ca、Mg、铊等硬度。第33页,共56页，星期六，2024年，5月一、分离机理传统理论：纳滤膜传质机理与反渗透膜相似，通过溶解扩散传递（纳滤有时亦称“低压反渗透”、混合过滤、杂化过滤）；纳滤膜：疏松的反渗透膜。后研究发现不能很好解释纳滤膜特征。立体阻碍-细孔模型电荷模型空间电荷模型固定电荷模型第34页,共56页，星期六，2024年，5月二、纳滤的分离特性材料：醋酸纤维素（CA）、醋酸纤维素-三醋酸纤维素、磺化聚砜等，一般为复合型膜(即膜的表面分离层和它的支撑层的化学组成不同)膜组件：板框式、卷式、管式、中空纤维式1、分离规律（1）阴离子截留率从小到大：NO3-＜F-

＜Cl-

＜HCO3-

＜SO32-

＜SO42-

＜CO32-（2）阳离子截留率从小到大：H+

＜Na+

＜K+

＜Ca2+

＜Mg2+

＜Cu2+（3）有机物：疏水性有机物截留效果好；亲水性有机物截留率较低（4）截留分子量：100-1000。第35页,共56页，星期六，2024年，5月2、工作压力：0.5-2MPa规律：操作压力越高，料液通过膜的通量越大；高压下导致膜的致密化会使通量降低。操作方式：恒定压力操作法；恒定通量操作法。（1）恒定压力：保持操作压力一定，随膜污染通量逐渐下降（2）恒定通量：保持通量一定，随膜污染不断升高压力3、操作温度温度上升，溶质和溶剂扩散系数变大，粘度下降，膜通量提高；温度过高，膜致密化，破坏膜的化学结构，改变膜性能。第36页,共56页，星期六，2024年，5月4、流速高流速可减少浓差极化或沉积层，提高渗透通量；流速的选择主要考虑物质对剪切力的敏感、能耗等因素。5、应用染料废水处理及染料回收；中药提取液回收；处理含铬废水第37页,共56页，星期六，2024年，5月§4超滤（UF）分离压力：0.1-0.6MPa(纳滤1-2MPa反渗透2-7MPa)；膜孔径：60-1000nm(纳滤3-60nm)；截留分子量：1000-30000[纳滤100-1000（200-500），可截留一部分无机盐]；去除对象:高分子化合物、蛋白质、大多数细菌、病毒等。第38页,共56页，星期六，2024年，5月第39页,共56页，星期六，2024年，5月一、超滤原理第40页,共56页，星期六，2024年，5月超滤膜：醋酸纤维素膜、聚砜膜，等。膜组件：同反渗透、纳滤，板式、管式、卷式、中空纤维。第41页,共56页，星期六，2024年，5月

常见的间歇式流程见图。图中(a)为间歇操作——开式回路流程,将一批料液加入贮槽,用泵加压后送往膜组件,使之连续排出透过液,浓缩液则返回槽中与贮槽中原料液混合后送往膜组件。如此循环操作,直到浓缩液浓度达到预定值为止。这种流程操作简单,浓缩速度快,所需膜面积小,但全循环时泵的能耗高。为了降低能耗,可采用部分循环操作,如图(b)所示为间歇操作——闭式回路流程。间歇操作通常在实验室中和小型中试厂使用。

1、间歇式二、超滤的操作方式第42页,共56页，星期六，2024年，5月2、连续式

连续式超滤过程是指料液连续不断加人贮槽和产品的不断产出。可分为单级和多级。单级连续式操作过程的效率较低,一般采用多级连续式操作。特点：每一级都在一个固定的浓度下操作,最后一级的浓度是最大的,即为浓缩产品；只有最后一级在高浓度下操作,渗透通量低,其他级操作浓度均较低,渗透通量相应也较大,因此级效率高。应用：大规模生产,特别适用于食品工业领域。第43页,共56页，星期六，2024年，5月3、重过滤操作应用于大分子和小分子的分离，流程见P143图5-26。原理：料液中含有各种大小分子溶质，若不断加入纯溶剂（水）以补充滤出液体积，低分子组分被逐渐清洗出去，实现大小分子的分离。第44页,共56页，星期六，2024年，5月1、料液流速

V↑，减少浓差极化；能耗↑。2、操作压力

在压差较小的范围内,渗透通量随压差增长较快;当压差较大时,随压差的增加渗透通量增长逐渐减慢,且当膜表面形成凝胶层时,渗透量趋于定值不再随压差而变化,此时的渗透通量称为临界渗透通量。实际超滤操作压力应接近临界渗透通量时的压差,若压差过高不仅无益而且有害。

三、影响因素第45页,共56页，星期六，2024年，5月3、温度

温度↗，μ↘，提高通透量；温度↗，某些组分溶解度↘，膜污染↗（乳清中的钙盐）；大多数超滤应用的温度范围为30~60℃；牛奶、大豆体系的料液,最高超滤温度不超过55~60℃。4、运行周期周期性操作：超滤→凝胶层→通量下降→清洗第46页,共56页，星期六，2024年，5月第47页,共56页，星期六，2024年，5月5、进料浓度

最高允许浓度：P144表5-12。6、料液的预处理

沉淀、混凝、过滤、吸附等。7、膜清洗

先水力清洗，再采用化学洗涤剂清洗。（P144表5-13：各种清洗方法）

第48页,共56页，星期六，2024年，5月定义：在超滤分离过程中,膜截留下来的溶质粒子在膜前积累,使膜表面溶质浓度逐渐高于原料液主体溶质浓度,在此浓度差为推动力的作用下,溶质便从膜表面向料液主体扩散,形成具有浓度梯度的边界层,这就是超滤过程的浓差极化。四、浓差极化第49页,共56页，星期六，2024年，5月问题：由于浓差极化,膜表面处溶质浓度高,会导致溶质截留率的下降和渗透通量的下降。当膜表面处溶质浓度达到饱和时,在膜表面形成凝胶层,使溶质截留率增大,但渗透率显著减小。计算：略。第