膜分离技术详述1-1

膜分离技术及其应用北京海德能公司1膜料液水小分子大分子渗透液定义：

具有选择性分离的功能薄膜材料。

“21世纪的多数工业中，膜技术扮演着战略的角色”“谁掌握了膜技术，谁就掌握了21世纪的未来”膜的简介2膜的应用膜海水淡化工业废水处理城市废水资源化天然气生物质利用能源水资源传统工业生态环境除尘CO2

控制制药食品化工与石化电子冶金燃料电池洁净燃烧3膜技术的工业应用工业领域应用举例金属工艺金属回收；污染控制；富氧燃烧

纺织及制革工业余热回收；药剂回收；污染控制造纸工业代替蒸馏；污染控制；纤维及药剂回收食品及生化工业净化；浓缩；消毒；代替蒸馏；副产品回收化学工业有机物除去或回收；污染控制；气体分离；药剂回收和再利用医药及保健人造器官；控制释放；血液分离；消毒；水净化水处理海水、苦咸水淡化；超纯水制备；电厂锅炉用水净化；废水处理国防工业舰艇淡水供应；战地医院污水净化；低放射性水处理；野战供水4膜技术用于生物质资源开发膜生物反应器技术取得间歇发酵可提高反应器效率15－80倍渗透汽化膜分离技术比传统共沸蒸馏节能60％生产装置总投资为传统分离方法总投资的40－80%

650kcal/l130kcal/l7wt%乙醇1380kcal/l42wt%乙醇93wt%乙醇99.8wt%乙醇980kcal/l350kcal/l(~90%ES)(~33%ES)纤维素发酵蒸馏蒸馏脱水透醇膜60wt%乙醇99.8wt%乙醇透水膜传统过程:发酵速率低、能耗大膜生物反应器：实现连续生产，降低操作成本5膜法海水淡化分离方法反渗透低温多效多级闪蒸能耗(kWh/m3)3.5>7>10国家或地区沙特中国长海中国长岛中国沧化设备能力m3/d568001000100018000原水含盐量mg/L43700350003400013000能耗kwh/m3754.52.75产水成本RMB/m34.886.695.131.83反渗透淡化厂的能耗及产水成本

几种分离方法能耗比较6膜法海水淡化嵊泗1000吨/日反渗透海水淡化装置7膜法自来水厂巴瓦兹河梅里市14万立方米/天的纳滤厂，每天为巴黎附近50万居民提供14万吨饮用水黎8典型膜应用过程－反渗透渗透与反渗透的区别：渗透是水通过半透膜，从低溶质浓度一侧到高溶质浓度一侧，直到两侧的水的化学位达到平衡。而反渗透是在推动力作用下，溶剂（水）从高溶质浓度一侧到低溶质浓度一侧，克服的是渗透压。渗透压的计算：理想水溶液渗透压＝RTCsi

实际溶液＝iRTCsi

Csi是溶质的浓度，mol/cm39典型膜应用过程－反渗透

半透膜纯水盐水纯水盐水纯水盐水hPA、渗透B、渗透平衡C、反渗透渗透、平衡渗透、反渗透示意图

10典型膜应用过程－反渗透一般而言，无机盐溶液的渗透压很高，含1g/l氯化钠的天然水，渗透压为0.07MPa，含35g/l氯化钠的海水，渗透压为2.5MPa。反渗透是以压力差为推动力的分离操作，其功能是截留离子物质而仅透过溶剂。反渗透不是渗透的逆过程，两者同样是在等温条件下溶剂从高化学位到低化学位的迁移过程。反渗透将料液分成两部分：透过膜的是含溶质很少的溶剂，称为渗透液；未透过膜的液体，溶质浓度增高，称为浓缩液。1784年Abble

Nollet用猪膀胱作透过试验，发现渗透现象；1953年C.E.Reid提出用反渗透法淡化海水的方案；1960年Loeb和S.Sourirajan制成第一张非对称结构的醋酸纤维素膜，反渗透技术进入实用化阶段。反渗透过程可以分为三类：高压反渗透（5.6-10.5MPa），

低压反渗透（1.0-4.2MPa），

纳滤（0.3-1.0MPa）。11典型膜应用过程－反渗透分离机理反渗透膜上的微孔孔径约为2nm，而无机盐离子的直径仅为0.1-0.3nm，水合离子的直径为0.3-0.6nm，明显小于孔径，无法用分子筛分原理来解释分离现象。S.Sourirajan提出了优先吸附－毛细管流动模型来解释非荷电膜的分离；荷电膜分离机理着重考虑的是膜与分离对象之间的Donnan效应。溶解－扩散模型：膜是无孔的“完整的膜”12典型膜应用过程－反渗透膜低压渗透侧Jw=水通量Cw=渗透液溶质浓度Qp＝渗透流量＝Jw×ACr＝截留液中溶质浓度Qr＝截留液流量高压侧

p-＝膜的推动力Cb＝主体溶质浓度Cm＝膜面溶质浓度供料截留液渗透液Qi=进料流量Ci=溶质浓度反渗透过程示意图反渗透过程用三个参数来评价：R＝表观截留率＝1-w/CiJw=渗透通量＝单位面积上的渗透流量r＝回收率间歇系统：r=

JwAt/V连续系统：r=JwA/Qi13典型膜应用过程－反渗透反渗透膜：高操作压力：3－10MPa；要求膜必须有高透水率，高脱盐率；耐一定的酸碱、耐微生物、耐压密；必须满足工艺要求、性质稳定，能长期使用。形状：平板膜、管式膜、卷式膜、中空纤维膜主要膜材料：醋酸纤维素、芳香聚酰胺、聚砜膜组件反渗透过程的经济性和应用性，取决于各种廉价的反渗透膜组件。主要有：管式、板式、中空纤维、卷式卷式组件的销售占反渗透市场总量的70％，中空纤维组件占26％，管式、板框组件的销售量较小。组件必须满足：1）机械强度：必须承受高压，及周期性的减压与膜清洗；2）水力性能好：组件设计必须使膜的污染和浓差极化最小；3）经济性：组件寿命必须长；4）制造费用低，易于替换。14典型膜应用过程－反渗透15典型膜应用过程－反渗透16典型膜应用过程－反渗透17典型膜应用过程－反渗透过程设计1、原则：设计变量：组件的流体力学和流速、水的特性（溶质浓度和扩散性、渗透压、粘度等）、操作压力、水回收率、污染指数。设计过程中应考虑因素：1）溶液变量：悬浮固体、可溶性无机物、微生物、可溶性有机物、有机溶剂、氧化性化学试剂、温度、pH2）最低预处理要求SDI<53）膜的变量：膜材料和组件形式、组件中的流速、压力降、说回收率和浓度、最小运行通量和最大通量、组件排列、清洗要求4）膜与其他过程的结合；5）膜的性能随长期运行会发生变化，随时间的延长，通量和脱盐率发生明显的变化，一般膜的寿命3-5年；18典型膜应用过程－反渗透2、料液预处理每个反渗透系统都包含了一定程度的供料预处理系统。其目的为：延长膜的寿命、防止膜污染、保持系统的去除率和回收率。与预处理相关的投资成本和操作费用占总生产成本的50％。预处理程度取决于：膜组件的类型、料液组成、系统要求达到的性能。预处理的方法：1）防止化学损伤膜的预处理供给水的氯浓度和pH会对膜产生化学损伤。聚酰胺类膜不耐氯，醋酸纤维素特别要控制pH，在pH<4,pH>7的条件下水解特别快。脱氯常用方法：a、用NaHSO3处理；b、炭过滤c、用SO2气体处理。pH的调整一般用H2SO4或NaOH19典型膜应用过程－反渗透20典型膜应用过程－反渗透脱盐装置的共同单元：供给水吸入系统预处理系统反渗透膜产品水后处理动力回收系统水源供水泵预处理系统高压泵反渗透膜单元后处理系统分配汽提、消毒能量回收系统浓液排放典型脱盐系统单元可降低能耗25～40％冲击式水轮泵反转泵21典型膜应用过程－反渗透海水氯气FeClSO4阳离子聚电介质搅拌槽絮凝槽重力过滤器活性炭过滤器氯气0.5m筒式过滤器阻垢剂加酸（H2SO4）去膜组件海水淡化预处理系统0.5m筒式过滤器去膜组件深进水加酸阻垢剂软化水处理中的预处理22典型膜应用过程－反渗透浓缩液4段渗透液3段渗透液1段渗透液2段渗透液产品水高水回收率的反渗透级联工艺23典型膜应用过程－反渗透应用1、海水和苦咸水淡化2、废水和有害废水的处理工业废水市政废水3、化学加工工业的应用电镀和金属抛光工业造纸工业纺织工业石油工业电力工业4、食品加工工业的应用水处理产品回收浓缩和脱水分馏5、地下水和地表水的处理6、纳滤的应用废水处理产品脱盐浓缩24典型膜应用过程－反渗透反渗透过程已成功使用30多年，据统计，在全世界所有淡化过程生产