反渗透与超滤演示文稿.pdf

反渗透与超滤演示文稿、反渗透(RO)Reverse Osmosis：n2、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 310X10-1。(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、饮用蒸馈水、太空水的生产，还应用于生物、医学工 程。*点A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、蒸窗水等制备；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、反渗透的原理由于浓度差存在，半透膜 又不允许溶质通过，所以在浓水边加压，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。水透过膜，使浓水一边液 面升高，产生渗透压开始时两边液 面相同半透膜I 渗透和反渗透原理示意图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II on=iRTc若在溶液的液面上再施加一个大于II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，二 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)对反渗逶膜的性能要求选择性好，单位膜面积上透水量大，脱 盐率高；4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 冠微生物侵蚀，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。1.（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,9 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。吠家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但生1)醋酸纤维素膜的结构及性能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。f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，,取后再经蒸发、冷水浸渍、热处理，即可得 到醋酸纤维素(cellulose cicetciteCA)膜。外观为乳白色、半透明，有一定的韧性，膜 厚100-250听。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。示意e c a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，膜中仅一 含水分。链接表皮层，孔径(8-10)X 10-10mF叫.悭1 界孔y39涉年雕过渡层，孔径 200X10-10my,%I多孔层，孔径(1000-4000)X10-10mAJ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 用中还充满着毛细管水，此层中含水率较 iKjo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。、，了9CA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+o 阴离子的脱除顺序为：柠檬酸根酒石酸根SO4*CH3COO-CI-BrNO3lSCNo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：ck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 pH4.552时最低。(3)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的过程。即在高压作用下，溶液中水分子和膜表皮层 活化点缔合，原活化点上的结合水解离出来,解离出来的水分子继续和下一个活化点缔合,又解离出下一个结合水。一水分子通过一连串的缔合一解离过程，依次从一个活化点转移到下一个活化点，直至离开表皮层，进入多孔层。2）优先吸附一毛细管流理论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。3）溶解-扩散机理溶剂与溶质透膜的机理是由于溶剂 与溶质在膜中的溶解，然后在化学位差 吃推动力下，从膜的一侧向另一侧进行 扩散，直至透过膜。4.反渗透装置工业生产中使用的膜分离设备是由多个构造相同的单个装置组合而成 的，一般把构成设备的相同的装置 称为膜组件(membrane module)。反渗透膜组件有板框式(plate and frame)管式(tubular modules)、1 螺旋卷式(spiraIs wound)和中空纤维式(hollow fiber)等四种。四种反渗透装置的性能及操作特点比较项目板框式管式螺旋卷式中空纤维式填充密度(m2/m3)201502501800易污染程度难中等易易膜清洗难度内压式易，外压式难易难难膜更换难度内压式难，外压式易一般易易原水预处理 成本低中等高高相对价格高高低低(1)板框式反渗透膜组件装配图半透膜进水缺点：装卸复 杂，单 位体积 膜表商 积小。透水板透过水一浓缩水特点：结构简单，体积 比蕾式的小。(2)管式反渗透膜组件二二二胃，出口 淡水 t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玻璃纤维管淡水a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。束式外压式膜组件9 11 12 13 10 14彳一档圈；2集水密封环；3一聚氯乙烯烧结板r 4一锥形多孔橡胶塞；5密封管接头；6一进水 ;7-壳体；8-橡胶胆；9一出水口；10-膜 元件；11一网套；120形密封圈；13一档圈槽；14 一淡水出口螺旋卷式膜组件一个膜叶结构示意图密封密封膜组件的组装示意图喘 盖密封圈浓缩液连接器膜组件透过液压器 耐容进水口工业应用的反渗透装置业用反透置膜件间连 工应的渗装的组之的接一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，,腺水流程短，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50200卬1,内径25-42即)。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E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，并祝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密封中空纤维膜 外径50200ji 内径2542进水多孔进水管浓水密封浓水出口耐压容器T过水(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。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O预处理可以用物理化学法，也可以 用化学法。J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(concentrate staging)：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(permeate staging)：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Y泵膜组件可保证出水水质,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。一级多段循环式进水I浓缩液浓度高，出水水质较好。二、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.35、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：在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。_.港透所用的膜（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070.7MPa)。反渗透所需的 工作压力高(大于2.8MPa)o 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。.叵 2、超滤的原理超滤又称为超过滤，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o超过滤原理示意图,一进口料液PL,，彳出口溶液透过膜的溶液超滤膜透过膜的物质良./门+、1Q:-1 ；,；被截留物质 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、聚碉膜。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。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。Membrane Filtration Unit 超滤中 兀-tfConcentrate valve浓缩液阀Unit nr:5Concentrate return Oow 浓缩液问潦controllef 控制需Membrane module 司渡服单元Air flush valve 空气岗Permeate valve 汴注液Air flush 空气冲洗Air compressor 压缩空气backwash water 反冲洗水:eed pump 进水泵Backwash valve 反冲洗阀Feed valve 送水阀rRaw water tank5 A叶一membrane feed 股处理水Backwash；pum1Permeate tank 港注液收集池图例LegendinfliwntWMS p*roate concMtrat*空气 compressed air一较电路control circuitpermeate outlet runoff 濯泣液律放 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。V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工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e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）A摄影显影液废水A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）A纺织工业废水（如羊毛清洗废水、染料废水、退浆废本二涤 纶纤维油剂废水等）一A光学玻璃研磨排水A放射性废水A食品工业废水，回收蛋白质、淀粉等。