10.水质工程学III—膜分离法的原理与应用-§3-2-反渗透与超滤(上)(ppt文档).ppt

水质工程学水质工程学第三章第三章 膜分离法的原理与应用膜分离法的原理与应用3-2 3-2 反渗透和超滤（上）反渗透和超滤（上）主讲：赵晴主讲：赵晴 博士博士3-2 3-2 反渗透与超滤反渗透与超滤一、反渗透（RO）1、渗透现象与渗透压：半透膜：只能通过水分子，但不能通过溶质分子的膜。渗透现象：用只能让水分子透过，而不允许溶质透过的半透膜将纯水用只能让水分子透过，而不允许溶质透过的半透膜将纯水与咸水分开，则水分子将从纯水一侧通过膜向咸水一侧透过。与咸水分开，则水分子将从纯水一侧通过膜向咸水一侧透过。结果使咸水一侧的液面上升，直至到达某一高度，此即所谓渗结果使咸水一侧的液面上升，直至到达某一高度，此即所谓渗透过程，如图所示。透过程，如图所示。渗透现象的热力学解释：渗透压：渗透平衡时，两边液面高度形成的压力差称渗透压，。渗透压由溶质种类和浓度大小而定，还与温度有关。=icRT c溶液物质的量浓度，mol/m3 溶液渗透压，Pa i系数，对于海水约等于1.82、反渗透：向咸水一侧施压P则可阻止渗透的进行，如果P,则咸水溶液中的水分子向纯水一边迁移,此过程称反渗透.在实际应用中，在反渗透压力显著上升前盐溶液需要不断更换。为有效利用切向流理论，半透膜表面的溶液需要不断更新，因此，商业膜组件设计有一个进水口和两个出水口，进水口亦作为给水入口，而出水出口分别作为处理后纯水和浓缩液的排出口。反渗透技术反渗透技术 反渗透是60年代发展起来的一项新的膜分离技术,是依靠反渗透膜在压力下使溶液中的溶剂与溶质进行分离的过程。反渗透技术是当今最先进和最节能有效的膜分离技术。其原理是在高于溶液渗透压的作用下，依据其他物质不能透过半透膜而将这些物质和水分离开来。由于反渗透膜的膜孔径非常小（仅为10A左右），因此能够有效地去除水中的溶解盐类、胶体、微生物、有机物等（去除率高达9798）。系统具有水质好、耗能低、无污染、工艺简单、操作简便等优点。理论耗能量:理论上用反渗透法从海水中生产单位体积淡水所耗费的最小能量.Wlim=ARTS/V A系数，0.000537 R理想气体常数 S海水盐度，一般34.3，代入分子值 V水的偏摩尔体积，1.8*105M3/mol实际耗能量比理论值大的多。3、反渗透膜及其透过机理：反渗透膜是一种只允许水通过而不允许溶质透过的半透膜。反渗透膜是一种只允许水通过而不允许溶质透过的半透膜。用于水的淡化除盐的膜按物理形态可分为：对称膜、不对用于水的淡化除盐的膜按物理形态可分为：对称膜、不对称膜和复合膜。对称膜又称均质膜；复合膜通常是用两种不同的称膜和复合膜。对称膜又称均质膜；复合膜通常是用两种不同的膜材料，分别制成表面活性层和多孔支撑层；不对称膜的断面为膜材料，分别制成表面活性层和多孔支撑层；不对称膜的断面为不对称结构。不对称结构。反渗透膜醋酸纤维素膜（CA膜）CA膜又可分为平膜、管式膜和中空纤维膜几类。CA膜具有反渗透膜所需的三个基本性质：高透水性、对大多数水溶性组分的渗透性相当低、具有良好的成膜性能。醋酸纤维素膜(CA膜)的断面可分成表皮层、过渡层和支撑层三部分。表皮层结构致密，孔径0.8lnm，厚约0.25um，起脱盐的关键作用。表皮层下面为孔径约20nm的过渡层，其下为结构疏松的多孔支撑层。聚酰胺膜（PA膜）聚酰胺膜又可以分为脂肪族聚酰胺膜、芳香聚酰胺膜（成膜材料为芳香聚酰胺、芳香聚酰胺-酰肼以及一些含氮芳香聚合物）复合膜它是由很薄的而且致密的符合层与高空隙率的基膜复合而成的，它的膜通量在相同的条件下比非对称膜高约50%100%。目前复合膜有以下几种：交联芳香族聚酰胺复合膜（PA）；丙烯-烷基聚酰胺和缩合尿素复合膜；聚哌嗪酰胺复合膜；氧化锆-聚丙烯酸复合膜。反渗透膜要求具有下列性能单位膜面积的透水速度快。脱盐率高机械强度好，耐压密化学稳定性好，能耐酸碱和微生物的侵蚀。能耐污染使用寿命长，性能衰降小制膜容易，价格低廉，原料充沛，特殊场合要求耐溶剂、耐高温等反渗透的透过机理反渗透的透过机理优先吸附-毛细管流理论 以吉布斯吸附式为依据，索里拉金等人认为膜表面由于亲以吉布斯吸附式为依据，索里拉金等人认为膜表面由于亲水性原因，能选择吸附水分子而排斥盐分，因面在固液界面水性原因，能选择吸附水分子而排斥盐分，因面在固液界面上形成厚度为两个水分子上形成厚度为两个水分子(1nm)的纯水层。在施加压力作用下，的纯水层。在施加压力作用下，纯水层中的水分于便不断通过毛细管流过反渗透膜纯水层中的水分于便不断通过毛细管流过反渗透膜(见上图见上图)。膜表皮层具有大小不同的极细孔隙，当其中的孔隙为纯水层厚膜表皮层具有大小不同的极细孔隙，当其中的孔隙为纯水层厚度的一倍度的一倍(2nm)时，称为膜的临界孔径，可达到理想的脱盐效时，称为膜的临界孔径，可达到理想的脱盐效果。果。当孔隙大于临界孔径，透水性增大，但盐分容易从孔隙中当孔隙大于临界孔径，透水性增大，但盐分容易从孔隙中透过，导致脱盐率下降。反之若孔隙小于临界孔径，脱盐率透过，导致脱盐率下降。反之若孔隙小于临界孔径，脱盐率增大，而透水性则下降。增大，而透水性则下降。4、反渗透淡化装置、工艺流程与布置系统、反渗透淡化装置、工艺流程与布置系统装置：装置：目前反渗透装置有目前反渗透装置有板框式、管式、卷式和中空纤板框式、管式、卷式和中空纤维式维式4种类型。种类型。卷式、中空纤维式膜组件卷式、中空纤维式膜组件(元件元件)由于膜的充填密由于膜的充填密度大、单位体积膜组件的处理量大，常用于大水量的度大、单位体积膜组件的处理量大，常用于大水量的脱盐处理；而对含悬浮物、粘度较高的溶液，则主要脱盐处理；而对含悬浮物、粘度较高的溶液，则主要采用管式及板式膜组件。采用管式及板式膜组件。4、反渗透淡化装置、工艺流程与布置系统、反渗透淡化装置、工艺流程与布置系统装置：装置：目前反渗透装置有目前反渗透装置有板框式、管式、卷式和中空纤板框式、管式、卷式和中空纤维式维式4种类型。种类型。卷式、中空纤维式膜组件卷式、中空纤维式膜组件(元件元件)由于膜的充填密由于膜的充填密度大、单位体积膜组件的处理量大，常用于大水量的度大、单位体积膜组件的处理量大，常用于大水量的脱盐处理；而对含悬浮物、粘度较高的溶液，则主要脱盐处理；而对含悬浮物、粘度较高的溶液，则主要采用管式及板式膜组件。采用管式及板式膜组件。工业上应用最多的是卷式和中空纤维式膜组件工业上应用最多的是卷式和中空纤维式膜组件，它占据了绝大，它占据了绝大多数天然水的脱盐和海水淡化市场。其中卷式膜组件是在天然水多数天然水的脱盐和海水淡化市场。其中卷式膜组件是在天然水脱盐中使用最广泛的反渗透组件。脱盐中使用最广泛的反渗透组件。卷式装置卷式装置如右图所示，把导流如右图所示，把导流隔网、膜和多孔支撑材料依次迭隔网、膜和多孔支撑材料依次迭合，用粘合剂沿三边把两层膜粘合，用粘合剂沿三边把两层膜粘结密封，另一开放边与中间淡水结密封，另一开放边与中间淡水集水管联接，再卷绕一起。集水管联接，再卷绕一起。含盐水由一端流入导流隔网，含盐水由一端流入导流隔网，从另一端流出，透过膜的淡化水从另一端流出，透过膜的淡化水沿多孔支撑材料流动，由中间集沿多孔支撑材料流动，由中间集水管引出。水管引出。中空纤维式装置中空纤维式装置是把一束外径是把一束外径50100m、壁厚壁厚1225mm的中空纤维弯成的中空纤维弯成U形，装于耐压管内，纤维开口端固定在环氧树形，装于耐压管内，纤维开口端固定在环氧树脂管板中，并露出管板。透过纤维管壁的淡化水沿空心通道从开脂管板中，并露出管板。透过纤维管壁的淡化水沿空心通道从开口端引出。该装置特点是，膜装填密度最大且不需外加支撑。口端引出。该装置特点是，膜装填密度最大且不需外加支撑。板框式装置板框式装置由一定数量的多孔隔板组合而成，每块隔板两面装有反渗透膜。管式膜装置管式膜装置分为内压管式和外压管式两种。几种常用的反渗透膜组件 类型 优点 缺点 使用状况 框板式 结构紧凑、简单、牢固、能承受高压，使用强度较高，工艺简便 装置成本高，流动状态不好，浓差极化严重；易堵塞，不易清洗。适于小容量规模 管式 容易清洗和更换；原水流动状态好，压力损失小，耐较高压力；能处理含有悬浮物的、黏度高的或者能析出固体等易堵塞流水通道的溶液体系 装置成本高，管口密封较难；膜的堆积密度小 适于小容量规模 螺旋式 膜的堆积密度大，结构紧凑；可使用强度好的平板膜；价格低廉。制作工艺和技术较复杂，密封较困难；易堵塞，不易清洗，不宜在高压下操作 适于大容量规模 中空纤维膜 膜的堆积密度大，不需外加支撑材料；浓差极化可忽略；价格低廉。制作工艺和技术较复杂，易堵塞，不易清洗 适于大容量规模