11.水质工程学III—膜分离法的原理与应用-§3-2-反渗透与超滤(下).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（下）反渗透和超滤（下）主讲：赵晴主讲：赵晴 博士博士对反渗透装置的要求：对反渗透装置的要求：1.对膜能提供合适的支撑 2.处理溶液在整个膜面上必须均匀分布 3.在最小能耗情况下，对处理溶液提供良好的流动状态 4.单位体积中膜的有效面积比率高 5.组件容易拆卸和更换 6.便于膜的拆卸和组装 7.在运行压力下，有效的工作时安全与可靠性高 8.外部泄露能尽可能从压力的变化上发现 9.建造方便、维护费用少 4 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工艺流程：反渗透法工艺流程由反渗透法工艺流程由预处理、膜分离预处理、膜分离以及以及后处理后处理3部分组成。部分组成。预处理要求进水水质达到规定指标，并且应加酸调节进水预处理要求进水水质达到规定指标，并且应加酸调节进水pH值到值到5.56.2，以防止某些溶解固体沉积膜面而影响产水量。，以防止某些溶解固体沉积膜面而影响产水量。根据生产用水的使用要求，后处理方法有根据生产用水的使用要求，后处理方法有pH调整、杀菌、调整、杀菌、终端混床、微孔过滤或超滤等工序。终端混床、微孔过滤或超滤等工序。布置系统：5、反渗透系统的应用20世纪80年代初,美国政府实验室就开发出第一张复合聚酰胺膜。与纤维素膜相比,具有高而多的水通量和盐截留率,且耐污染，大大促进了反渗透技术的应用。目前已从最初的海水、苦咸水脱盐及各种纯水制造向水污染控制领域发展。反渗透已在城市污水、垃圾填埋场、电镀、食品和制药等行业的废水处理或回用中获得应用。二、超滤（UF）：用于截留水中胶体大小的颗粒，水和低分子量的溶质则允许透过膜。对比：反渗透、超滤、微孔过滤均以压力差为推动力，电渗析以电压为推动力，渗析以浓度差为推动力。操作方式：与反渗透工作方式相同，水在膜表面流动，部分水透过膜，大部分水流走的同时将膜表面的截留物质带走。性能：超滤虽无脱盐性能，但对于去除水中的细菌、病毒、胶体，大分子等微粒相当有效，而且与反渗透相比，操作压力低，设备简单，因此超滤技术用于纯水终端处理是较为理想的处理方法。此外，超滤亦广泛应用于医药工业、食品工业以及工业废水处理等各个领域。超滤分离的特性有：超滤分离的特性有：(1)分离过程不发生相变化、耗能量少；分离过程不发生相变化、耗能量少；(2)分离过程可以在常温下进行，适合一些热敏性物质如果汁、分离过程可以在常温下进行，适合一些热敏性物质如果汁、生物制剂及某些药品等的浓缩或者提纯；生物制剂及某些药品等的浓缩或者提纯；(3)分离过程仅以低比压泵提供的压力作为推动力。设备及工分离过程仅以低比压泵提供的压力作为推动力。设备及工艺流程简单、易于操作、管理及维修；艺流程简单、易于操作、管理及维修；4)适用范围广，凡溶质分子量为适用范围广，凡溶质分子量为50050000道尔顿或者溶质尺道尔顿或者溶质尺寸大小为寸大小为501000埃左右，都可以利用超滤分离技术，此外采埃左右，都可以利用超滤分离技术，此外采用系列化不同截留分了量的膜，能将不同分子量溶质的混合液中用系列化不同截留分了量的膜，能将不同分子量溶质的混合液中各组分实行分子量分级。各组分实行分子量分级。超滤膜种类：目前超滤膜的种类有醋酸纤维素膜，聚砜膜以及聚酰胺膜等。超滤装置如同反渗透装置，有板框式、管式(内压列管式和外压管束式)，卷式和中空纤维式等型式。膜的截留分子量（表示膜的孔径特征的量）：对特定膜的进膜的截留分子量（表示膜的孔径特征的量）：对特定膜的进行超滤操作，计算被截留物质（分子量不同）的截留率，以行超滤操作，计算被截留物质（分子量不同）的截留率，以物质的分子量为横坐标，截留率为纵坐标，得一曲线，对于物质的分子量为横坐标，截留率为纵坐标，得一曲线，对于该膜的特定曲线，对应于该膜的特定曲线，对应于截留率为截留率为90%的分子量称为该膜的的分子量称为该膜的截留分子量。截留分子量。超滤膜为多孔结构，超滤机理归结为筛出作用，即筛分机理。超滤膜为多孔结构，超滤机理归结为筛出作用，即筛分机理。大于膜的截留分子量的分子几乎全部的被膜截留。大于膜的截留分子量的分子几乎全部的被膜截留。膜的截留分子量（表示膜的孔径特征的量）：二、超滤：超滤过程的一般表达式：水的通量（JW）、溶质的通量（JS）、溶质去除率（R）的表达式及他们之间的关系：超滤过程中的浓差极化：在膜分离过程中，水连同小分子透过膜，而大分子溶质则被膜所阻拦并不断积累在膜表面上，使溶质在膜面处的浓度Cm高于溶质在主体溶液中的浓度Cb，从而在膜附近边界层内形成浓度差Cm-Cb，并促使溶质从膜表面向着主体溶液进行反向扩散，这种现象称为浓差极化。由于进行超滤的溶液主要含有大分子，其在水中的扩散系数极小，导致超滤的浓差极化现象尤为严重。（JWP关系的理论推导自学）P447450 三、纳滤：纳滤（NF）是介于反渗透和超滤之间的一种压力驱动膜过程适于分离分子量在200g/mol以上，分子尺寸在12纳米左右物质。基于纳滤膜的特点和性能，纳滤是截留小分子有机物而使盐透过，即集分离浓缩与透析于一体；同时由于可透过膜，渗透压低，则操作压力比反渗透要低得多。在纳滤膜表面有一层均匀的超薄脱盐层，比反渗透膜疏松得多，操作压力比反渗透低，因而纳滤也可认为是低压反渗透。1.纳滤膜净化原理：（1）溶解-扩散原理：渗透物溶解在膜中，并沿着它的推动力梯度扩散传递，在膜的表面形成物相之间的化学平衡，传递的形式是：能量=浓度o淌度o推动力，使得一种物质通过膜的时候必须克服渗透压力。（2）电效应：纳滤膜与电解质离子间形成静电作用，电解质盐离子的电荷强度不同，造成膜对离子的截留率有差异，在含有不同价态离子的多元体系中，由于道南（）效应，使得膜对不同离子的选择性不一样，不同的离子通过膜的比例也不相同。（3）道南平衡：当把荷电膜置于盐溶液中会发生动力学平衡。膜相中的反离子浓度比主体溶液中的离子浓度高而同性离子的浓度低，从而在主体溶液中产生道南能位势，该能位势阻止了反离子从膜相向主体溶液的扩散和同性离子从主体溶液向膜的扩散。当压力梯度驱动水通过膜进同样会产生一个能位势，道南能位势排斥同性离子进入膜，同时保持电中性，反离子也被排斥。2.纳滤膜净化应用 由于纳滤技术的特点，在制药、生物化工、食品工业等许多领域具有广阔的应用前景。