水處理-膜技術【專業(yè)教育】

1、第二章 膜分離,1,正式稿件,2.1概述,一、概念 膜分離是以對組分具有選擇性透過功能的膜為分離載體，通過在膜兩側(cè)施加（或存在）一種或多種推動力，使原料中的組分選擇性地優(yōu)先透過膜，從而達到混合物分離，并使產(chǎn)物提取、濃縮、純化等的一種新型分離過程。 滲透-水通過；滲析-溶質(zhì)通過,推動力,壓力差（也稱跨膜壓差）、濃度差、電位差、溫度差等,如微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）與反滲透（RO）都是以壓力差為推動力的膜分離過程,2,正式稿件,二、膜的簡介 特征：具有選擇性分離功能的薄膜材料，以及以其為核心的裝置、過程、工藝的集成與應用 特點： 無相變、低能耗 高效率、污染小 工藝簡單、操作方便 便

2、于與其它技術集成,2.1概述,3,正式稿件,三、膜的分類,2.1概述,4,正式稿件,2.1概述,四、膜元件,5,正式稿件,2.1概述,四、膜元件,6,正式稿件,五、膜過程的一些術語 1.膜分離的形式錯流過濾,終端過濾 污染嚴重,錯流過濾 污染輕,錯流過濾的優(yōu)點： (1)便于連續(xù)化操作過程中控制循環(huán)比； (2)流體流動平行于過濾表面，產(chǎn)生的表面剪切力帶走膜表面的沉積物，防止污染層積累，使之處于動態(tài)平衡，從而有效地改善液體分離過程，使過濾操作可以在較長的時間內(nèi)連續(xù)進行； (3)錯流過濾所產(chǎn)生的流體剪切力和慣性舉力能促進膜表面的溶質(zhì)向流體主體的反向運動，提高了過濾速度,2.1概述,7,正式稿件,2.

3、選擇性：將混合物總的組分分離開來的能力。 截留率：表示液體分離的選擇性 R（Cf-Cp）/Cp Cf-原料液濃度，%（w/w）；Cp-透過液濃度，%（w/w,2.1概述 -五、膜過程的一些術語,8,正式稿件,3.推動力： 1）對多孔膜而言，在對流流動的情況下，傳質(zhì)推動力是膜兩側(cè)的壓力差。 膜壓降：P1-P2，是由于流體流動引起的。 2）對致密膜而言，推動力為膜兩側(cè)的化學勢之差,P1,P2,P3,P（P1P2）/2P3,2.1概述 -五、膜過程的一些術語,9,正式稿件,4.濃差極化：在膜分離過程中，一部分溶質(zhì)被截留，在膜表面及靠近膜表面區(qū)域的濃度越來越高，造成從膜表面到本體溶液之間產(chǎn)生濃度梯度，

4、這一現(xiàn)象稱為“濃差極化,1 2 3,Cf Cm Cp 濃差 膜層 滲透側(cè) 極化層 極化層,2.1概述 -五、膜過程的一些術語,10,正式稿件,5.傳遞阻力： 1）膜阻Rm:與膜本身的結(jié)構有關，包含膜層到支撐層的傳遞阻力； 2）濃差極化阻力Rc：由于被截留組分在膜面濃度的增大而引起的； 3）推動力的損失：進料側(cè)和滲透側(cè)的壓力損失； 4）膜污染阻力：由于物料中的成分對膜產(chǎn)生吸附、堵塞、以及沉積等現(xiàn)象而引起的,2.1概述 -五、膜過程的一些術語,11,正式稿件,Rm 膜管本身阻力 Ri 膜孔內(nèi)污染阻力 Rg 凝膠層阻力 Rc 濃差極化阻力,膜污染阻力的概念模型,2.1概述 -五、膜過程的一些術語,1

5、2,正式稿件,膜污染：指處理物料中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子由于與膜存在物理化學相互作用或機械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產(chǎn)生滲透通量與分離特性的不可逆變化現(xiàn)象。 物理污染包括膜表面的沉積，膜孔內(nèi)的阻塞，這與膜孔結(jié)構、膜表面的粗糙度、溶質(zhì)的尺寸和形狀等有關。 化學污染包括膜表面和膜孔內(nèi)的吸附，這與膜表面的電荷性、親水性、吸附活性點及溶質(zhì)的荷電性、親水性、溶解度等有關,2.1概述 -五、膜過程的一些術語,6.膜污染,13,正式稿件,六、膜的用途 1.濃縮：目的產(chǎn)物以低濃度形式存在，因此需要除去溶劑；（截留物為產(chǎn)物） 2.純化：除去雜質(zhì)； 3.分離：將混合物分

6、成兩種或多種目的產(chǎn)物； 4.反應促進：把化學反應或生化反應的產(chǎn)物連續(xù)取出，能提高反應速率或提高產(chǎn)品質(zhì)量,2.1概述,14,正式稿件,七、膜的應用 20世紀90年代，膜技術基本已經(jīng)從實驗室步入工業(yè)化，并在水處理、食品工業(yè)、環(huán)境保護、化工與石油化工、電子、冶金、國防等領域得到成功的應用。目前全球膜產(chǎn)業(yè)的規(guī)模超過百億美元，正以年30的速度遞增著,2.1概述,15,正式稿件,膜,海水淡化,工業(yè)廢水處理,城市廢水資源化,天然氣,生物質(zhì)利用,能源,水資源,傳統(tǒng)工業(yè),生態(tài)環(huán)境,除塵,CO2 控制,制 藥,食 品,化工與石化,電 子,冶 金,燃料電池,潔凈燃燒,2.1概述 -七、膜的應用,16,正式稿件,2.

7、1概述 -七、膜的工業(yè)應用,17,正式稿件,膜法海水淡化,反滲透淡化廠的能耗及產(chǎn)水成本,幾種分離方法能耗比較,多級閃蒸：經(jīng)過加熱的海水，依次通過多個溫度、壓力逐級降低的閃蒸室，進行蒸發(fā)冷凝的蒸餾淡化方法。 低溫多效水的沸點和它所受到的壓力有關，壓力越低，水的沸點就越低。第1效蒸發(fā)海水所得的蒸汽可以用作第2效的熱源（見圖2）。第2效的沸點溫度和壓力比第1效低，效與效之間的熱量再生利用可以重復數(shù)次,18,正式稿件,膜法海水淡化,嵊泗1000噸/日反滲透海水淡化裝置,19,正式稿件,膜法自來水廠,巴黎瓦茲河梅里市14萬立方米/天的納濾廠，每天為巴黎附近50萬居民提供14萬噸飲用水,20,正式稿件,2

8、.2 分離膜與膜組件,一、定義：具有選擇性分離功能的薄膜材料,二、 膜的種類及型式 1）按材料的來源：可分為天然生物膜與人工合成膜； 2）按膜分離過程的推動力可分為壓力差、電位差、濃度差、溫度差等膜； 3）按膜的結(jié)構可分為對稱和非對稱膜兩大類， 其中非對稱膜還可細分為多孔膜、疊合膜以及復合膜等,21,正式稿件,22,正式稿件,非對稱膜的優(yōu)點,23,正式稿件,三、膜材料及制膜方法,24,正式稿件,2.2 分離膜與膜組件,四、膜性能的表示方法 膜的性能包括 物化穩(wěn)定性 分離透過性兩個方面。 1.物化穩(wěn)定性： 指膜的強度、允許適用的壓力、溫度、PH值以及對有機溶劑和各種化學藥品的抵抗性，它是決定膜的

9、作用壽命的主要因素。 2.分離透過性：包括 分離效率 滲透通量 通量衰減系數(shù)三個方面,25,正式稿件,26,正式稿件,27,正式稿件,2.2 分離膜與膜組件,五、各種膜組件 （a）板框式；（b）平板式；（c）折疊式；（d）中空纖維式,28,正式稿件,29,正式稿件,2.2 分離膜與膜組件,六、 對膜組件的要求 經(jīng)驗證明，一種性能良好的膜組件應達到以下要求： 對膜性能提供足夠的機械支撐，并可使高壓原料液（氣）和低壓透過液（氣）嚴格分開； 在能耗最小的條件下，使原料液（氣）在膜面上流動狀態(tài)均勻合理，以減少濃差極化； 具有盡可能高的裝填密度（單位體積的膜組件中填充膜的有效面積），并使膜的安裝和更換方

10、便； 裝置牢固、安全可靠、價格低廉和易維護,30,正式稿件,膜元件(element)：即膜芯 膜組件(module)：按一定技術要求將膜(元件)組裝在一起的組合構件,原料以一定組成、一定流速進入膜組件，由于其中某一組分更容易通過膜，所以膜組件內(nèi)原料的組成和流速均隨位置變化。進入膜組件的物流通過膜組件以后分成兩股，即滲透物（通過膜的那部分物流）和截留物（被膜所截留的物流,31,正式稿件,管式膜 管式 (tubes)膜組件 毛細管 (capillary)膜組件 中空纖維 (Hollow-Fibers)膜組件,板式膜 板框式 (Plate and frame)膜組件 卷繞式 (Spiral Woun

11、d)膜組件 墊套式膜組件,膜組件可以有多種形式，它們均根據(jù)兩種膜構型設計而成：1）管式構型；2）平板式構型,32,正式稿件,1）所謂圓管式膜 是指在圓筒狀支撐體的內(nèi)側(cè)或外側(cè)刮制上一層半透膜而得到的圓管形分離膜，再將一定數(shù)量的這種膜管以一定方式聯(lián)成一體而組成，其外形狀極類似于列管式換熱器,1. 膜組件的形式之一圓管式,2）管式膜的特點 優(yōu)點： 流動狀態(tài)好，流速易控制； 安裝、拆卸、換膜和維修均較方便； 能處理含有懸浮固體的溶液； 機械雜質(zhì)清除比較容易； 合適的流動狀態(tài)可減少濃差極化和污染,缺點： 與平板膜比較，管膜的制備條件較難控制； 單位體積內(nèi)有效膜面積小； 管口的密封也比較困難。 價錢較貴,

12、33,正式稿件,管式膜組件構造,34,正式稿件,英國PCI公司管式膜,35,正式稿件,陶瓷膜,陶瓷管式膜設備 (南京久吾高科技公司,陶瓷管式膜實驗室設備,陶瓷膜元件,Suntar公司制造 的陶瓷膜設備,36,正式稿件,管式膜成套設備,乳品工業(yè),廢水處理,大型集成設備,37,正式稿件,3）管式膜組件大致規(guī)格,不同管徑下單位體積的膜面積,38,正式稿件,1）中空纖維式膜 是一種極細的空心膜管，其本身不需要支撐材料即可耐受很高的壓力，它實際是一根厚壁的環(huán)柱體，纖維的外徑有的細如人發(fā)，約為50200m，內(nèi)徑為2542m 特點：1）可耐高壓；2）單位體積內(nèi)的有效膜表面積比率高；3）壽命較長（可達5年）；

13、4）可做成一種效率高、成本低、體積小和重量輕的膜分離裝置；5）不足之處是中空纖維膜的制作技術復雜，管板制作也較困難，同時不能處理含懸浮固體的料液（原水,2. 膜組件形式之二中空纖維式,39,正式稿件,膜組件外殼,中空纖維MF膜組件,中空纖維UF膜組件,40,正式稿件,中 空 纖 維 膜 分 離 設 備,69.6 m3/h,58 m3/h,1016 m3/h,23.2 m3/h,41,正式稿件,3. 膜組件的形式之三板框式,1）板框式 也稱平板式，它是由許多板和框(plate and frame)堆積組裝在一起而得名，其外觀類似普通的板框式壓濾機(filter press)。它是膜分離歷史上最早

14、問世的一種膜組件形式,42,正式稿件,2）板框式膜組件特點 構造比較簡單，且可單獨更換膜片； 可作為試驗機，將各種膜樣品同時安裝在一起進行性能檢測； 流道的斷面積可適當增大，壓降較小，線速度可達15m/s，且不易被纖維屑等異物堵塞； 為促進膜組件內(nèi)的湍流效果，不少廠家將原液導流板的表面設計成各式凹凸或波紋結(jié)構或在膜面配置篩網(wǎng)等物。 3）板框式膜組件類型 系緊螺栓式 耐壓容器式 DDS型 （由丹麥的DDS De Danske Sukker fabrikker公司首創(chuàng)，在歐洲很流行。,43,正式稿件,板框式膜組件流道示意圖,曲折流道示意圖,44,正式稿件,4.膜組件形式之四螺旋卷式 1）螺旋卷式(

15、簡稱卷式) 膜組件的結(jié)構是由中間為多孔支撐材料，兩邊是膜的“雙層結(jié)構”裝配組成的。其中三個邊沿被密封而粘結(jié)成膜袋狀，另一個開放的邊沿與一根多孔中心產(chǎn)品水(液)收集管連接，在膜袋外部的原水側(cè)再墊一層網(wǎng)眼型間隔材料（隔網(wǎng)），也就是把膜多孔支撐體膜原水側(cè)隔網(wǎng)依次疊合，繞中心集水管緊密地卷在一起，形成一個膜元件，再裝進圓柱型壓力容器里，構成一個螺旋卷式膜組件。 2）螺旋卷式膜組件特點 結(jié)構緊湊，單位體積內(nèi)的有效面積大（8301660m2/m3） 缺點是當原液中含有懸浮固體時使用有困難；透過側(cè)的支撐材料較難滿足要求，不易密封，同時膜組件的制作工藝復雜、要求高，尤其是用于高壓操作時難度更大,45,正式稿件,3）螺旋卷式膜組件,46,正式稿件,螺旋卷式膜組件,47,正式稿件,卷式膜“包層”橫截面圖,裝有3個串聯(lián)的卷式膜組件的壓力容器示意圖,48,正式稿件,PES and PVDF membranes spirals,卷式UF 膜元件,49,正式稿件,5.毛細管膜組件,毛細管膜組件 是將很多的毛細管安裝在一個膜組件中