膜分離法是利用特殊的薄膜對(duì)液體中的某些成分進(jìn)行選擇課件

1、 第九章第九章 膜膜 法法 第一節(jié) 概概 論論 第一節(jié) 電滲析電滲析 第一節(jié) 反滲析反滲析 第一節(jié) 超濾超濾 第二節(jié)第二節(jié) 電滲析電滲析 1. 1.原理原理 CC陽(yáng)膜陽(yáng)膜 AA陰膜陰膜 陽(yáng)極：陽(yáng)極： ClCl- - Cl Cl2 2 +2e +2e 陰極陰極 ： 2H2H+ +2e H+2e H2 2 （氧化反應(yīng)）：（氧化反應(yīng)）： H H2 2O HO H+ + +OH +OH- - （還原反應(yīng)）：（還原反應(yīng)）： 4OH4OH- - O O2 2+2H+2H2 2O+4eO+4e呈酸性極室呈堿性極室濃 水淡 水AAAAccccO2Cl2正 極負(fù) 極2圖 14 1 電 滲 析 原 理 圖圖9-1

2、電滲析工作原理圖 2.2.工作過(guò)程工作過(guò)程 離子交換膜離子交換膜 離子交換膜的分類離子交換膜的分類 離子交換膜性能離子交換膜性能 離子交換膜選擇透過(guò)性機(jī)理離子交換膜選擇透過(guò)性機(jī)理%100t1ttP 過(guò)率陽(yáng)膜對(duì)陽(yáng)離子的選擇透t1ttP過(guò)率陰膜對(duì)陰離子的選擇透陰）總電量（陽(yáng)陽(yáng)遷移離子遷移數(shù) 1. 1.雙電層理論雙電層理論 Donnan膜平衡理論是解釋離子交換樹脂與電解質(zhì)溶液間的平衡問(wèn)題的。對(duì)離子交換膜來(lái)說(shuō)。它只是離子交換樹脂的一種特殊應(yīng)用。當(dāng)離子交換膜浸入電解質(zhì)溶液時(shí)，電解質(zhì)溶液中的離子和膜內(nèi)的離子會(huì)發(fā)生交換作用，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。1. 1. 構(gòu)造構(gòu)造 膜堆：一對(duì)陰陽(yáng)膜和一對(duì)濃淡水隔板交替排列，組

3、成最基本的脫鹽單元，稱為膜對(duì)。一對(duì)電極之間若干膜對(duì)組成膜堆。 極區(qū)：電極、極框、電極托板、橡膠墊板。 緊固裝置：壓桿、螺桿緊固。 配套設(shè)備：整流器、水泵、轉(zhuǎn)子流量計(jì)等。 (1)(1)離子交換膜離子交換膜 有關(guān)膜的內(nèi)容前面已有介紹，這里只強(qiáng)調(diào)組裝前對(duì)膜的處理。首先將膜放在操作溶液中浸泡2448小時(shí)，使之與膜外溶液平衡，然后剪裁打孔。膜的尺寸大小比隔板周邊小1 mm，應(yīng)比隔板水孔大1 mm。電滲析停運(yùn)時(shí)，應(yīng)在電滲析器中充滿溶液，以防膜發(fā)霉變質(zhì)，或膜因干燥收縮變形甚至破裂。 電能消耗分析電能消耗分析電流密度控制電流密度控制 1. 1. 濃差極化濃差極化 2. 2. 極限電流密度極限電流密度流速與壓力

4、確定流速與壓力確定 電能消耗分析電能消耗分析dQVIW310(kWh/m3) (9-3) smjmdIRIRIREEV cDFitFitlimlimttFDcilim (96) cvKilimdvK (9-7) KttFDdK 電滲析器都有自身的額定流量，流量過(guò)大進(jìn)水壓力過(guò)高，設(shè)備容易產(chǎn)生漏水和變形。流量過(guò)小時(shí)，達(dá)不到正常流速，水流不均勻，容易極化結(jié)垢，都會(huì)影響電滲析器的正常運(yùn)行。目前一般水流速度控制在525 cm/s，進(jìn)水壓力一般不超過(guò)O.3 MPa。 return(1)電流效率 通過(guò)一張隔板的電流，就是隔板上平均電流密度與隔板有效面積的乘積，將通過(guò)一張隔板的電流除以法拉第常數(shù)F就得到水流經(jīng)

5、過(guò)一張隔板時(shí)每秒的理論脫鹽量。 %100理論脫鹽量實(shí)際脫鹽量電流效率AiQFcciLdFvccFLBiQcciii000iccQFAi0iccFvdLi001000limlg3 . 2lg3 . 2ccKdFvccccKvccFvdLimiimi 25/10cmkgaLvpb (5) (5) 進(jìn)口與出口的含鹽量進(jìn)口與出口的含鹽量 (6)(6)電流、電壓及電耗電流、電壓及電耗 電滲析工作電流為有效膜面積與平均電流密度的乘積，即 (920)AiI 電滲析法用于廢水處理的典型實(shí)例有：電滲析法用于廢水處理的典型實(shí)例有：(1)(1)處理堿法造紙廢液，從濃液中回收堿，從淡液中回收木處理堿法造紙廢液，從濃液

6、中回收堿，從淡液中回收木 質(zhì)素；質(zhì)素；(2)(2)從芒硝廢液中制取硫酸和氫氧化鈉；從芒硝廢液中制取硫酸和氫氧化鈉；(3)(3)從酸洗廢液中制取硫酸和沉積重金屬離子；從酸洗廢液中制取硫酸和沉積重金屬離子；(4)(4)從放射性廢水中分離放射性元素，然后將其濃縮液掩埋；從放射性廢水中分離放射性元素，然后將其濃縮液掩埋；(5)(5)處理電鍍廢水和廢液，含處理電鍍廢水和廢液，含CuCu2+2+、NiNi2+2+、ZnZn2+2+、CrCr6+6+等金屬離等金屬離子的廢水都適宜用電滲析處理，其中含鐵廢水處理技術(shù)最子的廢水都適宜用電滲析處理，其中含鐵廢水處理技術(shù)最為成熟，回收的為成熟，回收的NiSO4NiS

7、O4濃液可返回電鍍槽。設(shè)備投資可在濃液可返回電鍍槽。設(shè)備投資可在2 2年內(nèi)收回。年內(nèi)收回。 反滲透原理反滲透原理 反滲透膜及其傳質(zhì)機(jī)理反滲透膜及其傳質(zhì)機(jī)理 反滲透裝置反滲透裝置 反滲透工藝流程及操作控制反滲透工藝流程及操作控制 反滲透法在廢水處理中的應(yīng)用舉例反滲透法在廢水處理中的應(yīng)用舉例反滲透原理反滲透原理 反滲透膜反滲透膜是一類具有不帶電荷的親水性基團(tuán)的膜，是實(shí)現(xiàn)反滲透分離的關(guān)鍵，其種類很多。目前研究得比較多和應(yīng)用比較廣的是醋酸纖維素膜(簡(jiǎn)稱CA膜)和芳香族聚酰胺膜兩種。 1 1醋酸纖維素膜的結(jié)構(gòu)及性能醋酸纖維素膜的結(jié)構(gòu)及性能 (1)(1)膜的方向性膜的方向性 由于CA膜是種不對(duì)稱膜，因此，

8、在進(jìn)行反滲透時(shí)，必須保持表皮層與待處理的溶液或廢水接觸，而決不能倒置，否則達(dá)不到處理的目的。 (2)(2)選擇透過(guò)性選擇透過(guò)性 CA膜對(duì)無(wú)機(jī)電解質(zhì)和有機(jī)構(gòu)具有選擇透過(guò)性。 (3)(3)壓密效率壓密效率 CA膜在壓力作用下，外觀厚度一般減少1/41/2，同時(shí)，透水性反對(duì)溶質(zhì)的脫除率也相應(yīng)降低，這種現(xiàn)象稱為膜的壓密效應(yīng)。 (4)(4)膜的水解作用和生物分解作用膜的水解作用和生物分解作用 CA膜是一種酯，易于水解，水解速率與PH值、水溫有關(guān)。 (1) 這是最早提出的反滲透膜透過(guò)理論。該理論認(rèn)為，水透過(guò)膜是由于水分子和膜的活化點(diǎn)(或極性基團(tuán)，如CA膜的羥基和酰基)形成氫鍵及斷開氫鍵之故。即在高壓作用下

9、，溶液中水分子和膜表皮層活化點(diǎn)締合，原活化點(diǎn)上的結(jié)合水解離出來(lái)，解離出來(lái)的水分子繼續(xù)和下一個(gè)活化點(diǎn)締合，又解離出下一個(gè)結(jié)合水。這樣，水分子通過(guò)一連串的締合-解離過(guò)程(即氫鍵形成-斷開過(guò)程)，依次從一個(gè)活化點(diǎn)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)活化點(diǎn)，直至離開表皮層，進(jìn)入多孔層。由于膜的多孔層含大量的毛細(xì)管水，水分子便能暢通流出膜外。由上可知，溶質(zhì)能否透過(guò)膜與表皮層厚度關(guān)系不大。換言之，只要表皮層僅含一級(jí)結(jié)合水，而又無(wú)缺陷和破洞，不管其厚薄如何，溶質(zhì)均不能透過(guò)。 根據(jù)氫鍵理論，只有適當(dāng)極性的高聚物才能作為反滲透膜材料，許多實(shí)驗(yàn)也說(shuō)明了這一結(jié)論。 圖14-5 毛細(xì)管流機(jī)理2nm時(shí)，臨界孔徑2t親水性tt 毛細(xì)管流理論優(yōu)先

10、吸附-毛細(xì)管流理論把反滲透膜看作一種微細(xì)多孔結(jié)構(gòu)物質(zhì)，它有選擇吸附水分子而排斥溶質(zhì)分子的化學(xué)特性。當(dāng)水溶液同膜接觸時(shí)，膜表面優(yōu)先吸附水分子，在界面上形成一層不含溶質(zhì)的純水分于層，其厚度視界面性質(zhì)而異，或?yàn)閱畏肿訉踊驗(yàn)槎喾肿訉?。在外壓作用下，界面水層在膜孔?nèi)產(chǎn)生毛細(xì)管流，連續(xù)地透過(guò)膜，溶質(zhì)則被膜截留下來(lái)。毛細(xì)管流機(jī)理中空纖維式卷式外壓管式內(nèi)壓管式管式板框式裝置2.2.管式裝置管式裝置3 3螺旋卷式裝置螺旋卷式裝置 中空纖維膜是一種細(xì)如頭發(fā)的空心管，由制膜液空心紡絲而成。纖維外經(jīng)為50100m，內(nèi)徑為2542m。將數(shù)十萬(wàn)根中空纖維膜捆成膜束，彎成U字形裝入耐壓圓筒容器中，并將纖維膜開口端固定在環(huán)氧

11、樹脂管板上，即可組成反滲透器。如圖9-12所示。 ppccffcQcQcQcfccffmQQcQcQcmmpRcc1 按上面的公式用試算法可以簡(jiǎn)便地求出凈化水質(zhì)。由于cp很小，故先假定cp0，則有 式中Y為水的回收率，YQpQf。 由此得 在已知Q、cf、Rm及取定Y值的條件下，將按公式(938)算得的cp初步值代入公式(9-33)至公式(9-35)，求得cp的新值。重復(fù)計(jì)算幾次就可獲得較精確的cp值。ccffcQcQYcQQcQQcQcffcfcfffm22/122mfPRYcc122 pKFWscccPFPfyy3 3濃差極化濃差極化 在反滲透過(guò)程中，由于水不斷地透過(guò)膜，引起膜表面附近的溶

12、液濃度升高，從而在膜的高壓一側(cè)溶液中，從膜表面到主體溶液之間形成一個(gè)濃度梯度，引起溶質(zhì)從濃的部分向淡的部分?jǐn)U散，這一現(xiàn)象即為濃差極化。膜模型分析濃差極化現(xiàn)象，參見(jiàn)圖9-14。根據(jù)膜模型。 當(dāng)主體溶液處于湍流狀態(tài)時(shí)，在膜和溶液界面處有一滯流層，在該層中，質(zhì)量傳遞僅由分子擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)。湍流主體可以認(rèn)為其濃度均勻一致，濃度梯度只存在于滯流層中。又假設(shè)滯流層中溶質(zhì)沿水流方向無(wú)擴(kuò)散，溶質(zhì)只在垂直于膜面的方向上傳遞。 在穩(wěn)態(tài)時(shí)，溶質(zhì)傳遞的微分方程如下： (9-41) 式中cW近似為濃水相中水的濃度，認(rèn)為滯流層溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)。式(9-41)中右面第一項(xiàng)代表濃水主體向膜輸送的溶質(zhì)通量，第二項(xiàng)代表濃差極化向濃水輸回的

13、溶質(zhì)通量。 若將方程中質(zhì)量通量用透過(guò)膜的水的體積通量Jv(cm3/cm2s)表示，上式變?yōu)?(9-42)dcdyDccFFsWsydydcDcJcJsVPV/lnsVptpMDJcccckJRRkJccVVfMexp1exp4.4.膜的污染與清洗膜的污染與清洗 化學(xué)法海綿球清洗逆流清洗水氣混合清洗水力清洗物理法清洗工藝 超濾與反滲透一樣也依靠壓力推動(dòng)力和半透膜實(shí)現(xiàn)分離。超濾過(guò)程在本質(zhì)上是一種篩濾過(guò)程，膜表面的孔隙大小是主要的控制因素，溶質(zhì)能否被膜孔截留取決于溶質(zhì)粒子的大小、形狀、柔韌性以及操作條件等，而與膜的化學(xué)性質(zhì)關(guān)系不大。 微孔模型將膜孔隙當(dāng)作垂直于膜表面的圓柱體來(lái)處理，水在孔隙中的流動(dòng)可看作層流，其通量與壓力差P成正比并與膜的阻力m成反比，即 (945) mimsPaPF228 式中a為小