第8章膜分離技術(shù)

1、1膜分離法膜分離法電滲析的原理電滲析的原理反滲透的原理反滲透的原理離子交換膜的選擇透過(guò)性離子交換膜的選擇透過(guò)性反滲透膜的透過(guò)機(jī)理反滲透膜的透過(guò)機(jī)理通過(guò)本章學(xué)習(xí)應(yīng)掌握的知識(shí)點(diǎn)通過(guò)本章學(xué)習(xí)應(yīng)掌握的知識(shí)點(diǎn)：28.1 概述概述8.2 電滲析電滲析 8.3 反滲透反滲透8.4 超過(guò)濾超過(guò)濾8.5 微微濾濾345678910膜技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用 膜生物反應(yīng)器技術(shù)取得間歇發(fā)酵可提高反應(yīng)器效率膜生物反應(yīng)器技術(shù)取得間歇發(fā)酵可提高反應(yīng)器效率15158080倍倍 滲透汽化膜分離技術(shù)比傳統(tǒng)共沸蒸餾節(jié)能滲透汽化膜分離技術(shù)比傳統(tǒng)共沸蒸餾節(jié)能6060 生產(chǎn)裝置總投資為傳統(tǒng)分離方法總投資的生產(chǎn)裝置總投資為傳統(tǒng)分離方法總投資的40

2、4080%80% 650 kcal/l130 kcal/l7 wt%乙醇乙醇1380 kcal/l42 wt%乙醇乙醇93 wt%乙醇乙醇99.8 wt%乙醇乙醇980 kcal/l350 kcal/l(90 % ES)(33 % ES)纖維素纖維素發(fā)酵發(fā)酵蒸餾蒸餾蒸餾蒸餾脫水脫水透醇膜透醇膜60 wt%乙醇乙醇99.8 wt%乙醇乙醇透水膜透水膜傳統(tǒng)過(guò)程傳統(tǒng)過(guò)程:發(fā)酵發(fā)酵速率低、能耗大速率低、能耗大膜生物反應(yīng)器：膜生物反應(yīng)器：實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，降低操作成本降低操作成本13國(guó)家或地區(qū)國(guó)家或地區(qū)沙特沙特中國(guó)中國(guó)長(zhǎng)海長(zhǎng)海中國(guó)中國(guó)長(zhǎng)島長(zhǎng)島中國(guó)中國(guó)滄化滄化設(shè)備能力設(shè)備能力m3/d原水含鹽量原

3、水含鹽量mg/L能耗能耗kwh/m3產(chǎn)水成本產(chǎn)水成本RMBRMB/m314嵊泗嵊泗1000噸噸/日反滲透海水淡化裝置日反滲透海水淡化裝置15巴黎瓦茲河巴黎瓦茲河梅里市梅里市1414萬(wàn)萬(wàn)立方米立方米/ /天的天的納濾廠，每納濾廠，每天為巴黎附天為巴黎附近近5050萬(wàn)居民萬(wàn)居民提供提供1414萬(wàn)噸萬(wàn)噸飲用水飲用水161718192022膜過(guò)程膜過(guò)程推動(dòng)力推動(dòng)力傳質(zhì)機(jī)理傳質(zhì)機(jī)理透過(guò)物及其尺寸透過(guò)物及其尺寸截留物截留物膜類型膜類型滲析滲析濃度差濃度差溶質(zhì)擴(kuò)散溶質(zhì)擴(kuò)散低分子低分子物質(zhì)、離子物質(zhì)、離子0.00040.15 m溶劑、分子量溶劑、分子量1000非對(duì)稱膜、非對(duì)稱膜、離子交換離子交換膜膜電滲析電滲

4、析電位差電位差電解質(zhì)離子電解質(zhì)離子選擇性透過(guò)選擇性透過(guò)溶解性無(wú)機(jī)物溶解性無(wú)機(jī)物0.00040.1 m非電解質(zhì)非電解質(zhì)大分子大分子離子交換離子交換膜膜反滲透反滲透壓力差壓力差210MPa溶劑的擴(kuò)散溶劑的擴(kuò)散水或溶劑水或溶劑0.00040.06 m溶質(zhì)、鹽、溶質(zhì)、鹽、SS非對(duì)稱膜非對(duì)稱膜超過(guò)濾超過(guò)濾壓力差壓力差 0.1 10MPa篩濾及表面篩濾及表面作用作用水、鹽及低分子水、鹽及低分子有機(jī)物有機(jī)物0.00510 m膠體大分子、膠體大分子、不溶有機(jī)物不溶有機(jī)物非對(duì)稱膜非對(duì)稱膜微濾微濾壓力差壓力差100kPa篩濾篩濾電解質(zhì)電解質(zhì)粒子粒子多孔膜多孔膜液膜液膜化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)和濃度差濃度差反應(yīng)促進(jìn)和反應(yīng)

5、促進(jìn)和擴(kuò)散傳遞擴(kuò)散傳遞電解質(zhì)離子電解質(zhì)離子溶劑溶劑（非電解質(zhì)）（非電解質(zhì)）液膜液膜232425水水x1x2AB膜進(jìn)料液擴(kuò)散液滲析液接受液2627電滲析過(guò)程示意圖 濃水濃水 陽(yáng) 膜陽(yáng) 膜 ,只只允 許 陽(yáng) 離允 許 陽(yáng) 離子通過(guò)子通過(guò) 陰膜陰膜,只允許陰離子通過(guò)只允許陰離子通過(guò) 電極電極陽(yáng)離子陽(yáng)離子陰離子陰離子進(jìn)水時(shí)進(jìn)水時(shí)進(jìn)水進(jìn)水濃水室濃水室淡水室淡水室淡水淡水 28 出水時(shí)出水時(shí) 離子交換膜具有與離子交換樹(shù)脂相同的組離子交換膜具有與離子交換樹(shù)脂相同的組成，含有活性基團(tuán)和能使離子透過(guò)的細(xì)孔。成，含有活性基團(tuán)和能使離子透過(guò)的細(xì)孔。常用的離子交換膜按其選擇透過(guò)性可分為常用的離子交換膜按其選擇透過(guò)性可

6、分為陽(yáng)膜、陰膜、復(fù)合膜陽(yáng)膜、陰膜、復(fù)合膜等數(shù)種等數(shù)種。 陽(yáng)膜陽(yáng)膜(cation exchange membrane)含有陽(yáng)離含有陽(yáng)離子交換基團(tuán)，在水中交換基團(tuán)發(fā)生離解，使子交換基團(tuán)，在水中交換基團(tuán)發(fā)生離解，使膜上帶有負(fù)電，能排斥水中的陰離子，吸引膜上帶有負(fù)電，能排斥水中的陰離子，吸引水中的陽(yáng)離子并使其通過(guò)。水中的陽(yáng)離子并使其通過(guò)。29 陰膜陰膜(anion exchange membrane)含有陰離子交含有陰離子交換基團(tuán)，在水中離解出陰離子，使膜上帶正換基團(tuán)，在水中離解出陰離子，使膜上帶正電，吸引陰離子并使其通過(guò)電，吸引陰離子并使其通過(guò)。 復(fù)合膜復(fù)合膜 復(fù)合膜由一面陽(yáng)膜和一面陰膜其間夾一層復(fù)

7、合膜由一面陽(yáng)膜和一面陰膜其間夾一層極薄的網(wǎng)布做成，具有方向性的電阻。極薄的網(wǎng)布做成，具有方向性的電阻。當(dāng)陽(yáng)當(dāng)陽(yáng)膜面朝向陰極，陰膜面朝向陽(yáng)極時(shí)，膜面朝向陰極，陰膜面朝向陽(yáng)極時(shí)，正、負(fù)正、負(fù)離子都不能透過(guò)膜，顯示出很高的電阻。離子都不能透過(guò)膜，顯示出很高的電阻。當(dāng)當(dāng)膜的朝向與上述相反時(shí)膜的朝向與上述相反時(shí)，膜電阻降低，膜兩，膜電阻降低，膜兩側(cè)相應(yīng)的離子進(jìn)入膜中。側(cè)相應(yīng)的離子進(jìn)入膜中。 30313233 以以Na+型強(qiáng)酸性離子交換膜（型強(qiáng)酸性離子交換膜（I）浸入）浸入NaCl溶液溶液（ ）中為例。）中為例。 平衡時(shí)：平衡時(shí)：Na+ ICl-I= Na+ Cl- Na+ = Cl- Na+ I= Cl

8、-I+RSO3-ICl-II2= Cl-I2+ Cl-I RSO3-I Na+II2= Na+I2 - Na+I RSO3-I35電滲析器的電滲析器的組裝示意圖組裝示意圖363738 半透膜半透膜8.3.1 8.3.1 反滲透反滲透(RO)(RO)原理原理8.3.1 8.3.1 反滲透反滲透(RO)(RO)原理原理3940414243醋酸纖維素膜的結(jié)構(gòu)示意圖99 表皮層，孔徑表皮層，孔徑 （820）1010m過(guò)渡層，孔徑過(guò)渡層，孔徑 2001010m多孔層，孔徑多孔層，孔徑 （10004000）1010m1%44顯顯微微鏡鏡下下膜膜的的照照片片45464748495051525354進(jìn)水進(jìn)水透

9、過(guò)水透過(guò)水濃縮水濃縮水耐壓容器耐壓容器透水板透水板半透膜半透膜優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 體積比管式的小。體積比管式的小。55（2）管式反滲透膜組件）管式反滲透膜組件 管式膜組件又分為內(nèi)壓式和外壓式 單管式和管束式56內(nèi)壓式管式膜組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖內(nèi)壓式管式膜組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 水力條件好，安裝、水力條件好，安裝、清洗、維修比較方清洗、維修比較方便。便。 能耐高壓，可以處能耐高壓，可以處理高粘度的原水。理高粘度的原水。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 膜的有效面積小，膜的有效面積小，裝置體積大，而且裝置體積大，而且兩端要較多的聯(lián)結(jié)兩端要較多的聯(lián)結(jié)裝置裝置。 淡水淡水膜表皮層膜表皮層玻璃纖維管

10、玻璃纖維管進(jìn)進(jìn)水水57束式外壓式膜組件束式外壓式膜組件 1 1檔圈；檔圈；2 2集水密封環(huán)；集水密封環(huán)；3 3聚氯乙烯燒結(jié)板；聚氯乙烯燒結(jié)板；4 4錐形多孔橡膠塞；錐形多孔橡膠塞；5 5密封管接頭；密封管接頭；6 6進(jìn)水進(jìn)水口；口；7 7殼體；殼體；8 8橡膠膽；橡膠膽；9 9出水口；出水口；1010膜膜元件；元件；1111網(wǎng)套；網(wǎng)套；1212O O形密封圈；形密封圈；1313檔圈槽；檔圈槽；1414淡水出口淡水出口 58（3 3）螺旋卷式反滲透膜組件）螺旋卷式反滲透膜組件 59密封密封密封密封密封密封螺旋卷式膜組件一個(gè)膜葉結(jié)構(gòu)示意圖螺旋卷式膜組件一個(gè)膜葉結(jié)構(gòu)示意圖多孔透水材料多孔透水材料膜，

11、上下兩層膜，上下兩層60膜葉膜葉透水網(wǎng)狀材料透過(guò)水透過(guò)水濃水濃水進(jìn)水進(jìn)水螺旋卷式膜組件組合示意圖螺旋卷式膜組件組合示意圖膜組件的組裝示意圖膜組件的組裝示意圖 進(jìn)進(jìn)水水口口耐壓耐壓容器容器連連接接器器膜膜組組件件密密封封圈圈端端蓋蓋透透過(guò)過(guò)液液濃濃縮縮液液62工工業(yè)業(yè)應(yīng)應(yīng)用用的的反反滲滲透透裝裝置置63工業(yè)應(yīng)用的反滲透裝置的工業(yè)應(yīng)用的反滲透裝置的膜組件之間的連接膜組件之間的連接646566中空纖維反滲透組件簡(jiǎn)圖中空纖維反滲透組件簡(jiǎn)圖 進(jìn)水濃水濃水透過(guò)水透過(guò)水多孔進(jìn)水管多孔進(jìn)水管濃水出口濃水出口 淡水出口淡水出口密封密封中空纖維膜中空纖維膜 外徑外徑50200m 內(nèi)徑內(nèi)徑2542m密封密封耐壓容器

12、耐壓容器（4）中空纖維式反滲透膜組件）中空纖維式反滲透膜組件 686970 反滲透膜工藝系統(tǒng)圖反滲透膜工藝系統(tǒng)圖 1-電解氯發(fā)生器；2-復(fù)層過(guò)濾器；3-過(guò)濾水槽；4-增壓泵；5-內(nèi)裝式過(guò)濾器；6-第一級(jí)高壓泵電機(jī)；7-中空纖維型組件；8-螺旋卷式組件；9-能量回收透平機(jī)；10-中間槽；11-第二級(jí)高壓泵；12-室內(nèi)設(shè)備7172一級(jí)一段的不同方式一級(jí)一段連續(xù)式一級(jí)一段連續(xù)式 一級(jí)一段循環(huán)式一級(jí)一段循環(huán)式 可保證出水水質(zhì)，可保證出水水質(zhì)，但水回收率低但水回收率低可以提高水的回收可以提高水的回收率，但出水水質(zhì)有率，但出水水質(zhì)有可能下降可能下降73一級(jí)多段連續(xù)式一級(jí)多段連續(xù)式 水回收率高，濃縮液量少，濃度高，有利水回收率高，濃縮液量少，濃度高，有利于回收其中的有用物質(zhì)。但出水水質(zhì)差。于回收其中的有用物質(zhì)。但出水水質(zhì)差。74一級(jí)多段循環(huán)式 濃縮液濃度高，出水水質(zhì)較好。濃縮液濃度高，出水水質(zhì)較好。75二級(jí)五段連續(xù)式第二級(jí)第二級(jí)7677787980 8182氣體反沖洗狀態(tài)83內(nèi)壓膜清洗 外壓膜清洗 中空纖維膜的中空纖維膜的清洗清洗 848586超過(guò)濾原理示意圖超過(guò)濾原理示意圖87 超過(guò)濾簡(jiǎn)稱超濾，它同反滲透一樣，超過(guò)濾簡(jiǎn)稱超濾，它同反滲透一樣，都是利用膜來(lái)分離廢水中溶解的物質(zhì)。都是利用膜來(lái)分離廢水中溶解的物質(zhì)。 超濾與反滲透的共同點(diǎn)：超濾與反滲透的共同點(diǎn)：兩種過(guò)程的動(dòng)力同是兩種過(guò)程的