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文檔簡介
1、1、什么是膜分離?膜材料為什么會有選擇滲透性? 答:膜分離(MembraneSeparation )是以選擇性透過膜為分離介質(zhì), 在膜兩側(cè)一定推動力的作用下,使原料中的某組分選擇性地透過膜, 從而使混合物得以分離,以達(dá)到提純、濃縮等目的的分離過程。膜材料具有選擇透過性的原因:一是膜中分布有微細(xì)孔穴,不同的孔 穴有選擇滲透性;二是膜中存在固定基團電荷,電荷的吸附排斥產(chǎn)生 選擇滲透性;三是被分離物在膜中的溶解擴散作用產(chǎn)生選擇滲透性。2、膜分離設(shè)備的主要類型,其主要結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點? 答:管式:管式膜組件由管式膜制成,管內(nèi)與管外分別走料液與透 過液,管式膜的排列形式有列管、排管或盤管等。內(nèi)壓式:膜涂在管
2、內(nèi),料液由管內(nèi)走;外壓式:膜涂在管外,料液由管外間隙走。內(nèi)壓管式:I出 出 區(qū)虛上料液.多孔管外壓管式:料液墊圈I滲透液滲透液多通道組件組件外殼滲余液優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單,適應(yīng)性強,清洗方便,耐高壓,適宜于處理 高黏度及固體含量較高的料液。缺點:管式膜組件的缺點是單位體積膜組件的膜面積少,一般僅為33330,保留體積大,壓力降大,除特殊場合外,一般不被 使用。 中空纖維式:有數(shù)百上萬根中空纖維膜固定在圓形容器內(nèi)構(gòu)成,內(nèi)徑為40-80um膜稱中空纖維膜,0.25-2.5mm膜稱毛細(xì)管膜。 前者耐壓,常用于反滲透。后者用于微、超濾。料液流向:采用內(nèi)壓 式時為防止堵塞,需對料液預(yù)處理去固形微粒,采用外壓式
3、時,凝膠 層控制較困難。優(yōu)點:設(shè)備緊湊,單位設(shè)備體積內(nèi)的膜面積大 (高達(dá)1600030000 )缺點:中空纖維內(nèi)徑小,阻力大,易堵塞,膜污染難除去,因此對料液處理要求高 平板式:這類膜器件的結(jié)構(gòu)與常用的板框壓濾機類似,由膜、 支承板、隔板交替重疊組成。濾膜復(fù)合在剛性多孔支撐板上,料液從 膜面流過時,透過液從支撐板的下部孔道中匯集排出。 為減小濃差極 化,濾板的表面為凸凹形,以形成湍動。濃縮液從另一孔道流出收集。優(yōu)點:組裝方便,膜的清洗更換容易,料液流通截面較大,不易堵塞,同一設(shè)備可視生產(chǎn)需要組裝不同數(shù)量的膜。缺點:需密圭寸的邊界線長 卷式(螺旋式):將膜、支撐材料、膜間隔材料依次疊好,圍 繞一
4、中心管卷緊即成一個膜組。料液在膜表面通過間隔材料沿軸向流 動,透過液沿螺旋形流向中心管。優(yōu)點:目前卷式膜組件應(yīng)用比較廣泛、與板框式相比,卷式組 件的設(shè)備比較緊湊、單位體積內(nèi)的膜面積大,湍流狀況好,適用于反 滲透;缺點:清洗不方便,尤其是易堵塞,因而限制了其發(fā)展型式優(yōu)點缺點管式易清洗,無死角,適宜于處理 含固體較多的料液,單根管子 可以調(diào)換保留體積大,單位體積 中所含過濾面積較小, 壓力降大中空纖維式保留體積小,單位體積所含過 濾面積大,可以逆洗,操作壓 力較低,動力消耗較低料液需要預(yù)處理,單根纖維損壞時需調(diào)換整個模件螺旋卷繞單位體積中所含過濾面積大,料液需預(yù)處理,壓力降式換新膜容易大,易污染,
5、清洗困難平板式保留體積小,能量消耗界于管 式和螺旋卷繞式死體積大3、電滲析工作原理?答:電滲析是在直流電場的作用下,利用待分離分子的荷點性質(zhì)和分 子大小的差別,以外電場電位差為推動力,利用陰、陽離子交換膜對 溶液中陰、陽離子的選擇透過性(即陽膜只允許陽離子通過,陽膜只 允許陰離子通過),從溶液中脫除或富集電解質(zhì)的膜分離操作;電滲析系統(tǒng)由一系列陰、陽膜交 替排列于兩電極之間組成許多由膜隔 開的小水室,如圖9-1所示。當(dāng)原水 進(jìn)入這些小室時,在直流電場的作用 下,溶液中的離子作定向遷移。陽離 子向陰極遷移,陰離子向陽極遷移。 但由于離子交換膜具有選擇透過性, 結(jié)果使一些小室離子濃度降低而成為 淡水
6、室,與淡水室相鄰的小室則因富 集了大量離子而成為濃水室。從淡水室和濃水室分別得到淡水和濃水。原水中的離子得到了分離和濃縮, 水便得到了凈化。4、膜污染的控制方法及膜的清理方法?答:膜污染控制方法:膜材料的選擇,膜孔徑或截留分子量的選擇,膜結(jié)構(gòu)的選擇;溶液中鹽濃度的影響,離子強度,溶液濃度,溶液的 pH值;溫度,亞青與料液流速,溶液與膜接觸時間;組件結(jié)構(gòu)選擇, 膜表面粗糙程度。清洗方法:(1)物理清洗法:海綿球擦洗、等壓清洗、熱水法、反 沖洗和循環(huán)清洗(2)化學(xué)清洗法:利用NaOH酸、表面活性劑、酶、氧化劑、有機 溶劑等作為清洗劑清洗;(3)其他方法:電場過濾、脈沖電解清洗、電滲透清洗等5、制備
7、無機膜常用的方法? 答:無機膜的制備方法很多,應(yīng)根據(jù)制膜材料、膜及載體的結(jié)構(gòu)、膜 孔徑大小、孔隙率和膜厚度不同而選擇有工業(yè)應(yīng)用前景的制備方法主 要有:固態(tài)離子燒結(jié)法、溶膠凝膠法、薄膜沉積法、陽極氧化法、 相分離 -瀝濾法、熱分解法、水熱法等等。一、固態(tài)粒子燒結(jié)法?凋態(tài)粒子燒結(jié)法是將無機粉料微小顆?;虺?xì)顆粒(粒度0.110 am)與適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)混合分散形成穩(wěn)定的懸浮液,成型后制成生坯, 再經(jīng)干燥,然后在高溫(10001600OC)下進(jìn)行燒結(jié)處理,這種方 法不僅可以制備微孔陶瓷膜或陶瓷膜載體,也可用于制備微孔金屬 膜。二、溶膠 -凝膠法?溶膠-凝膠法是合成無機膜的一種重要方法, 目前國內(nèi)外材料科學(xué)
8、 家之所以對此法產(chǎn)生濃厚興趣, 不僅是因為這種工藝可以制得孔徑小(1.05.0 nm)、孔徑分布狹窄的陶瓷膜,而且許多單組分和多組分 金屬氧化物陶瓷膜都可用這種工藝制得。 這種陶瓷膜作為控制層既可 用于超濾和氣體分離, 經(jīng)修飾后也可以作為催化膜用于膜反應(yīng)器, 充 分顯示出溶膠 -凝膠法的廣泛應(yīng)用前景。三、薄膜沉積法 ?薄膜沉積法是指用濺射、離子鍍及氣相沉積等方法,將膜料沉積 在載體上制造薄膜的方法。 薄膜沉積過程大致分為兩個步驟: 一是膜 材料(膜料)的氣話,二是膜料的蒸汽依附于其他材料制成的載體上 形成薄膜。例如, 濺射鍍膜是在低氣壓下,讓離子在強電場的作用下 轟擊膜料,使表面原子相繼逸出,
9、沉積在載體上形成薄膜。四、陽極氧化法?陽極氧化法是目前制備多孔氧化鋁膜的重要方法之一。該法的特 點是,制得的膜的孔徑是同向的,幾乎相互平行并垂直于膜表面,這 是其他方法難以達(dá)到的。?陽極氧化過程的基本原理是:以高純度的合金鋁箔為陽極,并使 一側(cè)表面與酸性電解質(zhì)溶液接觸, 通過電解作用在此表面上形成微孔 氧化鋁膜, 然后用適當(dāng)?shù)姆椒ǔノ幢谎趸匿X載體和阻擋層, 便得 到孔徑均勻、孔道與膜平面垂直的微孔氧化鋁膜。五、相分離 -瀝濾法?相分離-瀝濾法可以制備微孔玻璃膜、 復(fù)合微孔玻璃膜和微孔金屬 膜。六、熱分解法?熱分解法是在惰性氣體保護(hù)或真空條件下,高溫?zé)岱纸鉄峁绦跃?合物,如纖維素、酚醛樹脂、
10、聚偏二氯乙烯等,可制成碳分子篩膜(MSCM )。碳分子篩膜由于其孔徑大小與氣體分子尺寸相近,氣體因分子大小不同而被分離,因此有極高的選擇性。七、水熱法?分子篩膜作為復(fù)合膜的控制層來使用,由于其具有均勻的孔徑, 且孔徑大小與分子尺寸相近, 氣體因分子大小不同而被分離, 這種由 分子篩分機制控制的選擇性是微孔膜中最高的 ?分子篩膜的研究目前還處于試驗階段,其合成方法基本上分兩 類:(1)將事先合成好的分子篩埋在相對非滲透性的基質(zhì)中成膜。 ( 2) 在多孔載體的孔口或次孔口原位水熱合成分子篩膜。 它是將載體預(yù)處 理后,浸在由水玻璃、氫氧化鈉和水配成的溶液中,經(jīng)水熱處理后在 氧化鋁陶瓷板表面析出分子篩
11、。6、膜集成技術(shù)對海水淡化的示意圖,每一操作單元所起的作用?7、分置式和一體式膜生物反應(yīng)器的工作原理和優(yōu)缺點? 膜生物反應(yīng)器原理: 膜反應(yīng)器將生物反應(yīng)器和膜分離過程結(jié)合的一種 新型工藝,其最大的特點就是采用膜組件代替?zhèn)鹘y(tǒng)生物處理中的二沉 池。污水中的污染物首先在生物反應(yīng)器中進(jìn)行生物降解, 同時生物反 應(yīng)器內(nèi)的混合液在膜的兩側(cè)壓力差的作用下, 水和小于膜孔徑的小分 子溶質(zhì)透過膜,即為處理后出水。微生物及大分子溶質(zhì)被膜截留,從 而替代沉淀池完成其與處理出水的分離過程。分置式膜生物反應(yīng)器:優(yōu)點: 1)膜組件與生物反應(yīng)器之間的相互影響小2 )單位面積膜的水通量大3 )運行穩(wěn)定可靠,操作管理容易4 )易
12、于膜的清洗、更換和增設(shè)缺點: 1)為減少污染物在膜表面的 沉積,需要較高的膜面流速,因 而配置的超濾循環(huán)泵需要較高的流量, 能耗很高,一般為 68Kw?h/m32) 循環(huán)泵內(nèi)的高剪切力會引起生物絮體的破壞, 導(dǎo)致生物活性的降低 一體式膜生物反應(yīng)器:優(yōu)點: 1)體積小,整體性強。膜組件直接置于生物反應(yīng)器中,大大 減少了占地面積。2 )運行動力費用低,膜表面的錯流是靠空氣攪動產(chǎn)生的,混 合液隨氣流向上流動, 在膜表面產(chǎn)生剪切應(yīng)力, 在這種剪切應(yīng)力的作 用下,沉積在膜表面的顆粒容易脫離膜表面, 因而不需要功率較大的 循環(huán)泵。缺點: 1)需要定期將膜組件取出生物反應(yīng)器進(jìn)行化學(xué)清洗,因而管 理方面上不及分置式2 )出水不連續(xù)3 )單位膜面積的產(chǎn)水量較低,一般僅為 5-10L/m2 ?h9、計算題 : 通量、截留率的計算答:透過性能 能夠使被分離的混合物有選擇的透過是分離膜的最基本條件。 表 征膜透過性能的數(shù)是 透過速率, 是指單位時間、 單位膜面積透過組分 的通過量,對于水溶液體系,又稱透水率或水通量,以 J 表示。 式中:J透過速率,mV(mh)或kg/(m2 h);V 透過組分的體積或質(zhì)量,m或kg ;a膜有效面積,m;t 操作時間, h。膜的透過速率與膜材料的化學(xué)特性和分離膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)
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