膜分離技術(shù) 電子教案

1、水處理工程技術(shù)教案知識(shí)點(diǎn)膜分離技術(shù)學(xué)時(shí)2學(xué)時(shí)教學(xué)內(nèi)容電滲析、反滲透、超濾、納濾、微孔過濾教學(xué)重點(diǎn)反滲透教學(xué)難點(diǎn)特點(diǎn)超濾選用參考資料水處理工程技術(shù)，張寶軍主編，重慶大學(xué)出版社出版水污染控制工程，胡亨魁主編，武漢理工大學(xué)出版社。水處理工程運(yùn)行與管理，朱亮、張文妍編，化學(xué)工業(yè)出版社。污水處理工程設(shè)計(jì)，徐新陽、于鋒主編，化學(xué)工業(yè)出版社。給水廠處理設(shè)施設(shè)計(jì)計(jì)算，崔玉川等編，化學(xué)工業(yè)出版社。水處理構(gòu)筑物設(shè)計(jì)與計(jì)算，尹士君、李亞峰等編著，化學(xué)工業(yè)出版社。 利用膜將水中的物質(zhì)(微?；蚍肿踊螂x子)分離出去的方法稱為水的膜析處理法(或稱膜分離法、膜處理法)。在膜處理中，以水中的物質(zhì)透過膜來達(dá)到處理目的時(shí)稱為滲析，

2、以水透過膜來達(dá)到處理目的時(shí)稱為滲透。膜處理法有滲析、電滲析、反滲透、擴(kuò)散滲析、納濾、超濾、微孔過濾等。由于膜分離法具有在分離過程中不發(fā)生相變化，能量的轉(zhuǎn)化效率高；一般不需要投加其他物質(zhì)，可節(jié)省原材料和化學(xué)藥品；在常溫下可進(jìn)行；適應(yīng)性強(qiáng)，操作及維護(hù)方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)用水處理中被廣泛應(yīng)用，尤其是純水生產(chǎn)方面。同時(shí)膜分離法還具有分離和濃縮同時(shí)進(jìn)行，可回收有價(jià)值的物質(zhì)；根據(jù)膜的選擇透過性和膜孔徑的大小，可將不同粒徑的物質(zhì)分開而使物質(zhì)得到純化而又不改變其原有的屬性的優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)廢水處理中也被廣泛應(yīng)用。近年來膜制造技術(shù)發(fā)展較快，已開始在生活供水領(lǐng)域應(yīng)用，表3.3.1所示為水處理

3、中常用的膜分離法的技術(shù)持征。表3.3.1 主要膜分離法的技術(shù)特征 微濾（MF）超濾（UF）納濾（NF）反滲透（RO）電滲析（ED）推動(dòng)力壓力差壓力差壓力差壓力差電位差膜孔徑（m）0.02100.0010.020.00050.010.00010.01透過膜的物質(zhì)水、分子水、小分子水、部分離子水離子去除對(duì)象微粒微粒、大分子部分離子、小分子離子、小分子離子膜類型多孔膜非對(duì)稱性膜非對(duì)稱性膜或復(fù)合膜非對(duì)稱性膜或復(fù)合膜離子交換膜材料醋酸纖維素、復(fù)合膜、醋酸、硝酸纖維素混合膜、聚碳酸脂膜醋酸纖維素、聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈氯甲基化/季胺化聚砜膜（荷電膜）、醋酸纖維素、磺化聚砜、磺化聚醚砜、芳香族聚酰胺復(fù)合材料

4、醋酸纖維素、聚酰胺復(fù)合膜膜組件常用形式板式、折疊筒式卷式、中空纖維卷式卷式、中空纖維進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)濁度（NTU）卷式0.5中空纖維0.313污染指數(shù)（FI）卷式35中空纖維3化學(xué)耗氧量（mg/L）1.53游離氯（mg/L）卷式0.21.0中空纖維00.1水溫（）535103515351535540總Fe（mg/L）0.050.3Mn(mg/L)0.1操作壓力（MPa）0.010.20.10.50.51，一般為0.7，最低0.3卷式：5.5中空纖維2.80.3一、電滲析（1）離子交換膜離子交換膜實(shí)質(zhì)上是膜狀的離子交換樹脂，與離子交換樹脂的化學(xué)組成和化學(xué)結(jié)構(gòu)一致，其區(qū)別在于離子交換膜外形薄膜片狀，其

5、作用機(jī)理選擇透過性，因此又稱選擇透過性膜；離子交換樹脂外形是圓形粒狀，其作用機(jī)理選擇吸附性。 離子交換膜按其選擇透過性能，主要分為陽膜與陰膜，按其膜體結(jié)構(gòu)，可區(qū)分為異相膜、均相膜、半均相膜3種。異相膜的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度好、價(jià)格低缺點(diǎn)足膜電阻大、耐熱差、透水件大。均相膜則相反。國產(chǎn)部分離子交換膜主要性能見表3.3.2。表3.3.2 國產(chǎn)部分離子交換膜主要性能 膜的種類厚度（mm）交換容量（mmol/g）含水率（%）膜電阻（）選擇透過率（%）聚乙烯異相陽膜0.380.52.84081290聚乙烯異相陰膜0.380.51.83581590聚乙烯半均相陽膜0.250.452.438405695聚乙烯半均

6、相陰膜0.250.452.5323581095聚乙烯均相陽膜0.32.035595氯醇橡膠均相陰膜0.280.320.81.22545685（2）原理 電滲析是在外加直流電場作用下，利用離子交換膜的選擇透過性(即陽膜只允許陽離子透過，陰膜只允許陰離子透過)，使水中陰、陽離子作定向遷移，從而達(dá)到離子從水中分離的一種物理化學(xué)過程。 電滲析原理如圖3.3.9所示。在陰極與陽極之間，放置著若干交替排列的陽膜與陰膜，讓水通過兩膜及網(wǎng)膜與兩極之間所形成的隔室，在兩端電極接通直流電源后，水中陰、陽離子分別向陽極、陰極方向遷移，由于陽膜、陰膜的選擇透過性，就形成了交替排列的離子濃度減少的淡室和離子濃度增加的濃

7、室。與此同時(shí)，在兩電極上也發(fā)生著氧化還原反應(yīng)，即電極反應(yīng)，其結(jié)果是使陰極室因溶液呈堿性而結(jié)垢，陽極室因溶液呈酸性而腐蝕。因此，在電滲析過程中，電能的消耗主要用來克服電流通過溶液、膜時(shí)所受到的阻力以及電極反應(yīng)。圖3.3.9 電滲析原理示意圖（3）電滲析器 電滲析器的構(gòu)造包括壓板、電極托板、電極、極框、陰膜、陽膜、濃水隔板、淡水隔板等部件。將這些部件按一定順序組裝并壓緊，組成一定形式的電滲析器。其中隔板是用于隔開陰、陽膜的，并與陰、陽膜一起形成濃、淡室的水流通道，其材料有聚氯乙烯、聚丙烯、合成橡膠等。常用有魚鱗網(wǎng)、編織網(wǎng)、沖膜式網(wǎng)等。隔板按水流型式可分有回路式和無回路式兩種，有回路式隔板流程長、流

8、速高、電流效率高、一次處理效果好，適用于流量較小且處理要求較高的場合。無回路隔板流程短、流速低，要求隔板攪動(dòng)作用強(qiáng)，水流分布均勻，適用于流量較大而處理要求不高的場合。常用電極材料有石墨、鈦涂釕、鉛、不銹鋼等。另外，電滲析器的配套設(shè)備還包括控制箱、水泵、轉(zhuǎn)子流量計(jì)等。（4）電滲析器組裝一對(duì)陰、陽膜和一對(duì)濃、淡水隔板交替排列，組成最基本的脫鹽單元，稱為膜對(duì)，電極(包括中間電極)之間由若干組膜對(duì)疊一起即為膜堆。一對(duì)電極之間的膜堆稱為級(jí)，具有同向水流的并聯(lián)膜堆稱為一段。電滲析器的組裝方式有一級(jí)一段、多級(jí)一段、一級(jí)多段和多級(jí)多段等(見圖3.3.10)。圖3.3.10 電滲析器的組裝方式圖3.3.11 極

9、化現(xiàn)象示意圖 （5）極化現(xiàn)象電滲析工作中電流的傳導(dǎo)是靠水中的陰、陽離子的遷移來完成的，當(dāng)電流增大到一定數(shù)值時(shí)，如若再提高電流，由于離子擴(kuò)散不及，在膜界面處將引起水的離解，使氫離子透過陽膜、氫氧根離子透過陰膜，這種現(xiàn)象稱為極化。此時(shí)的電流密度稱為極限電流密度。極化發(fā)生后陽膜淡室的一側(cè)富集著過量的氫氧根離子，陽膜濃室的一側(cè)富集著過量的氫離子；而在陰膜淡室的一側(cè)富集著過量的氫離子，陰膜濃室的一側(cè)富集著過量的氫氧根離子。由于濃室中離子濃度高，則在濃室陰膜的一側(cè)發(fā)生碳酸鈣、氫氧化鎂沉淀(見圖3.3.11)。從而增加膜電阻，加大電能消耗，減小膜的有效面積，降低出水水質(zhì)，影響正常運(yùn)行。（6）電滲析器工藝設(shè)計(jì)

10、目前，電滲析器有系列產(chǎn)品規(guī)格，可根據(jù)淡水產(chǎn)量與處理要求確定合理設(shè)計(jì)參數(shù)，選用所需電滲析器的臺(tái)數(shù)以及并聯(lián)或串聯(lián)的組裝方式。脫鹽率。脫鹽率主要取決于隔板厚度、流程長度、流速以及實(shí)際操作電流密度。對(duì)于常用的無回路網(wǎng)式聚丙烯隔板(流速6cm/s，進(jìn)水含鹽2000mg/L NaCl，溫度25)，其單段脫鹽率可按下表進(jìn)行初步計(jì)算。表3.3.3 電滲析器系列產(chǎn)品規(guī)格網(wǎng)格主要規(guī)格（mm）單段脫鹽率()網(wǎng)格主要規(guī)格（mm）單段脫鹽率()4008000.9304008000.55040016000.95040016000.57580016000.95080016000.570 操作壓力。根據(jù)當(dāng)前制造水平，無回路網(wǎng)

11、式電滲析器的操作壓力般選用0.2MPa為宜，超過0.3MPa難以保證安全運(yùn)行。流速。對(duì)于無回路網(wǎng)式隔板，流速取410cm為佳。每段膜對(duì)數(shù)。每段膜對(duì)數(shù)應(yīng)不超過200對(duì)，每臺(tái)電滲析器的膜總對(duì)數(shù)在400對(duì)以下較為合適。 在隔板主要規(guī)格為400mm1600mm 0.9mm，膜對(duì)數(shù)為200對(duì)的情況下，單段電滲析器有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見表3.3.4。該數(shù)值可供初步計(jì)算時(shí)參考。表3.3.4 單段電滲析器設(shè)計(jì)參數(shù)參考值 流 速(cm/s)45678910單段脫鹽率()56535046434138操作壓力(MPa)0.040.050.060.0650.0750.080.09產(chǎn)水量(m3/h)9.111.313.615.

12、918.120.422.6由表可知，在隔板主要規(guī)格給定的情況下，單段脫鹽率與操作壓力主要取決于流速，而產(chǎn)水量則與流速以及每段膜對(duì)數(shù)成正比關(guān)系。另外，實(shí)際脫鹽率相當(dāng)于表中極限電流工況下脫鹽率的90左右。二、反滲透（1） 反滲透原理用一種只能讓水分子透過而不允許溶質(zhì)透過的半透膜將純水與咸水分開，則水分子將從純水一側(cè)通過膜向咸水一側(cè)透過，結(jié)果使咸水一側(cè)的液面上升，直到到達(dá)某一高度，此即所謂滲透過程，如圖3.3.12a所示。當(dāng)滲透達(dá)到動(dòng)平衡狀態(tài)時(shí)，半透膜兩側(cè)存在一定的水位差或壓力差，如圖3.3.12b所示，此即為指定溫度下的溶液(咸水)滲透壓。如果如圖3.3.12c所示，在咸水一側(cè)施加的壓力大于該溶液

13、的滲透壓，可迫使?jié)B透反向，即水分子從咸水一側(cè)反向地通過膜透過到純水一側(cè)，實(shí)現(xiàn)反滲透過程。圖3.3.12 滲透和反滲透現(xiàn)象（2）反滲透膜目前用于水處理的反滲透膜主要有醋酸纖維素(CA)膜和芳香族聚酰胺膜兩大類。一般是表面與內(nèi)部具有不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，圖3.3.13所示為CA膜的結(jié)構(gòu)示意圖，其表皮層結(jié)構(gòu)致密，孔徑0.81.0nm，厚約0.25 m，起脫鹽的關(guān)鍵作用。表皮層下面為結(jié)構(gòu)疏松、孔徑l00400nm的多孔支撐層。在其間還夾有一層孔徑約20m的過渡層。膜總厚度100m，含水率占60左右。圖3.3.13 CA膜結(jié)構(gòu)示意圖（3）反滲透裝置目前反滲透裝置有板框式、管式、卷式和中空纖維式4種類型。板框式裝

14、置由一定數(shù)量的多孔隔板組合而成，每塊隔板兩面裝有反滲透膜，在壓力作用下，透過膜的淡化水在隔板內(nèi)匯集并引出。管式裝置分為內(nèi)壓管式和外壓管式兩種；前者將膜鑲在管的內(nèi)壁，如圖3.3.14a所示，含鹽水在壓力作用下的管內(nèi)流動(dòng)，透過膜的淡化水通過管壁上的小孔流出；后者將膜鑄在管的外壁，透過膜的淡化水通過管壁上的小孔由管內(nèi)流出。卷式裝置如圖3.3.14b所示，把導(dǎo)流隔網(wǎng)、膜和多孔支撐材料依次迭合，用粘合劑沿三邊把兩層膜粘結(jié)密封，另一開放邊與中間淡水集水管聯(lián)接，再卷繞一起；含鹽水由一端流人導(dǎo)流隔網(wǎng)，從另一端流出，透過膜的淡化水沿多孔支撐材料流動(dòng)，由中間集水管引出。中空纖維裝置如圖3.3.14c所示，把一束外

15、徑50100m、壁厚1225m的中空纖維，裝于耐壓管內(nèi)，纖維開口端固定在環(huán)氧樹脂管板中，并露出管板。通過纖維管壁的淡化沿空心通道從開口端引出。各種型式反滲透器的主要性能見表3.3.5，優(yōu)缺點(diǎn)見表3.3.6。圖3.3.14各種形式反滲透裝置(a)管式(b)卷式(c)中空纖維 表3.3.5各種型式反滲透裝置的主要性能 類型性能指標(biāo)板框式管式中空纖維卷式膜裝填密度（m2/m3）4923286569180操作壓力（MPa）5.55.55.52.8透水率（m3/（m2d）1.021.021.020.073單位體積透水量（m3/（m2d）501334668668表3.3.6 各種型式反滲透裝置的優(yōu)缺點(diǎn) 類

16、型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)板框式結(jié)構(gòu)緊湊牢固，能承受高壓，性能穩(wěn)定，工藝成熟，換膜方便液流狀態(tài)較差，容易造成濃差極化，成本高管式液流流速可調(diào)范圍大，濃差極化較易控制，流道通暢，壓力損失小，易安裝、清洗、拆換，工藝成熟，可用于處理含懸浮固體水 單位體積膜面積小，設(shè)備體積大，裝置成本高卷式結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積膜b積大較成熟，設(shè)備費(fèi)用低濃差極化不易控制，易堵塞，不易清洗，換膜困難中空纖維單位體積膜面積大，不需外加支撐材料，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)備費(fèi)用低膜易堵塞，不易清洗，預(yù)處理要求高，換膜費(fèi)用高（4）反滲透法處理工藝反滲透法處理工藝根據(jù)原水水質(zhì)和處理要求的不同，主要有單程式、循環(huán)式和多段式三種工藝(見圖3.3.15)，單程

17、式工藝只是原水一次經(jīng)過反滲透器裝置處理，水的回收率(淡化水流量與進(jìn)水流量的比值)較低；循環(huán)式工藝是以部分濃水回流來提高水的回收率，但淡水水質(zhì)有所降低；多段式工藝是以濃水多次處理來提高水的回收率，用于產(chǎn)水量大的場合；圖3.3.15 反滲透處理工藝三、納濾納濾(NF)是介于反滲透和超濾之間，又一種新型分子級(jí)的膜分離技術(shù) 它是適宜于分離分子量在200g/mol以上，分子大小1nm的溶解組分的膜工藝，故被命名為“納濾”。納濾操作壓力通常為0.51.0MPa，一般為0.7MPa左右。最低為0.3MPa。由于這種特件，有時(shí)將納濾稱為“低壓反滲透”或“疏松反滲透” 。根據(jù)操作壓力和分離界限定性地將納濾置于R

18、O和UF之間，它們之間的關(guān)系如圖3.3.16。壓力驅(qū)動(dòng)膜孔徑分布與操作壓力見圖3.3.17。圖3.3.16 NF與RO及UF的關(guān)系圖3.3.17 壓力驅(qū)動(dòng)膜工藝分類納濾膜的一個(gè)特點(diǎn)是具有離子選擇性：具有一價(jià)陰離子可以大量地滲過膜（但并非無阻擋的），然而膜對(duì)具有多價(jià)陰離子的鹽（例如硫酸鹽、碳酸鹽）的截留率則高的多。因此鹽的滲透性主要由陰離子的價(jià)態(tài)決定。對(duì)陰離子來說，截留率按以下順序上升：NO3-，Cl-，OH-，SO42-，CO32-。對(duì)陽離子來說，截留率按以下順序上升：H+，Na+，K+，Ca2+，Mg2+，Cu2+。納濾過程之所以具有離子選擇性，是由于在膜上或者膜中有負(fù)的帶電基團(tuán)，它們通過靜電作用，阻礙多價(jià)陰離子的滲透。荷電性的不同如有的荷正電有的荷負(fù)電，及荷點(diǎn)密度的不同等，都會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。納濾膜的傳質(zhì)機(jī)理與RO膜相似，屬于溶解擴(kuò)散模型，但是由于大部分NF膜為荷電型，其對(duì)無機(jī)鹽的分離行為不僅受化學(xué)勢控制，同時(shí)也受到電勢梯度的影響，其傳質(zhì)機(jī)理還在研究，至今尚難定論。由于無機(jī)鹽能透過納濾膜，使其滲透壓比RO低，因此，在通量一定時(shí)，NF過程所需的外界壓力比RO低得多；此外，NF能使?jié)饪s和脫鹽同步進(jìn)行。所與NF代替RO時(shí)，濃縮過程可有效、快速地進(jìn)行，并達(dá)到較大的濃縮倍數(shù)。四、超濾超濾又稱超過濾，用于截留水中膠體大小的顆粒，而水和低分子量溶質(zhì)則允許透過膜。其機(jī)理是篩孔分離，因此可