水污染控制工程新

1、授課教師：魯金鳳南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院第十四講 水的淡化與除鹽內(nèi) 容電滲析反滲透超濾純水制備13.3 電滲析法電滲析反滲透超 濾滲 析膜分離法在某種推動力作用下，利用特定膜的透過性能，達(dá)到分離水中離子或分子以及某些微粒的目的。表13-3 各種膜分離方法的特征13.3.1 電滲析使用的膜 電滲析使用的分離膜為離子交換膜。離子交換膜分陰離子交換膜和陽離子交換膜，兩種膜通常需配套使用。離子交換膜的分類按膜的結(jié)構(gòu)分類按活性基團(tuán)分類按材料性質(zhì)分類異相膜均相膜半均相膜陽離子交換膜：磺酸基、磷酸基、羧酸基陰離子交換膜：季胺基、伯胺基、叔胺基特種膜：雙極性膜有機(jī)離子交換膜：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯無機(jī)離子

2、交換膜：磷酸鋯、礬酸鋁按選擇透過性分類陽膜陰膜電滲析器的重要組成部分1.選擇透過性 P+或P-越接近1，則選擇透過性越好。 2.膜電阻 膜電阻（cm2）=膜的電阻率膜厚度 膜電阻越小，則所需電壓越小。13.3.2 電滲析原理及過程 是膜分離技術(shù)的一種，它是在直流電場的作用下，以單位差為推動力，利用離子交換膜的選擇透過性，把電解質(zhì)從溶液中分離出來，從而實現(xiàn)溶液的淡化、濃縮、精制或純化的目的。其過程是電解和滲析擴(kuò)散過程的組合。利用離子交換膜的選擇透過性，即陽膜理論上只允許陽離子通過，陰膜只允許陰離子通過，在外加電場作用下，陰、陽離子分別向陽極和陰極移動。應(yīng)用范圍：苦咸水淡化海水淡化制取飲用水工業(yè)廢

3、水處理電滲析示意圖 + -Na+ C ACl-濃室濃室淡室1. 電滲析工藝過程1-料液2-陰極3-陽極4-陰極廢水5-陽極廢水6-稀產(chǎn)品水7-濃產(chǎn)品水A-陰極膜C-陽極膜H2O H+ +OH-陰極 ：2H+2e H2 （還原反應(yīng)） 陽極: 4OH-O2+2H2O+4e； Cl-Cl2 +2e (氧化反應(yīng))圖13-5 電滲析原理圖13.3.3 電滲析器構(gòu)造膜堆緊固裝置極區(qū)電滲析器的構(gòu)造一對陰、陽膜和一對濃、淡水隔板交替排列，組成最基本的脫鹽單元，稱為膜對。電極之間若干組膜對堆疊在一起組成膜堆。由電極、極框、電極托板、橡膠墊板等組成均勻夾緊整個極區(qū)與膜堆，保證不漏水。常用壓桿、螺桿緊固。隔板構(gòu)造：

4、隔板流水道分為有回路式和無回路式兩種。 有回路： 流程長，脫鹽效率高，流量小但要求高 無回路： 流程短，流速低，水流分布均勻，要求隔網(wǎng)攪動作用強(qiáng)，適用于流量大場合電滲析器的組裝電滲析器的組裝方式用“級”和“段”來說明 級：一對電極之間的膜堆稱為一級；段：具有同向水流的并聯(lián)膜堆稱為一段。圖13-6 電滲析器的組裝方式13.3.4 電滲析的工藝參數(shù) 1電流效率： 電滲析器淡化水時，一個淡室實際去除鹽量為： m1=q(c1-c2) tMB/1000（g） 根據(jù)法拉第定律，應(yīng)析出的鹽量為 電滲析器電流效率：一個淡化室實際除鹽量與應(yīng)析出鹽量之比2. 極限電流密度： 電流密度：電滲析器運(yùn)行時，單位面積膜通

5、過的電流稱為電流密度i極限電流密度：電滲析器的膜界面出現(xiàn)濃差極化現(xiàn)象時，所對應(yīng)的電流密度稱為極限電流密度ilim濃差極化穩(wěn)定狀態(tài)時，離子遷移與擴(kuò)散之間存在平衡關(guān)系：i，則C，當(dāng)C 0，水則會電解出H+透過陽膜來傳遞電流，這種膜界面現(xiàn)象稱為濃差極化。此時電流密度即為極限電流密度ilim。n與水流紊亂有關(guān)，水流紊亂效果越好，n越接近于1， n=0.30.9k與隔板形式及厚度等因素有關(guān)。K水力特性系數(shù)：與膜性能、隔板形式與厚度、隔網(wǎng)形式、水的離子 組成、水溫有關(guān)。其中，v水流速度極限電流密度公式 測量極限電流密度的方法： 電壓-電流法 圖13-8 極限電流密度的確定13.3.5 極化與沉淀陽膜的淡室

6、一側(cè)：極化現(xiàn)象（濃差極化） 可采取以下措施來減少濃差極化等因素對電滲析過程的影響： 盡可能提高液體流速，以強(qiáng)化溶液主體與膜表面之間的傳質(zhì)，這是減少濃差極化效應(yīng)的重要措施。 膜的尺寸不宜過大，以使溶液在整個膜表面上能夠均勻流動。一般來說，膜的尺寸越大，就越難達(dá)到均勻的流動。 采取較小的膜間距，以減小電阻。 采用清洗沉淀或互換電極等措施，以消除離子交換膜上的沉淀。 適當(dāng)提高操作溫度，以提高擴(kuò)散系數(shù)。 嚴(yán)格控制操作電流，使其低于極限電流密度。防止沉淀結(jié)垢的主要措施：控制操作電流，避免極化現(xiàn)象 發(fā)生，減緩水垢生成；定時倒換電極，使?jié)?、淡室?隨之變換，這樣，陰膜兩側(cè)表 面上的水垢溶解與沉淀相互交 替；

7、定期酸洗，用濃度1-1.5%的鹽 酸溶液在電滲析器內(nèi)循環(huán)清洗出現(xiàn)沉淀現(xiàn)象的原因：陰膜淡室一側(cè)出現(xiàn)水的離解，產(chǎn)生OH-遷移通過陰膜進(jìn)入濃室，使?jié)馑膒H值上升，出現(xiàn)CaCO3及Mg(OH)2的沉淀現(xiàn)象。陰膜的淡室一側(cè)：沉淀現(xiàn)象13.4 反滲透滲透：一種溶劑通過一種半透膜進(jìn)入一種溶液或是從一種稀溶液向一種比較濃的溶液的自然滲透；1.滲透現(xiàn)象與反滲透半透膜反滲透：咸水一側(cè)施加壓力P大于該溶液滲透壓H時，可迫使?jié)B透反向，即為反滲透過程；2. 滲透壓與反滲透的理論耗能量滲透壓：反滲透法淡化單位體積海水所需的最小耗能量：其中，i-系數(shù)，海水取1.8；c-溶液的物質(zhì)的量濃度； R-氣體常數(shù)； T-熱力學(xué)溫度

8、，K。其中，A-系數(shù)，海水取0.000537； S-海水鹽度，一般取34.3%0； -純水的摩爾體積；3.反滲透膜醋酸纖維膜（CA）和芳香族聚酰胺膜。圖13-9 CA膜結(jié)構(gòu)示意圖-方向性：膜的不對稱性，必須保持表皮與待處理的溶液接觸,不能倒置；-選擇透過性：對電解質(zhì)，離子價越高，或同價離子水合半徑越小，則脫除效果越好CA膜特點(diǎn)：4.反滲透膜的透過機(jī)理選擇性吸著毛細(xì)管流機(jī)理：反滲透膜具有選擇吸附水分子而排斥溶質(zhì)分子的化學(xué)特性。在膜表面形成一層不含溶質(zhì)的水分子層，在外壓作用下，界面水層在膜孔內(nèi)產(chǎn)生毛細(xì)管流，連續(xù)透過膜。5. 反滲透膜裝置 （1）板框式（2）管式 （3）卷式（4）中空纖維式優(yōu)點(diǎn)： （

9、1）成本低； （2）易小型化； （3）單位持液量低；缺點(diǎn)： 易堵，難清洗6. 反滲透布置系統(tǒng) 圖13-11 反滲透布置系統(tǒng)1）水與溶質(zhì)的通量：7. 反滲透裝置主要參數(shù) 2）脫鹽率：膜兩側(cè)的含鹽濃度差與進(jìn)水含鹽量的比率水透過膜的通量溶質(zhì)透過膜的通量膜進(jìn)水側(cè)平均含鹽量濃度： 3）淡化水的含鹽量Cf求得Cf值代回求得新的Cf值。對優(yōu)質(zhì)反滲透裝置有下列要求1、對膜能提供合適的支撐；2、處理溶液在膜面上必須均勻分布；3、在最小能耗情況下，對處理溶液提供良好的流動 狀態(tài)；4、單位體積中膜的有效面積比率高；5、組件容易拆卸和更換；6、在運(yùn)行壓力下，有效地工作時安全與可靠性高；7、外部的泄漏盡可能從壓力變化能

10、看出；8、建造、維護(hù)和修理都很方便。反滲透的應(yīng)用1、海水淡化2、苦咸水淡化3、純水和超純水制備（膜法作為離子交換的預(yù)處理）4、城市給水5、城市污水處理及利用6、工業(yè)廢水處理（如處理電鍍漂洗水）13.5 超濾以特殊的超濾膜為分離介質(zhì)，以膜兩側(cè)的壓力差為推動力，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。超濾超濾膜的孔徑介于反滲透和微濾膜之間，操作壓力比反滲透低。超濾可有效去除水中的微粒、膠體、細(xì)菌、病毒，但幾乎不能截留無機(jī)離子，無脫鹽性能，一般用于純水終端處理。在超濾過程中，單位時間內(nèi)通過膜的溶液體積稱為膜通量。由于膜不僅本身具有阻力，而且在超濾過程中還會因濃度極化、形成凝膠層、

11、受到污染等原因而產(chǎn)生新的阻力。因此，隨著超濾過程的進(jìn)行，膜通量將逐漸下降。膜通量超濾膜種類醋酸纖維素膜、聚砜膜以及聚酰胺膜超濾裝置種類板框式、管式、卷式和中空纖維式。超濾膜的截留分子量超濾膜的主要機(jī)理：篩除作用。通常用截留分子量表示膜孔徑特征。截留率達(dá)到90%的分子量圖13-12 各種不同截留分子量的超濾膜大于截留分子量的分子幾乎全部被超濾膜所截留。超濾膜的截留分子量范圍：1000-1000000超濾過程中的濃差極化 超濾中的濃差極化現(xiàn)象：外源壓力迫使分子量較小的溶質(zhì)通過超濾膜，而大分子被截留于膜表面，并逐漸形成濃度梯度，這就是所謂“濃差極化”現(xiàn)象。超濾中濃差極化特點(diǎn)膜截留的粒子和溶質(zhì)在膜面上建立界面層濃度梯度大分子擴(kuò)散系數(shù)比常見的鹽類的擴(kuò)散系數(shù)小得多，因此超濾中極化現(xiàn)象就顯得更加嚴(yán)重。膜表面鄰近處的溶質(zhì)濃度超過一定值后，膜表面附近就形成凝膠層。通量由串聯(lián)著的凝膠層阻力和膜阻力之和決定PJWJW -P關(guān)系圖克服方法濃差極化的措施：加強(qiáng)攪拌，加快平行膜面的進(jìn)水流速進(jìn)水渠道盡量做得淺些；提高液體溫度。 13.5 純水制備前處理反滲透器脫鹽水箱離子交換復(fù)床離子交換混床紫外線燈超濾器回水 純水制備系統(tǒng)1. 膜法-離子交換法純水制備系統(tǒng)圖13-13 反滲透設(shè)于前端的超純水制備系統(tǒng)2. 蒸餾法1）多效蒸發(fā) 將多個蒸發(fā)器串聯(lián)操作，以提