過濾及膜技術

關于過濾及膜技術第2頁,共56頁，星期六，2024年，5月第3頁,共56頁，星期六，2024年，5月膜技術：以高分子功能膜為代表，利用特殊薄膜對液體中的某些成分進行選擇性透過的方法。以高分功能膜為代表

1953年首次提出反滲透技術淡化海水構想；

1960年加利福尼亞大學研制出第一張可實用的反滲透膜，標志著膜科學技術誕生。滲透和滲析滲透：溶劑透過膜的過程。滲析：溶質透過膜的過程。常規(guī)膜技術：反滲透、納濾、超濾、微濾（、電滲析、自然滲析、液膜技術）等。第4頁,共56頁，星期六，2024年，5月應用（1）海水和苦咸水脫鹽；（2）廢水回用和循環(huán)；處理市政污水用于間接飲用與直接工業(yè)回用，工業(yè)用水循環(huán)再利用，甚至飲用水直接回用，以二級市政污水生產高質量飲用水。（3）拓展：前景廣闊飲用水處理、工業(yè)廢水脫色、垃圾填埋場滲濾液處理、膜生物反應器、水的回收循環(huán)利用等。第5頁,共56頁，星期六，2024年，5月特點（P126）（1）不發(fā)生相變，能量轉化率高；（2）分離與濃縮同時進行，可回收有價值的物質；（3）根據(jù)膜特性將不同物質分開；（4）膜分離過程不會破壞對熱不穩(wěn)定性的物質，常溫下即可分離；（5）不需投加藥劑、可節(jié)省原材料和化學藥品；（6）適應性強，操作及維護方便，易于實現(xiàn)自控。第6頁,共56頁，星期六，2024年，5月從藥劑投量和加注點沉淀后過濾直接過濾微絮凝過濾(接觸)凝聚過濾微絮凝過濾：濾池前設一簡易微絮凝池，原水加藥混合后先經(jīng)微絮凝池，形成粒徑相近的微絮粒（40~60μm），即刻進入濾池過濾。

微絮凝：要求形成絮體尺寸較小，便于深入濾層深處以提高濾層含污能力。

絮凝：要求絮凝體尺寸愈大愈好，以便在沉淀池內下沉。接觸過濾：原水經(jīng)加藥后直接進入濾池過濾，濾前不設任何絮凝設備，進入濾池后濾料也是接觸凝聚介質。第7頁,共56頁，星期六，2024年，5月三、雙層濾料過濾

P.121濾層含污量：單位體積濾料中的平均含污量（濾層含污能力）第8頁,共56頁，星期六，2024年，5月第9頁,共56頁，星期六，2024年，5月第10頁,共56頁，星期六，2024年，5月實踐證明：雙層濾料含污能力較單層濾料含污能力高1倍以上。第11頁,共56頁，星期六，2024年，5月§2反滲透（RO）

一、膜分離法概述1kg/cm2=98.067KPa=0.98bar；1bar=0.1MPa=1.02kg/cm2第12頁,共56頁，星期六，2024年，5月第13頁,共56頁，星期六，2024年，5月膜分離過程多數(shù)膜有三股液流：進水、濃水、滲透液（P127圖5-10）死端過濾（靜態(tài)死端式、全流過濾）：進料液體垂直流過膜，無截留液；交叉流過濾：進水流向與膜面平行（水力沖刷，沉積微粒返回流體主體，有效減輕膜面有機物積累），在高通量下運行更持久?；厥章剩航亓袈剩旱?4頁,共56頁，星期六，2024年，5月二、反滲透機理1、滲透現(xiàn)象與滲透壓第15頁,共56頁，星期六，2024年，5月恰能阻止?jié)B透現(xiàn)象繼續(xù)發(fā)生而達到動態(tài)平衡時的壓力稱為滲透壓力，用符號π表示，單位KPa或Pa

。（1）定義滲透第16頁,共56頁，星期六，2024年，5月（2）滲透壓力與濃度、溫度的關系

溶液的滲透壓與溫度、濃度的關系：范特荷甫公式：Π＝cRT

式中Π

－溶液的滲透壓kPac－溶液濃度mol/LT－絕對溫度K(273.15＋t0C)R－氣體常數(shù)8.31kPa·L·mol-1·K-1

第17頁,共56頁，星期六，2024年，5月

a.在一定溫度下，溶液的滲透壓與它的濃度成正比。

C

b.在一定濃度下，溶液的滲透壓與絕對溫度成正比。

T由上式可知：稀溶液的滲透壓與溶液的物質的量濃度及絕對溫度成正比，而與溶質及溶劑的種類無關。第18頁,共56頁，星期六，2024年，5月Π＝cRT的意義在一定溫度下，溶液的滲透壓與溶液的濃度成正比即

與溶液中溶質的數(shù)目成正比，而與溶質的本性無關不論溶質微粒是小分子或大分子，只要溶液中溶質粒子的數(shù)目相等，則滲透壓就相同第19頁,共56頁，星期六，2024年，5月Π＝cRT適用范圍

Π＝cRT只適用于非電解質稀溶液如：0.3mol/L葡萄糖溶液與0.3mol/L蔗糖溶液，其Π相同；當兩種非電解質溶液的c不同時，c大，它的Π就大第20頁,共56頁，星期六，2024年，5月

由于電解質分子在溶液中發(fā)生電離產生離子，使溶液中粒子的數(shù)目成倍增加，用Π＝cRT計算電解質溶液的滲透壓將會產生較大的誤差。為了消除誤差，引入一個校正系數(shù)i

滲透壓公式改寫為Π＝icRT計算電解質溶液的滲透壓

式中i－校正因子，指溶質的一個分子在溶液中能產生的粒子數(shù)。例如：0.3mol/LNaCl

Π

1(i=2)0.3mol/LC6H12O6

Π

2(i=1)

則Π

1＝2

Π

2第21頁,共56頁，星期六，2024年，5月

例：1L溶液中含5.0g馬的血紅素，在298K時測得溶液的滲透壓為1.8102Pa，求馬血紅素的相對分子量。解：第22頁,共56頁，星期六，2024年，5月定義：在咸水一側施加壓力P大于溶液滲透壓，則滲透反向。2、反滲透單位體積海水理論耗能量（P128）：

海水淡化過程，鹽度不斷提高，滲透壓隨之升高，實際所耗能量比理論值大得多。第23頁,共56頁，星期六，2024年，5月反滲透分離物質反滲透在純凈水制備中的作用3、反滲透機理第24頁,共56頁，星期六，2024年，5月一級反滲透第25頁,共56頁，星期六，2024年，5月二級反滲透第26頁,共56頁，星期六，2024年，5月三、工藝1、膜及膜組件醋酸纖維素（CA）膜芳香族聚酰胺膜膜

平板膜：板框式、卷式管式膜：管式、中空纖維膜膜組件（1）板框式：書P129圖5-13（a），由一定數(shù)量的多孔隔板組合，每塊隔板兩面裝有反滲透膜；（2）卷式：板框式卷繞；（3）管式：內壓式、外壓式（4）中空纖維膜組件：外徑50-100μm，壁厚12-25μm第27頁,共56頁，星期六，2024年，5月2、預處理（1）pH值調整（5.5-6.2，弱酸，防沉淀堵塞）；（2）去懸浮固體及膠體（混凝、精密過濾）；（3）去除可溶性有機物及殘留膠體、懸浮性有機物（化學氧化，氯或次氯酸鹽）（4）水的回收率控制：越高則有機物越濃縮（多級串聯(lián)）（5）細菌、藻類、微生物的去除；（6）超濾去除油、膠體、微生物等。SDI：污染指數(shù)（淤泥密度指數(shù),FI）,表征水中顆粒、膠體和其他能阻塞各種水純化設備的物質含量，是測定反滲透系統(tǒng)進水的重要指標之一。SDI的測量是通過47mm直徑，0.45μm孔徑的膜的流速的衰減，轉換為1-100,反滲透進水應不高于5。第28頁,共56頁，星期六，2024年，5月3、工藝P132圖5-7：單程式、循環(huán)式、多段式4、膜清洗

物理法：水力清洗、水氣混合沖洗、逆流清洗化學法：根據(jù)污染物性質選擇清洗藥劑（與污染物反應；溶解污染物）

P133表5-6、5-7，清洗配方的配制及選用。四、計算：略五、反滲透的應用

海水淡化：34300mg/L（3.5%），5-7MPa

苦咸水淡化（1000-5000mg/L），2-3MPa

城市污水深度處理（二級處理水）電鍍廢水第29頁,共56頁，星期六，2024年，5月第30頁,共56頁，星期六，2024年，5月

反滲透技術還應用于水果和蔬菜汁的濃縮等過程。第31頁,共56頁，星期六，2024年，5月第32頁,共56頁，星期六，2024年，5月§3納濾（NF）分離壓力：0.5-2.0MPa(反滲透2-7MPa)；膜孔徑：3-60nm(納米級)；截留分子量：100-1000（200-500），可截留一部分無機鹽；對單價離子和分子量小于300的小分子截留率較低；對二價離子和分子量大于300的有機小分子截留率較高；應用廣泛：在飲用水領域用于脫除三鹵甲烷中間體（THMFP）、異味、色度、農藥、合成洗滌劑、可溶性有機物、Ca、Mg、鉈等硬度。第33頁,共56頁，星期六，2024年，5月一、分離機理傳統(tǒng)理論：納濾膜傳質機理與反滲透膜相似，通過溶解擴散傳遞（納濾有時亦稱“低壓反滲透”、混合過濾、雜化過濾）；納濾膜：疏松的反滲透膜。后研究發(fā)現(xiàn)不能很好解釋納濾膜特征。立體阻礙-細孔模型電荷模型空間電荷模型固定電荷模型第34頁,共56頁，星期六，2024年，5月二、納濾的分離特性材料：醋酸纖維素（CA）、醋酸纖維素-三醋酸纖維素、磺化聚砜等，一般為復合型膜(即膜的表面分離層和它的支撐層的化學組成不同)膜組件：板框式、卷式、管式、中空纖維式1、分離規(guī)律（1）陰離子截留率從小到大：NO3-＜F-

＜Cl-

＜HCO3-

＜SO32-

＜SO42-

＜CO32-（2）陽離子截留率從小到大：H+

＜Na+

＜K+

＜Ca2+

＜Mg2+

＜Cu2+（3）有機物：疏水性有機物截留效果好；親水性有機物截留率較低（4）截留分子量：100-1000。第35頁,共56頁，星期六，2024年，5月2、工作壓力：0.5-2MPa規(guī)律：操作壓力越高，料液通過膜的通量越大；高壓下導致膜的致密化會使通量降低。操作方式：恒定壓力操作法；恒定通量操作法。（1）恒定壓力：保持操作壓力一定，隨膜污染通量逐漸下降（2）恒定通量：保持通量一定，隨膜污染不斷升高壓力3、操作溫度溫度上升，溶質和溶劑擴散系數(shù)變大，粘度下降，膜通量提高；溫度過高，膜致密化，破壞膜的化學結構，改變膜性能。第36頁,共56頁，星期六，2024年，5月4、流速高流速可減少濃差極化或沉積層，提高滲透通量；流速的選擇主要考慮物質對剪切力的敏感、能耗等因素。5、應用染料廢水處理及染料回收；中藥提取液回收；處理含鉻廢水第37頁,共56頁，星期六，2024年，5月§4超濾（UF）分離壓力：0.1-0.6MPa(納濾1-2MPa反滲透2-7MPa)；膜孔徑：60-1000nm(納濾3-60nm)；截留分子量：1000-30000[納濾100-1000（200-500），可截留一部分無機鹽]；去除對象:高分子化合物、蛋白質、大多數(shù)細菌、病毒等。第38頁,共56頁，星期六，2024年，5月第39頁,共56頁，星期六，2024年，5月一、超濾原理第40頁,共56頁，星期六，2024年，5月超濾膜：醋酸纖維素膜、聚砜膜，等。膜組件：同反滲透、納濾，板式、管式、卷式、中空纖維。第41頁,共56頁，星期六，2024年，5月

常見的間歇式流程見圖。圖中(a)為間歇操作——開式回路流程,將一批料液加入貯槽,用泵加壓后送往膜組件,使之連續(xù)排出透過液,濃縮液則返回槽中與貯槽中原料液混合后送往膜組件。如此循環(huán)操作,直到濃縮液濃度達到預定值為止。這種流程操作簡單,濃縮速度快,所需膜面積小,但全循環(huán)時泵的能耗高。為了降低能耗,可采用部分循環(huán)操作,如圖(b)所示為間歇操作——閉式回路流程。間歇操作通常在實驗室中和小型中試廠使用。

1、間歇式二、超濾的操作方式第42頁,共56頁，星期六，2024年，5月2、連續(xù)式

連續(xù)式超濾過程是指料液連續(xù)不斷加人貯槽和產品的不斷產出?？煞譃閱渭壓投嗉?。單級連續(xù)式操作過程的效率較低,一般采用多級連續(xù)式操作。特點：每一級都在一個固定的濃度下操作,最后一級的濃度是最大的,即為濃縮產品；只有最后一級在高濃度下操作,滲透通量低,其他級操作濃度均較低,滲透通量相應也較大,因此級效率高。應用：大規(guī)模生產,特別適用于食品工業(yè)領域。第43頁,共56頁，星期六，2024年，5月3、重過濾操作應用于大分子和小分子的分離，流程見P143圖5-26。原理：料液中含有各種大小分子溶質，若不斷加入純溶劑（水）以補充濾出液體積，低分子組分被逐漸清洗出去，實現(xiàn)大小分子的分離。第44頁,共56頁，星期六，2024年，5月1、料液流速

V↑，減少濃差極化；能耗↑。2、操作壓力

在壓差較小的范圍內,滲透通量隨壓差增長較快;當壓差較大時,隨壓差的增加滲透通量增長逐漸減慢,且當膜表面形成凝膠層時,滲透量趨于定值不再隨壓差而變化,此時的滲透通量稱為臨界滲透通量。實際超濾操作壓力應接近臨界滲透通量時的壓差,若壓差過高不僅無益而且有害。

三、影響因素第45頁,共56頁，星期六，2024年，5月3、溫度

溫度↗，μ↘，提高通透量；溫度↗，某些組分溶解度↘，膜污染↗（乳清中的鈣鹽）；大多數(shù)超濾應用的溫度范圍為30~60℃；牛奶、大豆體系的料液,最高超濾溫度不超過55~60℃。4、運行周期周期性操作：超濾→凝膠層→通量下降→清洗第46頁,共56頁，星期六，2024年，5月第47頁,共56頁，星期六，2024年，5月5、進料濃度

最高允許濃度：P144表5-12。6、料液的預處理

沉淀、混凝、過濾、吸附等。7、膜清洗

先水力清洗，再采用化學洗滌劑清洗。（P144表5-13：各種清洗方法）

第48頁,共56頁，星期六，2024年，5月定義：在超濾分離過程中,膜截留下來的溶質粒子在膜前積累,使膜表面溶質濃度逐漸高于原料液主體溶質濃度,在此濃度差為推動力的作用下,溶質便從膜表面向料液主體擴散,形成具有濃度梯度的邊界層,這就是超濾過程的濃差極化。四、濃差極化第49頁,共56頁，星期六，2024年，5月問題：由于濃差極化,膜表面處溶質濃度高,會導致溶質截留率的下降和滲透通量的下降。當膜表面處溶質濃度達到飽和時,在膜表面形成凝膠層,使溶質截留率增大,但滲透率顯著減小。計算：略。第