正滲透膜法新技術(shù).ppt

1、正滲透膜簡(jiǎn)介,正滲透的原理,正滲透過程(Forward Osmosis,簡(jiǎn)稱FO)是以選擇性分離膜兩側(cè)的滲透壓差為驅(qū)動(dòng)力,溶液中的水分子從高水化學(xué)勢(shì)區(qū)(原料液側(cè))通過選擇性分離膜向低水化學(xué)勢(shì)區(qū)(汲取液側(cè))傳遞,而溶質(zhì)分子或離子被阻擋的一種膜分離過程,正滲透過程是通過跨膜滲透壓差,而不是通過外加壓力(如反滲透膜過程),作為驅(qū)動(dòng)力使水通過分離膜,最終會(huì)導(dǎo)致原料液的濃縮和汲取液的稀釋,濃縮的原料液可以作為下一次正滲透過程的汲取液循環(huán)利用,而稀釋的汲取液可以借助化學(xué)沉降冷卻沉降、熱分解、熱揮發(fā)等標(biāo)準(zhǔn)方法從汲取液中獲取產(chǎn)品純水,并使汲取液得到濃縮。,正滲透的原理,外濃差極化,伴隨著滲透過程的進(jìn)行,原料液

2、側(cè)膜表面處有溶質(zhì)的積累,導(dǎo)致膜表面滲透壓升高,從而使得有效滲透驅(qū)動(dòng)力降低,稱為濃縮的濃差極化;同時(shí)汲取液側(cè)膜表面處溶液被滲透過來的水稀釋,水化學(xué)勢(shì)卻顯著增大,這種現(xiàn)象稱為稀釋的濃差極化,這兩種極化現(xiàn)象都會(huì)導(dǎo)致膜兩側(cè)主體溶液的滲透壓差要遠(yuǎn)低于膜活性層兩側(cè)的滲透壓差,即:正向滲透的傳質(zhì)推動(dòng)力減小了,也就是說,正滲透過程也同樣存在濃差極化現(xiàn)象。 FO膜兩側(cè)的外部濃差極化都會(huì)導(dǎo)致有效滲透壓的降低,但可以通過提高膜面的流速和擾動(dòng)來消除外部濃差極化的影響。研究表明,由于FO過程中基本不使用外壓,其外部濃差極化影響要遠(yuǎn)小于 RO,不是造成 FO 膜通量遠(yuǎn)低于預(yù)期值的主要原因。,內(nèi)濃差極化,當(dāng)所用的正滲透膜是

3、對(duì)稱的膜,且在不考慮外濃差極化現(xiàn)象的時(shí)候,滲透壓差的梯度遞減過程如圖(a)所示,內(nèi)濃差極化,當(dāng)多孔支撐層朝向原料液側(cè)時(shí),溶質(zhì)會(huì)在緊靠致密層的支撐層孔內(nèi)部得到積累,如圖(b)所示,這稱為濃縮的內(nèi)濃差極化,不能通過錯(cuò)流的方式消除,內(nèi)濃差極化,當(dāng)多孔支撐層朝向汲取液時(shí),膜孔內(nèi)的濃差極化則應(yīng)稱為稀釋的內(nèi)濃差極化,如圖(c)所示一般的在水純化和脫鹽的應(yīng)用中,正向滲透膜的朝向多選擇后一種形式,正滲透的影響因素,溫度的影響 溫度對(duì)反滲透的影響主要在于溫度升高會(huì)降低水的粘度,從而提高擴(kuò)散系數(shù),最終使得水通量增大表明溫度升高,會(huì)降低內(nèi)濃差極化,提高水通量,但并不是越高越好,為水通量增大到一定程度后會(huì)加重內(nèi)濃差極

4、化。 膜方位的影響 膜的方位不同,會(huì)產(chǎn)生兩種不同的濃差極化現(xiàn)象,有研究表明這兩種極化現(xiàn)象對(duì)水通量的影響差別很大,因此要根據(jù)具體應(yīng)用選擇合適的膜朝向,一般的在水純化與脫鹽的應(yīng)用中,正滲透膜的朝向多為活性分離層面向原料液。,正滲透的影響因素,流速的影響 外濃差極化卻可以通過增大流速,增加漩渦來消除,因此在運(yùn)行時(shí)要采用錯(cuò)流的方式,提高流速,減小邊界層的厚度,以削弱外濃差極化的影響。 原料液和汲取液的濃度的影響 當(dāng)原料液的濃度一定時(shí),汲取液濃度增大,會(huì)使得滲透壓差加大,從而提高水通量,但當(dāng)濃度增大到一定值時(shí),水通量會(huì)下降,這是因?yàn)闈舛群芨邥r(shí),濃差極化會(huì)加劇。,應(yīng)用海水淡化(中試),進(jìn)料溶液0.5mol

5、/LNaCl,驅(qū)動(dòng)溶液為6mol/L銨鹽,膜兩側(cè)的滲透壓差高達(dá) 22.5MPa 膜通量 25 L/(m2h ) 鹽的截留率大于95% 通過適度加熱(約 60),將銨鹽分解成氨和 CO2并循環(huán)使用,剩余的液體就是稀鹽水。該稀鹽水蒸餾或膜蒸餾即可獲得純凈水。 節(jié)能,應(yīng)用廢水與垃圾滲濾液的處理(中試),垃圾滲濾液的處理,TDS達(dá)到100mg/L一下,也可用于污泥濃縮,總磷去除完全,氨氮總凱氏氮去除90% 膜通量 25 L/(m2h ) 抗污能力很強(qiáng),通過測(cè)定鹽度確定受污染程度,應(yīng)用減壓滲透發(fā)電(構(gòu)想),首先,淡水過濾后進(jìn)入壓力阻尼滲透模塊,透過膜擴(kuò)散進(jìn)入高壓的海水側(cè),海水被稀釋后壓強(qiáng)增大,然后稀釋后

6、的海水分成二股,一股海水在管道內(nèi)減壓用來發(fā)電,另一股通過壓力交換器給進(jìn)入裝置的海水增壓壓力阻尼滲透發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵是壓力交換器和膜件,應(yīng)用減壓滲透發(fā)電(構(gòu)想),在較低溫度下,通過循環(huán)利用 NH3-CO2驅(qū)動(dòng)溶液,將滲透能產(chǎn)生的高水壓轉(zhuǎn)化為電能,能夠?qū)⒌蛢r(jià)值的廢熱源或環(huán)境友好的低溫?zé)嵩?地?zé)?、太陽能?轉(zhuǎn)化成電能。目前滲透熱泵的轉(zhuǎn)化效率為 5%10%,還需要進(jìn)一步分析和優(yōu)化膜的能量密度、熱交換面積以及熱源的質(zhì)量、數(shù)量和最終的能量輸出的關(guān)系。,其他應(yīng)用,航天工業(yè)中的運(yùn)用 正滲透技術(shù)是美國(guó)航空航天局太空水回用系統(tǒng)候選技術(shù)之一。人類長(zhǎng)期的太空任務(wù)需要一個(gè)可靠、耐用、輕便且能耗低的廢水處理系統(tǒng)。 正滲透水袋 濃鹽水再濃縮 此外正滲透過程具有抗污染、較高的水回收率的特點(diǎn)，通過選擇合適的驅(qū)動(dòng)溶液，可進(jìn)行濃鹽水的再濃縮，甚至使鹽析出，減少排放。理想的正滲透脫鹽過程目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)零液體排放，這點(diǎn)對(duì)于在內(nèi)陸地區(qū)建設(shè)脫鹽工程尤為重要。 食品和醫(yī)藥方面的運(yùn)用 正滲透技術(shù)的另一個(gè)特點(diǎn)是操作低溫低壓。結(jié)合上面的低能耗、低污染特點(diǎn)，其已經(jīng)廣泛運(yùn)用到了液體食品的濃縮，有利于食品的包裝、運(yùn)輸和儲(chǔ)存，還可降低水的活度，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。,膜材料的要求和發(fā)展趨勢(shì),(1)具有致密的皮層，對(duì)溶質(zhì)有高截留率； (2)膜的皮層具有較好的親水性，實(shí)現(xiàn)較高的水通量和水回收率，同時(shí)又能降低膜污染趨勢(shì)； (3)膜的支撐層盡量薄，并且孔隙率