反渗透水处理系统工程

水处理工程（一）第九章膜分离概述电渗析反渗透超滤水处理工程（一）第一节概述 膜分离法 :利用特殊的薄膜对液体中的某些成分进行选择性透过的方法的统称 , 溶剂透过膜的过程称为渗透 溶质透过膜的过程称为渗析 常用膜分离方法 :电渗析、反渗透、超滤作用机理： 往往用膜孔径的大小为模型来解释，实质上，它是由分离物质间的作用引起的，同膜的传质过程的物理化学条件，以及膜与分离物之间的作用有关。各种膜分离法的特征和它们之间的区别水处理工程（一） 膜分离过程不发生相变 ,因此能量转化高 . 膜分离过程在常温下进行 ,特别适用于对热敏性物料 ,如对果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩； 装置简单，操作容易，以控制、维修，且分离效率高水处理工程（一）第二节电渗析 一、电渗析原理与过程 原理 ：阴阳离子交换膜对溶液中阴阳离子的选择透过性，而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。 阴膜只让阴离子穿过；阳膜只让阳离子穿过 电极两侧会发生氧化还原反应 阴极还原反应 2H+2 eH 2阴极室溶液呈碱性 阳极氧化反应 4OH-O 2+2H2O+4e 阳极室溶液呈酸性电渗析分离原理图 反离子的迁移 交换膜不可能 100%的选择性，有少量与离子交换膜解离离子电荷相反离子透过膜，阳通过阴 ,阴通过阳次要过程水处理工程（一） 电解质浓差扩散 膜两侧溶液浓度不同，在浓度差作用下，电解质由浓室向淡室扩散 水的渗透 水的渗透压作用，水由淡水室向浓水室渗透 水的电渗透 水合离子，其迁移过程必然携带一定数量的水分子迁移 水的压渗 -两侧压力差造成 水的电离 电流密度与液体流速不匹配，电解质离子未能及时补充到膜的表面，而造成膜的淡水侧发生水的电离。v主要过程对电渗析有利，次要过程不利；设计中设法消除不利影响水处理工程（一） 二、离子交换膜 离子交换膜 非离子交换树脂（与离子发生反应） 离子交换膜：母体 +活性基团 并非与水中离子发生交换反应，而是让离子选择性透过 1、离子交换膜的分类（ 1）按膜体结构分类异相膜 -将离子交换树脂磨成粉末，加入粘合剂（如聚苯乙烯等）滚压在纤维网上，也有直接滚压成膜。优点：制造容易，机械强度高；缺点：选择性差 /膜电阻大，使用中容易污染半均相膜 ：成膜材料与活性基团混合得十分均匀，但它们之间没有化学结构，均相膜 ：它是将制造离子交换树脂的母体材料制成连续的膜状物，作为底膜，在上面嵌接上具有交换能力的活性基团。膜中材料与活性基团发生化学结合，组成均匀，具有优良电化学性能和物理性能。水处理工程（一） （ 2）按活性基团分类 阳离子交换膜 -带有阳离子交换基团，它能选择性透过阳离子而不让阴离子透过。分强酸性和弱酸性阳膜 活性基团： -SO3H、 -PO3H2-、 -OPO3H、 -COOH、-C6H4OH等 阴离子交换膜 膜体中含有带正电荷的碱性活性基团，它能选择性透过阴离子而不让阳离子透过。分强碱性和弱碱性 季胺基、伯胺基、仲胺基、叔胺基 特种膜 ：包括两极膜、两性膜、表面涂层膜具有特殊性能的离子交换膜。（ 3）按材料性质分有机离子交换膜各种高分子合成的膜无机离子交换膜无机材料制成，热稳定性好、抗氧化、耐辐照及成本低廉，磷酸锆、矾酸铝水处理工程（一） 2.离子交换膜的性能 交换容量 ：一定量的膜样品中所含活性基团数 含水率 ：表示湿膜中所含水的百分数； 破裂强度 ：衡量膜的机械强度的指标，表示膜在实际使用时所能承受的垂直方向的最大压力。 厚度 ：与膜电阻和机械强度有关 导电性 ：依靠其中含有的电解质溶液而导电水处理工程（一）离子在膜中的迁移数大于在溶液中的迁移数！如：在 NaCl稀溶液：而在阳膜中：选择透过性与膜电位 ： 膜对离子选择透过性的优劣，用离子在膜中的迁移数和膜的选择透过度来表示。在直流电场中 ,电解质溶液中阳阴离子定向迁移共同传递电量 ,而在膜中只允许一种离子透过来传递电量。通常把某种离子传递的电量与总电量之比称为该离子的迁移数（ ti）水处理工程（一）膜的选择透过度 Pi定义为 i离子在膜中迁移数的增加值与该离子在理想膜中的迁移数的增加值之比水处理工程（一） 式中 ti0是 i离子在理想膜中的迁移数， ti0=1, ti取膜两侧溶液平均浓度下的迁移数， ti可通过测定膜电位，由下式估算得到 式中 Em即为实际测定的膜电位。而 Em0是在测定 Em的条件下理想膜的膜电位。 为什么会产生膜电位？浓侧富集了高电位的阳离子，淡侧富集了低电位的阴离子+阳极 阳膜 阴极浓侧淡侧膜电位示意图水处理工程（一） 3.离子交换膜的选择性透过机理 主要是一种聚电解质，在高分子骨架上带有若干可交换活性基团。 双电层理论固定基团 解离离子磺酸性阳膜固定基团 解离离子季铵型阴膜Na+Na+Cl-热运动解离到溶液中去外电场作用下双电层离子交换膜中活性基团越多，双电层越厚，固定基团对反离子的吸引力和对同粒子的排斥力就越大，膜的选择性越好。水处理工程（一） Donnan膜平衡理论 膜相和溶液相， Na+型强酸离子交换膜浸入 NaCl溶液中，离子在膜和溶液中发生交换。顿南膜平衡示意图膜 初始状态 平衡状态膜 水处理工程（一）当体系处于平衡时，膜两侧的钠离子和氯离子碰撞数应该相等：根据电中性法则：因此上式可写成由此可见，平衡时：水处理工程（一）阳膜内阳离子浓度大于溶液中阳离子浓度，而阳膜中阴离子浓度小于溶液中阴离子浓度。说明阳离子容易进入阳膜，阴离子却受到阳膜的排斥，也就是说膜对离子具有选择透过性水处理工程（一） 三、电渗析器的构造 1主要部件 离子交换膜 ：组装前膜预处理，操作溶液浸泡 24-48小时，停运时充满溶液 隔板 ：膜的支撑体，保持膜间距，水流通道， 水流方式不同：有回路隔板无回路隔板 作用不同：浓、淡室隔板、极框、和导向隔板 电极 ：要求耐腐蚀、导电性能好 夹紧装置 ：把极区和膜堆组成不漏水的电渗析器整体 2电渗析器组装 基本术语： 膜对 ：由 1张阳膜、 1张淡水隔板， 1张阴膜、 1张浓水隔板按一定顺序组成的电渗析器膜堆的最小脱盐单元 膜堆 ：若干模对的集合体 级 ：电渗析器中一对电极之间所包含的膜堆称为一级，一台电渗析器的电极对数就是这台电渗析器的级数水处理工程（一） 段 ：电渗析器中淡水水流方向相同的膜堆称为一段 台 ：用锁紧装置将电渗析器各部件锁紧成一整体称为一台电渗析器 系列 ：将多台电渗析器串联起来成为一脱盐整体称为一系列 组装形式： 可以按级段组装成各种方式 增加级数可降低电渗析的总电压，增加段数可以增加脱盐流程长度，提高脱盐率 一般每段内的膜对数为 150-200对，每台电渗析器的总膜对数不超过 400-500对 3附属设备 整流器、水质检测、水量计量、升压升泵、预处理装置、进出水管路、酸洗设施等水处理工程（一） 四 电渗析器的操作控制 1电能消耗 单位体积成品水的电能消耗按下式计算 电阻消耗占较大部分，电流效率随水的净化程度提高而降低2电流密度控制（ 1）浓差极化：电流密度过大所致离子在膜中的迁移数大于溶液中的迁移数，膜两侧产生浓度梯度，电流强度越大，浓度梯度越大。电流提高到相当程度， c值趋于零，淡水侧的边界层中就会发生水分子电离，这种情况称为浓差极化，此时的电流密度称为极限电流密度。水处理工程（一） 在 阴膜浓水一侧由于 OH-的富集，产生氢氧化物沉淀，造成结垢，阳膜一侧也会发生。 控制极限电流密度，定期倒换电极和酸洗 （ 2）极限电流密度在临界极化状态下，离子在膜中的迁移量等于离子在溶液中的电迁移量与浓差扩散迁移量之和，即：（ 9-6）极限电流密度， A/cm2;淡水室溶液主体对数平均浓度 ,mmol/L;扩散边界层厚度 ,cm;离子扩散系数 ,cm2/s;法拉第常数 ,96500C/mol水处理工程（一）更 一般的 Wilson公式：（ 9-7） 代入（ 9-6）并令：Wilson提出扩散层厚度 计算式： （ 9-7）m为流速指数 ,其值的范围在 0.330.90之内。 K 是一个综合经验常数水处理工程（一） 得到结论： 水质条件不变时，淡化室流速与极限电流密度成正比 ; 水量不变时，浓度成减小趋势，电流密度减小; 不能靠提高电流密度或降低水流速来提高水质，否则出现极化现象。 极限电流密度是电渗析器工作电流密度的上限： 还有一个下限：克服浓度差扩散，电流密度要大于该值。 3流速与压力确定 过大设备易产生漏水和变形，过小水流不均匀，容易极化和结垢。流速 525cm/s， 进水压力一般不超过 0.3MPa五、电渗析除盐的设计计算1设计步骤计算出电渗析在临界极化状态下所需要的极限流程长度 Llim选定隔板形式，确定隔板构造数值计算水流速度、电流密度、污染物含量各段污染物含量均按临界极化状况的去除规律来分配。水处理工程（一） 计算水头损失 p， 以校核所选取的水流速的是否可行 根据电流密度计算电流，根据水的电阻率计算电压，一选择直流电源。 2计算公式 （ 1）电流效率 是衡量电能利用程度的技术经济指标。 法拉第定律： 在电渗析过程中，当 1摩尔的盐分从淡水室迁移至浓水室时需要消耗 1个法拉第的电量（ 1法拉第电量等于96500库仑） 通过一张隔板的电流，就是隔板上平均电流密度与隔板有效面积的乘积 LBi， 将通过一张隔板的电流除以法拉第常数 F，就得到水流经过一张隔板时每秒的理论脱盐量：水处理工程（一） （ 2）膜面积及流程长度很显然，极限电流密度下 LlimL在极限电流密度运行时，根据威尔逊公式有：水处理工程（一）（ 3） 段数和每段膜对数 求出流程总长度 L总后，根据每张隔板实际流程长度，求出串联的段数 N=L总 /L 每段膜对数（ 4）水头损失：除盐流程上的综合损失水处理工程（一） （ 5）进口与出口含盐量 在多段串联等水流速度组装方式下，设各级淡水进出口浓度如下图 在临界极化状态下，各级入口和出口的淡水浓度，近似存在如下关系： 当已知原水含盐浓度 c0和要求的淡水浓度 cN,在级数确定后，各级出口浓度可按下式求出第一级i1c0 c1 第二级i2c2 第三级i3c3 第 N级iNcN令水处理工程（一） 采用一级多段串联组装方式：各段淡水浓度逐步降低，维持电流密度相同，必然膜对数不同，第一段最多，逐次减少。 分段计算流速和膜对数 （ 6）电流、电压及电耗 采用最佳电流密度或经济电流密度 六电渗析法在给水及废水处理中的应用 1海水淡化 流程：海水 海水泵 无阀滤池 海水池 水泵 纤维布过滤器 第一组电渗析器 中间水池 第二组电渗析器 成品水池 脱硼装置 饮用水。 2电渗析 离子交换组合工艺制取纯水 3电渗析法处理电镀含镍废水水处理工程（一）半光亮镀镍电渗析光亮镀镍电渗析回收槽 回收槽离子交换水洗槽 水洗槽电渗析法回收含镍污水的工艺流程补充水 补充水镀镍废水回收镍 ：含镍废水经电渗析处理后，浓水中的镍浓度增高，可以返回镀镍重复利用；淡水水镍浓度减少，可以返回水洗槽用在清洗水的补充水。以硫酸钠溶液作为电极液 ，进行循环，加入硫酸钠是为了减轻铅电极的腐蚀，经电渗析处理后，浓液浓度可以使 NiSO4 7H2O达到100g/L左右，除镍率达到 90%以上 。水处理工程（一）第三节 反渗透 一、反渗透原理 渗透 ：用一张半透膜将淡水和某种溶液隔开，该膜只让水分子通过，由于淡水中水分子的化学位比溶液中水分子的化学势高，所以淡水中的水分子自发地透过膜进入溶液中，这种现象叫做渗透。 反渗透 ：在溶液一侧是加大与渗透压的压力，则溶液中的水就会透过半透膜，流向淡水一侧，使溶液浓度增加，这种作用称为反渗透。 实现反渗透过程的必备条件：高选择性和高透水性的半透膜；操作压力必须高于溶液的渗透压。水处理工程（一） 二、反渗透膜及其传质机理 1.醋酸纤维膜的结构及性能 制造 :醋酸纤维素是没有强烈氢键的无定形链状高分子 化合物 ,将其溶解在丙酮中加入甲酰胺作添加剂 ,经混合调制、过滤、铸塑成型，然后再经蒸发、冷水浸渍、热处理，即可得到，简称 CA膜。 一些特性： 方向性 ：膜的不对称性，必须保持表皮与待处理的溶液或废水接触，而决不能倒置 选择透过性 ： 对电解质，离子价越高，或同价离子水合半径越大，则脱除效果越好， 对有机物，一般水溶性好的、非解离性的、分子量小的脱除效果较差；而解离性大的、分子量大于 200的有机物，则脱除效果较好。 对氨、硼酸、尿素脱除性差，对酚和脂肪酸有负脱除性，即透过液的溶质浓度较原液溶质浓度高。水处理工程（一） 压密效应： CA膜在压力作用下，外观厚度一般减小1/4-1/2，同时，透水性及对溶质的脱除率也相应降低。 膜的水解作用和生物分解作用： CA膜是一种酯，易于水解；微生物的营养物，微生