《反渗透与超滤》PPT课件.ppt

9-3 反渗透与纳滤,一、反渗透:,（一）渗透现象与渗透压（物理化学已学过） 1、半透膜：只能让水分子透过，而阻止溶质透过的膜称为半透膜。 2、渗透过程：实验,（1）有渗透现象； （2）平衡时压差为Pa； （3）反渗透。 称为渗透压。 这个渗透现象是一个自发的过程。 纯水的化学势（位）为 0 咸水的化学势（位）为 则： = 0+RTlnx x咸水中水的摩尔分数， T热力学温度 K。 R理想气体常数，R=8.314J/molK,x1 lnx为负值。 0 即纯水的化学位高于咸水的化学位， 所以纯水向化学位低的咸水一侧渗透。 水的化学位的大小决定着水的传质方向。 3、渗透压： 平衡态，膜两侧的水的压力差， 即为在指定温度下，溶液（咸水）渗透压： =icRT（Pa） c溶液物质的量浓度，mol/m3 i系数，海水i1.8,（二）反渗透： 在咸水侧施加压力P，迫使咸水中的水向纯水一侧渗透的过程称为反渗透。 1、理论：反向加压大于 ，克服渗透压。迫使渗透反向。 加压 咸水化学位纯水化学位 2、理论耗能：（25）海水的盐度34.3（计算仅用34.3） A系数，A=0.00537 T绝对温度，K。 S海水盐度。 R理想气体常数， R=2.3110-6kwh/molK,水的偏摩尔体积， =0.01810-3 m3/mol Wlim= 0.7 kWh/m3 1 kWh =3.6106 Pa m3 即为海水的极限渗透压。 实际工程应用要大该值。,（三）反渗透膜及透过机理： 醋酸纤维素（CA） 芳香族聚酰胺膜,1、机理： 选择性（优先）吸附毛细管流机理 膜表面具有亲水性，选择吸附水分子（两个水分子厚1nm的纯水层）。 并排斥盐分，在施加压力的作用下，纯水由毛细孔不断流过反渗透膜。 毛细孔孔径应为纯水层厚1nm的2倍以下（2nm）。实际23nm以下。 称为临界孔径。若孔径大于临界孔径，透水性增大，盐分也可透过。,2、反渗透应用范围： （1）CA膜适用于含盐量小于10000mg/l，以下的苦咸水淡化。 （2）含盐量大于10000mg/l，可用复合膜反渗透。 复合膜：两种半透膜复合成一张膜。 （3）可构成联合除盐系统： 如反渗透离子交换。 反渗透先除胶体微粒，二氧化硅，高分子有机物，及大部分溶解盐。 目的：减轻后续离子交换工艺的负荷。 离子交换脱盐，出水为纯水。,（四）反渗透淡化装置，工艺流程与布置系统。 1、分类： 四种形式： （1）板框式：装置类似电渗析，许多膜层叠在框板架中。 （2）管式：分串联和并联 毛细管（类似中空纤维式）,（3）卷式：,（4）中空纤维式：,各类形式性能： 2、反渗透工艺流程： （1）预处理：反渗透进水水质。 PH=5.56.2 目的：防止某些溶解固体沉积于膜面，影响产水。,（2）膜分离： （3）后处理：PH调整，终端离子交换床； 还有：杀菌，微孔过滤超滤。 原因：膜孔不均匀， 加压力后，膜孔放大，有的孔道变大， 使出水水质不是理想状态。 有来自树脂本身的溶解物，碎粒以及细 菌的繁殖，终端超滤装置使出水纯度有 保障。,3、反渗透系统布置： （1）单程式：水的回收率低。 （2）（部分）循环式：提高了水的回收率，但淡水水质有所降低。 为什么部分循环：要求浓室内有一定的流速，防止膜面产生浓差极化（结垢）。 （3）多段式：（串联式）水的回收率高，产水量大时用，膜组件逐段减少。原因：维持一定流速防止膜表面浓差极化。,(五)反渗透装置的参数确定：(理想时) 1、水的通量：Jw即水透过膜的通量cm3/cm2S Jw=Wp(P) 水通量与作用压力差成正比。 实际：Jw=Wp(P ) 膜对溶质的排垢系数。 式中： Wp水的透过系数， cm3/cm2SPa 实验测得。 P膜两侧压力差，Pa 膜的渗透压，Pa,2、溶质通量： Js 溶质透过膜的通量mg/cm2s Js=Kp C Kp溶质的透过系数。cm/s C膜两侧的浓度差。mg/cm3 溶质通量与浓度差C成正增长。 PJw C Js 增大 不一定引起淡水 产水量 水质变差，因Jw变大了 3、脱盐率：R 溶质去除率。 膜两侧含盐浓度差，与进水含盐浓度的比值。 Cb进水含盐量；mg/l Cf出水含盐量；mg/l（淡室）,由物料平衡关系：Q进水量，Qf淡化水量， 则：Q Cb=(Q-Qf)Cc+ QfCf （1） Cc浓盐水浓度。 若由Cm表示膜进水侧含盐量的平均浓度， （2） 则脱盐率可改写为： （2） 或为： 而 淡水浓度。,3、淡化水的含盐量：（近似计算法） 假设Cf为零：由物料平衡方程 ： 代入（2）式，膜进水侧含盐量平均浓度：,令： 淡化水与进水流量的比值 称为水的回收率。 得 ： 代入脱盐率方程（2）式得： 得： 再代入平衡方程（1），求出Cc（浓盐水浓度）；代入（2），求出平均浓Cm ；再代入（3）中，求出新的Cf ，即为新的较精确值淡化水的含盐量。,二、超滤：,1、膜性能：膜孔：5nm0.1m ， 分离对象：300300000分子量的大分子， 如： 细菌、病菌、胶体等。无脱盐能力 操作：类似反渗透，用压力0.11.0MPa，膜孔易堵。,2、设备特点：操作压力低，设备简单。 3、应用：纯水终端处理；工业废水处理和一些工业应用，如：医药、食品。 4、形式：同反渗透，（1）板框式（2）管式（3）卷式（4）中空纤维。 （一）膜的截留分子量: 用截留分子量表示膜的孔径，对膜分档。 超滤膜是多孔结构的膜，其去除水中杂质的工作机理主要是筛除作用。 同一张膜的所有孔径是不相同的，其截留高分子的分子量也有着一定的分布。 我们用截留率90%分子量，来表示膜截留分子量代替所称的膜的孔径。,超滤过程的一般表达式: 超滤与反渗透的区别，反渗透有较大的渗透压 ，超滤没有；微小溶质可透过膜被截留的是大分子。 其渗透压较低可忽略不计。 1、水的通量： Jw（cm3/cm2 s） （适用稀溶液） Pw（膜对水的透过特性）（cm3/sPa） e膜开孔面积分数； r孔半径； 水粘度； 孔迂曲系数； m膜厚（cm）,对稀溶液是一个常数（cm/sPa） P 膜两则压力差（Pa） 2、溶质通量：Js（mg/cm2s） Ps膜对溶质的透过特性，cm2/s Cb，Cf进水和出水的溶质浓度mg/cm3 主体溶液 滤过液 3、溶质去除率：R（%）,4、Js与Jw关系： 代入上式： 5、大分子溶质浓度较高时： 超滤中便产生浓差极化现象。这时，不再遵循上述规律。 有的孔道被堵塞。 过滤液溶质浓度为：,式中： 第一个括号表示溶质分子进入孔道的机率； 第二个括号表示溶质流受到孔道摩擦阻力的阻碍程度。 是纯理论公式。 （三）超滤过程中的浓差极化： 浓差极化： 水的通量和小溶质的通过膜， 使膜面处溶质浓度Cm高于主 体溶液中的浓度Cb，在边界 层形成浓差CmCb。 使溶 质由膜表面向主体溶液反向 扩散，这种现象称为浓差极化。,2、公式推得： （1）在稳定状态下：边界层厚 ， 在 中取一微元体 x , 在x方向上的面积 由Jw引起的迁移 由扩散引起的迁移， D扩散系数。 x x 单位时间的输入量：,单位时间的输出量： 单位时间物料变化量： 平衡方程： 稳定时： 即： 即：,积分得： C1积分常数。 JwC向着膜的溶质通量。 由于扩散从膜返回主体溶液的溶质通量。 在稳定状态下，其差值为通透过膜的溶质通量Js 即： 据边界条件： x=0 时，C=Cm； x = 时，C=Cb,积分得 ： （1） Cf滤过液（出水）的溶质浓度很小，可化简为： 传质系数。 3、压力差与浓度极化的关系： 水通量： ,压力增大 PJw 当Cm高到一定程度便在膜表面产生凝胶层。其凝胶浓度用Cg表示。 （是极限值）,（四）形成凝胶层的影响： 1、刚形成凝胶层，水的通量： 2、继续加大作用压力： P Jw 凝胶层增厚 Jw P与Jw达新的平衡 3、生成凝胶层后的透水特性： （1）透过水量不因压力增大而增加。 （2）（因为Cg是恒值）（由式 可知），Jw与Cb的对数是直线关系减小。 （3）与边界层厚度有关，透水特性还取决于流体动力学条件。 边界层厚度 。,4、有凝胶层时水的通量： g凝胶层厚度，（cm ） Pg凝胶层对水的透过特性（cm2/sPa） Rm膜阻力 （SPa/cm） Rg凝胶层阻力 （SPa/cm） 5、凝胶层的阻力Rg： Rg与透过水量（体积）V成正比， 与压力差P也成正比 。 PJw g增厚Rg 比例系数,代入式中： 6、实验法求JwP关系： 由式： 可得： 调节变化P测Jw，把V视为定值（非精确法） 令： 原式变为： Rm截距； 斜率。,例如： 当油含量为0.1%很低时， Jw与P呈直线关系（无 凝胶层）。 当油含量为1.2%和7.3%， 有凝胶层的影响。,图为硅溶胶超滤的 JwP实验关系曲线。,三、纯水制备,（一）纯水制备中通用工艺： 离子交换，配以反渗透，超滤等组成纯水制备的处理系统。 图2226为反渗透设于前端的超纯水制备系统的一例。处理阶段有关水中微粒数、微生物数、电阻率以及总有机碳含量见表。,工艺中的前处理（亦称预处理）指混凝、沉淀、过滤以及调整pH。 反渗透功效：反渗透器用于去除水中离子、微粒和微生物的大部分。 经反渗透器后，出水的微粒数降到100个mL左右， 离子交换功效：离子交换复床以及混合床完全去除水中的残留离子。,系统中，利用反渗透进行预脱盐， 目的：减轻离子交换的负荷。 紫外线灯功效：杀灭抑制细菌的繁殖