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第19章膜滤技术 19 1膜滤技术概述19 2电渗析19 3扩散渗析19 4微滤与超滤19 5反渗透与纳滤 早在18世纪就发现了动物膀胀等天然薄膜的渗透现象 羊皮纸透过盐而不能透过糖 1950年出现了商品化的电渗析用离子交换膜 1960年研制成功反渗透膜 60年代末提出液体膜分离的方法 目前 膜分离技术得到了越来越广泛的应用 70年代初 我国电渗析 离子交换膜扩散渗析 反渗透 超滤技术进入了生产实用阶段 液膜分离技术在80年代初刚进入处理工业废水的实验性研究阶段 目前 这些技术在给水脱盐及工业废水的治理方面都得到日益广泛的应用 膜分离法 在某种推动力的作用下 利用某种隔膜特定的透过性能 使溶质或溶剂分离的方法 分离溶质时一般叫渗析 分离溶剂时一般叫渗透 19 1膜滤技术概述 膜分离技术分类 P563 浓度差 扩散渗析电位差 电渗析压力差 反渗透 RO reverseosmosis MW 100 0 2 0 3nm 2 3 纳滤 NF nanofiltration MW 100 1000 0 5 5nm超滤 UF ultrafiltration MW 1000 百万 5nm 0 2 m微滤 MF microfiltration 0 2 1 m 1 10 8cm 1 10 4cm 1nm 10 7cm 膜分离的特点 可在一般温度下操作 没有相变 浓缩分离同时进行 不需投加其他物质 不改变分离物质的性质 适应性强 运行稳定 19 2电渗析 一 原理在直流电场作用下 利用阴 阳离子交换膜对溶液中的阴 阳离子的选择透过性 分离溶质和水 阴膜只让阴离子通过 阳膜只让阳离子通过 阴极 还原反应 2H 2e H2 阴极室溶液呈碱性 结垢阳极 氧化反应 4OH O2 2H2O 4e或2Cl Cl2 2e阳极室溶液呈酸性 腐蚀特点 只能将电解质从溶液中分离出去 不能去除有机物等 二 离子交换膜离子交换树脂 树脂与离子之间发生交换反应 离子交换膜 对溶液中的离子具有选择透过的特性 按其结构分为 异相膜 均相膜 异相膜 离子交换树脂磨成粉末 加入粘合剂 滚压在纤维网上 均相膜 离子及交换树脂的母体材料制成连续的膜状物 作为底膜 然后在上面嵌接上活性基团 按离子选择性分 阳离子交换膜 一般为聚苯乙烯磺酸型 R SO3H 在水中电离后 呈负电性阴离子交换膜 聚苯乙烯季胺型 R CH2N CH3 3OH 电离后 呈正电性离子交换膜选择透过性主要是由于 1 膜的孔隙结构 2 活性交换基团的作用 离子交换膜是电渗析的关键部分 良好的电渗析效应 1 高的离子选择性 2 渗水性差 3 导电性好 4 化学稳定性和机械强度 电渗析可分为三部分 极区 膜堆和紧固部分 极区 常用的电极有不锈钢 石墨等 膜对 一对阴 阳膜和一对浓 淡水隔板交替排列 组成的最基本脱盐单元 膜堆 若干膜对的集合体 一级 一对正 负极之间的膜堆一段 具有同一水流方向的并联膜堆增加段数 加长水的流程长度 增加脱盐效率 增加膜对数 提高水处理量增加级数 降低两个电极之间的电压 三 关键设备 四 电流效率与极限电流密度1 电流效率 实际去除的盐量m1 理论去除量m2 100 m1 q C1 C2 tMB 1000 q 一个淡室的出水量 L s C1 C2 进出水含盐量 mmol L t 通电时间 s MB 物质的摩尔质量 依据法拉第定律 m2 ItMB FF 法拉第常数 I 电流强度 A 2 极限电流密度 单位时间单位膜面积上通过的电流 称为电流密度 如果电流密度过大 发生浓差极化现象 使膜界面层中产生极化现象时的电流密度 称为极限电流密度 电流传导靠Na 和Cl 电流总量 Cl 电量 Na 电量Cl 电迁移数 总电量中所占比例 0 5Na 电迁移数 总电量中所占比例 0 5但在阴膜中 由于钠离子不能通过 氯离子的迁移数为1 为此补充此差需要动用边界层中的氯离子 致使边界层与主流层之间存在浓度差 当电流密度i过大时 C 趋于0 水分子开始电离 参加迁移 此时发生浓差极化现象 极限电流密度 极化与结垢 极化现象主要发生在阳膜的淡室一侧 沉淀主要发生在阴膜浓室一侧 防止措施 1 极限电流法 在极限电流的70 90 下运行 2 倒换电极 3 定期酸洗 极限电流密度的确定 电压 电流法 五 应用1 海水或苦咸水 小于10克 L 淡化 2 自来水脱盐制取初级纯水 3 电渗析与离子交换组合制取高纯水 4 废液的处理回收 可以与电极反应联合进行 1 处理碱法造纸废液 从浓液中回收碱 从淡液中回收木质素 2 从含金属离子的废水中分离和浓缩重金属离子 然后对浓缩液进一步处理或回收利用 3 从放射性废水中分离放射性元素 4 从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化钠 5 从酸洗废液中制取硫酸及沉积重金属离子 6 处理电镀废水和废液等 含Cu2 Zn2 Cr VI Ni2 等金属离子的废水 许多工厂实践表明 用这种方法可以实现闭路循环 19 3扩散渗析 高浓度溶液中的溶质透过隔膜向低浓度溶液中迁移的过程 浓度差为推动力 采用离子交换膜 阴膜 主要用于回收酸 碱 但不能将它们浓缩 其特点是不消耗能量 回收硫酸时 只有原废水硫酸浓度大于10 时 才有实用价值 阴离子选择透过性 阴离子通过 阳离子被阻止通过 19 4微滤 MF 和超滤 UF 微孔过滤原理与装置微滤与超滤都是在压差推动力作用下的筛孔分离过程 一般用来分离分子量大于500