第二章反渗透与正渗透VIP

第二章反渗透与正渗透 纳滤 超滤与微滤 1 基本概念 微滤 超滤 纳滤与反渗透都是以压力差 也称跨膜压差 为推动力的膜分离技术 当膜两侧施加一定的压差时 可使一部分溶剂及小于膜孔径的组分透过膜 而微粒 大分子 盐等被膜截留下来 从而达到分离的目的 主要区别 被分离物粒子或分子的大小和所采用的膜的结构和性能 微滤 0 1um 超滤0 01um 0 1um 纳滤截留相对分子质量150 1000 无机盐 NaCl等 悬浮固体 大分子有机物 蛋白质 多肽 小分子有机物 染料和重金属离子等 反渗透 氯化钠截留率 99 2 1正渗透与反渗透 渗透 反渗透与正渗透让溶剂通过而不让溶质通过的膜 称为理想半透膜 a C1 C2 p1 p2 1 2 1 2 b C1 C2 p1 p2 1 2 1C2 p1 p2 1 2 1 2 p d C1 C2 p1 p2 1 2 1 2 p 3 渗透压与最大溶质重量分数的关系 4 几种化合物在水溶液中的浓度与渗透压的关系 1 2 3 4 5 6 7 8氯化锂 氯化钠 乙醇 乙二醇 硫酸镁 硫酸锌 果糖 蔗糖 5 各种渗透压计算方程 式中 B为常数 Xs为溶质摩尔分数 C为溶质的摩尔浓度 6 各种溶质 水体系的反渗透B值 7 世界上较大的反渗透海水淡化厂 3 设在美国科罗拉多河岸 淡水产量38km3 d 1980年建成 1 水源来自红海 设在沙特阿拉伯的吉达市 淡水产量56 8km3 d 1989年开工以来运转良好 由日本三菱重工和东洋纺织承建 2 设在日本鹿岛 淡水产量32kt d 反渗透 8 醋酸纤维素膜 芳香族聚酰胺膜 制作较容易 价廉 耐游离氯 膜表面光洁 不易结垢和污染 脱盐率高 通量大 pH范围宽 耐生物降解 操作压力要求低 pH范围窄 易水解 操作压力要求偏高 性能衰减较快 不耐氧化 氧化后性能急剧衰减 抗结垢和污染能力差 反渗透膜 基本概念 9 反渗透膜的分类 膜片 平板状 中空纤维状 板式反渗透膜组件 卷式反渗透膜组件 管状 管式反渗透膜组件 中空纤维式膜组件 膜外形 10 11 基本原理 反渗透 是借助于半透膜对溶液中溶质的截留作用 在高于溶液渗透压的压差推动力下 使溶剂渗透通过半透膜而实现对液体混合物进行分离的膜过程 溶液中化学位 12 反渗透基本机理及模型 1 优先吸附 毛细孔流动机理1950年 Sourirajan在Gibbs吸附方程基础上 提出了优先吸附 毛细孔流动机理 为反渗透膜的研制和制作过程的开发奠定了基础 而后又按此机理发展为定量表达式 及表面力 孔流动模型 溶质通量 渗透系数 13 优先吸附 毛细孔流动机理示意图 溶剂 H2O 溶质 NaCl 膜表面选择吸附 水优先吸附 水渗透通过膜孔 脱盐 14 反渗透过程的渗透系数 若膜已确定 则在一定的压力下 与料液的浓度和流速无关 随温度升高而增加 当膜的平均孔径很小时 在很宽的压力范围内 几乎是个常量 当膜的孔径较大时 则随压力增加而趋于降低 15 渗透系数的物理意义 是三个具有重要意义的物理量的组合 在反渗透设计中 不必知道其中每个数值 只需知道其总值即可 16 的值可通过选择适当的参考溶质来预测 如 氯化钠是醋酸纤维膜的参考溶质 甘油 葡萄糖可作为芳香聚酰胺膜的参考溶质 17 2 Kedem Katchalsky不可逆热力学模型 方程中有表示膜传递性能的三个系数 其中溶质渗透系数与反射系数由溶质的性质决定的 3 溶解 扩散系数在假定膜是无缺陷的理想膜基础上 提出溶解 扩散机理来描述反渗透过程 该机理假定溶剂和溶质首先都溶解在均质无孔膜的表皮层中 然后各组分在非耦合形式的化学位梯度作用下 从膜上有侧向膜下游侧扩散 再从下游侧解析 18 反渗透过程的回收率 式中 VP Vf分别为透过液和原料液的浓度 19 原料液浓度 回收率和截留率的关系 当反渗透过程中溶质是所需要的组分时 如果膜不能完全截留溶质 有部分溶质被损失掉 CR 截留液的浓度Cp 流出液的浓度 20 反渗透过程的溶质损失率与回收率 截留率的关系 反渗透膜的溶质截留率大多在0 9 0 95之间 回收率不高 为提高料液的利用 必须采用多段或多级工艺过程 21 反渗透膜对于无机粒子的分离率 反渗透膜对于无机粒子的分离率 随粒子价数的增高而增高 价数相同时 分离率随着离子半径而变化 一般规律为 多原子单价阴离子 极性有机物 异构体 分子量大的分离性能好 同一族系 22 反渗透工艺流程 一级一段循环式反渗透流程 一级一段连续式反渗透流程 23 一级三段连续式 二级一段循环式 24 反渗透系统设计的总体要求 达到所需的产水率 达到最高的脱盐率 提高水的回收率 减轻膜元件的污染和结垢 使系统运行稳定 减少膜元件和压力容器的数量 降低造价 降低系统运行压力 节约能量 25 膜元件的种类 Filmtec Dow公司膜元件 膜元件种类 海水高脱盐SW30HR海水SW30苦盐水BW30自来水TW30膜元件的直径与长度标准直径 in 2 5 4 0 8 0等标准长度 in 40 80等新产品 采用有效表面积替代直径与长度表示法 26 膜元件选择基本原则 按脱盐率 92 TW30 98 BW30 99 SW30 SW30HR按进水含量TDS 1000mg LXLE 2000mg LTW BWLE 10000mg LBW30 10000 15000mg LSW30 10000 50000mg LSW30HR 27 按进水水源一般水源地表水 满足高脱盐率 BW30 365地下水 满足高脱盐率 BW30 400TDS 2000 满足高通量 BW30LE 440高污染水源预处理采用传统过滤器 BW30 365FR预处理采用超滤 微滤 BW30 365FR 28 按进水所需压力 10 5atm BW30LE XLE 440 超低压膜 21 0atm BW30 自来水可选TB30 按产品水流量 0 2m3 h 2 5in 3 0m3 h 4in 3 0m3 h 8in 29 特殊工业应用膜元件的选择 普通的膜元件与压力容器间存在死水区 因此部分用途的膜元件必须特别考虑 食品与饮料工业 宜采用HSRO类元件 为无外壳的元件结构 能经受85 的热水消毒 满足FDA卫生标准 半导体工业 宜采用半导体级膜元件 30 反渗透系统设计的注意事项 平均水通量及允许每年水通量衰减百分数 SDI为给水的污泥密度系数 与反渗透膜上的污染物质的数量之间的相互关系相当吻合 31 年盐透过率增加百分数 32 膜元件的最大给水流量与最小浓水流量 33 反渗透海水淡化降低成本的关键 反渗透膜及其组件 30 能量回收装置15 20 高压泵15 其它附属设备20 35 34 反渗透在废水处理中的应用 1 反渗透技术在尾矿废水处理中的应用北京桑德环境工程有限公司国内某大型钢铁企业尾矿湖中的尾矿渗滤液因含有大量的有害金属离子 对当地地下水造成很大污染 因此对该尾矿渗滤液进行处理很有现实意义 目前该企业拟将尾矿渗滤液处理后回用于电厂循环冷却水 该废水的主要特征为硬度比较大 含盐量比较高 且含有一定的悬浮物 根据该废水的特点 确定了其主体处理工艺采用反渗透技术 反渗透设备采用2根8英寸陶氏BW30 365 34i FR抗污染反渗透膜 并设浓水回流管路 设计反渗透产水量为1m3 h 1 试验为期80d 分别考察了反渗透系统在50 和70 回收率条件下 反渗透及其预处理的效果 运行参数 膜污染情况以及反渗透膜进水流量 水温 膜通量和回收率对脱盐率的影响 其中前40d反渗透回收率为50 后40d反渗透回收率为70 2 反渗透技术在放射性废水处理中的应用在核动力装置运行和检修中 回路的排污 系统和设备的去污 燃料元件的贮存以及其他日常工作中会产生大量的放射性废水 采用安全 高效和经济的方法对废水中的核素进行分离和浓缩 使产生的二次废物的体积和向环境中排放的放射性最小化是放射性废水处理所要达到的最终目标 1998年 美国WolfCreek核电厂建成了一套 超滤 反渗透 废水处理系统 用于处理该厂的地排水 反应堆排水 废树脂渗出水和各种杂质排废水等 系统流程见图2 废水先由管式超滤处理 超滤的浓缩水进行循环 透过水进入2级反渗透系统 在反渗透部分 第1级透过水进入第2级深度过滤 第2级的浓缩水进行循环而透过水进到精处理床 精处理床的出水合格即可排放 而第1级浓缩水再用一段海水淡化反渗透膜进行浓缩 浓缩水最后进入转鼓干燥装置处理 3 反渗透在重金属废水处理中的应用电镀 采矿 化工 冶金等行业在生产过程中会产生大量含重金属的废水 主要有矿山排水 废石场淋浸水 选矿厂尾矿排水 有色金属冶炼厂除尘排水 有色金属加工厂酸洗水 电镀厂镀件洗涤水 钢铁厂酸洗排水 以及电解 农药 医药 油漆 颜料等工业废水 废水中重金属离子的种类 含量及其存在形态随不同生产情况而异 差异很大 重金属离子污染成分在环境中只能改变其形态或被转移 稀释 积累 但不能去除或降解 危害很大 这些废水排放到环境中 不仅浪费了资源还严重污染环境 对此国家制定了严格的排放标准 含重金属的废水必须进行处理 用反渗透技术处理含重金属的废水则不需投加药剂 能耗低 设备紧凑 易实现自动化 不改变溶液的物理化学性质 可以回收清水和贵金属 适用于封闭循环无排放系统 咸阳国际机场的地下水中Cr6 最大含量超标514倍 西安美星精密环保设备股份有限公司采用反渗透装置 对咸阳国际机场供水进行净化 淡化处理 Cr6 质量浓度从0 27mg L降低到 0 02mg L 去除率达93 反渗透能有效地去除水中的Cd2 超滤 43 概述 超滤 Ultrafiltration 简称UF 又称超过滤 1861年 Schmidt公布用牛心包膜截留可溶性阿拉伯胶 1907年 Bechhold较为系统研究了超滤膜 首次采用 超滤 术语 1963年 Michaels开发了不同孔径的CA 醋酸纤维素 超滤膜1965 1975年 UF大发展 从CA扩大到PS 聚苯乙烯 PC 聚碳酸酯 PAN 聚丙烯腈 PES 聚醚砜树脂 等等 我国的超滤技术 70年代中期起步 80年代大发展 90年获得广泛应用 10多个品种 44 超滤的基本原理 开始一般认为超滤是一种筛孔分离过程 在静压差为推动力的作用下 原料液中溶剂和小溶质粒子从高压的料液侧透过膜到低压侧 一般称为滤出液或透过液 而大粒子组分被膜所阻拦 使它们在滤剩液中浓度增大 按照这样的分离机理 超滤膜具有选择性表面层的主要因素是形成具有一定大小和形状的孔 聚合物的化学性质对膜的分离特性影响不大 45 许多年后 发现情况并非如此 除了机械筛分作用外 还有两个因素决定膜的分离特性 其一 溶质 溶剂和膜材质之间的相互作用 这些作用力包括范德华力 静电力 氢键作用力等 溶质分子在膜表面或膜孔壁上受到吸引或排斥都会影响膜对溶质的分离效果 其二 膜的平均孔径和孔径分布影响膜的分离特性 46 超滤过程实际上同时存在三方面的情形 溶质在过滤膜表面以及膜孔中产生吸附 溶质的粒径大小与膜孔径相仿 溶质在孔中停留 引起阻塞 溶质的粒径大于膜孔径 溶质在膜表面被机械截留 实现筛分 47 超滤对去除水中的微粒 胶体 细菌 热源和各种有机物有较好的效果 但它几乎不能截留无机离子 UF的分离机理为筛孔分离过程 但膜表面的化学性质也是影响超滤分离的重要因素 在超滤中 大分子溶质等之所以不能像溶剂那样容易通过膜 主要是因为下列原因 1 超滤过程中溶质机械地被截留在过滤膜表面上 筛分 2 被吸附在过滤膜表面及膜孔中 基本吸附 3 被保留在膜孔中而被除去 阻塞 等3种方式 48 超滤主要用于从液相物质中分离大分子化合物 胶体分散液 乳液 也可以用来分离低分子量溶质 从而可达到某些含有各种小分子量可溶性溶质和高分子物质等溶液的浓缩 分离 提纯和净化 其操作静压差一般为0 1 1MPa 被分离组分的直径大约为0 005 0 1 m 这相当于光学显微镜的分辨极限 一般为分子量大于500 的大分子和胶体粒子 这种液体的渗透压很小 可以忽略 所用膜常为非对称膜 膜孔径为10 3 10 1 m 膜表面有效截留层厚度较小 0 1 10 m 操作压力一般为0 2 0 4MPa 2 4kg cm2 膜的透过速率为0 5 5m3 m2 d 49 超滤与反渗透的异同 共同点 推动力均是压力差 在溶液的压力下 溶剂等小分子通过薄膜 而较大的溶解物质被阻滞在膜表面上 区别 膜不同机理不同工作压力不同 50 膜不同超滤膜较疏松 透水量大 除盐率低 一般用超滤分离大分子和胶体 能够分离的溶质分子至少要比溶剂的分子大10倍 反渗透膜致密 透水量低 除盐率高 具有选择透过能力 用以分离分子大小大致相同的溶剂和溶质 51 简单的透过和截留示意图 各种渗透膜对不同物质的截留功能示意图1 溶剂 2 小分子 3 大分子 4 微粒 52 机理不同超滤的去除机理主要是筛滤作用 在反渗透膜上分离过程伴随有半透膜 溶解物质和溶剂之间复杂的物理化学作用 工作压力不同超过滤的工作压力低 0 1 0 5MPa 反渗透所需的工作压力高 1 100MPa 53 超滤膜的制备方法及特性 超滤膜材料一般用于制备反渗透膜的材料也可用于制备超滤膜 只是制膜液的组分配比和成膜工艺不同 超滤膜有多种 最常用的是 醋酸纤维素膜 芳香聚酰胺膜 聚砜膜和聚砜酰胺膜和无机膜 54 超过滤膜的结构 超滤膜可分为对称膜和非对称膜 对称膜 又称各向同性膜 指各向均质的致密或多孔膜 物质在膜中各处的渗透速率相同 非对称膜 又称各向异性膜 是由一个极薄的致密皮层 决定分离效果和传递速率 和一个多孔支撑层 主要起支撑作用 组成 不对称膜又分为两类 一类为整体不对称膜 膜的皮层和支撑层为同一种材料 另一类为复合膜 膜的皮层和支撑层为不同种材料 55 超滤膜的制备 1 各向同性膜的制备 首先将高分子膜材料用溶剂直接溶解 所得料液经脱泡后 采取普通的流延法将其刮成薄层 并使溶剂蒸发即可得到均质薄膜 2 各向异性膜的制备 首先将高分子膜材料 溶剂和添加剂按一定比例配料 待完全溶解后进行真空脱泡 其次以流延法将料液倾倒在玻璃板上 以刮刀刮成一定厚度的薄层 并在适当条件下 控制蒸发速度 另一部分溶剂蒸发掉 最后 连同玻璃板一起 将膜置于冰水中凝胶定型 56 3 不同孔径超滤膜的制备在控制温度 湿度 蒸发时间 冷浸温度等条件不变的情况下 改变膜材料 溶剂和添加剂的配料比 即可制成不同孔径的膜 57 超滤膜的特性 超过滤膜的基本性能主要包括 水通量 截留率 化学物理稳定性 包括机械强度 一般的要求是有较大的水通量 较高的截留率和较好的化学物理稳定性 超过滤膜若使用恰当 能连续运转1 2年 暂时不用时 可保存在1 甲醛水溶液或者50 甘油水溶液中 58 超滤装置 超滤膜组件 有板式 管式 卷式和中空纤维式四种 59 板框式超滤装置 优点 装置牢固 适合在广泛的压力范围内工作 流道间隙大小可调 原水流道不易被杂物堵塞 具有可拆性 清洗方便 通过增减膜及支撑板的数量可处理不同水量 缺点 装置较笨重 单位体积内的有效膜面积较小 膜的强度要求较高 一般做在无纺布上 以增强膜的机械性能 60 管式超滤装置 优点 原液流道截留面积较大 不易堵塞 膜面的清洗比较容易 可化学清洗或擦洗 缺点 单位体积内膜的充填密度较低 占地面积大 膜管的弯头及连接件多 设备安装费时 61 卷式超滤装置 优点 单位体积内的有效膜面积较大 水在膜表面流动状态比较好 结构紧凑 占地面积较小 缺点 进水预处理要求严格 对所用的膜强度要求较高 使用过程中 一旦发现膜破损须更换新的膜元件 62 中空纤维式超滤装置 优点 单位体积内有效膜面积最大 工作效率最高 占地面积小 中空纤维无须支撑物 缺点 膜的清洗较困难 只能用水力冲洗或化学清洗 不能用机械清洗 另外 中空纤维膜损坏后要更换整个组件 63 超滤基本工艺流程 超滤的操作模式可分为重过滤和错流过滤两大类 重过滤常用于蛋白质 酶等大分子的分离 错流过滤广泛应用于生产 64 设备简单 小型能耗低可克服高浓度料液渗透流率低的缺点能更好的去除渗透组分浓差极化和膜污染严重要求膜对大分子的截留率高 重过滤 优点 缺点 65 间歇操作 常用于小规模生产 这种方式效率最高 因为膜始终可保证在最佳浓度范围内进行操作 连续操作 常用于大规模生产 分离物料的生产量常比控制浓差极化所需的最小流量还小 因此采用部分循环方式 66 错流过滤 间歇错流 截留液全循环 截留液部分循环 67 连续错流 单段连续操作 多段连续操作 68 超滤膜的污染与清洗 1 超滤膜的污染是被分离物质中某些成分吸附 留存在膜的表面和膜孔中造成的 溶质在膜表面的吸附层 浓差极化引起的凝胶层 膜孔内溶质吸附 膜孔堵塞 69 超滤膜的清洗 2 超滤膜污染的防治 1 改变膜结构和组件结构 2 采用亲水性超滤膜或负荷电膜 3 对料液进行预处理 4 选择合适操作条件 70 1 水清洗 2 反冲洗 3 气洗 4 酸碱洗 5 表面活性剂 6 氧化剂 7 酶清洗 71 判断超滤膜是否需要清洗的原则如下 1 根据超滤装置进出口压力降的变化 多数情况下 压力降超过初始值0 05MPa时 可用等压大流量冲洗法 如无效 再用化学清洗法 2 根据透水量或透水质量的变化 当超滤系统的透过水量或透水质量下降到不可接受程度时 多采用物理化学相结合清洗法 3 定时清洗 运行中的超滤系统根据膜被污染的规律 可采用周期性的定时清洗 72 超滤应用 特点分离过程在常温和较低压力的条件下进行 能耗低 不需加热 不需加药即可达到分离 浓缩 分离 纯化分级的目的 装置结构简单 占地面积小 附属设备少 易于扩容和增加组件 装置操作简单 启动快 易于维护 容易控制 73 例 胜利油田石化总厂建成陶瓷膜超滤凝结水除油除铁装置陶瓷超滤膜是一种以多孔陶瓷材料为介质制成的具有超滤分离功能的渗透膜以玻璃 二氧化硅 氧化铝 莫来石等原料经过高温烧结制成的微孔膜它可承受高温和宽范围的pH水质 而且其化学惰性要比聚合物膜高出几倍 一般用于微滤和超滤 74 胜利油田石化总厂污水处理场 2008年投资219万元 建成陶瓷膜超滤过滤器凝结水除油除铁装置每天近4000吨的工业废水通过污水回用处理装置变成了 清泉 凝结水除油率和除铁率分别达到98 和96 以上 完全满足于生产工艺的需要 可直接在循环系统中使用 确保了水资源高效利用 75 纳滤 76 主要内容 一 纳滤的发展概况 二 纳滤膜的分类 三 纳滤膜的制备 四 纳滤膜的分离性能与原理 五 纳滤装置与膜污染防治 六 纳滤膜的主要应用 77 第一节纳滤的发展概况 纳滤是20世纪70年代中后期开发的一种新型膜分离过程 近年来国际上膜分离技术领域研究的热点 纳滤的研究可以追溯到20世纪70年代中后期用哌嗪与均苯三甲酰氯和间苯二甲酰氯通过界面聚合得到了NS 300膜 后来 一些犹太科学家相继研制出了一系列化学性能异常稳定的纳米膜 当时命名为选择性反渗透 SelRO 78 20世纪80年代初期 美国FilmTec的科学家研制了一种薄层复合膜 NF 40 NF 50 NF 70 由于其表面孔径处于纳米级 能去除尺寸约1nm的分子 因而简称纳滤膜到了90年代 纳滤膜得到飞速发展 针对不同的应用领域相继开发了一批分离性能独特的纳滤膜 并已实现商品化 如NTR 729HF NTR 7250 NTR 7400 NF 45 NF 90 SU 600等 目前国际上已商品化的纳滤膜多为复合型纳滤膜 79 我国从20世纪90年代才开始研究纳滤 在实验室中相继开发了CA CTA纳滤膜 S PES涂层纳滤膜 芳香聚酰胺复合纳滤膜和其他荷电材料的纳滤膜 对纳滤膜分离性能和机理行了实验研究 并取得了一定进展 与国外相比 我国纳滤技还处于起步阶段 膜的研制 膜组件及其应用都比较落后 2004年9月28日 全国第一张纳滤膜在吉林市金赛科技有限公司研制成功 金赛科技成为到目前为止我国为数不多的纳滤膜生产基地 80 纳滤膜分类 基于不同的出发点 纳滤膜的分类有许多方法 1 按膜的材料分纳滤膜有醋酸纤维素及其衍生物膜 芳香族聚酰胺膜 磺化聚砜 SPS 磺化聚醚砜 SPES 等 2 按膜的结构特点分纳滤膜有一体化的不对称膜和复合膜 如溶液相转化的CA膜属非对称膜之列 其表皮层致密 皮下层比较疏松 通用的复合膜大多是用聚砜多孔支撑膜制成 而表层致密的芳香族聚酰胺薄层是以界面聚合法形成的 81 3 按膜的传递机理分膜可分为活性膜和被动膜 活性膜是在透过膜的过程中透过组分的化学性质可改变 被动膜是指透过膜前 后的组分没有发生化学变化 目前所有的纳滤膜都属于被动膜 4 按制膜工艺分纳滤膜有溶液相转化膜 熔融热相变膜 复合膜和动力形成膜等 如CA膜为溶液相转化膜 CTA中空纤维为熔融热相变膜 目前卷式普遍用的为芳香族聚酰胺复合膜 82 5 按膜的功能和作用分纳滤膜属渗透膜范畴 渗透压在膜的传递过程中起重大作用 6 按膜的使用和用途分膜可分为低压膜 超低压膜等 纳滤膜属于超低压膜 7 按膜的外形分纳滤膜可制成膜片 管状膜和中空纤维膜形状 商用的纳滤膜组件多为卷式 另外还有管式和中空纤式 83 纳滤膜材料 已商品化纳滤膜的膜材质主要有有机高分子 无机高分子 有机无机分子三种 例如醋酸纤维素 CA 磺化聚砜 SPS 磺化聚醚砜 SPES 聚酰胺 PA 和聚乙烯醇 PVA 等 无机材料制备的纳滤膜商品化程度还不够高 但是由于无机材料同有机高分子材料相比 具有耐高温 耐化学溶剂等特点 所以 无机纳滤膜的研究也越来越受到了人们的重视 84 纳滤膜的制备方法 目前 NF膜已经商品化 系列化 国外主要供应商有日本NittoDenko 日东电工 Toray 东丽 美国Hydranautics 海德能 DowChem FilmTec和Osmonics 奥斯莫尼斯 Desal及丹麦DDS等公司 国内为国家海洋局杭州水处理中心和中科院大连化物所等已经研制出不同脱盐率的NF膜 商品NF膜绝大部分为复合膜 且其表面大多带负电 目前使用最广泛的是芳香聚酰胺类复合膜 85 纳滤膜的分离性能 纳滤膜大多从反渗透膜衍化而来 但制作比反渗透膜更精细 日本学者大谷敏郎对纳滤膜进行了具体的定义 操作压力 1 50MPa 截留分子量200 1000 NaCl的截留率 90 的膜可以认为是纳滤膜 86 纳滤同超滤一样 也是以压力差为推动力的膜分离过程 纳滤介于超滤与反渗透之间 它能截留透过超滤膜的一部分分子量较小的有机物 透析反渗透所能截留的无机盐 因此 纳滤的特性主要体现在以下2个方面 截留水溶液中的分子量为数百的有机分子 受膜与离子间Donnan效应的影响 纳滤膜对不同价态的离子截留能力不同 透 4 5 87 对盐的截留性能 主要依靠离子与膜之间的静电作用 价态不同 截留程度不同 大致分离规律 1 对于阴离子 截留率按下列顺序递增 NO3 Cl OH SO42 CO32 2 对于阳离子 截留率递增顺序为 H Na K Ca2 Mg2 Cu2 3 一价离子渗透 多价阴离子滞留 高截留率 4 截留相对分子质量在200 1000 适用于分子大小为1nm的溶解组分的分离 纳滤分离规律 88 纳滤膜的分离原理 纳滤膜处于超滤和反渗透两者之间 且大部分为荷电膜 纳滤膜的分离原理可以理解为溶解 扩散原理以及电效应两方面 其传质机理根据分离对象的不同 主要有以下两种类型 1 纳滤膜分离非电解溶液时的传质模型2 纳滤膜分离电解质溶液时的传质模型 89 纳滤装置与膜污染防治 NF膜组件有4种形式 卷式 主要用于脱盐及超纯水的制备 中空纤维式 水的软化 板框式 处理粘度较大的料液 管式 处理含悬浮物 高粘度的料液 90 膜组件的使用方式 91 纳滤膜分离系统设计中的注意事项 1 操作压力 操作压力越高 透过膜的水通量越大 但是高压下导致膜的致密化会使得水通量降低 通常膜系统有两种操作方式 即恒定压力操作法和恒定通量操作法 2 操作温度 温度对透过膜的水通量影响较大 根据粘度随温度的变化规律 推测出25 附近水温每升高1 水通量增加2 5 但温度过高则可能导致膜的致密化 3 操作流量 膜分离系统需根据膜组件内部膜与膜之间的间距确定适宜的操作流量 提高膜面流速有利于抑制膜面的浓差极度化 但同时增大了膜组件进出口的压力差使得膜的有效操作压力降低 92 纳滤膜的污染和劣化 纳滤膜组件的分离性能可能会因为膜的污染或劣化而化生变化 膜的污染和劣化的分类及其产生原因列于下图 93 膜污染防治和清洗方法 一般出现以下三种情形前就因对膜组件进行清洗 1 盐的透过率增大1倍或系统已经无法继续运行 2 较短时间内浓缩水或透过水流量的变化超过10 3 膜组件供水侧进出口的压力差增大1倍 94 纳滤膜特点 纳滤膜允许低分子盐分通过而截留较高分子量的有机物和多价离子 纳滤膜往往和其他分离及生产过程相结合起到降低处理费用 提高分离效果的作用 纳滤膜在某些方面可替代传统的费用高 工艺繁琐的分离方法 95 纳滤膜的主要应用 纳滤 NF 由于其具有纳米级的膜孔径 膜上多带电荷等结构特点 因而主要用于以下几个方面 不同分子量的有机物质的分离 有机物与小分子无机物的分离 溶液中一价盐类与二价或多价盐类的分离 盐与其对应酸的分离 96 1 生产和生活用水的净化及软化纳滤膜法一般可用于三卤甲烷中间体 异味 色度 农药 合成剂 可溶性有机物 钙 镁等硬度成分及蒸发残留物质的去除 并在低压下实现水的软化及脱盐 97 例 纳滤膜技术水处理设备为泰山景区天然山泉水铸造品牌 公司山泉水的原水全部采自海拔600多米 人迹罕至的岩石间 通过上千米全封闭专用输水管道 将山泉水直接引入制水车间 经过高新纳滤技术水处理设备 全封闭自动灌装流水线和严格的产品安全程序检测等一系列流程处理 最大程度地保留了山泉水中所含有的有益矿物质 并获得国家质检总局颁发的QS认证 天烛峰山泉水公司的高新纳滤技术水处理设备 98 2 食品方面的应用 大豆乳清排放水中低聚糖的回收大豆蒸煮液的循环利用土豆淀粉生产过程排放水的处理蔬菜汁及果汁的高浓度浓缩葡萄汁的浓缩制备葡萄酒奶酪乳清中乳酸的回收水产加工过程中蛋白质的回收和氨基酸的分离浓缩等 糖溶液的浓缩单糖的精制发酵过程水处理咖啡萃取液的浓缩酒精蒸馏排放水的处理麦芽糖 环糊精以及天冬酰胺的回收