给排水 膜法水处理.ppt

第22章苦咸水淡化和除盐，第3节电气透析第4节反渗透，膜分离法以选择性透过膜为分离媒体。 在膜的两侧有某种推进力(例如压力差、浓度差、电位差)时，是将溶剂(通常为水)和溶质或微粒分离的方法。 分类：包括电渗析、反渗透、超滤、扩散透析等：其中反渗透、超滤相当于过滤技术。 在用选择性透过膜分离的情况下，使溶质通过膜的方法称为透析，使溶剂通过膜的方法称为渗透。 电渗析法是以电位差为推动力的膜分离法，用于从水溶液中去除离子，主要用于苦咸水脱盐和海水淡化。 该膜是导电膜，即阳离子交换膜和阴离子交换膜。 以压力差为推动力的膜分离法，根据溶质粒子的大小和膜的结构性质(超滤膜、纳米过滤膜、反渗透膜等)，可分为超滤、纳米过滤、反渗透等。 反渗透法可用于溶剂的纯化和溶液浓缩。 反渗透法的大部分应用于水的精制。 主要是苦咸水脱盐或海水淡化。 反渗透法的另一个重要应用是高纯水的生产。 膜是分离技术的核心。 膜材料的化学性能、结构对膜分离法起着决定性作用的一般是高分子材料制的膜，有纤维素膜、芳香族聚酰胺类膜、杂环类膜、聚砜类膜、聚烯烃类膜、含氟高分子膜等。 膜分离法的特征：不发生相变，在常温下进行，适用范围广(有机物、无机物等)，装置简单，操作方便，控制方便等。 膜法水处理具有适应性强、效率高、占地面积小、运行经济特点。 因此国内外将电渗析法、反渗透法或膜分离法与离子交换相结合的方法应用于锅炉水处理中。 第三节电透析、电透析是膜分离技术的一种，在直流电场中以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择性透过性，将电解质从溶液中分离，以实现溶液的淡化、浓缩、精制、纯化。 电透析的进展，电透析的基本概念的研究从20世纪初开始，就用动物的皮、膀胱膜和人工纤维、羊皮纸等进行了实验室的研究，但没有工业应用价值。 随着合成树脂的发展，1950年朱达在试制出高选择性阴、阳离子交换膜后，为电透析技术奠定了实用基础。 1954年，美、英等国首先将电透析用于生产实践，淡化苦咸水，制造工业用水和饮用水。 此后，电透析技术被引入中东和北非。 从1959年起，前苏联也开始研究和普及。 日本主要利用电透析法浓缩制盐，1969年日本国内的食盐30%用交换膜电透析法生产，1970年将电透析技术应用于苦咸水淡水化。 1、电透析的基本原理和过程、1 .透析过程、2 .电透析过程、3 .电透析脱盐的基本原理、4 .电透析技术的特征、1 .透析过程、透析是最初发现并研究的膜分离过程中自然发生的物理现象。 当两种不同浓度的盐水被一层透析膜(半透膜或离子交换膜)隔开时，浓盐水中的电解质离子通过膜向稀盐水中扩散，这一过程称为透析过程，也称为扩散透析。 因为透析过程的推动力是浓度梯度，所以也称为浓度差透析。 浸出过程缓慢进行，随着盐分浓度梯度的降低，盐的扩散也逐渐减少，平衡到膜两侧的浓度相同，盐分的移动也完全停止。 透析的应用，血液透析从酸碱废液中回收酸碱。用浓差透析回收酸，因为原料液中的H2SO4和FeSO4的浓度高，所以其中Fe2、h、SO42-有扩散到透析液H2O中的倾向，因为使用阴离子交换膜作为透析膜，所以理论上，阴膜只允许SO42-透过膜进入透析液中h和1/2SO42-等摩尔透过膜保持溶液的电中性。 但是，Fe2离子不透过阴膜。经过一段时间的透析，原料液中的H2SO4进入透析液中，实现FeSO4和H2SO4的分离，实现废硫酸的回收目的。 2、电透析过程、电透析过程是电解和透析扩散过程的组合。 电渗析淡水采集的基本过程：利用离子交换膜的选择性渗透性，阳膜在理论上仅允许阳离子通过，而阴膜在理论上仅允许阴离子通过，施加直流电场后，阴、阳离子分别向阳极和阴极移动，最终在离子交换膜中，膜的固定电荷与离子电荷相反就可以了在电透析运转时可能发生的过程中，(1)反向离子移动离子交换膜具有选择透过性。 反离子转移是电透析运行时产生的主要过程，即电透析的脱盐过程，反离子转移效果大于0.9。 (2)同名离子与膜上的固定基上带电的电荷相同的离子通过膜的现象。 也就是说，浓水中的阳离子通过阴膜，阴离子通过阳膜，进入淡室的过程是同名的离子移动。 这是因为离子交换膜的选择透过性不会达到100%。 膜的选择性固定后，随着浓室盐浓度的增加，该同名离子的移动影响变大。 (3)电解质的浓差扩散根据膜两侧的溶液浓度，根据浓度差，电解质从浓室向淡室扩散，随着浓度差变高，扩散速度变大。 (4)水的渗透是电透析的过程，由于淡室的水浓度低，在渗透压的作用下，淡室的水渗透到浓室。 浓度差越大，水的渗透量也越大，这个过程使淡水产量下降。 (5)与水的电渗透反离子同名离子实际上以水合离子的形式存在，在移动过程中带着一定量的水分子移动，这就是水的电渗透。 随着溶液浓度的下降，水的电渗量急剧增加。 (6)水的压浸在浓室和淡室有压力差时，溶液从压力大的一个例子泄漏到压力小的一侧，被称为水的压浸，因此操作时应该保持两侧的压力的大致平衡。 (7)水电离电透析运行时，由于电流密度相液体流速不匹配，电解质离子不能迅速补充到膜表面，淡水室水电离生成h和0h离子，可以穿过阳膜和阴膜。 电透析各过程的评价是在电透析器运行时同时发生多种复杂过程：反离子转移是电透析除盐的主要过程，其他都是次要过程。 这些次要过程影响电透析的主要过程，干扰：同名与转移和电解质浓度差扩散的主要过程相反，影响盐分去除效果的水的渗透、电渗透和压渗影响淡水室的生产水量，也影响浓缩效果的水的电离会增加耗电量，引起浓室极化尺度，影响电透析的正常远程因此，必须选择优质的离子交换膜和最佳的电透析操作条件，消除或改善这些次要过程的影响。 3、电透析法脱盐的基本原理是，将阳离子交换膜和阴离子交换膜交替排列在正负两个电极之间，用特殊的隔板隔离，构成脱盐(淡化)和浓缩两个系统。 如果在隔室中流过盐水，在直流电场中阳离子移动到阴极，阴离子移动到阳极，但是根据离子交换膜的选择透过性，淡室的盐水被稀释，浓室的盐水被浓缩，从而实现脱盐目的。 电透析法的原理图，电透析上两极的反应以NaCl溶液为例，阳极上： 2cl- 2eCl2H2Ooh-4oh- 4eo2h2o产生的氯气的一部分溶解于水： cl2h2oHCHOloHClO阳极反阴极上： H2O-oh-h2e-2 H2，NaOH-NaOH在阴极室通过h离子的减少放出氢，极水显示碱性反应，极水中含有Ca2、Mg2和CO32-等离子体时，CaCO3和Mg(OH)2等的沉淀在极室，为了保证电透析过程的安全运行，必须迅速排除电极反应产物。 考虑到阴膜容易破损，为了防止cl离子经由阴膜进入阳极室，一般在阳极附近不使用阴膜，而使用阳膜或惰性多孔性保护膜。 4、电透析技术的特点，(1)能源消耗低。 (2)药剂消耗量少.环境污染小. (3)抗原水盐分含量的变化能力强。 (4)操作简单，机械化自动化容易。 (5)设备紧凑耐用.预处理简单. (6)水的利用率高。 (1)能源消耗低，在电透析去除盐的过程中，只通过电能移动水中的盐分，大量的水没有相变化，其耗电量几乎与水中的盐分含量成比例，特别是盐分含量为数千mg/L的苦咸水，耗电量更低。 (2)药剂消耗量少，环境污染少，通常的离子交换处理水的情况下，树脂故障后用酸、碱再生，再生后生成大量的酸、碱再生废液，水洗时排出大量的酸、碱废水。 用电透析法处理水时，只酸洗需要少量的酸。 因此，电渗析法是一种消耗药剂少、环境污染少的脱盐手段。 (3)原水对盐分含量变化的适应性很强，可以根据需要调节电透析去除盐分。 生产水量可以根据需要每天从数m-3变化到数万m-3。 可以通过设计一台电透析器的级数、级数或多台电透析器的串联、并联或不同的脱盐方式(直流式、循环式或部分循环式)来适应。 (4)操作简单，机械化、自动化容易，电透析器一般用一定的直流电压控制运转，频繁调节流速、电流和电压，不需要适应水质、温度的变化。 因此，机械化自动化变得容易。 (5)设备紧凑耐用。 预处理简单，电透析器由塑料隔板、离子交换膜和电极组成，化学污染和防腐蚀性能良好，隔板相膜多层，运转时通电就能制成淡水，设备紧凑耐用。 电渗析中的水流平行于膜面流动，无需透过膜，因此浸水水质并不像反渗透控制那样严格，一般用沙子过滤即可，预处理相对简单。 (6)水的利用率高，在运行电透析器时，浓水和极水可以循环使用，与反渗透相比，水的利用率高，达到70%80%，国外达到90%。 废弃的水量少，再利用和后处理都很简单。 电透析的缺点，电透析只能去除水中的盐分。 水中的有机物不能去除。 昂贵的离子和有机物污染膜。 电透析运转中发生浓差分极容易发生水垢(可以通过频繁的逆极电透析避免)，这是电透析技术难以掌握，必须重视的问题。 与反渗透相比，脱盐率低，装置庞大，组装要求高，因此比反渗透发展得快。 二、电透析器的结构和设备、电透析器由交替排列的膜、隔板和两端的电极组成。 在电透析器中，一片阴膜、淡水分离器、阳膜、浓水分离器构成一个膜对，几个膜对形成膜叠的一对电极间的膜的山称为一段，淡水流动方向相同的膜的山称为段。 根据水量和水质的要求，可以采用一段一段、多段一段、一段多段和多段多段的不同组合方式。 电透析器的主要部件和辅助设备，1 .离子交换膜2 .分离器3 .极区4 .按压装置5 .辅助设备：整流器、酸洗系统、水箱、水泵和监视器。 1 .也称为离子交换膜、离子交换膜、离子选择透过性膜。 是由对离子具有选择性透过性的高分子材料制成的薄膜。 根据膜中的活性基，阳离子交换膜(简称为阳膜):强酸性磺酸型阳膜，活性基为-SO3H或-SO3Na等，其反离子分为h或Na等的阴离子交换膜(简称为阴膜):强碱性季铵型阴膜，活性基为-N(CH3)3OH离子交换膜是高分子电解质薄膜，浸渍在电解质溶液中，其中的活性集团在溶剂的作用下解离。 产生的反离子进入水溶液中，在膜上残留有一定电荷的固定基。 磺酸基和季铵盐基由于具有亲水性，膜在水中膨胀，膜体结构松弛，形成微细、弯曲、贯通膜两面的通路，在通路中留下具有一定电荷的固定基，形成内电场。 由于外电场，存在内电场，离子交换膜只能通过与其内电场电荷相反的离子，不能通过与内电场电荷相同的离子。 离子交换膜的这种选择渗透性是电透析去除盐的基础。 (3)离子交换膜是电透析器的重要材料，对离子交换膜的物理、化学、电化学性能有一定的要求：高选择透过性溶液的浓度越高，离子交换膜的选择透过性就越低。 阳离子交换膜对阳离子的选择性迁移数必须大于0.9，对阴离子的迁移数必须小于0.1。 优秀的化学稳定性对化学腐蚀、抗氧化、一定温度、辐射和水解具有耐受性。 离子的逆扩散和透水性低，即使同名离子移动，浓度差扩散和水的各种渗透过程也不利于水的脱盐，或者引起脱盐率的降低。 具有高机械强度的膜必须光滑平坦，没有针孔，厚度均匀。 受到一定的压力和拉伸力时，不会发生变形裂纹，具有高机械强度和韧性。 具有低膜电阻的膜的电阻必须小于溶液的电阻。 否则，膜本身引起的电压降的增大不利于最佳电流条件，会降低电透析效率。 通过减薄膜的厚度，增加膜的交换容量，降低膜的交联度，可以降低膜电阻。 膜原料丰富，廉价，技术简单。 膜处理中的注意事项：组装前的膜的处理：将膜放入操作溶液中浸渍2448小时，与膜外溶液保持平衡后再打孔。 膜的尺寸应比隔板周边小1mm，比隔板的水孔大1mm。 停运后，要给电透析器注满溶液，防止膜霉菌变质、干燥收缩变形、破裂。 2、隔板位于阳膜、阴膜之间，起到隔开支撑阳膜、阴膜的作用，形成水流道，构成浓、淡水室。 隔板有水出入的孔、配水槽和集水槽、流水路。 隔膜材料是聚氯乙烯、聚丙烯、合成橡胶等非导体材料，耐酸碱腐蚀，尺寸稳定，具有一定的弹性，容易密封。 根据隔板中流过水流的情况，分为有回路和无回路两种。 a .有回路隔板：弯曲细长的通道，能以小流量提高平均流速，而且在膜面上引起搅拌，发生湍流现象。 一般来说，供水孔和洒水孔只有一个。 水流从某个供水孔通过配水槽进入隔板，在流水路中流动，从别的出水孔流出，因此也被称为横流风扇。 水量少，为了除去盐分，经常要求高的水处理。 b .没有回路的隔板：使液体在整个膜面上流动，利用不同形式的隔板使流动发生湍流。 水流从一个或多个排水口经由配水槽直线流过隔板，从对应的出水口流过山，也称为直流式隔板。 多用于水量多、不要求去除盐分的水处理的情况。 3 .向极区、电透析器供给直流电力，将浓淡水导入膜的堆积物中，供给极水引出。 极区由电极、导水板、极水室组成。 电极：把电极放在膜的两端，连接直流电源，在阳极和阴极之间产生的电位差成为电透析的推动力。 电极材料有钛涂层钌、石墨、不锈钢等。 Cl-100mg/L时，用钛涂复钌电极或经过防腐蚀处理的微细颗粒石墨电极。 电极应具备的条件：化学和电化学稳定性好，导电性好，电阻小，机械性能好，加工和装卸容易，价格便宜。 导水板：也可导入浓、淡水导出，导入极水导出。极水室：由流过极水的隔板构成，对极水室的要求是极水顺畅，能迅速排出电极反应产生的气体和沉淀物，这也是电透析过程的必要条件。 4 .加压装置用于极室、保护室的极膜堆积装置，在运转电透析器时，起到防止水泄漏和泄漏的作用。 有钢板或槽钢组合板或铸铁压板两种。 钢板或槽钢钢板的组合板用螺杆