水的膜分离技术课件

1、 第一节 概概 论论 第二节 电渗析电渗析 第三节 反渗透反渗透 第四节 超滤超滤 在直流电场的作用下，利用离子交换膜的在直流电场的作用下，利用离子交换膜的选择透过性，把电解质从水中分离出来的选择透过性，把电解质从水中分离出来的过程。过程。 1.1.原理原理 CC阳膜阳膜 AA阴膜阴膜 阳极：阳极： ClCl- - Cl Cl2 2 +2e +2e 阴极阴极 ：2H2H+ +2e H+2e H2 2（氧化反应）：（氧化反应）： 4OH4OH- - O O2 2+2H+2H2 2O+4e O+4e （还原反应）：（还原反应）：呈酸性极室呈碱性极室浓 水淡 水AAAAccccO2C l2正 极负

2、极2图 1 4 1 电 渗 析 原 理 图图9-1电渗析工作原理图 Cl-Na+ 2.2.工作过程工作过程海水淡化电渗析法示意图海水淡化电渗析法示意图 1、 离子交换膜的分类离子交换膜的分类 2、 离子交换膜性能离子交换膜性能 3、 离子交换膜选择透过性机理离子交换膜选择透过性机理离子交换膜离子交换膜电渗析器电渗析器%1001P ttt过过率率阳阳膜膜对对阳阳离离子子的的选选择择透透 ttt1P-过过率率阴阴膜膜对对阴阴离离子子的的选选择择透透 （1 1）双电层理论）双电层理论1. 1. 构造构造 膜堆膜堆：一对阴阳膜和一对浓淡水隔板交替排：一对阴阳膜和一对浓淡水隔板交替排列组成最基本的脱盐单

3、元，称为膜对。列组成最基本的脱盐单元，称为膜对。 电极之间若干膜对组成膜堆。电极之间若干膜对组成膜堆。 极区极区：电极、极框、电极托板、橡胶垫板。：电极、极框、电极托板、橡胶垫板。 紧固装置紧固装置：压杆、螺杆紧固。：压杆、螺杆紧固。 配套设备配套设备：整流器、水泵、转子流量计等：整流器、水泵、转子流量计等。 (1)(1)离子交换膜离子交换膜 （组装前对膜的处理）组装前对膜的处理） 首先将膜放在操作溶液中浸泡首先将膜放在操作溶液中浸泡24244848小时，小时，使之与膜外溶液平衡，然后剪裁打孔。膜的尺使之与膜外溶液平衡，然后剪裁打孔。膜的尺寸大小比隔板周边小寸大小比隔板周边小1 mm1 mm，

4、应比隔板水孔大，应比隔板水孔大1 1 mmmm。电渗析停运时，应在电渗析器中充满溶液，。电渗析停运时，应在电渗析器中充满溶液，以防膜发霉变质，或膜因干燥收缩变形甚至破以防膜发霉变质，或膜因干燥收缩变形甚至破裂。裂。 n 电能消耗分析电能消耗分析n 电流密度控制电流密度控制 1. 1. 浓差极化浓差极化 2. 2. 极限电流密度极限电流密度n 流速与压力确定流速与压力确定 1、电能消耗分析、电能消耗分析dQVIW310 (kWh/m3) smjmdIRIRIREEV ttFDcilimcvKi limdvK KttFDdK 水力特性系数水力特性系数电渗析器都有自身的额定流量，流量过大进水电渗析器

5、都有自身的额定流量，流量过大进水压力过高，设备容易产生漏水和变形。流量过小时，压力过高，设备容易产生漏水和变形。流量过小时，达不到正常流速，水流不均匀，容易极化结垢，都达不到正常流速，水流不均匀，容易极化结垢，都会影响电渗析器的正常运行。会影响电渗析器的正常运行。 目前目前一般水流速度一般水流速度控制在控制在5 525 cm/s25 cm/s，进水，进水压压力力一般不超过一般不超过O.3 MPaO.3 MPa。 (1)(1)电流效率电流效率 通过一张隔板的电流，就是隔板上平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，将通过一张隔均电流密度与隔板有效面积的乘积，将通过一张隔板

6、的电流除以法拉第常数板的电流除以法拉第常数F F就得到水流经过一张隔就得到水流经过一张隔板时每秒的理论脱盐量。板时每秒的理论脱盐量。 %100 理理论论脱脱盐盐量量实实际际脱脱盐盐量量电电流流效效率率 AiQFccFLBiQccii00 iccQFAi0 iccFvdLi0 25/10cmkgaLvpb (5) (5)电流、电压及电耗电流、电压及电耗 电渗析工作电流为有效膜面积与电渗析工作电流为有效膜面积与平均电流密度的乘积，即平均电流密度的乘积，即AiI(1)(1)处理碱法造纸废液，从浓液中回收碱，从淡液中处理碱法造纸废液，从浓液中回收碱，从淡液中回收木质素；回收木质素；(2)(2)从芒硝废

7、液中制取硫酸和氢氧化钠；从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化钠；(3)(3)从从酸洗废液中制取硫酸和沉积重金属离子酸洗废液中制取硫酸和沉积重金属离子；(4)(4)放射性废水中分离放射性元素，其浓缩液掩埋；放射性废水中分离放射性元素，其浓缩液掩埋；(5)(5)处理电镀废水和废液，含处理电镀废水和废液，含CuCu2+2+、NiNi2+2+、ZnZn2+2+、CrCr6+6+等等金属离子的废水都适宜用电渗析处理。金属离子的废水都适宜用电渗析处理。阳极反应式：阳极反应式：2OH2HO2H24224SOHSO2H2e2HO2OH2阴极反应式：阴极反应式：Fe2eFe22H2e2H 反渗透原理反渗透原理 反渗透膜

8、及其传质机理反渗透膜及其传质机理 反渗透装置反渗透装置 反渗透工艺流程及操作控制反渗透工艺流程及操作控制 反渗透法在废水处理中的应用举例反渗透法在废水处理中的应用举例 反渗透法是以反渗透法是以压力为驱动力压力为驱动力的膜法分离技术。的膜法分离技术。渗透和反渗透渗透和反渗透 是一类具有不带电荷的亲水性基团的膜，是实现是一类具有不带电荷的亲水性基团的膜，是实现反渗透分离的关键。反渗透分离的关键。1 1醋酸纤维素膜醋酸纤维素膜( (简称简称CACA膜膜) )的结构及性能的结构及性能 图14-5 毛细管流机理2nm时，临界孔径2t亲水性tt毛细管流机理膜膜膜膜 (1) 该理论认为，该理论认为，水透过膜

9、是由于水分子和膜水透过膜是由于水分子和膜的活化点形成氢键及断开氢键之故的活化点形成氢键及断开氢键之故。 毛细管流理论毛细管流理论三、三、反反渗渗透透装装置置板框式板框式把渗透膜贴在多孔透水板单侧或两侧，把渗透膜贴在多孔透水板单侧或两侧，再紧贴在不锈钢或环氧玻璃钢承压板的再紧贴在不锈钢或环氧玻璃钢承压板的两侧，构成一个渗透元件两侧，构成一个渗透元件管式管式把渗透膜装在耐压微孔承压管的内侧或把渗透膜装在耐压微孔承压管的内侧或外侧，制成管状膜的元件外侧，制成管状膜的元件螺旋螺旋卷式卷式在两层反渗透膜中间夹一层多孔的柔性在两层反渗透膜中间夹一层多孔的柔性格网，再在下面铺一层供废水通过的多格网，再在下面

10、铺一层供废水通过的多孔透水格网，然后将它们的一端粘贴在孔透水格网，然后将它们的一端粘贴在多孔集水管上，绕管卷成螺旋卷筒，并多孔集水管上，绕管卷成螺旋卷筒，并将另一端密封，就成为一个反渗透元件将另一端密封，就成为一个反渗透元件中空中空纤维式纤维式在两层反渗透膜的原料空心纺丝而成中在两层反渗透膜的原料空心纺丝而成中空纤维管空纤维管1 1、板框式反渗透装置、板框式反渗透装置 在多孔透水板的单侧或两侧贴上反渗在多孔透水板的单侧或两侧贴上反渗透膜，即构成板式反渗透元件。透膜，即构成板式反渗透元件。 再将元件紧粘在用不锈钢或环氧玻璃再将元件紧粘在用不锈钢或环氧玻璃钢制作的承压板两侧。钢制作的承压板两侧。

11、然后将几块或几十块元件成层叠合，然后将几块或几十块元件成层叠合，用长螺栓固定，装入密封耐压容器中，制用长螺栓固定，装入密封耐压容器中，制成板式反渗透器。成板式反渗透器。2 2、管式装置、管式装置3 3、螺旋卷式装置、螺旋卷式装置 中空纤维膜是一种细如头发的空心管，由制膜中空纤维膜是一种细如头发的空心管，由制膜液空心纺丝而成。纤维外经为液空心纺丝而成。纤维外经为5050100m100m，内径为，内径为252542m42m。将数十万根中空纤维膜捆成膜束，弯。将数十万根中空纤维膜捆成膜束，弯成成U U字形装入耐压圆筒容器中，并将纤维膜开口端字形装入耐压圆筒容器中，并将纤维膜开口端固定在环氧树脂管板上

12、，即可组成反渗透器。固定在环氧树脂管板上，即可组成反渗透器。 反渗透系统由其预处理及反渗透装置和后处理三部分组成。反渗透系统由其预处理及反渗透装置和后处理三部分组成。核心核心是是反渗透装置反渗透装置，预处理是反渗透装置能否长期稳定运行的，预处理是反渗透装置能否长期稳定运行的前提，后处理用以满足不同处理对象的最终产水水质指标。前提，后处理用以满足不同处理对象的最终产水水质指标。 ppccffcQcQcQ cfccffmQQcQcQc mmpRcc1 按上面的公式用试算法可以简便地求出净化水质。按上面的公式用试算法可以简便地求出净化水质。 由于由于c cp p很小，故先假定很小，故先假定c cp

13、p0 0，则有，则有 式中式中 Y Y 为水的回收率，为水的回收率，Y YQ Qp pQ Qf f。 由此得由此得 在已知在已知Q Q、c cf f、R Rm m及取定及取定Y Y值的条件下，将按公式算得的值的条件下，将按公式算得的c cp p初步值代入公式，求得初步值代入公式，求得c cp p的新值。重复计算几次就可获得的新值。重复计算几次就可获得较精确的较精确的c cp p值。值。ccffcQcQ YcQQcQQcQcffcfcfffm 22/122 mfPRYcc 122 pKFWs cccPFPfyy 3 3浓差极化浓差极化 在反渗透过程中，由于水不断地透过膜，引起在反渗透过程中，由于

14、水不断地透过膜，引起 膜表面附近的溶液浓度升高，从而在膜的高压一膜表面附近的溶液浓度升高，从而在膜的高压一 侧溶液中，从膜表面到主体溶液之间形成一个浓侧溶液中，从膜表面到主体溶液之间形成一个浓 度梯度，引起溶质从浓的部分向淡的部分扩散，度梯度，引起溶质从浓的部分向淡的部分扩散， 这一现象即为浓差极化。这一现象即为浓差极化。4.4.膜的污染与清洗膜的污染与清洗 化学法化学法海绵球清洗海绵球清洗逆流清洗逆流清洗水气混合清洗水气混合清洗水力清洗水力清洗物理法物理法清洗工艺清洗工艺 依靠压力推动力和半透膜实现分离。依靠压力推动力和半透膜实现分离。 在本质上是一种筛滤过程，在本质上是一种筛滤过程，膜表面

15、的孔隙膜表面的孔隙大小大小是主要的控制因素，溶质能否被膜孔截留是主要的控制因素，溶质能否被膜孔截留取决于溶质粒子的大小、形状、柔韧性以及操取决于溶质粒子的大小、形状、柔韧性以及操作条件等，而与膜的化学性质关系不大。作条件等，而与膜的化学性质关系不大。 作作用用溶质在膜表面和微孔孔壁上发生吸附溶质在膜表面和微孔孔壁上发生吸附溶质的粒径大小与膜孔径相仿，溶质溶质的粒径大小与膜孔径相仿，溶质嵌在孔中，引起堵塞嵌在孔中，引起堵塞溶质的粒径大于膜孔径，溶质在膜表溶质的粒径大于膜孔径，溶质在膜表面被机械截留，实现筛分面被机械截留，实现筛分 超滤的过程是动态过程，即在超滤膜的表面既超滤的过程是动态过程，即在超滤膜的表面既受到垂直于膜面的压力，使水分子得以透过膜面并受到垂直于膜面的压力，使水分子得以透过膜面并与被截留物质分离，同时又产生一个与膜表面平行与被截留物质分离，同时又产生一个与膜表面平行的切向力，以将截留在膜表面的物质冲开。的切向力，以将截留在膜表面的物质冲开。二、超滤膜二、超滤膜 大多数超滤膜都是聚合物或共聚物的合成膜，