第2章反渗透、纳滤、超滤与微滤

1、第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤2.1 膜membrane 2.2 反渗透revers osmosis (ro) 2.3 纳滤nanofiltration (nf) 2.4 超滤ultrafiltration (uf) 2.5 微滤microfiltration (mf) 2.6 各种膜组件比较 2.1 膜现 代 分 离 技 术 2.1.1 基本概念膜：分隔两相界面，并以特定的形式限制 和传递各种化学物的两相之间的一个不连 续区间。 2021-8-18 第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 2.1 膜现 代 分 离 技 术 2.1.2 膜的分类 (1)按膜材质分类

2、 无机膜、有机膜 (2)按膜相态分类 气膜、液膜、固膜 (3)按膜孔径分类 微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜(4)按膜外形分类 板式膜、管式膜、毛细管膜、中空纤维膜2021-8-18 第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 3 2.2 反渗透 (revers osmosis, ro)现 代 分 离 技 术 醋酸纤维素 世界上较大的反渗透海水淡化厂： (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。 (3)设在美国科罗拉多河岸，淡水产量 38km3/d ,1980年建成。

3、2021-8-18 第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 4 2.2 反渗透 (revers osmosis, ro)现 代 分 离 技 术 2.2.1 基本概念 醋酸纤维素膜 反渗透膜 芳香族聚酰胺膜 制作较简单，价廉， 脱盐率高，通量大， ph范围宽，耐生 耐游离氯，膜表面 光滑，不易结垢和 物降解，操作压力 污染 要求低 ph范围窄，易水解， 不耐氧化，氧化后 操作压力要求偏高， 性能急剧衰减，抗 2021-8-18 结垢和污染力量差 5 性能衰减较快 第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 2.2 反渗透 (revers osmosis, ro)现 代 分 离 技 术 反渗透膜 三醋酸纤维素系的

4、中空纤维 直链全芳族聚酰胺系中空纤维 高压反渗透膜 交链全芳族聚酰胺型薄层复合膜 (卷式) 芳基-烷基聚醚脲型薄层复合膜 海水脱 (卷式) 盐 交链的聚醚薄层复合膜 低压反渗透膜 苦咸水脱盐1.42.0mpa 超低压反渗透膜 疏松型反渗透膜 纳滤膜2021-8-18 第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 6 2.2 反渗透 (revers osmosis, ro)现 代 分 离 技 术 流涎(制膜液的组成和性质、温度、 流涎厚度、溶剂的蒸发速度和蒸发 量、凝胶化条件、热处理) 纺丝(纺丝液和凝固液的组成和性 质，温度、喷丝头的外形和纺丝速 度、溶剂蒸发、牵伸率) 2021-8-18 第2章 反渗透

5、、纳滤、超滤与微滤 2.2 反渗透 (revers osmosis, ro)现 代 分 离 技 术 膜片(平板状) 板式反渗透膜组件 膜形状 卷式反渗透膜组件 管状 管式反渗透膜组件 中空纤维状中空纤维式膜组件2021-8-18 第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 8 醋酸纤维素 平板膜 二醋酸纤维素现 代 分 离制 技 术备 三醋酸纤维素 二醋酸纤维素混合搅拌溶解 过滤 致孔剂 聚酯物 预处理 浇铸复合 溶剂 工 艺 静臵脱泡 溶剂挥发 凝胶固化 热处理2021-8-18 后处理 成品膜 干燥9 第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 2.2 反渗透 (revers osmosis, ro)现 代

6、分 离 技 术 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 体混合物进行分别的膜过程。 溶液中化学位 * t , p rt ln x2021-8-18 第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 10 (a) 平衡过程现 代 分 离 技 术 c1=c2, p1=p2 1=2,1=2c2 p 2c1 p1 大 小 (b) 渗透过程 c1 c2, p1=p2 12,12 渗透压差 稀溶液 浓溶液 (c)渗透平衡 过程动态平衡 化学位 c2 p 2 c1 p1 c1c2, p1p2 1=2,12 p= c1c2, p1p2 12,12 p

7、稀溶液第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 渗透压 c2 p 2 c1 p1 压力 渗透压 (d) 反渗透 外界压力2021-8-18 浓溶液 c2 p 2 c1 p1 2.2 反渗透 (revers osmosis, ro)现 代 分 离 技 术 反渗透膜对于无机粒子的分别率，随粒 子价数的增高而增高。价数相同时，分别率 随着离子半径而变化。一般规律为： l na k rb ca 2 i 2 2 2 2 mg ca sr ba 多原子单价阴离子：io3 bro3 clo3 极性有机物 醛 醇 胺 酸，叔胺 仲胺 伯胺 异构体 同一族系 分子量大的分别性能好 第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 20

8、21-8-18 柠檬酸 酒石酸 苹果酸 乳酸 醋酸 叔 tert 异 iso 仲 sec 原 pri 12 2.2 反渗透 (revers osmosis, ro)现 代 分 离 技 术 反渗透：依靠外界压力使溶剂从高浓度溶 质溶液侧向低浓度溶质侧渗透的过程。多组分体系的稀溶液，用扩展的范特 荷夫渗透压公式计算溶液的渗透压： rt cii 1 n ci: 溶质摩尔浓度 n: 溶液中组分数 2021-8-18 第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 2.2 反渗透 (revers osmosis, ro)现 代 分 离 技 术0 .7 0 .6 13.8mpa 6.9mpa 3.5mpa 溶质质量分数

9、 0 .5 0 .4 0 .3 0 .2 0 .1 0 0.69mpa 0 200 400 600 800 1000 溶质相对分子量 渗透压与最大溶质质量分数的关系2021-8-18 第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 14 2.2 反渗透 (revers osmosis, ro)现 代 分 离 技 术 电解质水溶液，引入渗透压系数 i i ci rt 附录a 电解质水溶液渗透压系数，p365 溶液浓度较低时，极大部分电解质水 溶液渗透压系数接近于1。 i不变 kcl, nh4cl, ki 溶液浓度增加 i 增加 mgcl2, mgbr2, cai2 i降低 nh4no3, kno3, 实际应用

10、中 2021 -8-18agno3 b: 常数 bxs x : 溶质摩尔浓度 第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 s15 2.2 反渗透 (revers osmosis, ro)现 代 分 离 技 术 2.2.2 反渗透基本机理及模型 (1) 优先吸附-毛细孔流淌机理 1960年，sourirajan在gibbs吸附方程基 础上提出的。 为反渗透膜的研制、开发奠定了基础。建立了表面力-孔流淌模型。 2021-8-18 第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 2.2 反渗透 (revers osmosis, ro)现 代 分 离 技 术 高压 溶剂：h2o溶质：nacl 膜表面 选择吸附 水优先吸附水渗

11、透 通过膜孔优先吸附-毛细孔流淌机理示意图2021-8-18 大气压 反渗透、纳滤、超滤与微滤 第2章 脱盐 2.2 反渗透 (revers osmosis, ro)现 代 分 离 技 术 多孔膜界面上溶质吸附量与溶液表面张力 gibbs方程 1 rt ln a : 单位膜界面上溶质的吸 附量, mol / m 2 : 溶液与膜界面的表面张 力, n / m a : 溶液中溶质的活度 , kg / cm3 水溶液与多孔膜接触，膜对水优先吸附， 在膜与溶液界面四周形成一层被膜吸附的纯水 层，纯水层厚度与溶质和膜表面化学性质有关。2021-8-18 第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 18 2.2

12、反渗透 (revers osmosis, ro)现 代 分 离 技 术 溶液中溶质的活度系数 ； m 溶液的质量摩尔浓度， mol / kgc ab 氯化钠的浓度， mol / m 3; 溶液的的密度， kg / cm3 对于电解质水溶液，用matsuura提 出的修正gibbs等温吸附方程计算。 1000 58.54 m t c ab 2 rt 1000 m 2021-8-18 第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 2.2 反渗透 (revers osmosis, ro)现 代 分 离 技 术 (2) kedem-katchalsky不行逆热力学模型 以不行逆热力学为基础j s cs 1 j v 总通量 ; l p 过滤系数； 反射系数 j v l p p jv j s 溶质通量； cs 溶质浓度； 溶质渗透系数 lp/m3/(h atm) ro 50 uf 50500 mf 5002021-8-18 溶质性质 第2章 反渗透