水处理-膜技术

1、1第二章 膜分离22.1概述 一、概念一、概念 膜分离膜分离是以对组分具有选择性透过功能的膜选择性透过功能的膜为分离载体，通过在膜两侧施加（或存在）一种或多种推动力推动力，使原料中的组分选择性地优先透过膜，从而达到混合物分离，并使产物提取、浓缩、纯化等的一种新型分离过程。 渗透-水通过；渗析-溶质通过推动力 压力差（也称跨膜压差）、浓度差、压力差（也称跨膜压差）、浓度差、电位差、温度差等电位差、温度差等 。如微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）与反渗透（RO）都是以压力差为推动力的膜分离过程。3 二、膜的简介二、膜的简介 特征特征：具有选择性分离功能选择性分离功能的薄膜材料，以及以其为核心

2、的装置、过程、工艺的集成与应用 特点特点：无相变、低能耗 高效率、污染小工艺简单、操作方便便于与其它技术集成浓缩液浓缩液进料液进料液渗透液渗透液2.1概述4三、膜的分类2.1概述5 2.1概述四、膜元件62.1概述四、四、膜元件膜元件7五、膜过程的一些术语五、膜过程的一些术语1.膜分离的形式膜分离的形式错流过滤错流过滤 终端过滤 污染严重污染严重错流过滤污染轻污染轻错流过滤的优点：错流过滤的优点：(1)便于连续化操作过程中控制循环比；(2)流体流动平行于过滤表面，产生的表面剪切力带走膜表面的沉积物，防止污染层积累，使之处于动态平衡，从而有效地改善液体分离过程，使过滤操作可以在较长的时间内连续进

3、行；(3)错流过滤所产生的流体剪切力和惯性举力能促进膜表面的溶质向流体主体的反向运动，提高了过滤速度。2.1概述82.2.选择性选择性：将混合物总的组分分离开来的能力。 截留率截留率：表示液体分离的选择性 R R（C Cf f-C-Cp p）/C/Cp p Cf-原料液浓度，%（w/w）；Cp-透过液浓度，%（w/w）。2.1概述 -五、膜过程的一些术语9 3.推动力： 1）对多孔膜多孔膜而言，在对流流动的情况下，传质推动力是膜两侧的压压力差力差。 膜压降：P1-P2，是由于流体流动引起的。 2）对致密膜致密膜而言，推动力为膜两侧的化学势化学势之差。P1P2P3P（P1P2）/2P32.1概述

4、 -五、膜过程的一些术语104.4.浓差极化：浓差极化：在膜分离过程中，一部分溶质被溶质被截留截留，在膜表面及靠近膜表面区域的浓度越来越高，造成从膜表面到本体溶液之间产生浓度梯度，这一现象称为“浓差极化”。 1 2 3 Cf Cm Cp 浓差 膜层 渗透侧 极化层 极化层2.1概述 -五、膜过程的一些术语11n5.传递阻力传递阻力：1）膜阻Rm:与膜本身的结构有关，包含膜层到支撑层的传递阻力；2）浓差极化阻力Rc：由于被截留组分在膜面浓度的增大而引起的；3）推动力的损失：进料侧和渗透侧的压力损失；4）膜污染阻力：由于物料中的成分对膜产生吸附、堵塞、以及沉积等现象而引起的。2.1概述 -五、膜过

5、程的一些术语12 Rm 膜管本身阻力膜管本身阻力 Ri 膜孔内污染阻力膜孔内污染阻力 Rg 凝胶层阻力凝胶层阻力 Rc 浓差极化阻力浓差极化阻力CguCbRm Ri Rg RcC膜污染阻力的概念模型膜污染阻力的概念模型 2.1概述 -五、膜过程的一些术语13 膜污染：指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞孔径变小或堵塞，使膜产生渗透通量与分离特性的不可逆变化现象。物理污染包括膜表面的沉积，膜孔内的阻塞阻塞，这与膜孔结构、膜表面的粗糙度、溶质的尺寸和形状等有关。化学污染包括膜表面和膜孔内的吸附吸附，这与

6、膜表面的电荷性、亲水性、吸附活性点及溶质的荷电性、亲水性、溶解度等有关。 2.1概述 -五、膜过程的一些术语6.膜污染14 六、膜的用途六、膜的用途 1.浓缩：目的产物以低浓度形式存在，因此需要除去溶剂；（截留物为产物） 2.纯化：除去杂质； 3.分离：将混合物分成两种或多种目的产物； 4.反应促进：把化学反应或生化反应的产物连续取出，能提高反应速率或提高产品质量。2.1概述15七、膜的应用七、膜的应用2020世纪世纪9090年代，膜技术基本已经从实验室步入工业化，年代，膜技术基本已经从实验室步入工业化，并在水处理、食品工业、环境保护、化工与石油化工、并在水处理、食品工业、环境保护、化工与石油

7、化工、电子、冶金、国防电子、冶金、国防等领域得到成功的应用。目前全等领域得到成功的应用。目前全球膜产业的规模超过百亿美元，正以年球膜产业的规模超过百亿美元，正以年3030的速度递增的速度递增着。着。2.1概述16膜海水淡化海水淡化工业废水处理工业废水处理城市废水资源化城市废水资源化天然气天然气生物质利用生物质利用能源能源水资源水资源传统工业传统工业生态环境除尘除尘COCO2 2 控制控制制制 药药食食 品品化工与石化化工与石化电电 子子冶冶 金金燃料电池燃料电池洁净燃烧洁净燃烧2.1概述 -七、膜的应用17工业领域工业领域应用举例应用举例金属工艺金属工艺金属回收；污染控制；富氧燃烧金属回收；污

8、染控制；富氧燃烧 纺织及制革工业纺织及制革工业余热回收；药剂回收；污染控制余热回收；药剂回收；污染控制造纸工业造纸工业代替蒸馏；污染控制；纤维及药剂回收代替蒸馏；污染控制；纤维及药剂回收食品及生化工业食品及生化工业净化；浓缩；消毒；代替蒸馏；副产品回收净化；浓缩；消毒；代替蒸馏；副产品回收化学工业化学工业有机物除去或回收；污染控制；气体分离；药剂回收和再利用有机物除去或回收；污染控制；气体分离；药剂回收和再利用医药及保健医药及保健人造器官；控制释放；血液分离；消毒；水净化人造器官；控制释放；血液分离；消毒；水净化水处理水处理海水、苦咸水淡化；超纯水制备；电厂锅炉用水净化；废水处理海水、苦咸水淡

9、化；超纯水制备；电厂锅炉用水净化；废水处理国防工业国防工业舰艇淡水供应；战地医院污水净化；低放射性水处理；野战供水舰艇淡水供应；战地医院污水净化；低放射性水处理；野战供水2.1概述 -七、膜的工业应用18膜法海水淡化分离方法分离方法反渗透反渗透低温多效低温多效多级闪蒸多级闪蒸能耗能耗(kWh/m3)3.5710国家或地区国家或地区沙特沙特中国中国长海长海中国中国长岛长岛中国中国沧化沧化设备能力设备能力m3/d568001000100018000原水含盐量原水含盐量mg/L43700350003400013000能耗能耗kwh/m3754.52.75产水成本产水成本RMBRMB/m34.886.

10、695.131.83反渗透淡化厂的能耗及产水成本反渗透淡化厂的能耗及产水成本 几种分离方法能耗比较几种分离方法能耗比较多级闪蒸：多级闪蒸：经过加热的海水，依次通过多个温度、压力逐级降低的闪蒸室，进行蒸发冷凝的蒸馏淡化方法。低温多效低温多效水的沸点和它所受到的压力有关，压力越低，水的沸点就越低。第1效蒸发海水所得的蒸汽可以用作第2效的热源（见图2）。第2效的沸点温度和压力比第1效低，效与效之间的热量再生利用可以重复数次。 19膜法海水淡化嵊泗嵊泗1000吨吨/日反渗透海水淡化装置日反渗透海水淡化装置20膜法自来水厂巴黎瓦兹河梅巴黎瓦兹河梅里市里市1414万立方万立方米米/ /天的纳滤天的纳滤厂，

11、每天为巴厂，每天为巴黎附近黎附近5050万居万居民提供民提供1414万吨万吨饮用水饮用水212.2 分离膜与膜组件 一、定义：一、定义：具有选择性分离功能的薄膜材料。水水小分子小分子大分子大分子料液料液渗透液渗透液膜膜二、二、 膜的种类及型式膜的种类及型式1）按材料的来源来源：可分为天然生物膜天然生物膜与人工合成膜人工合成膜；2）按膜分离过程的推动力推动力可分为压力差、电位差、浓度差、温压力差、电位差、浓度差、温度差度差等膜；3）按膜的结构结构可分为对称对称和和非对称膜非对称膜两大类，其中非对称膜还可细分为多孔膜、叠合膜以及复合膜等。2223非对称膜的优点24 三、膜材料及制膜方法 膜过程 膜

12、材料 微滤 聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙稀、聚乙烯聚碳酸酯、聚（醚）砜、聚（醚）酰亚胺、聚醚醚酮等氧化铝、氧化锆、氧化钛、碳化硅 超滤聚（醚）砜、磺化聚砜、聚偏二氟乙烯、聚丙稀腈 、聚（醚）酰亚胺、聚脂肪酰胺、醚酮、纤维素类等氧化铝、氧化锆纳滤聚酰（亚）胺 反渗透二醋酸纤维素、三醋酸纤维素、聚芬香酰胺类、聚合苯并咪唑（酮） 聚酰（亚）胺、聚酰胺酰阱、聚醚脲等电渗析膜电解含有离子基团的聚电解质：磺酸型、季胺型等四氟乙烯和含磺酸或羧酸的全氟单体共聚物渗透气化弹性态或玻璃态聚合物;聚丙稀腈、聚乙烯醇、聚丙稀酰胺 气体分离弹性态聚合物：聚二甲硅氧烷、聚甲基戊烯玻璃态聚合物：聚酰亚胺、聚砜膜接触器疏水聚

13、合物：聚四氟乙烯、聚丙稀、聚乙烯、聚偏氟乙烯渗析亲水聚合物：再生纤维素、醋酸纤维素、乙烯乙烯醇共聚物、乙烯醋酸乙烯酯共聚物252.2 分离膜与膜组件2627282.2 分离膜与膜组件 五、各种膜组件（a）板框式；（b）平板式；（c）折叠式；（d）中空纤维式；29302.2 分离膜与膜组件六、六、 对膜组件的要求对膜组件的要求经验证明，一种性能良好的膜组件应达到以下要求要求： 对膜性能提供足够的机械支撑机械支撑，并可使高压原料液（气）和低压透过液（气）严格分开； 在能耗最小的条件下，使原料液（气）在膜面上流动状态均匀合理，以减少浓差极化以减少浓差极化； 具有尽可能高的装填密度高的装填密度（单位体

14、积的膜组件中填充膜的有效面积），并使膜的安装和更换方便方便； 装置牢固、安全可靠、价格低廉和易维护。31 膜元件(element)：即膜芯 膜组件(module)：按一定技术要求将膜(元件)组装在一起的组合构件。 原料以一定组成、一定流速进入膜组件，由于其中某一组分更容易通过膜，所以膜组件内原料的组成和流速均随位置原料的组成和流速均随位置变化变化。进入膜组件的物流通过膜组件以后分成两股，即渗透物渗透物（通过膜的那部分物流）和截留物截留物（被膜所截留的物流）。膜上游膜上游原料液原料液渗透液渗透液截留液截留液膜下游膜下游膜组件膜组件(module)32u 管式管式 (tubes)膜组件膜组件u 毛

15、细管毛细管 (capillary)膜组件膜组件u 中空纤维中空纤维 (Hollow-Fibers)膜膜组件组件u 板框式板框式 (Plate and frame)膜组件膜组件u 卷绕式卷绕式 (Spiral Wound)膜膜组件组件u 垫套式膜组件垫套式膜组件 膜组件可以有多种形式，它们均根据两种膜构型设计而成：1）管式构型；2）平板式构型。331）所谓圆管式膜）所谓圆管式膜是指在圆筒状支撑体的内侧或外侧刮制上一层半透膜半透膜而得到的圆管形分离膜，再将一定数量的这种膜管以一定方式联成一体而组成，其外形状极类似于列管式换热器。1. 膜组件的形式之一膜组件的形式之一圆管式圆管式2）管式膜的特点）管

16、式膜的特点优点：流动状态好，流速易控制；安装、拆卸、换膜和维修均较方便；能处理含有悬浮固体的溶液；机械杂质清除比较容易；合适的流动状态可减少浓差极化和污染。缺点缺点：与平板膜比较，管膜的制备条件较难控制；单位体积内有效膜面积小；管口的密封也比较困难。价钱较贵3435英国PCI公司管式膜36陶瓷膜陶瓷膜陶瓷管式膜设备陶瓷管式膜设备(南京久吾高科技公司南京久吾高科技公司)陶瓷管式膜实验室设备陶瓷管式膜实验室设备陶瓷膜元件陶瓷膜元件Suntar公司制造公司制造的陶瓷膜设备的陶瓷膜设备37管式膜成套设备管式膜成套设备乳品工业乳品工业废水处理废水处理大型集成设备大型集成设备383）管式膜组件大致规格）管

17、式膜组件大致规格 构 型 直 径/mm 管状膜 10毛细管 0.5 10.0中空纤维 0.5不同管径下单位体积的膜面积 管半径/mm 单位体积膜面积/m2/m3 5 360 0.5 3,600 0.05 36,00039 1）中空纤维式膜）中空纤维式膜 是一种极细的空心膜管空心膜管，其本身不需要支撑材料即可耐受很高的压力，它实际是一根厚壁的环柱体，纤维的外径有的细如人发，约为50200m，内径为2542m 特点：1）可耐高压；2）单位体积内的有效膜表面积比率高；3）寿命较长（可达5年）；4）可做成一种效率高、成本低、体积小和重量轻的膜分离装置；5）不足之处是中空纤维膜的制作技术复杂，管板制作也

18、较困难，同时不能处理含悬浮固体的料液（原水）。2. 膜组件形式之二膜组件形式之二中空纤维式中空纤维式40膜组件外壳中空纤维中空纤维MF膜组件膜组件中空纤维中空纤维UF膜组件膜组件41中中空空纤纤维维膜膜分分离离设设备备（69.6 m3/h ）（58 m3/h ）（1016 m3/h ）（23.2 m3/h ）423. 膜组件的形式之三膜组件的形式之三板框式板框式 1）板框式 也称平板式，它是由许多板和框(plate and frame)堆积组装在一起而得名，其外观类似普通的板框式压滤机(filter press)。它是膜分离历史上最早问世的一种膜组件形式。43 2）板框式膜组件特点）板框式膜组

19、件特点 构造比较简单，且可单独更换膜片； 可作为试验机，将各种膜样品同时安装在一起进行性能检测； 流道的断面积可适当增大，压降较小，线速度可达15m/s，且不易被纤维屑等异物堵塞； 为促进膜组件内的湍流效果，不少厂家将原液导流板的表面设计成各式凹凸或波纹结构或在膜面配置筛网等物。 3）板框式膜组件类型）板框式膜组件类型 系紧螺栓式 耐压容器式 DDS型（由丹麦的DDS De Danske Sukker fabrikker公司首创，在欧洲很流行。）44板框式膜组件流道示意图板框式膜组件流道示意图曲折流道示意图曲折流道示意图45 4.膜组件形式之四膜组件形式之四螺旋卷式螺旋卷式 1）螺旋卷式）螺旋

20、卷式(简称简称卷式卷式) 膜组件的结构是由中间为多孔支撑材料，两边是膜的“双层结构”装配组成的。其中三个边沿被密封而粘结成膜袋状，另一个开放的边沿与一根多孔中心产品水(液)收集管连接，在膜袋外部的原水侧再垫一层网眼型间隔材料（隔网），也就是把膜多孔支撑体膜原水侧隔网依次叠合，绕中心集水管紧密地卷在一起，形成一个膜元件，再装进圆柱型压力容器里，构成一个螺旋卷式膜组件。 2）螺旋卷式膜组件特点）螺旋卷式膜组件特点 结构紧凑，单位体积内的有效面积大（8301660m2/m3） 缺点是当原液中含有悬浮固体悬浮固体时使用有困难；透过侧的支撑材料较难满足要求，不易密封，同时膜组件的制作工艺复杂、要求高，尤其是用于高压操作时难度更大。463）螺旋卷式膜组件47