水污染控制工程(第十四讲)1

1、环境工程环境工程 第五节第五节 膜分离技术膜分离技术 半透膜：在溶液中凡是一种或几种成分不半透膜：在溶液中凡是一种或几种成分不能透过，而其他成分能透过的膜。能透过，而其他成分能透过的膜。 膜分离法：是用一种特殊的半透膜将溶液膜分离法：是用一种特殊的半透膜将溶液隔开，使溶液中的某种溶质或者溶剂（水）隔开，使溶液中的某种溶质或者溶剂（水）渗透出来，从而达到分离溶质的目的渗透出来，从而达到分离溶质的目的。 根据膜的不同种类及不同的推动力，根据膜的不同种类及不同的推动力，膜分膜分离法可分为离法可分为：扩散渗析、电渗析、反渗析、扩散渗析、电渗析、反渗析、超滤超滤环境工程环境工程环境工程环境工程环境工程环

2、境工程 膜法的特点：膜法的特点：可在一般温度下操作，不消可在一般温度下操作，不消耗热能，没有相的变化；设备可工厂化生产；耗热能，没有相的变化；设备可工厂化生产；容易操作等。容易操作等。缺点是处理能力小；缺点是处理能力小；需消耗相需消耗相当的能量（扩散渗析除外）当的能量（扩散渗析除外）。 膜分离技术中，物质透过薄膜需要动力，膜分离技术中，物质透过薄膜需要动力，常利用的有三种动力：（常利用的有三种动力：（1）分子扩散作用；）分子扩散作用；（2）电力；（）电力；（3）压力。）压力。 反渗透法和超滤要把水加压，用电力的是反渗透法和超滤要把水加压，用电力的是电渗析法，依靠分子自然扩散的是扩散渗析电渗析法

3、，依靠分子自然扩散的是扩散渗析法。法。环境工程环境工程环境工程环境工程 一、电渗析一、电渗析 1、原理：电渗析是在直流电场的作用下，、原理：电渗析是在直流电场的作用下，利用阴阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的利用阴阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性（即阳膜只允许阳离子通过，阴选择透过性（即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。与水分离的一种物理化学过程。 电渗析系统由一系列阴、阳膜置放于两电渗析系统由一系列阴、阳膜置放于两电极之间组成电极之间组成 环境工程环境工程环境工程环境工程环境工程环境工程环境

4、工程环境工程+阳极阳极阴极阴极Cl-Na阳膜阳膜阳极室阳极室Cl-Cl-Cl-NaNaCl-NaNaCl-Cl-NaNa浓缩室淡化室淡化室浓缩室阴极室阴极室阴膜阴膜阳膜阳膜阴膜阴膜环境工程环境工程 电渗析通电后，在两个电极上会发生电化电渗析通电后，在两个电极上会发生电化学反应，以学反应，以NaCl溶液为例，在阳极上其反应溶液为例，在阳极上其反应为：为： 2Cl-2e=Cl2H2O=H+ + OH-4OH- -4e=O2+2H2O产生的氯气又有一部分溶于水中：产生的氯气又有一部分溶于水中：Cl2+H2O=HCl+HClO HClO=HCl+O环境工程环境工程 由此可见，由此可见，阳极反应有氧气和

5、氯气产生阳极反应有氧气和氯气产生，氯气溶于水又产生氯气溶于水又产生HCl及初生态氧及初生态氧O，阳，阳极呈酸性反应极呈酸性反应，应当注意阳极的氧化和腐，应当注意阳极的氧化和腐蚀问题。蚀问题。在阴极上：在阴极上： H2O=H+ + OH- 2H+2e=H2 Na+OH-=NaOH环境工程环境工程 在阴极室由于在阴极室由于H+的减少、放出氢气的减少、放出氢气,极水极水呈碱性反应呈碱性反应,当极水中含有当极水中含有Ca2+、Mg2+和和HCO3-等离子时，会生成等离子时，会生成CaCO3和和Mg(OH)2等沉淀物，等沉淀物，在阴极上发生结垢。在阴极上发生结垢。 在极室中应注意及时排除电极反应产物，在

6、极室中应注意及时排除电极反应产物，以保证电渗析过程的正常安全运行。考虑到以保证电渗析过程的正常安全运行。考虑到阴膜容易损坏，并阴膜容易损坏，并为防止为防止Cl-离子透过阴膜进离子透过阴膜进入阳极室，所以在阳极附近一般不用阴膜，入阳极室，所以在阳极附近一般不用阴膜，而改用阳膜或惰性多孔保护膜而改用阳膜或惰性多孔保护膜。环境工程环境工程 环境工程环境工程 淡室为离子减少的隔室，其出水为淡室为离子减少的隔室，其出水为淡水淡水。 浓室为离子增多的隔室，其出水为浓室为离子增多的隔室，其出水为浓水浓水。 极室为与电极接触的隔室，其出水为极室为与电极接触的隔室，其出水为极水极水。 对于一般的给水处理，得到的

7、为淡水，浓对于一般的给水处理，得到的为淡水，浓水排走；水排走； 对于工业废水处理，淡水可无害化排放或对于工业废水处理，淡水可无害化排放或重复利用；浓水则可回收有用物质。重复利用；浓水则可回收有用物质。 环境工程环境工程2、常用的膜、常用的膜 异相膜异相膜：将离子交换树脂磨成粉：将离子交换树脂磨成粉末，加入粘合剂，滚压在纤维网末，加入粘合剂，滚压在纤维网上，也有直接滚压成膜的。上，也有直接滚压成膜的。 按膜体结构分类按膜体结构分类均相膜均相膜：与一般离子交换树脂具有：与一般离子交换树脂具有同样的组成，它是将制造离子交换同样的组成，它是将制造离子交换树脂的母体材料制成连续的膜状物，树脂的母体材料制

8、成连续的膜状物，作为底膜，然后在上面嵌接上具有作为底膜，然后在上面嵌接上具有交换能力的活性基因。交换能力的活性基因。 半均相膜半均相膜环境工程环境工程 离子交换膜是电渗析器的关键部件，良好离子交换膜是电渗析器的关键部件，良好的电渗析膜具备的条件：的电渗析膜具备的条件：（1）高的离子选择透过性，即阳膜只允许阳）高的离子选择透过性，即阳膜只允许阳离子透过，阴膜则相反。离子透过，阴膜则相反。（2）渗水性低；）渗水性低；（3）导电性好，膜电阻低。膜电阻越小，电）导电性好，膜电阻低。膜电阻越小，电渗析所需电压越低。渗析所需电压越低。环境工程环境工程（4）化学稳定性良好，能耐酸、碱、抗氧、）化学稳定性良好

9、，能耐酸、碱、抗氧、抗氯。紧靠正、负电极的膜多用抗腐蚀性较抗氯。紧靠正、负电极的膜多用抗腐蚀性较强的阳膜。强的阳膜。（5）足够的机械强度，较小的收缩性、溶涨）足够的机械强度，较小的收缩性、溶涨性，以适应使用和安装。性，以适应使用和安装。环境工程环境工程 3、设备：、设备： 电渗析器包括：压板、电极托板、电极、电渗析器包括：压板、电极托板、电极、极框、阳膜、阴膜、隔板甲、隔板乙等。极框、阳膜、阴膜、隔板甲、隔板乙等。 隔板用于隔开阴、阳膜，是水流的通道，隔板用于隔开阴、阳膜，是水流的通道，有配水孔、布水槽、流水道以及搅动水流有配水孔、布水槽、流水道以及搅动水流用的隔网。用的隔网。环境工程环境工程

10、环境工程环境工程 电极材料常用铅板或石墨、不锈钢和钛电极材料常用铅板或石墨、不锈钢和钛图钌等。图钌等。 电渗析器的组装方式有几种。电渗析器的组装方式有几种。 一对正、负电极之间称一级，具有同一一对正、负电极之间称一级，具有同一水流方向的并联膜称一段水流方向的并联膜称一段。 在一台装置中膜的对数（阴、阳膜隔一在一台装置中膜的对数（阴、阳膜隔一张成为一对）可在张成为一对）可在120对以上。对以上。 环境工程环境工程环境工程环境工程环境工程环境工程环境工程环境工程 4、应用、应用 不适合处理浓度较高的废水。不适合处理浓度较高的废水。 苦咸水（小于苦咸水（小于10g/L）的除盐是电渗析最）的除盐是电渗

11、析最主要的用途。可作为离子交换制纯水的预处主要的用途。可作为离子交换制纯水的预处理，使离子交换柱的生产能力提高，增长交理，使离子交换柱的生产能力提高，增长交换周期，节省再生剂的用量，操作简便。换周期，节省再生剂的用量，操作简便。环境工程环境工程（1）电渗析法海水淡化电渗析）电渗析法海水淡化电渗析 原水原水101过滤器过滤器精密过滤器精密过滤器电渗析电渗析装置装置中空纤维超滤器中空纤维超滤器紫外线杀菌器紫外线杀菌器成成品水品水 （2）电渗析法回收酸洗废水中的硫酸和铁）电渗析法回收酸洗废水中的硫酸和铁（3）电渗析法处理芒硝废水）电渗析法处理芒硝废水 原水原水机械过滤器机械过滤器精密过滤器精密过滤器

12、电渗析电渗析装置装置阳离子交换器阳离子交换器脱气塔脱气塔阴离子交换阴离子交换器器成品水成品水环境工程环境工程环境工程环境工程环境工程环境工程环境工程环境工程环境工程环境工程 二、反渗析二、反渗析 1、原理：、原理：用一种半透膜将淡水和盐水隔开，用一种半透膜将淡水和盐水隔开，该膜只让水分子通过，而不让溶质通过。由于淡该膜只让水分子通过，而不让溶质通过。由于淡水中水分子的化学位比盐水中水分子的化学位高，水中水分子的化学位比盐水中水分子的化学位高，所以淡水中的水分子自发地通过膜而渗流入盐水所以淡水中的水分子自发地通过膜而渗流入盐水中，一直到盐水侧的水位上升到一定高度为止，中，一直到盐水侧的水位上升到

13、一定高度为止，此高度称为盐水的渗透压此高度称为盐水的渗透压。如在盐水侧施加压力。如在盐水侧施加压力P，当，当P=时，则水分子在膜两侧通过的数目相等，时，则水分子在膜两侧通过的数目相等，达到平衡状态。当压力达到平衡状态。当压力P时，则盐水中的水分子时，则盐水中的水分子将流向淡水中去，使盐水增浓，这就是反渗透现将流向淡水中去，使盐水增浓，这就是反渗透现象。象。 渗透压是区别溶液与纯水性质之间差别的一种渗透压是区别溶液与纯水性质之间差别的一种标志，以压力来表明。标志，以压力来表明。环境工程环境工程环境工程环境工程环境工程环境工程环境工程环境工程环境工程环境工程环境工程环境工程环境工程环境工程 环境工

14、程环境工程 2、反渗透装置、反渗透装置反渗透膜有醋酸纤维膜、聚酰胺膜两种。反渗透膜有醋酸纤维膜、聚酰胺膜两种。常用的装置：管式、螺旋式、空心纤维常用的装置：管式、螺旋式、空心纤维式、板式。式、板式。P105，表，表2-15环境工程环境工程 3、应用、应用（1）水的淡化）水的淡化（2）除盐）除盐（3）制取纯水）制取纯水（4）去除水中的细菌和病毒）去除水中的细菌和病毒反渗透装置前必须有充分的预处理装置。反渗透装置前必须有充分的预处理装置。 环境工程环境工程 三、超滤三、超滤 依靠压力和膜进行工作。依靠压力和膜进行工作。 制膜原料：醋酸纤维素或聚砜酰胺，因制膜原料：醋酸纤维素或聚砜酰胺，因删去热处理

15、工序，使制成的超滤膜的孔较大，删去热处理工序，使制成的超滤膜的孔较大，能够在较小的压力下工作，而且有较大的通能够在较小的压力下工作，而且有较大的通水量。水量。环境工程环境工程 超滤的机理：超滤的机理：除了有小孔的筛分作用，除了有小孔的筛分作用，它可不受渗透压力的阻碍之外，对于高分子它可不受渗透压力的阻碍之外，对于高分子溶质，还与溶质溶质，还与溶质水水膜之间的相互作膜之间的相互作用有关。膜对物质的拒斥性，取决于它们的用有关。膜对物质的拒斥性，取决于它们的分子大小、形状与性质。超滤一般用来分离分子大小、形状与性质。超滤一般用来分离分子量大于分子量大于500的物质，如细菌、蛋白质、的物质，如细菌、蛋白质、颜料、油类等。颜料、油类