水污染控制工程课件教学PPT作者孙体昌娄金生第10章膜分离

1、第第10章章 膜膜 分分 离离 法法第第10章章 膜分离膜分离 膜分离法膜分离法是以外界能量差为推动力，利用特殊的薄膜对溶是以外界能量差为推动力，利用特殊的薄膜对溶液中的双组分或多组分进行选择性透过，从而实现分离、液中的双组分或多组分进行选择性透过，从而实现分离、分级、提纯或富集的方法的统称。分级、提纯或富集的方法的统称。 透过膜的物质可以是溶剂，也可以是其中的一种或几种溶透过膜的物质可以是溶剂，也可以是其中的一种或几种溶质。质。 溶剂溶剂透过膜的过程称为透过膜的过程称为渗透渗透，溶质透过膜的过程称为，溶质透过膜的过程称为渗析渗析。 根据膜的种类、功能和过程推动力的不同，废水处理中常根据膜的种

2、类、功能和过程推动力的不同，废水处理中常用的膜分离法有渗析（用的膜分离法有渗析（D）、电渗析（）、电渗析（ED）、反渗透）、反渗透（RO）、纳滤（）、纳滤（NF）和超过滤（）和超过滤（UF）。）。 膜分离技术发展很快，在水和废水处理、化工、医疗、轻膜分离技术发展很快，在水和废水处理、化工、医疗、轻工、生化等领域有广泛的应用。工、生化等领域有广泛的应用。 本章介绍水和废水处理中常用的膜分离过程。本章介绍水和废水处理中常用的膜分离过程。第第10章章 膜分离膜分离 本书中涉及的膜分离过程如图本书中涉及的膜分离过程如图10-1所示。所示。图图10-1 10-1 膜分离过程示意图膜分离过程示意图1 1耐

3、压容器耐压容器 2 2膜膜 3 3浓水部分浓水部分 4 4产品水部分产品水部分浓水（污染物浓缩的部分）浓水（污染物浓缩的部分）4产品水（污染物浓度降低的部分）产品水（污染物浓度降低的部分）13原水原水（未经处理的废水）（未经处理的废水）24第第10章章 膜分离膜分离 可见，在废水处理中膜分离并不能完全把废水分成纯净的可见，在废水处理中膜分离并不能完全把废水分成纯净的水和污染物两部分，而只能把废水分成污染物浓度较低和水和污染物两部分，而只能把废水分成污染物浓度较低和污染物浓度较高的两部分。污染物浓度较高的两部分。 为叙述方便，本章中把未经膜分离处理的废水称为原水，为叙述方便，本章中把未经膜分离处

4、理的废水称为原水，处理后污染物在其中浓缩的部分称为浓水，污染物浓度降处理后污染物在其中浓缩的部分称为浓水，污染物浓度降低的部分称为产品水。低的部分称为产品水。 膜分离过程实现的关键是膜，不同的膜分离过程使用的膜膜分离过程实现的关键是膜，不同的膜分离过程使用的膜的性质也不同，本章介绍废水处理中常用的膜分离过程的的性质也不同，本章介绍废水处理中常用的膜分离过程的工艺、装置和基本原理。工艺、装置和基本原理。第第10章章 膜分离膜分离 10.1 10.1 渗析与电渗析渗析与电渗析 10.1.110.1.1原理和工作过程原理和工作过程 10.1.210.1.2电渗析装置电渗析装置 10.1.310.1.

5、3电渗析的特点和电渗析的特点和用途用途 10.1.410.1.4离子交换膜及透离子交换膜及透过机理过机理 10.1.510.1.5电渗析的工艺电渗析的工艺 10.1.610.1.6电渗析的影响因电渗析的影响因素素 10.2 10.2 反渗透反渗透 10.2.110.2.1反渗透的原理反渗透的原理 10.2.210.2.2反渗透膜组件反渗透膜组件 10.2.310.2.3反渗透膜反渗透膜 10.2.410.2.4反渗透膜的透过反渗透膜的透过机理机理 10.2.510.2.5反渗透装置的组反渗透装置的组合方式合方式 10.2.610.2.6反渗透工艺参数反渗透工艺参数第第10章章 膜分离膜分离 1

6、0.3 10.3 纳滤与超滤纳滤与超滤 10.4 10.4 膜的污染及清洗膜的污染及清洗 10.4.110.4.1膜的污染的原膜的污染的原因因 10.4.210.4.2膜的清洗膜的清洗 10.510.5膜分离法的特点膜分离法的特点及应用案例及应用案例 10.5.110.5.1膜分离的特点膜分离的特点和比较和比较 10.5.210.5.2膜分离应用案膜分离应用案例例第第10章章 膜分离膜分离 10.1 10.1 渗析与电渗析渗析与电渗析 10.1.110.1.1原理和工作过程原理和工作过程 10.1.210.1.2电渗析装置电渗析装置 10.1.310.1.3电渗析的特点和电渗析的特点和用途用途

7、 10.1.410.1.4离子交换膜及透离子交换膜及透过机理过机理 10.1.510.1.5电渗析的工艺电渗析的工艺 10.1.610.1.6电渗析的影响因电渗析的影响因素素 10.2 10.2 反渗透反渗透 10.2.110.2.1反渗透的原理反渗透的原理 10.2.210.2.2反渗透膜组件反渗透膜组件 10.2.310.2.3反渗透膜反渗透膜 10.2.410.2.4反渗透膜的透过反渗透膜的透过机理机理 10.2.510.2.5反渗透装置的组反渗透装置的组合方式合方式 10.2.610.2.6反渗透工艺参数反渗透工艺参数10.1 10.1 渗析与电渗析渗析与电渗析10.1.110.1.1

8、原理和工作过程原理和工作过程p 渗析是最早被发现和研究的膜分离过程，它是一种自然发渗析是最早被发现和研究的膜分离过程，它是一种自然发生的物理现象。生的物理现象。p 用允许水中溶质通过的膜将不同浓度的溶液隔开，溶质即用允许水中溶质通过的膜将不同浓度的溶液隔开，溶质即从浓度高的一侧透过膜而扩散到浓度低的一侧，这种过程从浓度高的一侧透过膜而扩散到浓度低的一侧，这种过程称为渗析过程，也称扩散渗析、浓差渗析。称为渗析过程，也称扩散渗析、浓差渗析。p 渗析过程的推动力是浓度梯度。渗析过程的推动力是浓度梯度。p 如果采用有选择性的膜，在溶质透过膜时，由于溶质分子如果采用有选择性的膜，在溶质透过膜时，由于溶质

9、分子的大小不同，所以扩散速度有差异，利用这种扩散速度的的大小不同，所以扩散速度有差异，利用这种扩散速度的差异就可以实现溶液中不同组分之间的分离。差异就可以实现溶液中不同组分之间的分离。p 渗析作用的推动力是浓度差，即依靠膜两侧溶液的浓度差渗析作用的推动力是浓度差，即依靠膜两侧溶液的浓度差引起溶质扩散从而实现分离。引起溶质扩散从而实现分离。p 这个扩散过程进行的很慢，需时较长，当膜两侧的浓度达这个扩散过程进行的很慢，需时较长，当膜两侧的浓度达到平衡时，渗析过程即停止。到平衡时，渗析过程即停止。p 通常只将这种方法用于分离移动速度较快的通常只将这种方法用于分离移动速度较快的H+及及OH离子，离子，

10、在废水处理中则主要用于酸、碱的回收，回收率可达在废水处理中则主要用于酸、碱的回收，回收率可达7090。p 渗析过程在医学上有广泛的应用，在废水处理中应用较少，渗析过程在医学上有广泛的应用，在废水处理中应用较少，此处不作详细介绍。此处不作详细介绍。p 电渗析是依靠对水中离子有选择透过性的离子交换膜，在电渗析是依靠对水中离子有选择透过性的离子交换膜，在直流电场的作用下，使离子有选择性地从一种溶液透过离直流电场的作用下，使离子有选择性地从一种溶液透过离子交换膜进入另一种溶液，以达到分离废水中离子的方法。子交换膜进入另一种溶液，以达到分离废水中离子的方法。p 其中的关键是离子交换膜，它有使离子选择性透

11、过的特性。其中的关键是离子交换膜，它有使离子选择性透过的特性。p 离子交换膜可以分为阳离子膜和阴离子膜两种，阳离子交离子交换膜可以分为阳离子膜和阴离子膜两种，阳离子交换膜（简称阳膜）只允许阳离子通过，而不允许阴离子通换膜（简称阳膜）只允许阳离子通过，而不允许阴离子通过；阴离子交换膜（简称阴膜）则只允许阴离子通过而不过；阴离子交换膜（简称阴膜）则只允许阴离子通过而不允许阳离子通过。允许阳离子通过。p 离子交换膜的结构在下一节详细讨论。离子交换膜的结构在下一节详细讨论。p 电渗析是依靠对水中离子有选择透过性的离子交换膜，在电渗析是依靠对水中离子有选择透过性的离子交换膜，在直流电场的作用下，使离子有

12、选择性地从一种溶液透过离直流电场的作用下，使离子有选择性地从一种溶液透过离子交换膜进入另一种溶液，以达到分离废水中离子的方法。子交换膜进入另一种溶液，以达到分离废水中离子的方法。p 其中的关键是离子交换膜，它有使离子选择性透过的特性。其中的关键是离子交换膜，它有使离子选择性透过的特性。p 离子交换膜可以分为阳离子膜和阴离子膜两种，阳离子交离子交换膜可以分为阳离子膜和阴离子膜两种，阳离子交换膜（简称阳膜）只允许阳离子通过，而不允许阴离子通换膜（简称阳膜）只允许阳离子通过，而不允许阴离子通过；阴离子交换膜（简称阴膜）则只允许阴离子通过而不过；阴离子交换膜（简称阴膜）则只允许阴离子通过而不允许阳离子

13、通过。允许阳离子通过。p 离子交换膜的结构在下一节详细讨论。离子交换膜的结构在下一节详细讨论。p 电渗析器的结构及其工作过程见图电渗析器的结构及其工作过程见图10-2，它是由一系列由，它是由一系列由阳膜和阴膜交替排列分隔成的小室构成的，这些小室位于阳膜和阴膜交替排列分隔成的小室构成的，这些小室位于阴、阳两电极中间，分别编号为阴、阳两电极中间，分别编号为。p 图中图中 代表阳离子，代表阳离子，代表阴离子。在电渗析器的进水端，代表阴离子。在电渗析器的进水端，各室中的离子浓度是相同的，水沿与膜平行的方向流动。各室中的离子浓度是相同的，水沿与膜平行的方向流动。当电极通入直流电时，会在极板之间形成电场，

14、在电场的当电极通入直流电时，会在极板之间形成电场，在电场的作用下，水中的离子会向不同的方向移动，阳离子向阴极作用下，水中的离子会向不同的方向移动，阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动。由于阳膜只允许阳离子通过，移动，阴离子向阳极移动。由于阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过，随着水在各室中的流动，各室中阴膜只允许阴离子通过，随着水在各室中的流动，各室中离子的运动轨迹不同。离子的运动轨迹不同。、室内的阳离子在运动时首先室内的阳离子在运动时首先碰到的是阴膜，由于阴膜不允许阳离子通过，所以这两室碰到的是阴膜，由于阴膜不允许阳离子通过，所以这两室中的阳离子仍保留在各自的室内。中的阳离子仍保留在各自

15、的室内。p 、室内的阳离子运动时首先碰到的是阳膜，由于室内的阳离子运动时首先碰到的是阳膜，由于阳膜允许阳离子通过，所以阳离子分别进入阳膜允许阳离子通过，所以阳离子分别进入、室，室，在电场力的作用下，阳离子会继续向阴极移动，当遇到阳在电场力的作用下，阳离子会继续向阴极移动，当遇到阳膜时又会被阻止而留在膜时又会被阻止而留在、室内，这样室内，这样、室中阳离子的浓度就会增加，而室中阳离子的浓度就会增加，而、室内的阳离子室内的阳离子浓度会降低。浓度会降低。p 阴离子也有类似的结果，读者可以自行分析。阴离子也有类似的结果，读者可以自行分析。p 所产生的结果是所产生的结果是、室内离子浓度升高，而室内离子浓度

16、升高，而、室内室内离子浓度降低，分别收集不同室的水，即可得到浓水和产离子浓度降低，分别收集不同室的水，即可得到浓水和产品水。品水。p 从图从图10-2中还可以看出，中还可以看出，、两室和电极接触，称为极两室和电极接触，称为极室，在两个极室内会出现离子电荷不平衡的现象，因此要室，在两个极室内会出现离子电荷不平衡的现象，因此要发生电极反应，以保持电荷的平衡，所以极室的水要单独发生电极反应，以保持电荷的平衡，所以极室的水要单独收集。收集。图图10-2 10-2 电渗析过程示意图电渗析过程示意图213进水时进水时出水时出水时原水原水浓水浓水产品水产品水456阳离子阳离子阴离子阴离子阴离子交换膜阴离子交

17、换膜阳离子交换膜阳离子交换膜电极阴极电极阴极 电极阳极电极阳极 10.1.210.1.2电渗析装置电渗析装置p实际使用的电渗析器由离子交换膜、隔板、电极、实际使用的电渗析器由离子交换膜、隔板、电极、极框和压紧装置等组成，如极框和压紧装置等组成，如图图10-3所示。所示。p为了减少电渗析器的体积和提高电流的效率，离为了减少电渗析器的体积和提高电流的效率，离子交换膜之间是用隔板隔开的，隔板是用绝缘材子交换膜之间是用隔板隔开的，隔板是用绝缘材料板制成的很薄的框，开有进、出水孔，放在阴、料板制成的很薄的框，开有进、出水孔，放在阴、阳膜之间。隔板的作用有两个：一是作为膜的支阳膜之间。隔板的作用有两个：一

18、是作为膜的支撑体，使两膜之间保持一段距离；二是作为水流撑体，使两膜之间保持一段距离；二是作为水流通道，使两层膜之间的水均匀分布。通道，使两层膜之间的水均匀分布。p隔板的长度方向流动，电流沿与隔板平面垂直的隔板的长度方向流动，电流沿与隔板平面垂直的方向流动。隔板四周的边框与有弹性的离子交换方向流动。隔板四周的边框与有弹性的离子交换膜在压紧时保持水密性，保证电渗析器内分成不膜在压紧时保持水密性，保证电渗析器内分成不同的室。隔板的材料有聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙同的室。隔板的材料有聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、硬橡胶板等。烯、硬橡胶板等。p根据隔板的厚度不同又分为薄隔板（根据隔板的厚度不同又分为薄隔板（1.

19、0mm)两种。废水处理中使用最多的是厚度为两种。废水处理中使用最多的是厚度为0.9mm的聚丙烯隔板。隔板又分为浓水室隔板和淡水的聚丙烯隔板。隔板又分为浓水室隔板和淡水室隔板两种，它们的结构基本相同，只是出水口的位室隔板两种，它们的结构基本相同，只是出水口的位置不同。置不同。p电极的作用是提供直流电，形成电场，因此也是电渗电极的作用是提供直流电，形成电场，因此也是电渗析器的主要部件。电极分为阳极和阴极。由于不同电析器的主要部件。电极分为阳极和阴极。由于不同电极的电极反应不同，所需的材料也不同。极的电极反应不同，所需的材料也不同。p常用的电极有石墨，可作阴极或阳极；铅板，也可作常用的电极有石墨，可

20、作阴极或阳极；铅板，也可作阴极或阳极；不锈钢，只能作阴极；铅银合金，作阴、阴极或阳极；不锈钢，只能作阴极；铅银合金，作阴、阳极均可。电极材料的选择要考虑所处理的水质、电阳极均可。电极材料的选择要考虑所处理的水质、电流密度、使用寿命、强度、加工难易程度和耐腐蚀性流密度、使用寿命、强度、加工难易程度和耐腐蚀性等因素。等因素。p极框放在电极和膜之间，其主要作用是隔离膜与电极，极框放在电极和膜之间，其主要作用是隔离膜与电极，提供极水流通和排出电极反应所产生的气体的通道。提供极水流通和排出电极反应所产生的气体的通道。图图10-3 10-3 电渗析器组装示意图电渗析器组装示意图1压紧板压紧板 2垫板垫板

21、3电极电极 4垫圈垫圈 5极水板极水板 6阳离子交换膜阳离子交换膜 7淡水隔板淡水隔板 8阴离子交换膜阴离子交换膜 9浓水隔板浓水隔板p 实际水处理过程一般需要通过多次电渗析过程才能完成，实际水处理过程一般需要通过多次电渗析过程才能完成，对不同的处理要求电渗析器的组装也有所不同。对不同的处理要求电渗析器的组装也有所不同。p 在介绍电渗析器的组装之前先介绍膜对和膜堆的概念。由在介绍电渗析器的组装之前先介绍膜对和膜堆的概念。由一对阴、阳离子交换膜和一对隔板交替排列组成的基本单一对阴、阳离子交换膜和一对隔板交替排列组成的基本单元称为膜对。元称为膜对。p 在两电极之间由若干个膜对组装在一起则称为膜堆。

22、电渗在两电极之间由若干个膜对组装在一起则称为膜堆。电渗析器组装的情况是用析器组装的情况是用“级级”和和“段段”来表示的，如来表示的，如图图10-4所示。所示。p 一对正、负电极之间的膜堆称为一级；具有同一水流方向一对正、负电极之间的膜堆称为一级；具有同一水流方向的并联膜堆称为一段。的并联膜堆称为一段。p 电渗析器分为多级的作用是降低两个电极之间的电压；分电渗析器分为多级的作用是降低两个电极之间的电压；分为多段的目的是使几段串联起来增长水的流程长度。为多段的目的是使几段串联起来增长水的流程长度。一级一段一级一段一级两段一级两段两级一段两级一段两级两段两级两段电极电极导向膜水流方向产品水产品水产品

23、水产品水产品水产品水产品水产品水图图10-4 10-4 电渗析器的级与段电渗析器的级与段10.1.310.1.3电渗析的特点和用途电渗析的特点和用途p 根据电渗析的原理和工艺过程可以总结出电渗析有如下根据电渗析的原理和工艺过程可以总结出电渗析有如下优优点：点： 它只对电解质离子起选择性迁移的作用，对非电解质不它只对电解质离子起选择性迁移的作用，对非电解质不起作用，因此电渗析可以用于含盐水的浓缩或淡化，也可起作用，因此电渗析可以用于含盐水的浓缩或淡化，也可以用于电解质与非电解质的分离；以用于电解质与非电解质的分离； 电渗析过程中没有物相的变化，因此能量消耗低。据统电渗析过程中没有物相的变化，因此

24、能量消耗低。据统计，电渗析法只有蒸馏法能耗的计，电渗析法只有蒸馏法能耗的1/4至至1/40； 电渗析过程不需要从外界添加任何物质，因此保证了被电渗析过程不需要从外界添加任何物质，因此保证了被分离物质的纯度，也没有二次污染问题，属清洁工艺；分离物质的纯度，也没有二次污染问题，属清洁工艺； 电渗析所需的压力比反渗透低；电渗析所需的压力比反渗透低； 对进水的预处理要求低。由于电渗析过程中水不透过膜，对进水的预处理要求低。由于电渗析过程中水不透过膜，仅是带电荷的离子透过膜，所以对水质要求低。仅是带电荷的离子透过膜，所以对水质要求低。p 由于电渗析过程中水不透过膜，仅是带电荷的离子透过膜，由于电渗析过程

25、中水不透过膜，仅是带电荷的离子透过膜，所以对水质要求低。电渗析的所以对水质要求低。电渗析的缺点缺点是：是：只对水中的离子起作用，对有机物不起作用；只对水中的离子起作用，对有机物不起作用；除盐效率比较低；除盐效率比较低；设备结构比较复杂且对组装的要求高。设备结构比较复杂且对组装的要求高。p电渗析可以用于水的除盐，如海水和苦咸水淡化，电渗析可以用于水的除盐，如海水和苦咸水淡化，淡水除盐，去除废水中的氟化物和砷化物。电渗淡水除盐，去除废水中的氟化物和砷化物。电渗析也可以作为离子交换法的预处理手段，可以大析也可以作为离子交换法的预处理手段，可以大幅度地减少离子交换过程再生废液的产生；也可幅度地减少离子

26、交换过程再生废液的产生；也可以用来从废水中回收电解质、酸和碱等物质以用来从废水中回收电解质、酸和碱等物质第第10章章 膜分离膜分离 10.1 10.1 渗析与电渗析渗析与电渗析 10.1.110.1.1原理和工作过程原理和工作过程 10.1.210.1.2电渗析装置电渗析装置 10.1.310.1.3电渗析的特点和电渗析的特点和用途用途 10.1.410.1.4离子交换膜及透离子交换膜及透过机理过机理 10.1.510.1.5电渗析的工艺电渗析的工艺 10.1.610.1.6电渗析的影响因电渗析的影响因素素 10.2 10.2 反渗透反渗透 10.2.110.2.1反渗透的原理反渗透的原理 1

27、0.2.210.2.2反渗透膜组件反渗透膜组件 10.2.310.2.3反渗透膜反渗透膜 10.2.410.2.4反渗透膜的透过反渗透膜的透过机理机理 10.2.510.2.5反渗透装置的组反渗透装置的组合方式合方式 10.2.610.2.6反渗透工艺参数反渗透工艺参数10.1.410.1.4离子交换膜及透过机理离子交换膜及透过机理p 从上述分析可知，离子交换膜是电渗析器的关键部分，它从上述分析可知，离子交换膜是电渗析器的关键部分，它具有与离子交换树脂（见第具有与离子交换树脂（见第8章）类似的组成，其中含有章）类似的组成，其中含有活性基团和能使离子透过的细孔。活性基团和能使离子透过的细孔。p

28、离子交换膜的种类很多，分类方法也较多，这里介绍常用离子交换膜的种类很多，分类方法也较多，这里介绍常用的几种。的几种。p 1按膜的结构分类按膜的结构分类 按膜的结构可以把离子交换膜分为按膜的结构可以把离子交换膜分为异相膜异相膜、均相膜均相膜和和半均半均相膜相膜三类。三类。 异相膜异相膜是把离子交换树脂磨成粉末与黏合剂混合后加工成是把离子交换树脂磨成粉末与黏合剂混合后加工成薄膜状制成的，其中含有离子交换树脂和黏合剂，这样形薄膜状制成的，其中含有离子交换树脂和黏合剂，这样形成的膜的化学结构是不连续的，所以称为异相膜，也称为成的膜的化学结构是不连续的，所以称为异相膜，也称为非均相膜。这类膜的优点是制造

29、容易、价格便宜；缺点是非均相膜。这类膜的优点是制造容易、价格便宜；缺点是选择性差、膜电阻也较大。选择性差、膜电阻也较大。 均相膜均相膜有两种生产方式：有两种生产方式：l 一是由具有离子交换基团的高分子材料直接制成的膜；一是由具有离子交换基团的高分子材料直接制成的膜；l 二是在高分子材料制成的膜基上直接接上具有离子交换功二是在高分子材料制成的膜基上直接接上具有离子交换功能的活性基团而制成的。能的活性基团而制成的。 这类膜的离子交换基团与成膜的高分子材料之间发生化学这类膜的离子交换基团与成膜的高分子材料之间发生化学结合，其组成是均匀的，所以称为均相膜。均相膜的性能结合，其组成是均匀的，所以称为均相

30、膜。均相膜的性能优于异相膜，所以应用较多。优于异相膜，所以应用较多。 半均相膜半均相膜的成膜高分子材料与离子交换活性基团结合得很的成膜高分子材料与离子交换活性基团结合得很均匀，但它们之间并没有形成化学结合。半均相膜的外观、均匀，但它们之间并没有形成化学结合。半均相膜的外观、结构和性能都介于异相膜与均相膜之间。结构和性能都介于异相膜与均相膜之间。p2. 按膜中活性基团分类按膜中活性基团分类 按膜中离子交换基团的不同，离子交换膜可分为阳离子交按膜中离子交换基团的不同，离子交换膜可分为阳离子交换膜、阴离子交换膜和复合膜三种。换膜、阴离子交换膜和复合膜三种。l 阳膜阳膜含有阳离子交换基团，在水中交换基

31、团发生离解，使含有阳离子交换基团，在水中交换基团发生离解，使膜上带有负电，能排斥水中的阴离子阻止其穿过，但却能膜上带有负电，能排斥水中的阴离子阻止其穿过，但却能吸引水中的阳离子并使其通过。吸引水中的阳离子并使其通过。l 阴膜阴膜含有阴离子交换基团，在水中离解出阴离子，使膜上含有阴离子交换基团，在水中离解出阴离子，使膜上带正电，吸引阴离子并使其通过。带正电，吸引阴离子并使其通过。l 复合膜复合膜是把阴离子交换膜和阳离子交换膜贴在一起构成的是把阴离子交换膜和阳离子交换膜贴在一起构成的特殊用途的膜。特殊用途的膜。p3按成膜材料的性质分类按成膜材料的性质分类 离子交换膜可以分为有机离子交换膜和无机离子

32、交换膜两离子交换膜可以分为有机离子交换膜和无机离子交换膜两类。类。l 有机离子交换膜有机离子交换膜是由各种高分子材料制成的，常用的材料是由各种高分子材料制成的，常用的材料有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚砜等。无机离子交换膜有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚砜等。无机离子交换膜是由无机材料制成的，常用磷酸锆和钒酸铝等。是由无机材料制成的，常用磷酸锆和钒酸铝等。l 无机离子交换膜无机离子交换膜具有热稳定、抗氧化、耐辐射等特点，一具有热稳定、抗氧化、耐辐射等特点，一般用在特殊场合，废水处理中应用较少。般用在特殊场合，废水处理中应用较少。p4离子交换膜的选择性透过机理离子交换膜的选择性透过机理 阳离子交换膜

33、只允许阳离子通过的原因可以定性的解释如阳离子交换膜只允许阳离子通过的原因可以定性的解释如下：下： 由于阳离子交换膜由阳离子交换树脂制成，因此阳离子可由于阳离子交换膜由阳离子交换树脂制成，因此阳离子可以在树脂母体内自由运动，在电场力的作用下阳离子可以以在树脂母体内自由运动，在电场力的作用下阳离子可以从膜中脱离而透过膜，此时会造成膜内的电荷不平衡，使从膜中脱离而透过膜，此时会造成膜内的电荷不平衡，使膜内带负电，此时水中的阳离子在电场力的作用下进入离膜内带负电，此时水中的阳离子在电场力的作用下进入离子交换膜内部，以保持膜内的电中性，这种过程可以一直子交换膜内部，以保持膜内的电中性，这种过程可以一直进

34、行下去，直到水中阳离子的数量下降到一定程度，因此进行下去，直到水中阳离子的数量下降到一定程度，因此阳离子可以穿过阳离子交换膜。阳离子可以穿过阳离子交换膜。 阴离子不能穿过阳离子交换膜的原因在于，阳离子交换膜阴离子不能穿过阳离子交换膜的原因在于，阳离子交换膜上所带的阴离子是与膜的骨架相联的（见上所带的阴离子是与膜的骨架相联的（见9.6节），因此节），因此是不能移动的，当水中的阴离子进入膜内部时会使靠近膜是不能移动的，当水中的阴离子进入膜内部时会使靠近膜表面处的负电荷增加，这种负电荷的增加在膜的表面形成表面处的负电荷增加，这种负电荷的增加在膜的表面形成一道一道“门坎门坎”，因此阴离子不能进入到膜的

35、内部，更不能，因此阴离子不能进入到膜的内部，更不能穿过膜。阴离子交换膜允许阴离子穿过而阻止阳离子穿过穿过膜。阴离子交换膜允许阴离子穿过而阻止阳离子穿过的原因是相同的。的原因是相同的。 在实际运行时仍有少量的异号离子穿过膜。穿过阳膜的离在实际运行时仍有少量的异号离子穿过膜。穿过阳膜的离子中阳离子占子中阳离子占9095，阴离子占，阴离子占510。10.1.510.1.5电渗析的工艺电渗析的工艺p 根据处理要求的不同，常用电渗析处理废水的工艺可以分根据处理要求的不同，常用电渗析处理废水的工艺可以分为直流式、循环式和部分循环式三种，下面分别介绍。为直流式、循环式和部分循环式三种，下面分别介绍。p 1直

36、流式直流式 直流式处理工艺如直流式处理工艺如图图10-510-5所示，即废水只通过一次电渗析所示，即废水只通过一次电渗析器即可达到处理要求。根据处理水量的大小和水质的要求，器即可达到处理要求。根据处理水量的大小和水质的要求，可以采用串连式、并联式或串、并联混合式。可以采用串连式、并联式或串、并联混合式。 图图10-510-5只表示出通过一次电渗析的直流式工艺。串联即在只表示出通过一次电渗析的直流式工艺。串联即在一次电渗析出水后再加一次电渗析，这样可以提高出水的一次电渗析出水后再加一次电渗析，这样可以提高出水的质量。如果需要增加处理量可以采用并联方式。质量。如果需要增加处理量可以采用并联方式。

37、直流式电渗析工艺的特点是运行参数基本固定，电渗析器直流式电渗析工艺的特点是运行参数基本固定，电渗析器和水泵都可以在高效率下运行。这种工艺适合于水量和原和水泵都可以在高效率下运行。这种工艺适合于水量和原水水质恒定的情况。水水质恒定的情况。图图10-5 10-5 直流式电渗析工艺示意图直流式电渗析工艺示意图产品水产品水浓水浓水125436原水原水原水池原水池浓水室浓水室 电渗析器电渗析器进水槽进水槽 水泵水泵电极电极 浓水室浓水室 淡水室淡水室p2间歇循环式间歇循环式p 这种方式是间歇运行的，其工艺如图这种方式是间歇运行的，其工艺如图10-6所示。所示。p 该工艺是一次性把水槽充满，然后使水通过电

38、渗析器进行该工艺是一次性把水槽充满，然后使水通过电渗析器进行循环，循环过程中不断排出浓水，去除废水中的污染物，循环，循环过程中不断排出浓水，去除废水中的污染物，当水池中的水达到需要的水质标准时，停止循环即可完成当水池中的水达到需要的水质标准时，停止循环即可完成处理过程，取出水池中的产品水，再换成原水进行下一批处理过程，取出水池中的产品水，再换成原水进行下一批处理。这种工艺的优点是不管原水如何变化，总能得到合处理。这种工艺的优点是不管原水如何变化，总能得到合格的产品水，而且除盐的速度快。格的产品水，而且除盐的速度快。p 缺点是不能连续出水，另外电渗析器工作状况随时间的变缺点是不能连续出水，另外电

39、渗析器工作状况随时间的变化而变化，操作比较麻烦。这种工艺适合于原水浓度高、化而变化，操作比较麻烦。这种工艺适合于原水浓度高、水量小，但对产品水要求高的情况。水量小，但对产品水要求高的情况。图图10-6 10-6 循环式电渗析工艺示意图循环式电渗析工艺示意图浓水浓水125436产品水产品水原水池原水池电渗析器电渗析器进水槽进水槽 水泵水泵电极电极 浓水室浓水室 淡水室淡水室p3部分循环式部分循环式 部分循环式是直流式和循环式相结合的一种工艺，如部分循环式是直流式和循环式相结合的一种工艺，如图图10-7所示。所示。 它是连续操作工艺，原水连续进入原水池，同时排出等量它是连续操作工艺，原水连续进入原

40、水池，同时排出等量的产品水，但有一部分水在电渗析器内循环，该部分水与的产品水，但有一部分水在电渗析器内循环，该部分水与产水量无关，所以电渗析器内的流速不受产水量的影响，产水量无关，所以电渗析器内的流速不受产水量的影响，运行管理比较方便。该方式用于处理水量较大的情况。这运行管理比较方便。该方式用于处理水量较大的情况。这种方式的缺点是需要循环系统，设备和动力消耗有所增加。种方式的缺点是需要循环系统，设备和动力消耗有所增加。在废水处理中也经常使用另外一种浓水部分循环工艺，在废水处理中也经常使用另外一种浓水部分循环工艺，它与图它与图10-7基本相同，只是把循环的部分变为浓水，而产基本相同，只是把循环的

41、部分变为浓水，而产品水直接排出，这种工艺有利于产生更大量的产品水，同品水直接排出，这种工艺有利于产生更大量的产品水，同时使浓水中污染物的浓度提高，有利于污染物的回收。时使浓水中污染物的浓度提高，有利于污染物的回收。浓水浓水125436产品水产品水原水原水原水池原水池电渗析器电渗析器进水槽进水槽 水泵水泵电极电极 浓水室浓水室 淡水室淡水室图图10-7 10-7 部分循环式电渗析工艺示意图部分循环式电渗析工艺示意图10.1.610.1.6电渗析的影响因素电渗析的影响因素p 1电流密度电流密度 电流密度电流密度是指电渗析器电极单位面积上所通过的电流强度，是指电渗析器电极单位面积上所通过的电流强度，

42、一般用一般用A/cm2表示。表示。 电流密度是电渗析过程处理费用的一个决定因素，在水质电流密度是电渗析过程处理费用的一个决定因素，在水质一定的条件下，采用较大的电流密度可以减少膜的面积，一定的条件下，采用较大的电流密度可以减少膜的面积，降低整个电渗析器的造价，但同时电能的消耗会增加；反降低整个电渗析器的造价，但同时电能的消耗会增加；反之，降低电流密度可以降低电能的消耗，但由于膜的面积之，降低电流密度可以降低电能的消耗，但由于膜的面积必须增加，所以电渗析器的造价会提高，因此存在最佳电必须增加，所以电渗析器的造价会提高，因此存在最佳电流密度，使得电渗析器的造价和运行费用之和最小。流密度，使得电渗析

43、器的造价和运行费用之和最小。 另外电流密度也不可能无限制增加，实际上存在极限电流另外电流密度也不可能无限制增加，实际上存在极限电流密度，超过该电流密度，电能消耗会急剧增加，处理效果密度，超过该电流密度，电能消耗会急剧增加，处理效果也会降低。也会降低。p 2流速和压力流速和压力 流速是指水流在电渗析器膜对内流动的速度，它与进水的流速是指水流在电渗析器膜对内流动的速度，它与进水的压力有关，流速增加进水压力也增加，压力增加会使电渗压力有关，流速增加进水压力也增加，压力增加会使电渗析器产生变形或漏水。析器产生变形或漏水。 流速过小，膜对之间的水流达不到紊流状态，容易产生极流速过小，膜对之间的水流达不到

44、紊流状态，容易产生极化结垢，使处理效果下降，也会使悬浮物在膜上沉积。因化结垢，使处理效果下降，也会使悬浮物在膜上沉积。因此流速和压力有上、下限，一般流速应控制在此流速和压力有上、下限，一般流速应控制在525 cm/s，进水压力不超过进水压力不超过0.3MPa.p 3浓缩倍数浓缩倍数 从电渗析的原理可知，经电渗析处理后的水分为浓水和产从电渗析的原理可知，经电渗析处理后的水分为浓水和产品水两部分，如果是处理废水，则经电渗析处理后污染物品水两部分，如果是处理废水，则经电渗析处理后污染物在浓水中浓度增加，在产品水中浓度降低。在浓水中浓度增加，在产品水中浓度降低。 其中浓水中污染物的浓度与进水浓度之比称

45、为其中浓水中污染物的浓度与进水浓度之比称为浓缩倍数浓缩倍数。 浓缩倍数也是电渗析工艺中重要的参数，浓缩倍数高，浓浓缩倍数也是电渗析工艺中重要的参数，浓缩倍数高，浓水的体积小，有利于浓水的进一步处理，同时产品水的体水的体积小，有利于浓水的进一步处理，同时产品水的体积大，也有利于水的充分利用。但是浓缩倍数越高，浓水积大，也有利于水的充分利用。但是浓缩倍数越高，浓水和淡水之间的浓度差越大，这会使膜的选择性透过性降低，和淡水之间的浓度差越大，这会使膜的选择性透过性降低，污染物的去除率下降，产品水的质量也会下降。污染物的去除率下降，产品水的质量也会下降。 目前常用的浓缩倍数为目前常用的浓缩倍数为510倍

46、。对不同的原水水质和不同倍。对不同的原水水质和不同的离子交换膜，最佳浓缩倍数也不同，应通过试验确定。的离子交换膜，最佳浓缩倍数也不同，应通过试验确定。p 4对进、出水质的要求对进、出水质的要求 从电渗析的原理可以看出，电渗析过程只能除去水中的无从电渗析的原理可以看出，电渗析过程只能除去水中的无机离子，而对非离子态物质或大部分有机物的去除效果很机离子，而对非离子态物质或大部分有机物的去除效果很差。差。 因此电渗析的进水要经过预处理，一般是用过滤或混凝沉因此电渗析的进水要经过预处理，一般是用过滤或混凝沉淀法，目的是除去废水中的悬浮物、胶体杂质和有机物。淀法，目的是除去废水中的悬浮物、胶体杂质和有机

47、物。 电渗析所能达到的出水水质也有限度，一般产品水中溶解电渗析所能达到的出水水质也有限度，一般产品水中溶解性固体的含量在性固体的含量在1mg/L以上。以上。第第10章章 膜分离膜分离 10.1 10.1 渗析与电渗析渗析与电渗析 10.1.110.1.1原理和工作过程原理和工作过程 10.1.210.1.2电渗析装置电渗析装置 10.1.310.1.3电渗析的特点和电渗析的特点和用途用途 10.1.410.1.4离子交换膜及透离子交换膜及透过机理过机理 10.1.510.1.5电渗析的工艺电渗析的工艺 10.1.610.1.6电渗析的影响因电渗析的影响因素素 10.2 10.2 反渗透反渗透

48、10.2.110.2.1反渗透的原理反渗透的原理 10.2.210.2.2反渗透膜组件反渗透膜组件 10.2.310.2.3反渗透膜反渗透膜 10.2.410.2.4反渗透膜的透过反渗透膜的透过机理机理 10.2.510.2.5反渗透装置的组反渗透装置的组合方式合方式 10.2.610.2.6反渗透工艺参数反渗透工艺参数10.210.2反渗透反渗透10.2.110.2.1反渗透的原理反渗透的原理p 如果用只允许溶剂透过而不允许溶质透过的半透膜将废水如果用只允许溶剂透过而不允许溶质透过的半透膜将废水和纯水隔开，如图和纯水隔开，如图10-8a10-8a所示，开始时两边的液面高度是相所示，开始时两边

49、的液面高度是相同的，随着时间的推移，可发现水将从纯水一侧透过膜自同的，随着时间的推移，可发现水将从纯水一侧透过膜自动地渗透到废水一侧，使废水一侧的液面升高，这种现象动地渗透到废水一侧，使废水一侧的液面升高，这种现象称为渗透，渗透过程的推动力是浓度差。称为渗透，渗透过程的推动力是浓度差。p 渗透的进行是有限度的，在两侧的液面差达到一定数值后，渗透的进行是有限度的，在两侧的液面差达到一定数值后，渗透即停止，此时称达到了渗透平衡，如图渗透即停止，此时称达到了渗透平衡，如图10-8b10-8b所示。所示。p 当渗透平衡时，半透膜两侧液面的高度差称为渗透压。当渗透平衡时，半透膜两侧液面的高度差称为渗透压

50、。p 如果在废水一侧的表面上施加大于渗透压的压力如果在废水一侧的表面上施加大于渗透压的压力P P，由于，由于半透膜不允许溶质通过，其中的水就会流向纯水一侧，该半透膜不允许溶质通过，其中的水就会流向纯水一侧，该过程称为反渗透，如图过程称为反渗透，如图10-8c10-8c所示。由此过程可知，反渗透所示。由此过程可知，反渗透过程必须具备两个条件：一是有半透膜；二是在废水侧所过程必须具备两个条件：一是有半透膜；二是在废水侧所加的压力必须大于渗透压。加的压力必须大于渗透压。 在浓水边加压，当压力超过渗在浓水边加压，当压力超过渗透压时，则水透过半透膜，即透压时，则水透过半透膜，即反渗透，实现净化过程。反渗

51、透，实现净化过程。P开始开始时两时两边液边液面相面相同同半透膜半透膜盐水盐水盐水纯水纯水纯水渗透压渗透压由于浓度差存在，半透膜又由于浓度差存在，半透膜又不允许溶质通过，所以水透不允许溶质通过，所以水透过膜，使浓水一边液面升高，过膜，使浓水一边液面升高，产生渗透压产生渗透压p 任何溶液都具有相应的渗透压，但要有半透膜才能表现出任何溶液都具有相应的渗透压，但要有半透膜才能表现出来。来。p 渗透压的大小与溶液的性质、溶质的浓度和温度有关，而渗透压的大小与溶液的性质、溶质的浓度和温度有关，而与膜无关。废水是一种多组分的溶液，所以也有渗透压，与膜无关。废水是一种多组分的溶液，所以也有渗透压，其渗透压的大

52、小与废水中的污染物的种类和浓度有关。其渗透压的大小与废水中的污染物的种类和浓度有关。p 用半透膜把废水和纯水分开时，在废水一侧加压，使纯水用半透膜把废水和纯水分开时，在废水一侧加压，使纯水透过半透膜，而把污染物截留在废水一侧，即可实现废水透过半透膜，而把污染物截留在废水一侧，即可实现废水的净化。的净化。p 为了实现反渗透过程，必须在废水一侧加压，且只有当所为了实现反渗透过程，必须在废水一侧加压，且只有当所加的压力大于废水的渗透压时，反渗透才能进行。值得指加的压力大于废水的渗透压时，反渗透才能进行。值得指出的是，随着反渗透的进行，由于水透过了半透膜，污染出的是，随着反渗透的进行，由于水透过了半透

53、膜，污染物被截留，所以废水的浓度逐渐升高，相应的渗透压也会物被截留，所以废水的浓度逐渐升高，相应的渗透压也会增加，当渗透压与所加的压力相等时，反渗透就会停止。增加，当渗透压与所加的压力相等时，反渗透就会停止。p 因此在用反渗透处理废水时，所加的压力必须超过浓水的因此在用反渗透处理废水时，所加的压力必须超过浓水的渗透压。另外温度升高，渗透压也增高，所以废水温度的渗透压。另外温度升高，渗透压也增高，所以废水温度的增高必须通过增加工作压力予以补偿，才能保证反渗透的增高必须通过增加工作压力予以补偿，才能保证反渗透的顺利进行。顺利进行。p 实际应用时反渗透过程是通过反渗透装置完成的，反渗透实际应用时反渗

54、透过程是通过反渗透装置完成的，反渗透装置又是由膜组件排列组合而成的，因此先介绍反渗透膜装置又是由膜组件排列组合而成的，因此先介绍反渗透膜组件的种类和结构。组件的种类和结构。10.2.210.2.2反渗透膜组件反渗透膜组件p 实际废水处理中使用的反渗透装置是由多个构造相同的单实际废水处理中使用的反渗透装置是由多个构造相同的单元组合而成的，一般把构成反渗透装置的相同的单元称为元组合而成的，一般把构成反渗透装置的相同的单元称为膜组件。根据需要反渗透膜组件可以有不同的形式，常用膜组件。根据需要反渗透膜组件可以有不同的形式，常用的有板框式、管式、螺旋卷式和中空纤维式等四种。的有板框式、管式、螺旋卷式和中

55、空纤维式等四种。p 1板框式反渗透膜组件板框式反渗透膜组件 图图10-9是板框式反渗透膜组件的结构示意图。整个装置由是板框式反渗透膜组件的结构示意图。整个装置由若干块圆形透水多孔板若干块圆形透水多孔板4重叠起来组成，然后放入耐压容重叠起来组成，然后放入耐压容器器1中。圆板中间部分是多孔性材料，每块板两面都装上中。圆板中间部分是多孔性材料，每块板两面都装上平板状反渗透膜平板状反渗透膜3，膜的周边用胶粘剂与圆板外环密封。，膜的周边用胶粘剂与圆板外环密封。圆板中间与产品水管相通引出透过膜的水。加压后的原水圆板中间与产品水管相通引出透过膜的水。加压后的原水由原水进口由原水进口2进入，串联通过每层圆板，

56、透过膜的水集中进入，串联通过每层圆板，透过膜的水集中到产品水管到产品水管5收集。浓水从另一端排出。收集。浓水从另一端排出。图图10-10是其实际是其实际结构图。结构图。图图10-9 10-9 板框式反渗透膜组件结构简图板框式反渗透膜组件结构简图原水原水浓水浓水产品水产品水产品水产品水耐压容器耐压容器反渗透膜反渗透膜 原水进口原水进口 透水板透水板 产品水管产品水管 产品水流向产品水流向 浓水流向浓水流向原原水水浓浓水水产品水产品水原水原水产品水产品水23415图图10-10 10-10 耐压板框式反渗透膜组件示意图耐压板框式反渗透膜组件示意图1压紧螺栓压紧螺栓 2O型密封圈型密封圈 3反渗透膜

57、反渗透膜 4多孔板多孔板 5耐压容器耐压容器板框式反渗透膜组件的优点是结构简单，体积比管式板框式反渗透膜组件的优点是结构简单，体积比管式的小；缺点是装卸复杂，单位体积膜表面积小。的小；缺点是装卸复杂，单位体积膜表面积小。p 2管式反渗透膜组件管式反渗透膜组件 管式反渗透膜组件所用的反渗透膜是管状的，其直径一般管式反渗透膜组件所用的反渗透膜是管状的，其直径一般为为1020mm ，长，长13 m。把管状反渗透膜装入多孔耐高压。把管状反渗透膜装入多孔耐高压管中，常用的耐压管有铜管、玻璃钢管或陶瓷管。在膜与管中，常用的耐压管有铜管、玻璃钢管或陶瓷管。在膜与耐压管之间衬以尼龙布以便透水。耐压管之间衬以尼

58、龙布以便透水。根据膜所处的位置和原水进入的方向，管式膜组件又根据膜所处的位置和原水进入的方向，管式膜组件又分为内压式和外压式，结构如图分为内压式和外压式，结构如图10-11所示。所示。l 内压式是反渗透膜内压式是反渗透膜2在耐压管在耐压管1的内侧，原水由管的内部给的内侧，原水由管的内部给入，产品水从外部排出，如图入，产品水从外部排出，如图10-11a所示；所示；l 外压式正好相反，反渗透膜在耐压管的外面，原水由膜的外压式正好相反，反渗透膜在耐压管的外面，原水由膜的外部给入，产品水则从管状膜的内部排出，如图外部给入，产品水则从管状膜的内部排出，如图10-11b所所示。示。1212浓水浓水浓水浓水

59、原水原水原原水水原原水水产品产品水水产产品品水水产产品品水水10-1110-11内压式和外压式管式膜组件的结构示意图内压式和外压式管式膜组件的结构示意图1管装反渗透膜管装反渗透膜 2耐压管耐压管 a)内压式内压式b)外压式外压式 实际使用的管式膜组件结构形式有多种，图实际使用的管式膜组件结构形式有多种，图10-12是其中的是其中的一种，它是把膜的两端做成喇叭口型，通过橡胶垫圈密封。一种，它是把膜的两端做成喇叭口型，通过橡胶垫圈密封。图图10-12 10-12 内压式管式膜组件的结构图内压式管式膜组件的结构图27产品水产品水产品水产品水浓水浓水原水原水1螺母螺母 2支撑管支撑管 3透水孔透水孔

60、4橡胶垫圈橡胶垫圈 5套管套管 6尼龙布透水层尼龙布透水层 7管状膜管状膜 8扩张接口扩张接口l 管式膜组件又分为单管式和束管式。单管式即一个膜组件管式膜组件又分为单管式和束管式。单管式即一个膜组件中只有一个管状膜组件。束管式在一个膜组件中有多个管中只有一个管状膜组件。束管式在一个膜组件中有多个管状膜组件，相当于把多个单管组合起来放在同一个耐压容状膜组件，相当于把多个单管组合起来放在同一个耐压容器内，这样可以减小组件的体积。器内，这样可以减小组件的体积。l 束管式膜组件也有外压式和内压式之分，其基本原理与单束管式膜组件也有外压式和内压式之分，其基本原理与单管式相同。外压束式膜组件的结构见图管式