13-2 膜分离.ppt

1、水污染控制工程,Water Pollution Control Engineering,唐玉朝 安徽建筑工业学院环境工程系 E-mail: Department of Environmental Engineering, Anhui University of Architecture Copyright Reserved!,膜分离技术,Water Pollution Control Engineering,膜分离概述 扩散渗析 电渗析 反渗透 微滤与超滤 膜污染与劣化,膜分离技术,Water Pollution Control Engineering,膜分离概述,利用特殊的膜对溶液中一定成分

2、的物质进行选择性透过的处理方法。渗析指溶质透过膜，渗透指溶剂透过膜，水污染指水。 膜分离是一种分离技术，在化工医药生物水处理领域应用.,Water Pollution Control Engineering,1. 膜分离概述,膜分离概述,膜分离技术特点: 膜分离是物质分离技术,分离过程无相变发生,能量利用率高;而且在常温下进行; 不添加其他物质,无污染而且节省材料;(如氧化,萃取,混凝,中和,沉淀) 分离物质同时可以浓缩回收有用物质; 装置简单,设备小,占地少,处理效果高; 出水水质好, 多作深度处理,特殊废水处理或饮用水净化; 处理成本高,处理能力小.,Water Pollution Con

3、trol Engineering,膜分离概述,膜分离的机理 膜分离的推动力： 电位差-电渗析; 浓度差-扩散渗析 压力差-反渗透,超滤, 纳滤, 微滤.,Water Pollution Control Engineering,膜分离概述,以压力差为推动力的膜分离技术比较:,Water Pollution Control Engineering,离子,病毒,腐殖质,黏土,细菌,藻类,砂粒,反渗透,纳滤,超滤,微滤,一般过滤,膜分离,膜分离概述,半透膜的作用类型: 薄膜的孔径大小不同，分离大小不同的分子; 离子交换作用，可以透过阳离子或阴离子; 选择性溶解某些物质.,Water Pollution

4、 Control Engineering,返回,扩散渗析,原理示意图:,Water Pollution Control Engineering,NaCl,蔗糖,烧杯,半透膜,穿孔杯,2. 扩散渗析,扩散渗析,扩散渗析处理钢厂酸废水(废水含FeCl2,HCl). 通过阴离子膜，含FeCl2和HCl的废水两者分离.,Water Pollution Control Engineering,OH,Cl,Cl,酸性废水,含FeCl2,HCl,HCl,FeCl2,清水,阴离子膜,Fe2+,Fe2+,Fe2+,Fe2+,扩散渗析,扩散渗析特点: 扩散慢,只适用处理透过性能强的物质,如H+,OH,主要用于酸碱

5、回收;不能浓缩;与电渗析结构类似,但推动力为浓度差,无电极.,Water Pollution Control Engineering,返回,电渗析,(1)电渗析原理： 在外加直流电场作用下,利用阴阳离子交换膜的选择透过性分离水中物质.,Water Pollution Control Engineering,3. 电渗析,电渗析,电渗析示意图:蓝色表示阴离子膜,可以透过阴离子,红色表示阳离子膜,可以透过阳离子.,Water Pollution Control Engineering,阳极,阴极,含盐废水,+,+,+,+,淡水,浓水,浓室,淡室,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,

6、+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,电渗析,(2) 电渗析过程副反应： 反离子迁移,离子交换膜的选择透过性达不到100,浓盐室浓度大反离子迁移多; 电解质浓差扩散,浓室离子浓度大,在浓度差的作用下向淡室扩散; 水的渗透,水在渗透压的作用下向浓室渗透,由于水合离子的携带向浓室渗透; 水电离. 降低除盐效果; 降低淡水产量; 消耗电.,Water Pollution Control Engineering,电渗析,(3)电渗析的浓差极化: 离子迁移: 阳(阴)离子在溶液中的迁移数( t ),通电时阳(阴

7、)离子迁移的电量占所有离子迁移的电量比,阳离子在阳膜内的迁移数( )理想为1, 阴离子在阴膜内的迁移数理想也为1, 所以阳离子在阳膜内的迁移数(阴离子在阴膜内的迁移数)必定大于在溶液占的迁移数.,Water Pollution Control Engineering,电渗析,离子在膜内的迁移数必定大于在溶液中的迁移数,在膜的淡水侧,界面处的离子浓度小于溶液中的离子浓度,在浓水侧,界面处的离子浓度大于溶液中离子浓度.,Water Pollution Control Engineering,浓室,淡室,C,C,c,c,阳离子膜,电场,电渗析,浓差极化 电流密度越大,离子迁移越快,界面处的浓度梯度越

8、大,电流密度大到一定值时,出现C趋于0,淡水侧的水分子电离,形成H+和OH,这种情况称为浓差极化,该电流为极限电流密度.浓差极化主要发生在阳离子膜的淡水侧和阴离子膜的浓水侧.,Water Pollution Control Engineering,电渗析,极限电流密度 离子在膜内的迁移数( ),离子在溶液的迁移数(t),极限电流密度ilim,C淡水室浓度, 离子扩散系数D,法拉第常数F,扩散层厚度. 则有: (1) 离子在膜的迁移量 溶液迁移量 扩散量 .(2),Water Pollution Control Engineering,电渗析, k/vn ，k为实验常数,v为淡水室的水流线速度,

9、n为流速指数. ilim (3) 将K =FD/( - t)k带入,K为特性常数,与膜性能隔板水温度水离子组成有关. 极限电流密度公式：ilim KCvn . (4),Water Pollution Control Engineering,电渗析,极限电流密度公式ilim KCvn含义: 直接提高电流密度不能提高出水水质,因为超过ilim, 无效; 极限电流的大小与淡水室浓度正比例,淡水室浓度越低,极限电流密度越小,为了提高处理水质,采用多级电渗析,电流逐级减小; 降低淡水室的水流速度得不到更高的处理水质,因为ilim也减小.,Water Pollution Control Engineeri

10、ng,电渗析,浓差极化结果: OH富集导致形成氢氧化物沉淀,结垢,在阳离子膜的浓水侧也由于阳离子浓度高形成结垢. 结垢的结果是膜电阻增加,电流效率降低,膜的有效面积减小,寿命缩短. 方法:控制电流密度,倒换电极,定期酸洗涤.,Water Pollution Control Engineering,返回,反渗透,(1)反渗透原理: 淡水中水的化学位比废水中的高,水由淡水流向废水,直到平衡.废水比淡水压力高为渗透压. iRTc 渗透压Pa,R气体常数8.31J/molK,T绝对温度K,c溶质的浓度mol/m3,i为范特霍夫常数,表示溶质的离解状态,完全电离为阴阳离子总数,非电解质为1. 0.5mo

11、l的NaCl在25时的渗透压为 28.314 J/molK298K500 mol/m32.48106 J/ m32.48106 Pa,Water Pollution Control Engineering,4.反渗透,反渗透,(2)CA膜: 醋酸纤维素膜(CA膜),是有机高分子化合物经过丙酮溶解,调制,过滤,锻造,蒸发,浸渍,热处理得到,呈现乳白色半透明,具有韧性,具有不对称结构,表面结构致密,孔隙小,下层结构疏松,孔隙大.,Water Pollution Control Engineering,反渗透,CA膜特点:膜具有方向性,表面层与溶液接触,绝不能倒置;具有选择透过性;压密效应,且压密后

12、不能恢复;CA膜成分是酯类,可以水解和生物分解,要避免碱性,高温和微生物污染.,Water Pollution Control Engineering,反渗透,反渗透的浓差极化：水透过膜,所以在膜表面溶质浓度增加,形成浓差极化,引起渗透压的增大,溶质扩散透过膜的增加;有效推动力减小,透水量减小,分离效率降低,能耗增加; 膜表面的溶质浓度增加,加快膜的老化,缩短膜寿命;浓度达到一定程度,形成结垢. 透水性好,污染物去除率高的膜浓差极化更严重,增加湍流可以减小浓差极化. 除了浓差极化引起膜污染,废水的亲水性悬浮物也容易被膜吸附造成污染.污染的膜需要清洗.,Water Pollution Contr

13、ol Engineering,反渗透,(3)反渗透装置: 板框式:反渗透膜贴在多空透水板的两侧,每块透水板密封,若干透水板组合成板框式反渗透装置,净化水由每块透水板引出.该装置结构牢固,能受高压,液流状态差,容易造成浓差极化.,Water Pollution Control Engineering,管式:将膜和支撑物制备成管状,再将一定数量的管装配在耐压容器内,可以为环氧树脂玻璃钢或陶瓷等. 管式水力条件好,可防止浓差极化,可处理含悬浮物质的废水,但单位体积膜面积小,制造安装费用高.,Water Pollution Control Engineering,反渗透,螺旋卷式: 两层膜夹一层多孔柔

14、性格网,密封后再在下面铺一层多孔柔性格网,将净水与废水完全隔开,以集水管为轴将膜和格网卷起来.膜堆积密度大,结构紧凑,但密封较困难,容易堵塞,清洗困难.,Water Pollution Control Engineering,反渗透,中空纤维式: 中空纤维膜纤维外径50-100m,内径30-40m,多根中空纤维膜捆成膜束,废水以高压从外侧流入,从管内的空心流出,膜堆积密度极大,不需要膜支撑材料,浓差极化小,装置制作工艺复杂,容易堵塞,清洗麻烦,对废水预处理要求高.,Water Pollution Control Engineering,反渗透,水,返回,超滤微滤,作用原理：溶质在膜表面上的吸附

15、；溶质与膜孔径大小接近，在膜孔中镶嵌；溶质粒径比膜孔径大，被膜截留筛分。 与反渗透类似,仅膜的孔径大,5-100nm,操作压力小,0.1-0.5MPa, 用来分离分子量500,直径在5nm以上的大分子和胶体,如细菌,淀粉,蛋白质,粘土等.而反渗透用来处理分子量500的盐,糖等渗透压高的物质.,Water Pollution Control Engineering,5.超滤和微滤,超滤微滤,操作方式: 无流动操作 错流操作,Water Pollution Control Engineering,超滤微滤,超滤和微滤经常用动态过滤,膜表面受到垂直的压力(使水分子透膜),水流的平行切力,冲洗膜的效果

16、. 超滤和微滤的浓差极化更严重,因为大分子的扩散比盐的扩散小的多.组件与反渗透相同,板框式,管式,螺旋卷式,中空纤维式.,Water Pollution Control Engineering,膜分离,各种膜分离技术的比较,Water Pollution Control Engineering,返回,膜污染: 膜在过滤过程中, 水中的颗粒,胶体,大分子或溶质与膜发生物理化学或机械作用引起在膜表面或内孔吸附,沉积,造成膜孔径变小,堵塞等作用,使膜的通量和分离性能降低的现象. 膜劣化: 膜的自身结构发生不可逆变化的现象.,膜污染与劣化,Water Pollution Control Enginee

17、ring,5.膜污染与劣化,膜污染与劣化,Water Pollution Control Engineering,图. 膜性能变化及其产生原因,膜性能变化,污染,劣化,附着,孔堵塞,滤饼层:悬浮物,凝胶层:水溶性大分子,结垢层:难溶物质,吸附层:水溶性大分子,位阻:悬浮物,大分子,吸附:水溶性大分子,析出:难溶物质,化学:水解,氧化,物理:高压致密,膜干燥,生物:生物降解,膜污染和浓差极化导致膜通量降低, 通过膜清洗对污染的膜处理. 膜劣化:化学劣化和生物劣化导致膜通量增加, 截留率降低; 物理劣化导致膜的致密化和干燥,使膜通量降低,截留率增加. 膜污染和浓差极化:处理能力降低,能耗增加,膜寿

18、命降低,成本提高.,膜污染与劣化,Water Pollution Control Engineering,膜分离,习题： 1.淡化海水得到可饮用水，以(C )技术处理是最合适的。 (A)扩散渗析； (B) 电渗析； (C)反渗透； (D)超滤。 2在电渗析工艺中，为了提高出水水质，可以(D )： (A)增加电流密度以提高单位时间内离子透膜数； (B)使阴离子膜和阳离子膜的距离靠近； (C)减缓淡水室的水流速，从而延长反应时间； (D)采用多组膜组件串连。,Water Pollution Control Engineering,膜分离,3.下列哪种膜分离技术理论上不出现浓差极化？( A ) (A)扩散渗析； (B) 电渗析； (C)反渗透； (D)超滤4下列反渗透装置中，膜的装填密度最大的是( D)： (A) 板框式； (B) 管式； (C) 螺旋卷式； (D) 中空纤 维式。,Water Pollution Control Engineering,膜分离,5. 物化方法处理废水常常可以得到出水很清洁，当水中含较多的溶解性盐类,主要有NaCl, MgCl2