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第06章-膜技术1本讲稿第一页，共五十九页第第1节节 概述概述第第2节节 电渗析电渗析第第3节节 扩散渗析扩散渗析第第4节节 压力驱动膜分离压力驱动膜分离2本讲稿第二页，共五十九页一、定义一、定义在在某某种种推推动动力力的的作作用用下下，利利用用某某种种隔隔膜膜特特定定的的透透过过性能，使溶质或溶剂分离的方法称为膜分离。性能，使溶质或溶剂分离的方法称为膜分离。分离溶质时一般叫分离溶质时一般叫渗析渗析；分离溶剂时一般叫分离溶剂时一般叫渗透渗透。第第1 1节节 概概 述述3本讲稿第三页，共五十九页滤池滤池vs膜膜(Sand Filter(Sand Filter vs Membrane)厚度厚度0.X mm孔径孔径0.0X0.X m滤池滤池滤池滤池孔径孔径孔径孔径40-8040-8040-8040-80 m m4本讲稿第四页，共五十九页二、分类与特点二、分类与特点根据推动力的不同，膜分离有下列几种：根据推动力的不同，膜分离有下列几种：浓度差：浓度差：扩散渗析（分离离子、小分子）扩散渗析（分离离子、小分子）电位差：电位差：电渗析（分离离子）电渗析（分离离子）压力差：压力差：反渗透反渗透(RO,reverse osmosis)纳滤纳滤(NF,nanofiltration)超滤超滤(UF,ultrafiltration)微滤微滤(MF,microfiltration)5本讲稿第五页，共五十九页 X(c,P,T,E)x膜膜过过 滤滤原料原料渗渗透透物物位差主要有：位差主要有：压力差（压力差（P）浓度差（浓度差（c）温度差（温度差（T）电位差（电位差（E）化学位差化学位差电化学位差电化学位差6本讲稿第六页，共五十九页膜分离的特点：膜分离的特点：可在一般温度下操作，没有相变；可在一般温度下操作，没有相变；浓缩分离同时进行；浓缩分离同时进行；不需投加其他物质，不改变分离物质的性质；不需投加其他物质，不改变分离物质的性质；适应性强，运行稳定。适应性强，运行稳定。7本讲稿第七页，共五十九页第第2 2节节 电渗析电渗析 (Electrodialysis)一、原理一、原理在直流电场作用下，利用在直流电场作用下，利用阴、阳离子交换膜阴、阳离子交换膜对溶液中的阴、对溶液中的阴、阳离子的选择透过性，分离溶质和水。阳离子的选择透过性，分离溶质和水。阴膜只让阴离子通过；阴膜只让阴离子通过；阳膜只让阳离子通过。阳膜只让阳离子通过。8本讲稿第八页，共五十九页Cation,Anion9本讲稿第九页，共五十九页阴极：阴极：还原反应：还原反应：H2O H+OH-2H 2e H2 阴极室溶液呈阴极室溶液呈碱性碱性，结垢，结垢 阳极：阳极：氧化反应：氧化反应：4OH O22H2O 4e 或或 2Cl-Cl2+2e 阳极室溶液呈阳极室溶液呈酸性酸性，腐蚀，腐蚀 10本讲稿第十页，共五十九页二、离子交换膜二、离子交换膜1.1.离子交换膜的种类离子交换膜的种类按活性基团分类：按活性基团分类：离子交换膜与离子交换树脂具有相同的化学结构，可分离子交换膜与离子交换树脂具有相同的化学结构，可分为基膜和活性基团两大部分：为基膜和活性基团两大部分：基膜基膜即具有立体网状结构的高分子化合物；即具有立体网状结构的高分子化合物；活性基团活性基团是由具有交换作用的阳（或阴）离子和与是由具有交换作用的阳（或阴）离子和与基膜相连的固定阴（或阳）离子所组成。基膜相连的固定阴（或阳）离子所组成。按活性基团的带电情况分：按活性基团的带电情况分：阳离子交换膜阳离子交换膜（简称阳膜）和（简称阳膜）和阴离子交换膜阴离子交换膜（简称阴膜）。（简称阴膜）。11本讲稿第十一页，共五十九页阳膜：阳膜：阳膜中含有带负电的酸性活性基团，它能选择性阳膜中含有带负电的酸性活性基团，它能选择性透过阳透过阳离子离子而不让阴离子透过。而不让阴离子透过。活性基团主要有：磺酸基（活性基团主要有：磺酸基（SO3H）、磷酸基（）、磷酸基（PO3H2）、膦酸基（）、膦酸基（OPO3H）、羧酸基（）、羧酸基（COOH）等。）等。阴膜：阴膜：阴膜中含有带正电的碱性活性基团，它能选择性阴膜中含有带正电的碱性活性基团，它能选择性透透过阴离子过阴离子而不让阳离子透过。而不让阳离子透过。活性基团主要有：季胺基（活性基团主要有：季胺基（N(CH3)3OH）、伯胺基）、伯胺基（NH2）、仲胺基（）、仲胺基（NHR）、叔胺基（）、叔胺基（NR2）等。）等。12本讲稿第十二页，共五十九页2.2.离子交换膜的选择透过性离子交换膜的选择透过性 P P+阳膜对阳离子的选择透过率阳膜对阳离子的选择透过率(%)(%)t t+阳离子在溶液中迁移数阳离子在溶液中迁移数 t t+阳离子在阳膜内迁移数，对理想的膜，应等于阳离子在阳膜内迁移数，对理想的膜，应等于1 1。阳离子交换膜应对阳离子具有较高的选择透过性，即阳离子交换膜应对阳离子具有较高的选择透过性，即对阳离子的选择性迁移数一般应大于对阳离子的选择性迁移数一般应大于0.9，对阴离子迁，对阴离子迁移数则应小于移数则应小于0.1。13本讲稿第十三页，共五十九页3.3.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 阳离子交换膜中含有很高浓度带负电荷的固定离子。阳离子交换膜中含有很高浓度带负电荷的固定离子。由于静电相斥的作用，膜中的固定离子将阻止其他相同由于静电相斥的作用，膜中的固定离子将阻止其他相同电荷的离子进入膜内。因此，在电渗析过程中，只有反电荷的离子进入膜内。因此，在电渗析过程中，只有反离子才可能在电场的作用下渗透通过膜。离子才可能在电场的作用下渗透通过膜。14本讲稿第十四页，共五十九页三、关键设备三、关键设备电渗析可分为三部分：极区、膜堆和紧固部分电渗析可分为三部分：极区、膜堆和紧固部分极区：极区：常用的电极有不锈钢、石墨等常用的电极有不锈钢、石墨等膜膜对对：一一对对阴阴、阳阳膜膜和和一一对对浓浓、淡淡水水隔隔板板交交替替排排列列，组组成成的的最基本脱盐单元最基本脱盐单元膜堆膜堆：若干膜对的集合体：若干膜对的集合体15本讲稿第十五页，共五十九页膜膜对对16本讲稿第十六页，共五十九页隔板甲、乙连接的配水孔与流水道的布水槽位置不同。隔板甲、乙连接的配水孔与流水道的布水槽位置不同。17本讲稿第十七页，共五十九页一级：一级：一对正、负极之间的膜堆一对正、负极之间的膜堆一段：一段：具有同一水流方向的并联膜堆具有同一水流方向的并联膜堆增加段数：增加段数：加长水的流程长度，增加脱盐效率。加长水的流程长度，增加脱盐效率。增加膜对数：增加膜对数：提高水处理量提高水处理量增加级数：增加级数：降低两个电极之间的电压降低两个电极之间的电压18本讲稿第十八页，共五十九页基本组装方式基本组装方式19本讲稿第十九页，共五十九页四、电流效率与极限电流密度四、电流效率与极限电流密度1电流效率电流效率 实际去除的盐量实际去除的盐量m1/理论去除量理论去除量m2 100 m1q(c1-c2)t MB/1000(g)q：一个淡室的出水量：一个淡室的出水量,L/sc1，c2：进出水含盐量：进出水含盐量,mmol/L（以当量粒子为基本单元）（以当量粒子为基本单元）t：通电时间：通电时间,sMB：物质的摩尔质量：物质的摩尔质量,g/mol依据法拉第定律：依据法拉第定律：m2=I t MB/F(g)F：法拉第常数；：法拉第常数；I：电流强度，：电流强度，A 20本讲稿第二十页，共五十九页电能效率：电能效率：衡量电能利用程度的一个指标，衡量电能利用程度的一个指标，整台电渗析器脱盐所需的理论耗电量与实际耗整台电渗析器脱盐所需的理论耗电量与实际耗电量之比电量之比电能效率理论耗电量电能效率理论耗电量/实际耗电量实际耗电量21本讲稿第二十一页，共五十九页2极限电流密度极限电流密度 单位面积膜通过的电流称为电流密度单位面积膜通过的电流称为电流密度i（mA/cm2）。）。如果电流密度过大如果电流密度过大发生发生浓差极化浓差极化现象现象电流传导靠电流传导靠Na 和和Cl电流总量电流总量Cl-电量电量Na+电量电量 22本讲稿第二十二页，共五十九页Cl电迁移数（总电量中电迁移数（总电量中所占比例）所占比例）0.5 Na+电迁移数（总电量中电迁移数（总电量中所占比例）所占比例）0.5 但在阴膜中，由于但在阴膜中，由于Na+不能通过，不能通过，Cl-迁移数为迁移数为1，为此补充，为此补充此差需要动用边界层中的此差需要动用边界层中的Cl-，致使边界层与主流层之间存，致使边界层与主流层之间存在浓度差。在浓度差。当当i过大时，过大时，C趋于趋于0，水分子开始电离，参加迁移，此时发生，水分子开始电离，参加迁移，此时发生浓差极化现象浓差极化现象极限电流密度极限电流密度 23本讲稿第二十三页，共五十九页极限电流密度确定极限电流密度确定：电压电压-电流法电流法逐次提高操作电压，逐次提高操作电压，测定与其相应电流值。测定与其相应电流值。点点C的电流密度为的电流密度为极限电极限电流密度流密度ilimilimKcvnv:淡水隔板流水道中的水流速度淡水隔板流水道中的水流速度c:淡室中水的对数平均离子浓度淡室中水的对数平均离子浓度K:水力特征系数水力特征系数24本讲稿第二十四页，共五十九页极化与结垢：极化与结垢：极极化化现现象象主主要要发发生生在在阳阳、阴阴膜膜的的淡淡室室一一侧侧，沉沉淀淀主主要要发发生生在在阴膜浓室一侧。阴膜浓室一侧。防止措施：防止措施：1）极限电流法，在极限电流）极限电流法，在极限电流7090下运行；下运行；2）倒换电极；）倒换电极；3）定期酸洗）定期酸洗 25本讲稿第二十五页，共五十九页26本讲稿第二十六页，共五十九页五应用五应用海水或苦咸水（小于海水或苦咸水（小于10g/L）淡化；）淡化；自来水脱盐制取初级纯水；自来水脱盐制取初级纯水；电渗析与离子交换组合制取高纯水；电渗析与离子交换组合制取高纯水；废液的处理回收（可以与电极反应联合进行）废液的处理回收（可以与电极反应联合进行）如酸洗废水回收硫酸和铁，如酸洗废水回收硫酸和铁，芒硝（芒硝（Na2SO4）回收硫酸和碱）回收硫酸和碱 27本讲稿第二十七页，共五十九页(Na2SO4)2H+SO42-H2SO4OH-+Na+NaOH28本讲稿第二十八页，共五十九页第第3 3节节 扩散渗析扩散渗析 高浓度溶液中的溶质透过隔膜向低浓度溶液中迁移的过高浓度溶液中的溶质透过隔膜向低浓度溶液中迁移的过程，程，浓度差为推动力。浓度差为推动力。主要用于回收酸、碱，但不能将它们浓缩。其特点是主要用于回收酸、碱，但不能将它们浓缩。其特点是不消耗能量。不消耗能量。采用回收废酸时，离子交换膜：采用回收废酸时，离子交换膜：阴膜阴膜。回收硫酸时，只有原废水硫酸浓度大于回收硫酸时，只有原废水硫酸浓度大于10时时，才有实用价，才有实用价值。值。29本讲稿第二十九页，共五十九页30本讲稿第三十页，共五十九页采用扩散渗析法从酸洗钢材废液中回收硫酸采用扩散渗析法从酸洗钢材废液中回收硫酸31本讲稿第三十一页，共五十九页第第4 4节节 压力驱动膜分离压力驱动膜分离(pressure driven membrane separation)反渗透反渗透(RO)：孔径孔径1nm,分离无机离子和小分子分离无机离子和小分子 纳滤纳滤(NF)：孔径孔径1-5nm,分离无机离子和小分子分离无机离子和小分子超滤超滤(UF)：孔径孔径5nm-0.1 m,分离分离大分子以及细菌、病毒、大分子以及细菌、病毒、胶体等颗粒胶体等颗粒微滤微滤(MF)：孔径孔径0.1-10 m，分离，分离细菌、粘土等微粒细菌、粘土等微粒 32本讲稿第三十二页，共五十九页1.分离特性：分离特性：高于溶液高于溶液渗透压渗透压的压差为推动力，工作压力几十的压差为推动力，工作压力几十kg。分离对象：溶质、小分子物质分离对象：溶质、小分子物质脱盐率作为重要的指标脱盐率作为重要的指标一、一、RO分离特性与工艺系统分离特性与工艺系统33本讲稿第三十三页，共五十九页Jw膜的水通量，膜的水通量，cm3/(cm2 s)WP水的透过系数，水的透过系数，cm3/(cm2 s Pa)P膜两侧压力差，膜两侧压力差，Pa 膜两侧渗透压差，膜两侧渗透压差，PaJS溶质透过膜的通量，溶质透过膜的通量，mg/(cm2 s)KP溶质的透过系数，溶质的透过系数，cm/s C膜两侧浓度差，膜两侧浓度差，mg/cm3操作压力、进水浓度如何影响操作压力、进水浓度如何影响Jw和和Js?1）水与溶质的通量）水与溶质的通量34本讲稿第三十四页，共五十九页2）脱盐率）脱盐率Cb进水含盐量进水含盐量,mg/L；Cf淡化水含盐量，淡化水含盐量，mg/L进水Cb Q浓水Cc淡水Cf,Qf反渗透过程中的物料平衡：反渗透过程中的物料平衡：膜进水侧含盐量平均浓度膜进水侧含盐量平均浓度（有循环时）：（有循环时）：则：则：35本讲稿第三十五页，共五十九页3）水回收率）水回收率Q进水流量；进水流量；Qf淡化水流量淡化水流量对于对于RO一般一般70-80%36本讲稿第三十六页，共五十九页2.膜材料与膜组件型式膜材料与膜组件型式膜材料：醋酸纤维素（膜材料：醋酸纤维素（CA）、芳香族聚酰胺）、芳香族聚酰胺膜组件：卷式膜组件膜组件：卷式膜组件37本讲稿第三十七页，共五十九页38本讲稿第三十八页，共五十九页39本讲稿第三十九页，共五十九页3.工艺系统工艺系统40本讲稿第四十页，共五十九页二、二、UF和和MF分离特性与工艺系统分离特性与工艺系统1.分离特性：分离特性：溶质可以透过，无渗透压现象。溶质可以透过，无渗透压现象。可在较低压力下工作，一般几公斤。可在较低压力下工作，一般几公斤。小孔筛分作用。一般以小孔筛分作用。一般以截留分子量截留分子量来表示孔径特征，此外来表示孔径特征，此外也与物质形状和性质有关。也与物质形状和性质有关。分离对象：大分子物质、胶体、悬浮物，如蛋白质、细菌、分离对象：大分子物质、胶体、悬浮物，如蛋白质、细菌、颜料、油类等颜料、油类等存在存在浓差极化浓差极化现象现象41本讲稿第四十一页，共五十九页截留分子量：截留分子量：截留率达到截留率达到90的分子量的分子量42本讲稿第四十二页，共五十九页浓差极化现象浓差极化现象43本讲稿第四十三页，共五十九页凝胶层形成后，压力凝胶层形成后，压力升高到一定值后，水升高到一定值后，水通量基本与压力没有通量基本与压力没有关系。关系。44本讲稿第四十四页，共五十九页Rm：膜阻力：膜阻力Rg：凝胶层阻力：凝胶层阻力 V PV:累积透水体积累积透水体积在凝胶层存在时在凝胶层存在时 P/JW对对 P作图，求得作图，求得Rm和和，并由此计算，并由此计算Rg。45本讲稿第四十五页，共五十九页减缓浓差极化现象的措施：减缓浓差极化现象的措施：（1）提高料液流速，增加膜面的紊动程度；）提高料液流速，增加膜面的紊动程度；（2）对膜面不断清洗；）对膜面不断清洗；（3）控制料液浓度）控制料液浓度 46本讲稿第四十六页，共五十九页2.膜组件型式膜组件型式 板框式板框式47本讲稿第四十七页，共五十九页管式管式48本讲稿第四十八页，共五十九页中空纤维式中空纤维式49本讲稿第四十九页，共五十九页三、膜技术应用三、膜技术应用 1.苦咸水、海水淡化：苦咸水、海水淡化：世界上最大的海水反渗透淡化装置为世界上最大的海水反渗透淡化装置为33万吨万吨/日（以色日（以色列，列，2005年建成）。年建成）。能耗比电渗析低，大约为能耗比电渗析低，大约为 4kWh/t50本讲稿第五十页，共五十九页2.饮用水处理新工艺饮用水处理新工艺:MF-UF-NF家用净水器（活性炭家用净水器（活性炭MF）3.纯水制备纯水制备:UF-RO51本讲稿第五十一页，共五十九页4.废水深度处理：废水深度处理：二级生物处理出水二级生物处理出水-MF-RO美国加州美国加州21世纪水处理回用厂，就是将二级生物处理世纪水处理回用厂，就是将二级生物处理出水，经一定的预处理后再经出水，经一定的预处理后再经RO处理后回灌地下水。处理后回灌地下水。Raw wastewaterEffluentSGCPCATSSMF or UFRORO52本讲稿第五十二页，共五十九页Secondary effluentDosing troughStorage tank 1CMF unitsBacteriostasis agentStorage tank 2Backwashing wastewater tankTo wastewater treatment plantRO systemScale-resisting agentHigh quality reclamation waterReclamation water for miscellaneous useConcentrated waterTo wastewater treatment plant天津天津TEDATEDA经济开发区经济开发区“双膜双膜”污水回用工艺污水回用工艺53本讲稿第五十三页，共五十九页UF装置装置RO装置装置54本讲稿第五十四页，共五十九页曝气池曝气池进水进水系统出水系统出水曝气装置曝气装置膜生物反应器工艺流程膜生物反应器工艺流程膜组件膜组件55本讲稿第五十五页，共五十九页膜生物反应器的特点膜生物反应器的特点污染物去除效率高，处理出水水质良好；污染物去除效率高，处理出水水质良好；反应器内污泥浓度高，装置处理容积负荷大，占地省；反应器内污泥浓度高，装置处理容积负荷大，占地省；有利于增殖缓慢的微生物的截留和生长；有利于增殖缓慢的微生物的截留和生长；剩余污泥产生量低；剩余污泥产生量低；易于实现自动控制，操作管理方便。易于实现自动控制，操作管理方便。56本讲稿第五十六页，共五十九页01020304050Concentration(mg/L)CODBODSSNH3-NE.ColiMembrane effluentStandard处理生活污水出水水质处理生活污水出水水质57本讲稿第五十七页，共五十九页(a)生活污水生活污水 (b)MBR出水出水 (c)自来水自来水 58本讲稿第五十八页，共五十九页5.工业废水处理：工业废水处理：回收有用物质：回收有用物质：涂料、羊毛脂、染料、纸涂料、羊毛脂、染料、纸浆等浆等UFUF 处理重金属废水，回收重金属：如处理镀处理重金属废水，回收重金属：如处理镀镍废水，镍回收率可达镍废水，镍回收率可达99RO59本讲稿第五十九页，共五十九页