反渗透和超滤ppt课件.ppt
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1、反渗透和超滤 一、反渗透(一、反渗透(RORO) Reverse OsmosisReverse Osmosis1 1、概述、概述2 2、反渗透基本原理、反渗透基本原理3 3、反渗透膜及其透过机理、反渗透膜及其透过机理4 4、反渗透装置、反渗透装置5 5、反渗透工艺流程、反渗透工艺流程1 1、概述、概述 反渗透是一项高新膜分离技术,其孔径很小,大都反渗透是一项高新膜分离技术,其孔径很小,大都1010 10(10A),),它能它能去除滤液中的离子范围去除滤液中的离子范围和分子量很小的有机物,如细菌、病毒、热源等和分子量很小的有机物,如细菌、病毒、热源等。它。它已广泛用于海水或苦咸水淡化、电子、医药
2、用纯水、已广泛用于海水或苦咸水淡化、电子、医药用纯水、饮用蒸馏水、太空水的生产,还应用于生物、医学工饮用蒸馏水、太空水的生产,还应用于生物、医学工程。程。 特点特点常温条件下,可以对溶质和水进行分离或浓缩,因而常温条件下,可以对溶质和水进行分离或浓缩,因而能耗低;能耗低; 杂质去除范围广,可去除无机盐和各类有机物杂质;杂质去除范围广,可去除无机盐和各类有机物杂质; 较高的水回用率;较高的水回用率;分离装置简单,容易操作和维修。分离装置简单,容易操作和维修。 太空水、纯净水、蒸馏水等制备;太空水、纯净水、蒸馏水等制备; 酒类制造及降度用水;酒类制造及降度用水; 医药、电子等行业用水的前期制备;医
3、药、电子等行业用水的前期制备; 化工工艺的浓缩、分离、提纯及配水制备;化工工艺的浓缩、分离、提纯及配水制备; 锅炉补给水除盐软水;锅炉补给水除盐软水; 海水、苦咸水淡化;海水、苦咸水淡化; 造纸、电镀、印染等行业用水及废水处理。造纸、电镀、印染等行业用水及废水处理。 渗透和反渗透原理示意图渗透和反渗透原理示意图半透膜半透膜开始时两边液开始时两边液面相面相同同由于浓度差存在,半透膜由于浓度差存在,半透膜又不允许溶质通过,所以又不允许溶质通过,所以水透过膜,使浓水一边液水透过膜,使浓水一边液面升高,产生渗透压面升高,产生渗透压在浓水边加压,当压在浓水边加压,当压力超过渗透压时,则力超过渗透压时,则
4、水透过半透膜,即反水透过半透膜,即反渗透,实现净化过程。渗透,实现净化过程。 一种只能透过溶剂而不能透过溶质的膜称为一种只能透过溶剂而不能透过溶质的膜称为半透膜半透膜。当。当把溶剂和溶液把溶剂和溶液(或把两种不同浓度的溶液或把两种不同浓度的溶液)分别置于此膜的分别置于此膜的两侧时,纯溶剂将自然穿过半透膜而自发地向溶液两侧时,纯溶剂将自然穿过半透膜而自发地向溶液(或从或从低浓度溶液向高浓度溶液低浓度溶液向高浓度溶液)一侧流动,这种现象叫做一侧流动,这种现象叫做渗透渗透。此此H称为该溶液的称为该溶液的渗透压渗透压 。=iRTc 若在溶液的液面上再施加一个大于若在溶液的液面上再施加一个大于的压力的压
5、力P时,溶剂将与时,溶剂将与原来的渗透方向相反,开始从溶液向溶剂一侧流动,这就是所原来的渗透方向相反,开始从溶液向溶剂一侧流动,这就是所谓的谓的反反渗透。渗透。凡基于此原理所进行的浓缩或纯化溶液的分离方法,一般凡基于此原理所进行的浓缩或纯化溶液的分离方法,一般称之为称之为反渗透工艺反渗透工艺。反渗透是渗透的一种反向迁移运动,它主要是在反渗透是渗透的一种反向迁移运动,它主要是在压力推动压力推动下,借助下,借助半透膜的截留作用半透膜的截留作用,迫使溶液中的济剂与溶质分开。,迫使溶液中的济剂与溶质分开。3 3反渗透膜及其透过机理反渗透膜及其透过机理(1 1)对反渗透膜的性能要求)对反渗透膜的性能要求
6、选择性好,单位膜面积上透水量大,脱选择性好,单位膜面积上透水量大,脱盐率高;盐率高;机械强度好,能抗压、抗拉、耐磨;机械强度好,能抗压、抗拉、耐磨;热和化学的稳定性好,能耐酸、碱腐蚀热和化学的稳定性好,能耐酸、碱腐蚀和微生物侵蚀,耐水解、辐射和氧化;和微生物侵蚀,耐水解、辐射和氧化;结构均匀一致,尽可能地薄,寿命长,结构均匀一致,尽可能地薄,寿命长,成本低。成本低。(2 2)反渗透膜的分类)反渗透膜的分类按成膜材料按成膜材料可分为可分为有机膜有机膜和和无机高聚物膜无机高聚物膜;按膜的形状按膜的形状可分为可分为平板状平板状、管状管状、中空纤中空纤维状维状膜;膜;按膜结构按膜结构可分为多孔性和致密
7、性膜,或可分为多孔性和致密性膜,或对对称牲称牲( (均匀性均匀性) )和和不对称性不对称性( (各向异性各向异性) )结构结构膜;膜;按应用对象按应用对象可分为海水淡化用的可分为海水淡化用的海水膜海水膜、咸水淡化用的咸水淡化用的咸水膜咸水膜及用于及用于废水处理废水处理、分分离提纯离提纯等的膜。等的膜。 膜的结构膜的结构醋酸纤维素是没有强烈氢键的无定形链状高醋酸纤维素是没有强烈氢键的无定形链状高分子化合物。分子化合物。制膜过程是将其溶解在丙酮中并加入甲酰胺制膜过程是将其溶解在丙酮中并加入甲酰胺作添加剂,经混合调制、过滤、铸塑成型,作添加剂,经混合调制、过滤、铸塑成型,然后再经蒸发、冷水浸渍、热处
8、理,即可得然后再经蒸发、冷水浸渍、热处理,即可得到醋酸纤维素到醋酸纤维素 ( (cellulose acetate,CA)cellulose acetate,CA)膜。膜。外观为乳白色、半透明,有一定的韧性,膜外观为乳白色、半透明,有一定的韧性,膜厚厚l00l00250250 mm。这种膜有不对称结构,表面结构致密,这种膜有不对称结构,表面结构致密,孔隙很小,通称为表皮层或致密层、活孔隙很小,通称为表皮层或致密层、活化层;下层结构较疏松,孔隙较大,通化层;下层结构较疏松,孔隙较大,通称为多孔层或支撑层。称为多孔层或支撑层。示意示意CACA膜是被水充分溶胀了的凝胶体。膜是被水充分溶胀了的凝胶体。
9、由于铸膜液中的所有添加剂及溶剂由于铸膜液中的所有添加剂及溶剂在制膜过程中先后被除去,膜中仅在制膜过程中先后被除去,膜中仅含水分。含水分。链接链接醋酸纤维素膜的结构示意图99表皮层,孔径表皮层,孔径(810)1010m过渡层,孔径过渡层,孔径2001010m多孔层,孔径多孔层,孔径(10004000)1010m1%显显微微镜镜下下膜膜的的照照片片在相对湿度为在相对湿度为100100时,膜的含水量高达时,膜的含水量高达6060,其中表皮层只含,其中表皮层只含10102020,且主,且主要是以氢键形式结合的所谓一级结合水和要是以氢键形式结合的所谓一级结合水和少量的二级结合水。少量的二级结合水。多孔层
10、中除上述两种结合水外,较大的孔多孔层中除上述两种结合水外,较大的孔隙中还充满着毛细管水,此层中含水率较隙中还充满着毛细管水,此层中含水率较高。高。正由于膜中存在这几种不同性质的水,决正由于膜中存在这几种不同性质的水,决定了定了CACA膜具有良好的脱盐性能和适宜的透膜具有良好的脱盐性能和适宜的透水性能。水性能。膜必须保存在水中膜必须保存在水中。 CACA膜的性质膜的性质(a a)膜的方向性:膜的方向性:由于由于CACA膜是一种不对称膜,因此,在进膜是一种不对称膜,因此,在进行反渗透时,必须保持表层与待处理的行反渗透时,必须保持表层与待处理的溶液或废水接触,而决不能倒置,否则溶液或废水接触,而决不
11、能倒置,否则达不到处理的目的。达不到处理的目的。(b b)选择透过性:选择透过性:CACA膜对无机电解质和有机物具有选择透膜对无机电解质和有机物具有选择透过性过性。对电解质,离子价越高,或同价离子水合对电解质,离子价越高,或同价离子水合半径越大,则脱除效果越好。半径越大,则脱除效果越好。阳离子的脱除顺序为:阳离子的脱除顺序为:Sr2+Ba2+Li+Na+ K+。阴离子的脱除阴离子的脱除顺序为:柠檬酸根顺序为:柠檬酸根酒石酸根酒石酸根SO42-CH3COO-Cl-Br-NO3-I-SCN-。对有机物,一般是水溶性好的、非解离性对有机物,一般是水溶性好的、非解离性的、分子量小的脱除效果较差。而解离
12、性的、分子量小的脱除效果较差。而解离性大的、分子量大于大的、分子量大于200200的有机物,则脱除的有机物,则脱除效果较好。对同一类有机物,随分子量增效果较好。对同一类有机物,随分子量增大,脱除效率增加。对同分子量有机物,大,脱除效率增加。对同分子量有机物,随分子支链的增加,脱除效果变得更好。随分子支链的增加,脱除效果变得更好。(c c)压密效应:压密效应:CA膜在压力作用下,外观厚度一般减少膜在压力作用下,外观厚度一般减少2550,同时,透水性及对溶质的,同时,透水性及对溶质的脱除率也相应降低,这种现象称为膜的脱除率也相应降低,这种现象称为膜的压密效应。这种塑性变形是不可逆的,压密效应。这种
13、塑性变形是不可逆的,因此膜的性能在压力消失后不会恢复。因此膜的性能在压力消失后不会恢复。(d)膜的水解作用和生物分解作用:膜的水解作用和生物分解作用:CA膜是一种酯,易于水解,水解速率与膜是一种酯,易于水解,水解速率与pH值和水的温度有关。一般在碱性介质值和水的温度有关。一般在碱性介质中的水解速率比在酸性介质中大,在中的水解速率比在酸性介质中大,在pH4.55.2时最低。时最低。(3 3)反渗透膜的透过机理)反渗透膜的透过机理1 1)氢键理论)氢键理论该理论认为,水透过膜是由于水分子和膜的该理论认为,水透过膜是由于水分子和膜的活化点形成氢键及断开氢键的过程。活化点形成氢键及断开氢键的过程。即在
14、高压作用下,溶液中水分子和膜表皮层即在高压作用下,溶液中水分子和膜表皮层活化点缔合,原活化点上的结合水解离出来,活化点缔合,原活化点上的结合水解离出来,解离出来的水分子继续和下一个活化点缔合,解离出来的水分子继续和下一个活化点缔合,又解离出下一个结合水。又解离出下一个结合水。水分子通过一连串的缔合解离过程,依次从一个水分子通过一连串的缔合解离过程,依次从一个活化点转移到下一个活化点,直至离开表皮层,进活化点转移到下一个活化点,直至离开表皮层,进入多孔层。入多孔层。2)2)优先吸附毛细管流理论优先吸附毛细管流理论该理论把反渗透膜看作一种微细多孔结该理论把反渗透膜看作一种微细多孔结构物质,它有选择
15、性吸附水分子而排斥构物质,它有选择性吸附水分子而排斥溶质分子的化学特性。溶质分子的化学特性。当水溶液同膜接触时,膜表面优先吸附当水溶液同膜接触时,膜表面优先吸附水分子,在界面上形成一层不含溶质的水分子,在界面上形成一层不含溶质的纯水分子层,其厚度视界面性质而异,纯水分子层,其厚度视界面性质而异,或为单分子层或为多分子层。或为单分子层或为多分子层。在外压作用下,界面水层在膜孔内产生在外压作用下,界面水层在膜孔内产生毛细管流连续地透过膜。毛细管流连续地透过膜。3 3)溶解)溶解- -扩散机理扩散机理 溶剂与溶质透膜的机理是由于溶剂溶剂与溶质透膜的机理是由于溶剂与溶质在膜中的溶解,然后在化学位差与溶
16、质在膜中的溶解,然后在化学位差的推动力下,从膜的一侧向另一侧进行的推动力下,从膜的一侧向另一侧进行扩散,直至透过膜。扩散,直至透过膜。 工业生产中使用的膜分离设备是由工业生产中使用的膜分离设备是由多个构造相同的单个装置组合而成多个构造相同的单个装置组合而成的,一般把构成设备的相同的装置的,一般把构成设备的相同的装置称为称为膜组件(膜组件(membrane modulemembrane module)。反渗透膜组件有反渗透膜组件有板框式(板框式(plate and plate and frame)frame)、管式管式( (tubular modules)tubular modules)、螺旋卷
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