《反渗透与超滤》PPT课件.ppt

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1、9-3 反渗透与纳滤一、反渗透:n（一）渗透现象与渗透压（物理化学已学过）n 1、半透膜：只能让水分子透过，而阻止溶质透过的膜称为半透膜。n 2、渗透过程：实验 n（1）有渗透现象；n（2）平衡时压差为Pa；n（3）反渗透。称为渗透压。这个渗透现象是一个自发的过程。纯水的化学势（位）为 0 咸水的化学势（位）为 则：=0+RTlnx x咸水中水的摩尔分数，T热力学温度 K。R理想气体常数，R=8.314J/molK n x1 lnx为负值。0 即纯水的化学位高于咸水的化学位，所以纯水向化学位低的咸水一侧渗透。n水的化学位的大小决定着水的传质方向。n 3、渗透压：n平衡态，膜两侧的水的压力差，即

2、为在指定温度下，溶液（咸水）渗透压：=icRT（Pa）c溶液物质的量浓度，mol/m3 i系数，海水i1.8 n（二）反渗透：n在咸水侧施加压力P，迫使咸水中的水向纯水一侧渗透的过程称为反渗透。n 1、理论：反向加压大于，克服渗透压。迫使渗透反向。加压 咸水化学位纯水化学位n 2、理论耗能：（25）海水的盐度34.3（计算仅用34.3）A系数，A=0.00537 T绝对温度，K。S海水盐度。R理想气体常数，R=2.3110-6kwh/molK n 水的偏摩尔体积，=0.01810-3 m3/mol Wlim=0.7 kWh/m3 1 kWh=3.6106 Pa m3 即为海水的极限渗透压。实际

3、工程应用要大该值。n（三）反渗透膜及透过机理：醋酸纤维素（CA）芳香族聚酰胺膜 n1、机理：n选择性（优先）吸附毛细管流机理 n 膜表面具有亲水性，选择吸附水分子（两个水分子厚1nm的纯水层）。n并排斥盐分，在施加压力的作用下，纯水由毛细孔不断流过反渗透膜。毛细孔孔径应为纯水层厚1nm的2倍以下（2nm）。实际23nm以下。称为临界孔径。若孔径大于临界孔径，透水性增大，盐分也可透过。n2、反渗透应用范围：n（1）CA膜适用于含盐量小于10000mg/l，以下的苦咸水淡化。n（2）含盐量大于10000mg/l，可用复合膜反渗透。复合膜：两种半透膜复合成一张膜。n（3）可构成联合除盐系统：n如反渗

4、透离子交换。n反渗透先除胶体微粒，二氧化硅，高分子有机物，及大部分溶解盐。目的：减轻后续离子交换工艺的负荷。n离子交换脱盐，出水为纯水。n（四）反渗透淡化装置，工艺流程与布置系统。n1、分类：n四种形式：n（1）板框式：装置类似电渗析，许多膜层叠在框板架中。n（2）管式：分串联和并联 毛细管（类似中空纤维式）n（3）卷式：（4）中空纤维式：n各类形式性能：n2、反渗透工艺流程：n（1）预处理：反渗透进水水质。n PH=5.56.2 目的：防止某些溶解固体沉积于膜面，影响产水。n（2）膜分离：n（3）后处理：PH调整，终端离子交换床；n还有：杀菌，微孔过滤超滤。n原因：膜孔不均匀，加压力后，膜孔

5、放大，有的孔道变大，使出水水质不是理想状态。有来自树脂本身的溶解物，碎粒以及细 菌的繁殖，终端超滤装置使出水纯度有 保障。n3、反渗透系统布置：n（1）单程式：水的回收率低。n（2）（部分）循环式：提高了水的回收率，但淡水水质有所降低。n为什么部分循环：要求浓室内有一定的流速，防止膜面产生浓差极化（结垢）。n（3）多段式：（串联式）水的回收率高，产水量大时用，膜组件逐段减少。原因：维持一定流速防止膜表面浓差极化。n(五)反渗透装置的参数确定：(理想时)n1、水的通量：Jw即水透过膜的通量cm3/cm2S Jw=Wp(P)水通量与作用压力差成正比。实际：Jw=Wp(P)膜对溶质的排垢系数。n式中

6、：nWp水的透过系数，cm3/cm2SPa 实验测得。P膜两侧压力差，Pa 膜的渗透压，Pa n 2、溶质通量：Js 溶质透过膜的通量mg/cm2s n Js=Kp C Kp溶质的透过系数。cm/s C膜两侧的浓度差。mg/cm3 n溶质通量与浓度差C成正增长。PJw C Js 增大 不一定引起淡水 产水量 水质变差，因Jw变大了 n 3、脱盐率：R 溶质去除率。n膜两侧含盐浓度差，与进水含盐浓度的比值。Cb进水含盐量；mg/l Cf出水含盐量；mg/l（淡室）n由物料平衡关系：Q进水量，Qf淡化水量，则：Q Cb=(Q-Qf)Cc+QfCf （1）nCc浓盐水浓度。若由Cm表示膜进水侧含盐量

7、的平均浓度，（2）n则脱盐率可改写为：（2）n或为：n而 淡水浓度。n3、淡化水的含盐量：（近似计算法）假设Cf为零：由物料平衡方程：n代入（2）式，膜进水侧含盐量平均浓度：n令：淡化水与进水流量的比值 称为水的回收率。得：代入脱盐率方程（2）式得：得：再代入平衡方程（1），求出Cc（浓盐水浓度）；代入（2），求出平均浓Cm；再代入（3）中，求出新的Cf，即为新的较精确值淡化水的含盐量。二、超滤：n1、膜性能：膜孔：5nm0.1m，n 分离对象：300300000分子量的大分子，如：细菌、病菌、胶体等。无脱盐能力 操作：类似反渗透，用压力0.11.0MPa，膜孔易堵。n2、设备特点：操作压力低

8、，设备简单。n3、应用：纯水终端处理；工业废水处理和一些工业应用，如：医药、食品。n4、形式：同反渗透，（1）板框式（2）管式（3）卷式（4）中空纤维。n（一）膜的截留分子量:n 用截留分子量表示膜的孔径，对膜分档。n超滤膜是多孔结构的膜，其去除水中杂质的工作机理主要是筛除作用。n同一张膜的所有孔径是不相同的，其截留高分子的分子量也有着一定的分布。n我们用截留率90%分子量，来表示膜截留分子量代替所称的膜的孔径。n超滤过程的一般表达式:n 超滤与反渗透的区别，反渗透有较大的渗透压，超滤没有；微小溶质可透过膜被截留的是大分子。其渗透压较低可忽略不计。n1、水的通量：Jw（cm3/cm2 s）（适

9、用稀溶液）Pw（膜对水的透过特性）（cm3/sPa）e膜开孔面积分数；r孔半径；水粘度；孔迂曲系数；m膜厚（cm）对稀溶液是一个常数（cm/sPa）n P 膜两则压力差（Pa）n2、溶质通量：Js（mg/cm2s）n Ps膜对溶质的透过特性，cm2/s nCb，Cf进水和出水的溶质浓度mg/cm3 主体溶液 滤过液 n3、溶质去除率：R（%）n4、Js与Jw关系：代入上式：n5、大分子溶质浓度较高时：n超滤中便产生浓差极化现象。这时，不再遵循上述规律。有的孔道被堵塞。n过滤液溶质浓度为：n式中：n 第一个括号表示溶质分子进入孔道的机率；n第二个括号表示溶质流受到孔道摩擦阻力的阻碍程度。n是纯理

10、论公式。n（三）超滤过程中的浓差极化：n 浓差极化：n水的通量和小溶质的通过膜，使膜面处溶质浓度Cm高于主 体溶液中的浓度Cb，在边界 层形成浓差CmCb。使溶 质由膜表面向主体溶液反向 扩散，这种现象称为浓差极化。n2、公式推得：n（1）在稳定状态下：边界层厚，在 中取一微元体 x,n在x方向上的面积 由Jw引起的迁移 由扩散引起的迁移，D扩散系数。x xn单位时间的输入量：n单位时间的输出量：n 单位时间物料变化量：n 平衡方程：n稳定时：即：即：n积分得：C1积分常数。nJwC向着膜的溶质通量。n 由于扩散从膜返回主体溶液的溶质通量。n在稳定状态下，其差值为通透过膜的溶质通量Js n即：

11、n据边界条件：x=0 时，C=Cm；x=时，C=Cb n积分得：（1）nCf滤过液（出水）的溶质浓度很小，可化简为：传质系数。n3、压力差与浓度极化的关系：n水通量：n n 压力增大 PJw n当Cm高到一定程度便在膜表面产生凝胶层。其凝胶浓度用Cg表示。（是极限值）n（四）形成凝胶层的影响：n1、刚形成凝胶层，水的通量：n2、继续加大作用压力：P Jw 凝胶层增厚 Jw P与Jw达新的平衡n3、生成凝胶层后的透水特性：n（1）透过水量不因压力增大而增加。n（2）（因为Cg是恒值）（由式 可知），Jw与Cb的对数是直线关系减小。n（3）与边界层厚度有关，透水特性还取决于流体动力学条件。边界层厚

12、度。n4、有凝胶层时水的通量：g凝胶层厚度，（cm）Pg凝胶层对水的透过特性（cm2/sPa）Rm膜阻力 （SPa/cm）Rg凝胶层阻力 （SPa/cm）n5、凝胶层的阻力Rg：Rg与透过水量（体积）V成正比，与压力差P也成正比。PJw g增厚Rg n 比例系数 n代入式中：n6、实验法求JwP关系：n 由式：可得：n调节变化P测Jw，把V视为定值（非精确法）令：原式变为：n Rm截距；n 斜率。n例如：n当油含量为0.1%很低时，Jw与P呈直线关系（无 凝胶层）。当油含量为1.2%和7.3%，有凝胶层的影响。图为硅溶胶超滤的 JwP实验关系曲线。三、纯水制备n（一）纯水制备中通用工艺：n离子

13、交换，配以反渗透，超滤等组成纯水制备的处理系统。n图2226为反渗透设于前端的超纯水制备系统的一例。处理阶段有关水中微粒数、微生物数、电阻率以及总有机碳含量见表。n工艺中的前处理（亦称预处理）指混凝、沉淀、过滤以及调整pH。n反渗透功效：反渗透器用于去除水中离子、微粒和微生物的大部分。经反渗透器后，出水的微粒数降到100个mL左右，n离子交换功效：离子交换复床以及混合床完全去除水中的残留离子。n系统中，利用反渗透进行预脱盐，目的：减轻离子交换的负荷。n紫外线灯功效：杀灭抑制细菌的繁殖。n超滤功效：去除微粒；细菌体；有来自树脂本身的溶解物，碎粒以及细菌的繁殖，终端超滤装置使出水纯度有保障。经由超滤器后，使超纯水的微粒数保持在 100个mL 以下。这样，整个系统的可靠性更高，完全可以满足电子工业对超纯水水质的要求。n超纯水流经超滤器后，电阻率稍有下降，这是由于在超滤之前，超纯水电阻率已接近于理论值，纯度非常高又极其敏感。n当与超滤器部件接触时，多少总是要受到一些轻微的再污染的缘故。