工业给水处理3章膜技术.pptx

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1、会计学1工业给水处理工业给水处理3章章 膜技术膜技术2023/2/12水质工程学1工业给水处理2n n2 2 2 2、膜分离技术的特点、膜分离技术的特点、膜分离技术的特点、膜分离技术的特点（a a）膜分离过程不发生相变，因此能量转化的效率高，例如在现在膜分离过程不发生相变，因此能量转化的效率高，例如在现在的各种海水淡化方法中反渗透法能耗最低；的各种海水淡化方法中反渗透法能耗最低；（b b）膜分离过程在常温下进行，因而特别适于对热敏性物料，如果膜分离过程在常温下进行，因而特别适于对热敏性物料，如果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩；汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩；（c c）装置简单，操作简单，控

2、制、维修容易，且分离效率高。与其装置简单，操作简单，控制、维修容易，且分离效率高。与其它水处理方法相比，具有占地面积小、适用范围广、处理效率它水处理方法相比，具有占地面积小、适用范围广、处理效率高等特点；高等特点；（d d）由于目前膜的成本较高，所以膜分离法投资较高，有些膜对酸由于目前膜的成本较高，所以膜分离法投资较高，有些膜对酸或碱的耐受能力较差。或碱的耐受能力较差。总之，膜分离具有高效、能耗低、常温运行、适应范围广、总之，膜分离具有高效、能耗低、常温运行、适应范围广、装置简单、单元化设计的优点。装置简单、单元化设计的优点。第1页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理3 3

3、3 3 3膜分离法的分类膜分离法的分类膜分离法的分类膜分离法的分类 按膜结构分：有对称膜和不对称膜；按膜结构分：有对称膜和不对称膜；按膜结构分：有对称膜和不对称膜；按膜结构分：有对称膜和不对称膜；按膜材料分：有机膜：纤维素膜、聚酰胺膜、聚砜膜、按膜材料分：有机膜：纤维素膜、聚酰胺膜、聚砜膜、按膜材料分：有机膜：纤维素膜、聚酰胺膜、聚砜膜、按膜材料分：有机膜：纤维素膜、聚酰胺膜、聚砜膜、聚乙烯聚乙烯聚乙烯聚乙烯膜等；膜等；膜等；膜等；无机膜：玻璃膜、陶瓷膜、氧化铝膜等；无机膜：玻璃膜、陶瓷膜、氧化铝膜等；无机膜：玻璃膜、陶瓷膜、氧化铝膜等；无机膜：玻璃膜、陶瓷膜、氧化铝膜等；按分离机理分：反应膜

4、、离子交换膜和渗透膜；按分离机理分：反应膜、离子交换膜和渗透膜；按分离机理分：反应膜、离子交换膜和渗透膜；按分离机理分：反应膜、离子交换膜和渗透膜；按几何形状分：平板式、管式、卷式和中空纤维式膜；按几何形状分：平板式、管式、卷式和中空纤维式膜；按几何形状分：平板式、管式、卷式和中空纤维式膜；按几何形状分：平板式、管式、卷式和中空纤维式膜；膜分离法的种类很多，现已应用的膜过程有膜分离法的种类很多，现已应用的膜过程有膜分离法的种类很多，现已应用的膜过程有膜分离法的种类很多，现已应用的膜过程有反渗透、纳滤、超滤、反渗透、纳滤、超滤、反渗透、纳滤、超滤、反渗透、纳滤、超滤、微滤、扩散渗析、电渗析、气体

5、分离、渗透蒸发、控制释放、液膜、微滤、扩散渗析、电渗析、气体分离、渗透蒸发、控制释放、液膜、微滤、扩散渗析、电渗析、气体分离、渗透蒸发、控制释放、液膜、微滤、扩散渗析、电渗析、气体分离、渗透蒸发、控制释放、液膜、膜蒸馏膜蒸馏膜蒸馏膜蒸馏等。目前，在水处理中常用的有等。目前，在水处理中常用的有等。目前，在水处理中常用的有等。目前，在水处理中常用的有电渗析、反渗透、纳滤、超滤、电渗析、反渗透、纳滤、超滤、电渗析、反渗透、纳滤、超滤、电渗析、反渗透、纳滤、超滤、微滤微滤微滤微滤等膜分离技术。等膜分离技术。等膜分离技术。等膜分离技术。第2页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理4水处理

6、中几种常用膜分离法的特点水处理中几种常用膜分离法的特点水处理中几种常用膜分离法的特点水处理中几种常用膜分离法的特点膜过程膜过程推动力推动力传质机理传质机理透过物及其尺寸透过物及其尺寸截留物截留物膜类型膜类型电渗析电渗析电位差电位差离子选择性离子选择性透过透过阴、阳离子阴、阳离子非电解质大非电解质大分子分子离子交换离子交换膜膜反渗透反渗透压力差压力差1-1-5MPa5MPa溶剂的扩散溶剂的扩散水或溶剂水或溶剂溶质、盐、溶质、盐、SSSS非对称膜非对称膜超滤压力差0.1-1MPa筛滤及表面作用水、盐及低分子有机物胶体大分子、SS非对称膜渗析渗析浓度差浓度差溶质的扩散溶质的扩散低分子物质、离低分子物

7、质、离子子溶剂溶剂非对称膜非对称膜液膜液膜化学反应和化学反应和浓度差浓度差反应促进和反应促进和扩散扩散电解质离子电解质离子溶剂（非电溶剂（非电解质解质液膜液膜第3页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理5第4页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理64 4 4 4、膜分离的应用领域、膜分离的应用领域、膜分离的应用领域、膜分离的应用领域 （1 1）化学）化学/染料工业染料工业 活性染料的脱盐、纯化、浓缩与回收活性染料的脱盐、纯化、浓缩与回收催化剂与贵金属的回收利用催化剂与贵金属的回收利用脱氧、氧化、酯化、皂化、磺化、硝化、脱氢反应中液体的分离、纯化脱氧、氧化、酯化

8、、皂化、磺化、硝化、脱氢反应中液体的分离、纯化甘油甘油/己内酰胺己内酰胺/苯苯/染料活性剂等有机化工原料的回收染料活性剂等有机化工原料的回收汽车汽车/仪表及其它工业涂漆的浓缩回收仪表及其它工业涂漆的浓缩回收（2 2）食品）食品/饮料工业饮料工业 啤酒啤酒/果酒果酒/黄酒黄酒/葡萄酒的澄清除菌过滤葡萄酒的澄清除菌过滤苹苹果果、梨梨、草草莓莓、橙橙、芒芒果果、桃桃、柠柠檬檬等等果果汁汁的的澄澄清清除除菌菌过过滤滤、脱脱水水浓浓缩缩葡萄酒葡萄酒/果酒果酒/茶茶/咖啡芬香气味的浓缩保留咖啡芬香气味的浓缩保留豆蛋白豆蛋白/乳清蛋白乳清蛋白/白蛋白白蛋白/单糖单糖/多糖溶液的澄清与浓缩多糖溶液的澄清与浓缩

9、乳清、奶酶及其他乳品的澄清、脱盐与浓缩乳清、奶酶及其他乳品的澄清、脱盐与浓缩 第5页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理7（3 3）制药）制药/生物工程生物工程 抗生素、维生素、有机酸、氨基酸、酶等发酵液的澄清除菌过滤抗生素、维生素、有机酸、氨基酸、酶等发酵液的澄清除菌过滤抗生素、维生素、有机酸、氨基酸等发酵液的蛋白剔除抗生素、维生素、有机酸、氨基酸等发酵液的蛋白剔除酶、蛋白质、多糖制备过程中细胞碎片的剔除酶、蛋白质、多糖制备过程中细胞碎片的剔除抗生素、氨基酸、维生素、有机酸、酶、多糖、蛋白质的纯化与浓缩抗生素、氨基酸、维生素、有机酸、酶、多糖、蛋白质的纯化与浓缩中成药、保健

10、品口服液的澄清除菌过滤中成药、保健品口服液的澄清除菌过滤动物血浆、血清的浓缩精制动物血浆、血清的浓缩精制其他相关的脱盐浓缩、澄清除菌、蛋白剔除、细胞收集等分离过程其他相关的脱盐浓缩、澄清除菌、蛋白剔除、细胞收集等分离过程（4 4）空气过滤）空气过滤 喷雾干燥过程中染料、抗生素、奶粉等的回收喷雾干燥过程中染料、抗生素、奶粉等的回收 电池厂金属镉、氧化铅粉尘的收集电池厂金属镉、氧化铅粉尘的收集 粉碎过程中磷酸盐、氧化镁、二氧化钛、碳粉、水泥、碳酸钙的回收粉碎过程中磷酸盐、氧化镁、二氧化钛、碳粉、水泥、碳酸钙的回收 包装过程中砂糖、染料、奶粉、味精等的回收包装过程中砂糖、染料、奶粉、味精等的回收 干

11、燥过程中干燥过程中PVCPVC、二氧化硅、活性碳、肥料等的回收二氧化硅、活性碳、肥料等的回收 合成氨尾气中氢气的回收利用合成氨尾气中氢气的回收利用第6页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理8（5 5）水处理）水处理）水处理）水处理 n n 提高饮用水水质：饮用纯水的制备提高饮用水水质：饮用纯水的制备n n 工业纯水制备：工业纯水制备：医药工业中注射用水医药工业中注射用水/洗瓶水及其他无菌水的制备洗瓶水及其他无菌水的制备 电子工业中超纯水的制备电子工业中超纯水的制备 火力发电厂锅炉补给水的制备火力发电厂锅炉补给水的制备 制造业中终端洗涤水的制备制造业中终端洗涤水的制备n n 苦

12、碱水脱盐、海水淡化苦碱水脱盐、海水淡化n n 水污染控制、水再生利用：水污染控制、水再生利用：生活污水处理与再生利用生活污水处理与再生利用 工业废水循环与再生利用（零排放）工业废水循环与再生利用（零排放）垃圾填埋场渗出水的浓缩处理垃圾填埋场渗出水的浓缩处理 纺织印染废水纺织印染废水、油漆、含油废水的处理、油漆、含油废水的处理 纸浆与造纸废水的处理及木素磺酸盐的回收纸浆与造纸废水的处理及木素磺酸盐的回收 金属、食品、皮革、农药和除草剂废水的处理金属、食品、皮革、农药和除草剂废水的处理第7页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理9n n二、离子交换膜及其作用机理二、离子交换膜及其作

13、用机理二、离子交换膜及其作用机理二、离子交换膜及其作用机理n n离子交换膜是电渗析器的重要组成部分，具有与离子交换树离子交换膜是电渗析器的重要组成部分，具有与离子交换树脂相同的组成，含有活性基团和能使离子透过的细孔。常用脂相同的组成，含有活性基团和能使离子透过的细孔。常用的离子交换膜按其选择透过性可分为的离子交换膜按其选择透过性可分为阳膜、阴膜、复合膜阳膜、阴膜、复合膜。n n阳膜阳膜(cation exchange membrane)cation exchange membrane)含有阳离子交换基团，在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，能排斥水中的阴水中交换基团发

14、生离解，使膜上带有负电，能排斥水中的阴离子，吸引水中的阳离子并使其通过。离子，吸引水中的阳离子并使其通过。n n阴膜阴膜(anion exchange membrane)anion exchange membrane)含有阴离子交换基团，在水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。中离解出阴离子，使膜上带正电，吸引阴离子并使其通过。第8页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理10n n复合膜（双极膜）复合膜（双极膜）由一面阳膜和一面阴膜复合而成，具有方向由一面阳膜和一面阴膜复合而成，具有方向性的电阻。性的电阻。当阳膜面朝向阴极，阴膜面朝向阳极

15、时，当阳膜面朝向阴极，阴膜面朝向阳极时，正、负离正、负离子都不能透过膜，显示出很高的电阻，但可以使膜界面处的水子都不能透过膜，显示出很高的电阻，但可以使膜界面处的水发生解离，产生氢离子和氢氧根离子。发生解离，产生氢离子和氢氧根离子。当膜的朝向与上述相反当膜的朝向与上述相反时时，膜电阻降低，膜两侧相应的离子进入膜中。，膜电阻降低，膜两侧相应的离子进入膜中。vv 离子交换膜为什么具有选择透过性呢？离子交换膜为什么具有选择透过性呢？离子交换膜为什么具有选择透过性呢？离子交换膜为什么具有选择透过性呢？离子交换膜是一种由高分子材料制成的具有离子交换基团的薄膜，其所以具有选择透过性主要是由于膜上孔隙和膜上

16、离子基团的静电作用。膜上孔隙的作用是，在膜的高分子键之间有一足够大的孔隙，以容纳离子的进出和通过。是离子通过膜的大门和通道。第9页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理11膜上离子基团的作用是，在膜的高分子链上，连接着一些可膜上离子基团的作用是，在膜的高分子链上，连接着一些可以发生解离作用的活性基团。在水溶液中，膜上的活性基因以发生解离作用的活性基团。在水溶液中，膜上的活性基因会发生解离作用，解离所产生的离子会发生解离作用，解离所产生的离子(或称反离子）进入溶液。或称反离子）进入溶液。于是，在膜上就留下了带有一定电荷的固定基团。存在于膜于是，在膜上就留下了带有一定电荷的固定基团

17、。存在于膜微孔中的带一定电荷的固定基团，好比在一条狭长的通道中微孔中的带一定电荷的固定基团，好比在一条狭长的通道中设立的一个个关卡或设立的一个个关卡或“警卫警卫”，以鉴别和选择通过的离子。，以鉴别和选择通过的离子。外力作用：外加电场，形成电势、电位差，使离子迁移，在外力作用：外加电场，形成电势、电位差，使离子迁移，在膜内扩散、传递。膜内扩散、传递。注意：树脂的作用机理是与溶液中的离子之间发生交换反应；注意：树脂的作用机理是与溶液中的离子之间发生交换反应；注意：树脂的作用机理是与溶液中的离子之间发生交换反应；注意：树脂的作用机理是与溶液中的离子之间发生交换反应；离离离离子交换膜的作用子交换膜的作

18、用子交换膜的作用子交换膜的作用并不是起离子交换的作用，而并不是起离子交换的作用，而并不是起离子交换的作用，而并不是起离子交换的作用，而是起离子选择是起离子选择是起离子选择是起离子选择透过性作用透过性作用透过性作用透过性作用。第10页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理12离子交换膜功能示意图离子交换膜功能示意图第11页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理13三、电渗析（三、电渗析（三、电渗析（三、电渗析（electrodialysiselectrodialysiselectrodialysiselectrodialysis，简称简称简称简称ED ED ED

19、ED）原理原理原理原理 电渗析是在直流电场的作用下，以电位差为推动力，利用阴、电渗析是在直流电场的作用下，以电位差为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性(即阳膜只允即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。与水分离的一种物理化学过程。从而实现溶液的浓缩、淡化、从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯精制和提纯的一种膜过程。的一种膜过程。电渗析出水分为：淡水、浓水、极水，极水的作用是不断排除电渗析出水分为：淡水、浓水、极水，极水的作用

20、是不断排除电极反应物，以保证电渗析正常运行。电极反应物，以保证电渗析正常运行。阳极室呈酸性，易腐蚀，一般用惰性电极，如钛涂钌；阳极室呈酸性，易腐蚀，一般用惰性电极，如钛涂钌；阴极室呈碱性，易结垢，一般用不锈钢电极。阴极室呈碱性，易结垢，一般用不锈钢电极。第12页/共119页+阳极阳极阴极阴极Cl-Na阳膜阳极室阳极室Cl-Cl-Cl-NaNaCl-NaNaCl-Cl-NaNa浓缩室淡化室淡化室浓缩室阴极室阴极室阴膜阳膜阴膜vv 电渗析过程原理图电渗析过程原理图电渗析过程原理图电渗析过程原理图第13页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理15C C：阳膜：阳膜 A A：阴膜：阴膜

21、电渗析除盐原理图电渗析除盐原理图第14页/共119页l l阳极反应：阳极反应：阳极反应：阳极反应：l l阴极反应：阴极反应：阴极反应：阴极反应：第15页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理17四四四四、电渗析器的构造与组装、电渗析器的构造与组装、电渗析器的构造与组装、电渗析器的构造与组装 1.1.电渗析器的构造电渗析器的构造 电渗析器由电渗析器由膜堆、极区和夹紧装置膜堆、极区和夹紧装置三部分组成。膜堆位于三部分组成。膜堆位于电渗析器的中部，由阳膜、浓（或淡）水室隔板、阴膜、淡电渗析器的中部，由阳膜、浓（或淡）水室隔板、阴膜、淡（浓）水室隔板交替排列成浓水室和淡水室。极区位于膜

22、堆（浓）水室隔板交替排列成浓水室和淡水室。极区位于膜堆两侧，包括电极、极水框和保护室，其作用是供给电渗析器两侧，包括电极、极水框和保护室，其作用是供给电渗析器直流电，将原水导入膜堆的配水孔，将淡水和浓水排出电渗直流电，将原水导入膜堆的配水孔，将淡水和浓水排出电渗析器，并通入和排出极水。压紧装置由盖板和螺杆组成，其析器，并通入和排出极水。压紧装置由盖板和螺杆组成，其作用是将极区和膜堆组成不漏水的电渗析器整体，可采用压作用是将极区和膜堆组成不漏水的电渗析器整体，可采用压板和螺栓拉紧，也可采用液压压紧。板和螺栓拉紧，也可采用液压压紧。第16页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理18

23、第17页/共119页 2.2.2.2.电渗析器的组装电渗析器的组装电渗析器的组装电渗析器的组装n n电渗析器的组装依其应用不同电渗析器的组装依其应用不同而有所不同。其组装的情况是而有所不同。其组装的情况是用级和段来表示的。用级和段来表示的。n n级：级：一对正、负电极之间的膜一对正、负电极之间的膜堆称为一级。增加级数可降低堆称为一级。增加级数可降低操作电压。操作电压。n n段：段：具有同一水流方向的并具有同一水流方向的并联联膜堆称为一段。增加段数就等膜堆称为一段。增加段数就等于增加脱盐流程，即提高除盐于增加脱盐流程，即提高除盐率。率。电渗析器的组装示意图电渗析器的组装示意图第18页/共119页

24、2023/2/12水质工程学1工业给水处理20电渗析器的级与段电渗析器的级与段电渗析器的级与段电渗析器的级与段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一对正、负电极之间的膜堆称为一级一对正、负电极之间的膜堆称为一级第19页/共119页3、实际应用的、实际应用的电渗析器电渗析器第20页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理22n n五、电流效率与极限电流五、电流效率与极限电流五、电流效率与极限电流五、电流效率与极限电流n n1.1.1.1.电流效率：电流效率：电流效率：电流效率：一个淡室（一对膜）实际去除的盐量等于一个淡室（一对膜）实际去除的盐量等于m m

25、1 1=q(c=q(c1 1-c-c2 2)tM)tMB B/1000 (g)/1000 (g)q q 一个淡室的出水量，一个淡室的出水量，L/sL/s c c1 1、c c2 2 分别表示进出水含盐量分别表示进出水含盐量,mmol/L,mmol/L t t 通电时间通电时间,s,s M MB B 物质的摩尔质量物质的摩尔质量,g/mol,g/mol 依据法拉第定律，应析出的盐量为依据法拉第定律，应析出的盐量为 m=ItM m=ItMB B (g)(g)I I 电流电流,(A),(A)F F 法拉第常数，法拉第常数，96500 C/mol96500 C/mol第21页/共119页2023/2/

26、12水质工程学1工业给水处理23 电渗析电流效率等于淡室实际去除的盐量与应析出的盐量电渗析电流效率等于淡室实际去除的盐量与应析出的盐量之比，即之比，即 mm1 1/m=/m=q(cq(c1 1-c-c2 2)F/1000I=)F/1000I=电流效率与膜对数无关，电压随膜对数增加而加大，而电流则保持不变。电渗析的电能效率是理论耗电量与实际耗电量之比，电渗析实际耗电量比理论耗电量大得多，因而电能效率较低。第22页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理24n n2.2.2.2.极限电流密度极限电流密度极限电流密度极限电流密度 电渗析器运行过程中，单位面积膜通过的电流称为电流密度电渗

27、析器运行过程中，单位面积膜通过的电流称为电流密度i i。由于膜界面现象的产生，使工作电流密度受到一定的限制。由于膜界面现象的产生，使工作电流密度受到一定的限制。由于离子在膜内的迁移数大于其在溶液中的迁移数，造成膜由于离子在膜内的迁移数大于其在溶液中的迁移数，造成膜面处离子亏空，使界面层两侧出现浓度差，从而产生了离子扩面处离子亏空，使界面层两侧出现浓度差，从而产生了离子扩散的推动力，此时离子迁移的亏空量有离子扩散来补充。根据散的推动力，此时离子迁移的亏空量有离子扩散来补充。根据菲克定律，扩散物质的通量表示为：菲克定律，扩散物质的通量表示为：D(c-cD(c-c1 1)/1000 (mmol/cm

28、)/1000 (mmol/cm2 2.s).s)D D扩散系数，扩散系数，cmcm2 2/s/s c c、c c1 1膜两侧溶液的物质量浓度，膜两侧溶液的物质量浓度，mmol/Lmmol/L 边界层厚度，边界层厚度，cmcm第23页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理25浓差极化示意浓差极化示意浓差极化示意浓差极化示意第24页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理26 当处于稳定状态时，离子迁移与扩散达到平衡当处于稳定状态时，离子迁移与扩散达到平衡:当i增大，c1降低，i达到等一数值时，c1 0，如果再提高i值，由于离子扩散不及，在膜界面处引起水的离解，产生氢

29、离子和氢氧根离子，来传递电流，这种现象称为浓差极化。此时的电流密度称为极限电流密度。第25页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理27n n3.3.3.3.极限电流的测定极限电流的测定极限电流的测定极限电流的测定 电渗析在现场组装好后首先要进行极限电流的测定。测定的方电渗析在现场组装好后首先要进行极限电流的测定。测定的方法如下：在设计流量下，同时浓水和极水的进口压力应与淡化水法如下：在设计流量下，同时浓水和极水的进口压力应与淡化水进口压力一致，调整流器从零开始对电渗析器供电，电压以膜堆进口压力一致，调整流器从零开始对电渗析器供电，电压以膜堆电压计，每次升高电压计，每次升高10V

30、10V，每次升高电压后其电压要恒定，然后，每次升高电压后其电压要恒定，然后记录电流数值。当膜堆电压达到单级膜对数记录电流数值。当膜堆电压达到单级膜对数113 V3 V（以膜面积（以膜面积大小选取）时作为测试终点，绘制电渗析器的电压大小选取）时作为测试终点，绘制电渗析器的电压电流曲线图，电流曲线图，并将各点连成近似的曲线（如图所示），由曲线作切线，并将各点连成近似的曲线（如图所示），由曲线作切线，APAP、DPDP相交相交P P点，并由点，并由P P点作水平线和垂线，交曲线于点作水平线和垂线，交曲线于B B、C C，所得，所得A A、B B、C C、D D曲线就是该机在此流量情况下的极限电流范围

31、，而曲线就是该机在此流量情况下的极限电流范围，而C C点为标点为标准极化点准极化点I IC C，其电流为极限电流。，其电流为极限电流。第26页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理28极限电流的确定第27页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理29n n4.4.4.4.极化与沉淀极化与沉淀极化与沉淀极化与沉淀 在电渗析的膜界面现象中，在电渗析的膜界面现象中，极化主要发生在阳膜淡室一侧，极化主要发生在阳膜淡室一侧，而沉淀现象主要发生在阴膜的浓水一侧。而沉淀现象主要发生在阴膜的浓水一侧。极化就会产生水解离，产生的极化就会产生水解离，产生的HOHO-氢氧根离子迁移通过

32、阴氢氧根离子迁移通过阴膜进入浓室，使浓水的膜进入浓室，使浓水的pH pH 值上升，出现值上升，出现CaCOCaCO3 3及及Mg(OH)Mg(OH)2 2的沉的沉淀，这些沉淀附着于膜表面，增加膜电阻、加大电能消耗、淀，这些沉淀附着于膜表面，增加膜电阻、加大电能消耗、降低出水水质。防止和消除结垢的措施有：降低出水水质。防止和消除结垢的措施有：控制操作电流，小于极限电流；控制操作电流，小于极限电流；定时倒电极，每小时定时倒电极，每小时2 23 3次频繁倒电极（次频繁倒电极（EDREDR）；）；定期酸洗定期酸洗,1-1.5%,1-1.5%盐酸循环清洗。盐酸循环清洗。第28页/共119页2023/2/

33、12水质工程学1工业给水处理30n n六、电渗析特点及在水处理中的应用六、电渗析特点及在水处理中的应用六、电渗析特点及在水处理中的应用六、电渗析特点及在水处理中的应用n n1.1.电渗析特点电渗析特点 在一定除盐范围内，能量消耗低；应用灵活，操作简单，在一定除盐范围内，能量消耗低；应用灵活，操作简单，维修方便维修方便 ；环境友好；预处理简单，使用寿命长。；环境友好；预处理简单，使用寿命长。但是，电渗析也有它自身的缺点，如电渗析只能除去水中但是，电渗析也有它自身的缺点，如电渗析只能除去水中的盐分，而对水中有机物不能去除，某些高价离子和有机物的盐分，而对水中有机物不能去除，某些高价离子和有机物还会

34、污染膜。电渗析运行过程中易发生浓差极化而产生结垢，还会污染膜。电渗析运行过程中易发生浓差极化而产生结垢，与反渗透相比，由于它的脱盐率较低，装置比较庞大且组装与反渗透相比，由于它的脱盐率较低，装置比较庞大且组装要求高，对原水含盐量的适应范围小，原水利用率较反渗透要求高，对原水含盐量的适应范围小，原水利用率较反渗透低。低。第29页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理312.2.电渗析处理不同水质的除盐效果及能耗电渗析处理不同水质的除盐效果及能耗 第30页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理32 3.3.电渗析的应用电渗析的应用 电渗析已是一种相当成熟的膜分离技术

35、，主要用途是苦咸水淡化、电渗析已是一种相当成熟的膜分离技术，主要用途是苦咸水淡化、生产饮用水、浓缩海水制盐以及从体系中脱除电解质。从生产饮用水、浓缩海水制盐以及从体系中脱除电解质。从2020世纪世纪8080年代至今，电渗析技术在我国已有大量的应用实例，但年代至今，电渗析技术在我国已有大量的应用实例，但8080年代至年代至9090年代初是电渗析技术应用的黄金时期。进入年代初是电渗析技术应用的黄金时期。进入2121世纪后电渗析技术的世纪后电渗析技术的许多领域被反渗透所取代，在除盐领域也一样，逐渐被反渗透所取许多领域被反渗透所取代，在除盐领域也一样，逐渐被反渗透所取代。代。七、电渗析技术的新发展七、

36、电渗析技术的新发展七、电渗析技术的新发展七、电渗析技术的新发展 1.1.高温电渗析，高温电渗析，70707575 2.2.填充床电渗析，填充床电渗析，电去离子电去离子电去离子电去离子（EDIEDI），下学期新技术中讲），下学期新技术中讲 3.3.双极膜电渗析（双极膜电渗析（BPMBPM）第31页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理33n n电去离子（电去离子（electrodeionizationelectrodeionization，简称，简称EDIEDI）技术是）技术是2020世纪世纪8080年代在电渗析技术基础上研究发展起来的一种新型除盐技年代在电渗析技术基础上研究发展

37、起来的一种新型除盐技术，术，主要应用于深度除盐，替代离子交换混床制取高纯水。主要应用于深度除盐，替代离子交换混床制取高纯水。主要应用于深度除盐，替代离子交换混床制取高纯水。主要应用于深度除盐，替代离子交换混床制取高纯水。在我国又叫填充床电渗析，它将电渗析技术和离子交换技术在我国又叫填充床电渗析，它将电渗析技术和离子交换技术有机结合，无需酸碱再生，而能连续制取高品质的纯水，既有机结合，无需酸碱再生，而能连续制取高品质的纯水，既利用了电渗析可以连续除盐和离子交换树脂可以深度除盐的利用了电渗析可以连续除盐和离子交换树脂可以深度除盐的优点，又克服了电渗析浓差极化的负面影响及离子交换树脂优点，又克服了电

38、渗析浓差极化的负面影响及离子交换树脂需要酸碱再生、不能连续工作的缺陷，它被认为是水处理技需要酸碱再生、不能连续工作的缺陷，它被认为是水处理技术领域具有革命性创新的技术之一。术领域具有革命性创新的技术之一。第32页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理34n n其作用原理分三部分：其作用原理分三部分：n n(1)(1)电渗析过程电渗析过程电渗析过程电渗析过程：在外加电场作用下，水中电解质通过离子：在外加电场作用下，水中电解质通过离子交换膜进行选择性迁移，从而达到去除离子的作用。交换膜进行选择性迁移，从而达到去除离子的作用。n n(2)(2)离子交换过程离子交换过程离子交换过程离子

39、交换过程：此过程靠离子交换树脂对水中的电解质：此过程靠离子交换树脂对水中的电解质交换作用，达到去除水中的离子。交换作用，达到去除水中的离子。n n(3)(3)电化学再生过程电化学再生过程电化学再生过程电化学再生过程：利用电渗析的极化过程产生的：利用电渗析的极化过程产生的H+H+和和OH-OH-及树脂本身的水解作用对树脂进行电化学再生。及树脂本身的水解作用对树脂进行电化学再生。第33页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理351-1-阳膜阳膜 2-2-阴膜阴膜 3-3-阴树脂阴树脂 4-4-阳树脂阳树脂EDIEDI基本原理图基本原理图第34页/共119页2023/2/12水质工程

40、学1工业给水处理36加拿大ECELL公司生产的MK系列模块美国Electropure公司生产的XL系列模块第35页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理37卷式EDI模块结构图OMEXELL公司生产的卷式EDI模块外观第36页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理38 第四节第四节第四节第四节 反渗透（反渗透（反渗透（反渗透（RORORORO）1 1、概述、概述2 2、反渗透膜及其透过机、反渗透膜及其透过机理理3 3、反渗透装置及系统、反渗透装置及系统4 4、反渗透主要参数、反渗透主要参数5 5、反渗透运行的影响因、反渗透运行的影响因素素6 6、反渗透装置的清洗

41、、反渗透装置的清洗第37页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理391 1、概述、概述、概述、概述 n n反渗透反渗透 （Reverse Osmosis,RO)Reverse Osmosis,RO)是一项高新膜分离技术，其孔径很小，是一项高新膜分离技术，其孔径很小，大都大都101010 10 1010 （1010A A），），它能它能去除水中的离子和分子量很小的去除水中的离子和分子量很小的有机物，如细菌、病毒、热源等有机物，如细菌、病毒、热源等。它已广泛用于海水或苦咸水淡。它已广泛用于海水或苦咸水淡化、电子、医药用纯水、饮用纯净水、太空水的生产，还应用于化、电子、医药用纯水、饮

42、用纯净水、太空水的生产，还应用于生物、医学工程。生物、医学工程。n n特点特点常温条件下，因而能耗低；常温条件下，因而能耗低；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。第38页/共119页渗透和反渗透的概念渗透和反渗透的概念渗透和反渗透的概念渗透和反渗透的概念渗透和反渗透示意图渗透和反渗透示意图半透膜半透膜开始时两边液面开始时两边液面相同相同由于浓度差存在，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

43、面升高，过膜，使浓水一边液面升高，产生渗透压产生渗透压第39页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理41反反渗透渗透原理原理第40页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理42 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。当把溶剂。当把溶剂和溶液和溶液(或把两种不同浓度的溶液或把两种不同浓度的溶液)分别置于此膜的两侧时，纯溶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剂将自然穿过半透膜而自发地向溶液(或从低浓度溶液向高浓度或从低浓度溶液向高浓度溶液溶液)一侧流动，这种现象叫做一侧流动，这种现象叫做渗透渗透

44、。此。此H H称为该溶液的称为该溶液的渗透压渗透压 。=iRTc c溶液的物质量浓度，i渗透系数，对于海水：1.8若在溶液的液面上再施加一个大于 的压力P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，这就是所谓的反渗透。而只允许溶质通过的膜分离过程为渗析。第41页/共119页2 2 2 2反渗透膜及其透过机理反渗透膜及其透过机理反渗透膜及其透过机理反渗透膜及其透过机理（1 1 1 1）对反渗透膜的性能要求）对反渗透膜的性能要求）对反渗透膜的性能要求）对反渗透膜的性能要求n n选择性好，单位膜面积上透水量大，脱盐率高；选择性好，单位膜面积上透水量大，脱盐率高；n n机械强度好，能抗压

45、、抗拉、耐磨；机械强度好，能抗压、抗拉、耐磨；n n热和化学的稳定性好，能耐酸、碱腐蚀和微生物侵蚀，耐水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；解、辐射和氧化；n n结构均匀一致，尽可能地薄，寿命长，成本低。结构均匀一致，尽可能地薄，寿命长，成本低。（2 2 2 2）反渗透膜从化学组成上主要有三种）反渗透膜从化学组成上主要有三种）反渗透膜从化学组成上主要有三种）反渗透膜从化学组成上主要有三种n n醋酸纤维素（醋酸纤维素（CACA）膜）膜:1960:1960美国，美国，95%95%，易水解，易水解n n芳香族聚酰（芳香族聚酰（PAPA）胺膜：）胺膜：7070年以后，年

46、以后，95-99%95-99%n n复合膜复合膜:90:90年代后期，年代后期，99.5%99.5%，低压，性能优良，低压，性能优良第42页/共119页(3)(3)(3)(3)醋酸纤维素膜的结构及性能醋酸纤维素膜的结构及性能醋酸纤维素膜的结构及性能醋酸纤维素膜的结构及性能 膜的结构膜的结构n n醋酸纤维素是没有强烈氢键的无定形链状高分子化合物。醋酸纤维素是没有强烈氢键的无定形链状高分子化合物。n n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，然后再经蒸发、冷水浸渍、热处理，调制、过滤、铸塑成型，然后再经蒸发、

47、冷水浸渍、热处理，即可得到醋酸纤维素即可得到醋酸纤维素(cellulose acetate,CA)cellulose acetate,CA)膜。膜。n n外观为乳白色、半透明，有一定的韧性，膜厚外观为乳白色、半透明，有一定的韧性，膜厚l00l00250250 mm。n n这种膜有不对称结构，表面结构致密，孔隙很小，通称为表皮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、活化层；下层结构较疏松，孔隙较大，通称为多层或致密层、活化层；下层结构较疏松，孔隙较大，通称为多孔层或支撑层。孔层或支撑层。第43页/共119页醋酸纤维素膜的结构示醋酸纤维素膜的结构示意图意图99表皮层，孔径

48、表皮层，孔径（810）1010m第44页/共119页显显微微镜镜下下膜膜的的照照片片第45页/共119页 CACACACA膜的性质膜的性质膜的性质膜的性质（a a）膜的方向性：膜的方向性：n n由于由于CACA膜是一种不对称膜，因此，在进行反渗透膜是一种不对称膜，因此，在进行反渗透时，必须保持表层与待处理的溶液或废水接触，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，否则达不到处理的目的。而决不能倒置，否则达不到处理的目的。（b b）选择透过性：选择透过性：n nCACA膜对无机电解质和有机物具有选择透过性。膜对无机电解质和有机物具有选择透过性。n n对电解质，离子价越高，或同价离子

49、水合半径越对电解质，离子价越高，或同价离子水合半径越大，则脱除效果越好。大，则脱除效果越好。n n阳离子的脱除顺序为：阳离子的脱除顺序为：SrSr2+2+BaBa2+2+LiLi+NaNa+KK+。阴阴离子的脱除顺序为：柠檬酸根离子的脱除顺序为：柠檬酸根 酒石酸根酒石酸根 SOSO4 42-2-CHCH3 3COOCOO-ClCl-BrBr-NONO3 3-II-SCNSCN-。第46页/共119页（c c）压密效应：压密效应：n nCACA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25255050，同时，同时，透水性及对溶质的脱除率也相应降低，这种现象称为膜的压透水性及

50、对溶质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，因此膜的性能在压力消密效应。这种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。失后不会恢复。（d 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：n nCACA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pHpH值和水的温度有值和水的温度有关。一般在碱性介质中的水解速率比在酸性介质中大，在关。一般在碱性介质中的水解速率比在酸性介质中大，在pH4.5pH4.55.25.2时最低。时最低。第47页/共119页2023/2/12水质工程学1工业给水处理49n n(4)(4)(4)(4)