水的膜分離技術第1頁/共51頁

第十章膜法

第一節(jié)概論第二節(jié)電滲析第三節(jié)反滲透第四節(jié)超濾第2頁/共51頁第一節(jié)概述

膜分離法是在某種推動力作用下，利用特殊的薄膜對液體中的某些成分進行選擇性透過的方法的統(tǒng)稱。常用的膜分離方法有電滲析、反滲透、超濾，其次是自然滲析和液膜技術.

第3頁/共51頁膜分離技術有以下共同特點：

①不發(fā)生相變，能量轉化效率高；

②在常溫下進行；

③裝置簡單，操作容易，分離效率高。第4頁/共51頁在直流電場的作用下，利用離子交換膜的選擇透過性，把電解質從水中分離出來的過程。第二節(jié)電滲析第5頁/共51頁一、電滲析原理和工作過程

1.原理

C——陽膜A——陰膜陽極：Cl-→Cl2↑+2e陰極：2H++2e→H2↑（氧化反應）：4OH-→O2↑+2H2O+4e（還原反應）：圖9-1電滲析工作原理圖

Cl-Na+第6頁/共51頁

2.工作過程主要過程：離子電遷移和電極反應

次要過程（1）反離子的遷移（2）電解質濃差擴散（3）水的滲透（4）水的電滲透（5）水的壓滲（6）水的電離第7頁/共51頁海水淡化電滲析法示意圖第8頁/共51頁二、離子交換膜1、離子交換膜的分類2、離子交換膜性能3、離子交換膜選擇透過性機理第9頁/共51頁1、離子交換膜的分類

（1）按膜體結構分類

a．異相膜

b．半均相膜

c．均相膜（2）按活性基團分類

a．陽離子交換膜

b.陰離子交換膜

c．特種膜（3）按材料性質分類

a.有機離子交換膜

b.無機離子交換膜

二、離子交換膜第10頁/共51頁離子交換膜電滲析器第11頁/共51頁2、離子交換膜的性能（1）交換容量

一定量膜樣品中所含活性基團數，通常以單位面積、單位體積或單位干重膜所含可交換離子的毫克當量數表示。（2）含水量

濕膜中所含水的百分數。

一般為30％～50％。（3）破裂強度

衡量膜機械強度的重要指標之一。（4）厚度

膜厚度與膜電阻和機械強度有關。

一般異相膜約1mm，均相膜0.2～0.6mm，最薄的為0.015mm。第12頁/共51頁（6）選擇透過性膜中離子的選擇透過性可用選擇透過率來表示。陽膜對陽離子的選擇透過性陰膜對陰離子的選擇透過性（5）導電性

可用電阻率、電導率或面電阻來表示，面電阻表示單位膜面積的電阻（Ω·cm-2）。第13頁/共51頁3離子交換膜的選擇性透過機理

（1）雙電層理論

（2）Donnan膜平衡理論第14頁/共51頁三、電滲析器的構造1.構造

膜堆：一對陰陽膜和一對濃淡水隔板交替排列組成最基本的脫鹽單元，稱為膜對。電極之間若干膜對組成膜堆。

極區(qū)：電極、極框、電極托板、橡膠墊板。

緊固裝置：壓桿、螺桿緊固。

配套設備：整流器、水泵、轉子流量計等。

第15頁/共51頁(1)離子交換膜

（組裝前對膜的處理）

首先將膜放在操作溶液中浸泡24～48小時，使之與膜外溶液平衡，然后剪裁打孔。膜的尺寸大小比隔板周邊小1mm，應比隔板水孔大1mm。電滲析停運時，應在電滲析器中充滿溶液，以防膜發(fā)霉變質，或膜因干燥收縮變形甚至破裂。

第16頁/共51頁（2）隔板（放在陽、陰膜之間）作用①膜的支撐體；

②水流通道。隔板上有進出水孔、配水槽及過水道，其結構如圖。為了支撐膜和加強攪拌作用，使液體產生紊流，在大部分隔板的流道中，均粘貼或熱壓上一定形式的隔網。第17頁/共51頁

(3)電極

常用鉛板或石墨作陽極，不銹鋼作陰極。(4)夾緊裝置

作用是把極區(qū)和膜堆組成不漏水的電滲析器整體?？刹捎脡喊搴吐菟ɡo，也可采用液壓壓緊。第18頁/共51頁2電滲析器的組成將陰、陽離子交換膜和隔板交替排列、再配上陰、陽極就構成了電滲析器。第19頁/共51頁電滲析器的組裝方式有幾種，如圖所示。

第20頁/共51頁四、電滲析的操作控制電能消耗分析電流密度控制

1.濃差極化

2.極限電流密度流速與壓力確定第21頁/共51頁1、電能消耗分析

電滲析過程，主要消耗的是電能，因此，耗電量的大小，不但直接地影響到處理成本，也在一定程度上反映了操作技術水平。單位體積成品水的電能消耗按下式計算：(kWh/m3)式中V——工作電壓，V；

I——工作電流，A；

Qd——淡水產量，m3／h。

電滲析器的工作電壓V可分解為下式中的幾個部分：

第22頁/共51頁2電流密度控制（1）濃差極化

在電滲析操作中，如采用的電流密度過大，會產生濃差極化現象，如圖所示。

第23頁/共51頁（2）極限電流密度

發(fā)生濃差極化的情況下的電流密度稱為極限電流密度。理論值：式中ilim—極限電流密度，A/cm2；

c—淡水室溶液中的離子濃度，mmol/L；

δ——擴散邊界層厚度，cm；

D——離子擴散系數，cm2/s；

F——法拉第常數，F＝96500C/mol。第24頁/共51頁對于擴散層厚度δ，威爾遜(Wilson1960)提出如下計算式：

式中v——淡水室中水流線速度，cm/s；

K’——試驗常數；

d——淡水室(隔板)厚度，cm。

將式(9-7)代入式(9-6)中，并令

得此式常被稱為威爾遜公式。水力特性系數第25頁/共51頁3.流速與壓力的確定

電滲析器都有自身的額定流量，流量過大進水壓力過高，設備容易產生漏水和變形。流量過小時，達不到正常流速，水流不均勻，容易極化結垢，都會影響電滲析器的正常運行。目前一般水流速度控制在5～25cm/s，進水壓力一般不超過O.3MPa。第26頁/共51頁五電滲析除鹽的設計計算1．設計計算步驟①確定電滲析在臨界極化狀態(tài)下所需要的極限流程長度

Llim。以此為依據，確定電滲析器的工作狀況。②選定隔板形式，確定隔板構造數值。③計算水流速度、電流密度、污染物含量等④各段（或各級)污染物含量均按臨界極化狀況的去除規(guī)律來分配。⑤計算水頭損失Δp數值，以校核所選取的水流速度是否可行。有時由于水壓的限制需要試算，以確定合理的水流速度。⑥根據電流密度計算電流，根據水的電阻率計算電壓，以選擇直流電源。第27頁/共51頁2.計算公式(1)電流效率通過一張隔板的電流，就是隔板上平均電流密度與隔板有效面積的乘積，將通過一張隔板的電流除以法拉第常數F就得到水流經過一張隔板時每秒的理論脫鹽量。

第28頁/共51頁(2)膜面積及流程長度

所需膜面積及流程長度的公式：(3）段數和每段膜對數求出流程總長度L總后、根據每張隔板實際流程長度L，即可求出所需串聯(lián)的段數N，即N＝L總／L

第29頁/共51頁

(4)水頭損失除鹽流程長度上的綜合水頭損失(沿程損失與局部損失)可按下式估算:(5)電流、電壓及電耗

電滲析工作電流為有效膜面積與平均電流密度的乘積，即第30頁/共51頁六、電滲析法在廢水處理中的應用(1)處理堿法造紙廢液，從濃液中回收堿，從淡液中回收木質素；(2)從芒硝廢液中制取硫酸和氫氧化鈉；(3)從酸洗廢液中制取硫酸和沉積重金屬離子；(4)放射性廢水中分離放射性元素，其濃縮液掩埋；(5)處理電鍍廢水和廢液，含Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cr6+等金屬離子的廢水都適宜用電滲析處理。第31頁/共51頁陽極反應式：陰極反應式：第32頁/共51頁第三節(jié)反滲透反滲透原理反滲透膜及其傳質機理反滲透裝置反滲透工藝流程及操作控制反滲透法在廢水處理中的應用舉例第33頁/共51頁

反滲透法是以壓力為驅動力的膜法分離技術。滲透和反滲透一、反滲透原理第三節(jié)反滲透第34頁/共51頁二、反滲透膜及其傳質機理反滲透膜是一類具有不帶電荷的親水性基團的膜，是實現反滲透分離的關鍵。1．醋酸纖維素膜(簡稱CA膜)的結構及性能

第35頁/共51頁毛細管流機理膜膜2.反滲透膜的透過機理(1)氫鍵理論

該理論認為，水透過膜是由于水分子和膜的活化點形成氫鍵及斷開氫鍵之故。(2)優(yōu)先吸附毛細管流理論第36頁/共51頁三、反滲透裝置板框式把滲透膜貼在多孔透水板單側或兩側，再緊貼在不銹鋼或環(huán)氧玻璃鋼承壓板的兩側，構成一個滲透元件管式把滲透膜裝在耐壓微孔承壓管的內側或外側，制成管狀膜的元件螺旋卷式在兩層反滲透膜中間夾一層多孔的柔性格網，再在下面鋪一層供廢水通過的多孔透水格網，然后將它們的一端粘貼在多孔集水管上，繞管卷成螺旋卷筒，并將另一端密封，就成為一個反滲透元件中空纖維式在兩層反滲透膜的原料空心紡絲而成中空纖維管第37頁/共51頁1、板框式反滲透裝置

在多孔透水板的單側或兩側貼上反滲透膜，即構成板式反滲透元件。再將元件緊粘在用不銹鋼或環(huán)氧玻璃鋼制作的承壓板兩側。然后將幾塊或幾十塊元件成層疊合，用長螺栓固定，裝入密封耐壓容器中，制成板式反滲透器。第38頁/共51頁2、管式裝置把膜和支撐物均制成管狀，兩者裝在一起，再將一定數量的管，以一定方式聯(lián)成一體而組成。第39頁/共51頁3、螺旋卷式裝置

其膜組件是在兩層膜中間夾一層多孔的柔性格網，并將它們的三邊粘合密封起來、再在下面鋪一層供廢水通過的多孔透水格網，然后將另一開放邊與一根多孔集水管密封聯(lián)接，使進水與凈化水完全隔開，最后以集水管為軸，將膜葉螺旋卷緊而成。第40頁/共51頁4、中空纖維式裝置

中空纖維膜是一種細如頭發(fā)的空心管，由制膜液空心紡絲而成。纖維外經為50～100μm，內徑為25～42μm。將數十萬根中空纖維膜捆成膜束，彎成U字形裝入耐壓圓筒容器中，并將纖維膜開口端固定在環(huán)氧樹脂管板上，即可組成反滲透器。第41頁/共51頁

反滲透系統(tǒng)由其預處理及反滲透裝置和后處理三部分組成。核心是反滲透裝置，預處理是反滲透裝置能否長期穩(wěn)定運行的前提，后處理用以滿足不同處理對象的最終產水水質指標。

四、反滲透工藝流程及操作控制

1.工藝流程第42頁/共51頁2．工藝參數(1)凈化水質與回收率根據物料平衡，進出反滲透系統(tǒng)的溶質有下列關系：

式中Qf、Qc、Qp——分別為進水、濃水和淡水流量；

cf、cc、cp——分別為進水、濃水和淡水濃度。濃水側溶質的平均濃度cm可用下式計算：

令溶質的平均去除率為Rm，則：第43頁/共51頁

按上面的公式用試算法可以簡便地求出凈化水質。由于cp很小，故先假定cp＝0，則有

式中Y為水的回收率，Y＝Qp／Qf。由此得

在已知Q、cf、Rm及取定Y值的條件下，將按公式算得的cp初步值代入公式，求得cp的新值。重復計算幾次就可獲得較精確的cp值。第44頁/共51頁(2)工作壓力

膜的透水量取決于膜的物理特性、膜的化學組成以及系統(tǒng)的操作條件等。實際上，膜的物理特性、水溫、進出水濃度、流速等對一定的過程是固定的，因此透水量僅是膜兩側壓力差的函數，可按下式計算：

式中Fs——膜的平均透水量，g/cm2.s；

KW——膜的水透過系數，g/cm2·s.MPa；

Δp——供水壓力與淡水壓力的差值，MPa；

Δπ——供水與淡水的滲透壓力差，MPa第45頁/共51頁(3)膜的透鹽量

膜的透鹽量或某溶質組分的透過量與濃度差有關，可按下式汁算：

式中Fy——透鹽量，g/cm2·s；

Py——溶質在膜內的擴散系數，cm2/s；

δ——膜的有效厚度，cm；

β——膜的透鹽常數，表示特定膜的透鹽能力。第46頁/共51頁3．濃差極化

在反滲透過程中，由于水不斷地