膜分離法給水處理第1頁/共58頁2膜分離的應(yīng)用領(lǐng)域

（1）化學(xué)/染料工業(yè)

活性染料的脫鹽、純化、濃縮與回收食品染料的脫鹽、純化、濃縮與回收催化劑與貴金屬的回收利用脫氧、氧化、酯化、皂化、磺化、硝化、脫氫反應(yīng)中液體的分離、純化甘油/己內(nèi)酰胺/苯/染料活性劑等有機化工原料的回收汽車/儀表及其它工業(yè)涂漆的濃縮回收（2）食品/飲料工業(yè)

啤酒/果酒/黃酒/葡萄酒的澄清除菌過濾蘋果、梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、檸檬等果汁的澄清除菌過濾蘋果、梨、鳳梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、檸檬等果汁的脫水濃縮葡萄酒/果酒/茶/咖啡芬香氣味的濃縮保留豆蛋白/乳清蛋白/白蛋白/單糖/多糖溶液的澄清與濃縮乳清、奶酶及其他乳品的澄清、脫鹽與濃縮蔬菜抽提汁/西紅柿汁的脫水濃縮

第2頁/共58頁3（3）制藥/生物工程

抗生素、維生素、有機酸、氨基酸、酶等發(fā)酵液的澄清除菌過濾抗生素、維生素、有機酸、氨基酸等發(fā)酵液的蛋白剔除酶、蛋白質(zhì)、多糖制備過程中細(xì)胞碎片的剔除抗生素、氨基酸、維生素、有機酸、酶、多糖、蛋白質(zhì)的純化與濃縮6-APA、7-ACA、7-ADCA及其他半合成抗生素的脫鹽濃縮中成藥、保健品口服液的澄清除菌過濾動物血漿、血清的濃縮精制其他相關(guān)的脫鹽濃縮、澄清除菌、蛋白剔除、細(xì)胞收集等分離過程（4）空氣過濾

噴霧干燥過程中染料、抗生素、奶粉等的回收

電池廠金屬鎘、氧化鉛粉塵的收集

粉碎過程中磷酸鹽、氧化鎂、二氧化鈦、碳粉、水泥、碳酸鈣的回收包裝過程中砂糖、染料、奶粉、味精等的回收干燥過程中PVC、二氧化硅、活性碳、肥料等的回收合成氨尾氣中氫氣的回收利用

其他一切有關(guān)的粉塵收集及空氣除塵過程第3頁/共58頁4（5）水處理

飲用純水（太空水）的制備

醫(yī)藥工業(yè)中注射用水/洗瓶水及其他無菌水的制備

電子工業(yè)中超純水的制備

火力發(fā)電廠鍋爐補給水的制備

飲料與化妝品工業(yè)中產(chǎn)品配方用水的制備

制造業(yè)中終端洗滌水的制備

飲用水純化/苦堿水脫鹽/海水淡化

廢水循環(huán)與再生利用（零排放）

BOD/COD的最小化

垃圾填埋場滲出水的濃縮處理

染料、顏料、油漆、含油廢水的處理

紙漿與造紙廢水的處理及木素磺酸鹽的回收

金屬、食品、皮革、農(nóng)藥和除草劑廢水的處理

紡織印染廢水的處理及絲光廢水的回收利用第4頁/共58頁5膜分離的推動力可以是膜兩側(cè)的壓力差、電位差或濃度差。這種分離方法可在室溫、無相變條件下進行，具有廣泛的適用性。各種膜分離法的推動力與分離對象如下表所示。

膜能使溶劑(水)透過的現(xiàn)象稱為滲透，膜能使溶質(zhì)透過的現(xiàn)象為滲析。膜過程推動力傳質(zhì)機理透過物及其尺寸截留物膜類型電滲析電位差離子選擇性透過溶解性無機物非電解質(zhì)大分子離子交換膜反滲透壓力差2-10MPa溶劑的擴散水或溶劑溶質(zhì)、鹽、SS非對稱膜超過濾壓力差0.1-10.MPa篩濾及表面作用水、鹽及低分子有機物膠體大分子、不容有機物非對稱膜滲析濃度差溶質(zhì)的擴散低分子物質(zhì)、離子溶劑非對稱膜第5頁/共58頁6膜分離技術(shù)的特點（a）膜分離過程不發(fā)生相變（b）膜分離過程在常溫下進行，因而特別適于對熱敏性物料，如果汁、酶、藥物等的分離、分級和濃縮；（c）裝置簡單，操作簡單，控制、維修容易，且分離效率高。與其它水處理方法相比，具有占地面積小、適用范圍廣、處理效率高等特點；（d）由于目前膜的成本較高，所以膜分離法投資較高，有些膜對酸或堿的耐受能力較差。所以目前膜分離法在水處理中一般用于回收廢水中的有用成分或水的回用處理。第6頁/共58頁7

電滲析法一、離子交換膜及其作用機理：1，離子交換膜：離子交換膜是電滲析器的重要組成部分，按其選擇透過性能，主要分為陽膜與陰膜陽膜——含有陽離子交換基團，在水中交換基團發(fā)生離解，使膜上帶有負(fù)電，能排斥水中的陰離子，吸引水中的陽離子并使其通過。陰膜——含有陰離子交換基團，在水中離解出陰離子，使膜上帶正電，吸引陰離子并使其通過。復(fù)合膜按其膜體結(jié)構(gòu)，可區(qū)分為異相膜、均相膜第7頁/共58頁8

異相模通常是具有交換基團的聚合電解質(zhì)(樹脂)與成膜材料(粘合劑)粘合生成薄膜，井加入襯網(wǎng)而制成。這種膜中的聚合電解質(zhì)并不是連續(xù)的，它的化學(xué)性能不均勻，如下圖所示，在膜和電解質(zhì)之間為成膜材料所充滿，故叫異相膜。第8頁/共58頁9

均相膜指整張膜完全是按離子交換樹脂的制造工藝制成的，是將樹脂的母體連接起來，成為連續(xù)的膜狀物，在這種膜中聚合電解質(zhì)和成膜材料之間發(fā)生了化學(xué)結(jié)合而成為共聚體。如下圖所示。由于這種膜的化學(xué)性能是均勻的，膜的各部分具有相同特性，是單相的，故叫均相膜。

異相膜機械強度好、價格低，但膜電阻大、耐熱差、透水性大。均相膜則相反。第9頁/共58頁10

離子交換膜是一種由高分子材料制成的具有離子交換基團的薄膜，其所以具有選擇透過性主要是由于膜上孔隙和膜上離子基團的作用。膜上孔隙的作用是，在膜的高分子鍵之間有一足夠大的孔隙，以容納離子的進出和通過。是離子通過膜的大門和通道。膜上離子基團的作用是，在膜的高分子鏈上，連接著一些可以發(fā)生解離作用的活性基團。在水溶液中，膜上的活性基因會發(fā)生解離作用，解離所產(chǎn)生的離子(或稱反離子）進入溶液。于是，在膜上就留下了帶有一定電荷的固定基團。存在于膜微孔中的帶一定電荷的固定基團，好比在一條狹長的通道中設(shè)立的一個個關(guān)卡或“警衛(wèi)”，以鑒別和選擇通過的離子。

離子交換膜為什么具有選擇透過性呢？第10頁/共58頁11離子交換膜功能示意圖注意：離子交換膜的作用并不是起離子交換的作用，而是起離子選擇透過性作用。第11頁/共58頁12第12頁/共58頁13（2）膜電阻

膜電阻與電滲析所需要的電壓有密切的關(guān)系。電阻越小，所需電壓越低。膜電阻一般用膜的電阻率乘以膜的厚度表示。第13頁/共58頁14二、電滲析原理及過程：電滲析法：外加直流電場作用下，利用離子交換膜的選擇透過性，使水中陰陽離子做定向遷移，從而達到離子從水中分離的一種物理化學(xué)過程。++++++陽極－－－－－－陰極Cl-Na＋陽膜陽極室Cl-Cl-Cl-Na＋Na＋Cl-Na＋Na＋Cl-Cl-Na＋Na＋濃縮室淡化室濃縮室陰極室陰膜陽膜陰膜第14頁/共58頁15電滲析過程第15頁/共58頁陽極反應(yīng)：陰極反應(yīng)：

陰極室溶液呈堿性，當(dāng)水中有Ca2+、Mg2+、HCO3時，會生成水垢集結(jié)在陰極上。而陽極室溶液呈酸性，對電極造成強烈的腐蝕。第16頁/共58頁17極化和沉淀

在電滲析器膜界面現(xiàn)象中，極化現(xiàn)象主要發(fā)生在陽膜的淡室一側(cè)，沉淀主要發(fā)生在陰膜的濃室一側(cè)。第17頁/共58頁18四、電滲析器的構(gòu)造與組裝

電滲析器由膜堆、極區(qū)和夾緊裝置三部分組成。

膜堆位于電滲析器的中部，由陽膜、濃（或淡）水室隔板、陰膜、淡（濃）水室隔板交替排列成濃水室和淡水室。

極區(qū)位于膜堆兩側(cè)，包括電極、極水框和保護室，其作用是供給電滲析器直流電，將原水導(dǎo)入膜堆的配水孔，將淡水和濃水排出電滲析器，并通入和排出極水。

壓緊裝置由蓋板和螺桿組成，其作用是將極區(qū)和膜堆組成不漏水的電滲析器整體，可采用壓板和螺栓拉緊，也可采用液壓壓緊。

第18頁/共58頁19第19頁/共58頁20（1）電滲析器的組裝電滲析器的組裝依其應(yīng)用不同而有所不同。其組裝的情況是用級和段來表示的。級：一對正、負(fù)電極之間的膜堆稱為一級。段：具有同一水流方向的并聯(lián)膜堆稱為一段。電滲析器的組裝示意圖第20頁/共58頁21（2）電滲析器的級與段一級一段一級兩段兩級一段兩級兩段一對正、負(fù)電極之間的膜堆稱為一級具有同一水流方向的并聯(lián)膜堆稱為一段第21頁/共58頁22實際應(yīng)用的電滲析器第22頁/共58頁23

電滲析在廢水處理中的應(yīng)用

目前，電滲析在廢水處理實踐中應(yīng)用最普遍的有：⑴造紙工業(yè)廢水處理，利用電滲析法處理造紙工業(yè)的亞硫酸紙漿廢液和洗漿廢水及堿法造紙黑液，從中回收化學(xué)藥品，已得到工業(yè)應(yīng)用。⑵從芒硝廢液中制取硫酸和氫氧化鈉。⑶從酸洗廢液中制取硫酸和沉淀重金屬離子。⑷電鍍廢水和廢液處理，含Cd2+、Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cr6+等重金屬離子和氰化物的電鍍廢水都適宜用電滲析法處理，其中應(yīng)用最成熟的是含鎳廢水處理。⑸從放射性廢水中分離放射性元素，然后將其濃縮液掩埋。

第23頁/共58頁24§8—4反滲透與超濾1、反滲透概述反滲透是一項高新膜分離技術(shù)，其孔徑很小，它能去除濾液中的離子范圍和分子量很小的有機物，如細(xì)菌、病毒、熱源等。它已廣泛用于海水或苦咸水淡化、電子、醫(yī)藥用純水、飲用蒸餾水、太空水的生產(chǎn)，還應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)工程。特點常溫條件下，可以對溶質(zhì)和水進行分離或濃縮，因而能耗低；雜質(zhì)去除范圍廣，可去除無機鹽和各類有機物雜質(zhì)；較高的水回用率；

分離裝置簡單，容易操作和維修。第24頁/共58頁252、反滲透的原理滲透和反滲透原理示意圖半透膜開始時兩邊液面相同由于濃度差存在，半透膜又不允許溶質(zhì)通過，所以水透過膜，使?jié)馑贿呉好嫔撸a(chǎn)生滲透壓在濃水邊加壓，當(dāng)壓力超過滲透壓時，則水透過半透膜，即反滲透，實現(xiàn)凈化過程。第25頁/共58頁26

一種只能透過溶劑而不能透過溶質(zhì)的膜稱為半透膜。當(dāng)把溶劑和溶液(或把兩種不同濃度的溶液)分別置于此膜的兩側(cè)時，純?nèi)軇⒆匀淮┻^半透膜而自發(fā)地向溶液(或從低濃度溶液向高濃度溶液)一側(cè)流動，這種現(xiàn)象叫做滲透。此H稱為該溶液的滲透壓Π

。滲透壓由溶質(zhì)種類和濃度大小而定，還與溫度有關(guān)。第26頁/共58頁27

若在溶液的液面上再施加一個大于Π

的壓力P時，溶劑將與原來的滲透方向相反，開始從溶液向溶劑一側(cè)流動，這就是所謂的反滲透。

凡基于此原理所進行的濃縮或純化溶液的分離方法，一般稱之為反滲透工藝。

反滲透是滲透的一種反向遷移運動，它主要是在壓力推動下，借助半透膜的截留作用，迫使溶液中的濟劑與溶質(zhì)分開。第27頁/共58頁28

應(yīng)用范圍太空水、純凈水、蒸餾水等制備；

酒類制造及降度用水；

醫(yī)藥、電子等行業(yè)用水的前期制備；

化工工藝的濃縮、分離、提純及配水制備；

鍋爐補給水除鹽軟水；

海水、苦咸水淡化；

造紙、電鍍、印染等行業(yè)用水及廢水處理。第28頁/共58頁29反滲透膜的分類

反滲透膜是一種只允許水通過而不允許溶質(zhì)透過的半透膜。

目前研究得比較多和應(yīng)用比較廣的是主要有醋酸纖維素膜CA和芳香族聚酰胺膜兩大類。按膜形狀可分為平板狀、管狀、中空纖維狀膜

3．反滲透膜及其透過機理第29頁/共58頁30①膜的結(jié)構(gòu)醋酸纖維素是沒有強烈氫鍵的無定形鏈狀高分子化合物。這種膜有不對稱結(jié)構(gòu)，表面結(jié)構(gòu)致密，孔隙很小，通稱為表皮層或致密層、活化層；下層結(jié)構(gòu)較疏松，孔隙較大，通稱為多孔層或支撐層。示意CA膜是被水充分溶脹了的凝膠體。由于鑄膜液中的所有添加劑及溶劑在制膜過程中先后被除去，膜中僅含水分。鏈接1）醋酸纖維素膜CA的結(jié)構(gòu)及性能第30頁/共58頁31第31頁/共58頁32醋酸纖維素膜的結(jié)構(gòu)示意圖99％表皮層，孔徑0.8－1nm過渡層，孔徑20nm多孔層，孔徑100－400nm1%第32頁/共58頁33顯微鏡下膜的照片第33頁/共58頁34膜的含水量高達60％，其中表皮層只含10％－20％，且主要是以氫鍵形式結(jié)合的所謂一級結(jié)合水和少量的二級結(jié)合水。多孔層中除上述兩種結(jié)合水外，較大的孔隙中還充滿著毛細(xì)管水，此層中含水率較高。正由于膜中存在這幾種不同性質(zhì)的水，決定了CA膜具有良好的脫鹽性能和適宜的透水性能。膜必須保存在水中。第34頁/共58頁35反滲透膜的透過機理

選擇性吸著－毛細(xì)管流機理是以吉布斯吸附式為依據(jù)，認(rèn)為膜表面由于親水性原因，能選擇吸附水分子而排斥鹽分，因而在固－液界面上形成厚度為兩個水分子(1nm)的純水層。在施加壓力作用下，純水層中的水分于便不斷通過毛細(xì)管流過反滲透膜(見上圖)。膜表皮層具有大小不同的極細(xì)孔隙，當(dāng)其中的孔隙為純水層厚度的一倍(2nm)時，稱為膜的臨界孔徑，可達到理想的脫鹽效果。當(dāng)孔隙大于臨界孔徑，透水性增大，但鹽分容易從孔隙中透過，導(dǎo)致脫鹽率下降。反之．若孔隙小于臨界孔徑，脫鹽率增大，而透水性則下降。因膜的類型不同而有所不同。第35頁/共58頁36濃差極化現(xiàn)象在反滲透過程中，由于水不斷地透過膜，引起膜表面溶液濃度的升高，從膜表面到溶液之間形成了濃度差，引起膜表面的鹽類向外擴散，這種現(xiàn)象叫濃差極化。危害:1、局部區(qū)域滲透壓力增加，需要提高進水壓力來抵消；

2、膜表面出現(xiàn)某些有害物質(zhì)濃縮，加快膜變質(zhì)。措施：使進水流動保持湍流狀態(tài)，即提高進水流速，防止膜表面濃度增加。第36頁/共58頁37反滲透膜的保護和清洗保護：

1、嚴(yán)格的預(yù)處理：混凝、澄清、普通過濾、活性炭過濾、精密過濾等

2、進水ph=5.5-6.5,防膜水解或結(jié)垢

清洗：

1、長期使用，膜表面仍會結(jié)垢，透水量下降。

2、定期清洗，用稀HCl（ph=2-3)沖洗，或用各種絡(luò)合劑如檸檬酸、過硼酸鈉等防硫酸鈣結(jié)垢。第37頁/共58頁384．反滲透裝置工業(yè)生產(chǎn)中使用的膜分離設(shè)備是由多個構(gòu)造相同的單個裝置組合而成的，一般把構(gòu)成設(shè)備的相同的裝置稱為膜組件。反滲透膜組件有板框式、管式、螺旋卷式和中空纖維式等四種。第38頁/共58頁39（1）板框式反滲透膜組件裝配圖第39頁/共58頁40進水透過水濃縮水耐壓容器透水板半透膜板框式膜組件工作過程示意圖特點：結(jié)構(gòu)簡單，體積比管式的小。缺點：裝卸復(fù)雜，單位體積膜表面積小。第40頁/共58頁41（2）管式反滲透膜組件管式膜組件又分為內(nèi)壓式和外壓式第41頁/共58頁42內(nèi)壓式管式膜組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖特點:

水力條件好，安裝、清洗、維修比較方便。能耐高壓，可以處理高粘度的原水。缺點是膜的有效面積小，裝置體積大，而且兩端要較多的聯(lián)結(jié)裝置。淡水淡水膜表皮層玻璃纖維管進水第42頁/共58頁43（3）螺旋卷式反滲透膜組件第43頁/共58頁44密封密封密封螺旋卷式膜組件一個膜葉結(jié)構(gòu)示意圖多孔透水材料膜，上下兩層第44頁/共58頁45膜葉透水網(wǎng)狀材料透過水濃水進水螺旋卷式膜組件組合示意圖第45頁/共58頁46膜組件的組裝示意圖進水口耐壓容器連接器膜組件密封圈端蓋透過液濃縮液第46頁/共58頁47工業(yè)應(yīng)用的反滲透裝置第47頁/共58頁48工業(yè)應(yīng)用的反滲透裝置的膜組件之間的連接第48頁/共58頁49

用于截留水中膠體大小的顆粒，水和低分子量的溶質(zhì)則允許透過膜。

1、超過濾與反滲透的異同超過濾簡稱超濾，它同反滲透一樣，都是利用膜來分離廢水中溶解的物質(zhì)。兩種方法的共同點在于：兩種過程的動力同是溶液的壓力，在溶液的壓力下，溶劑的分子通過薄膜，而溶解的物質(zhì)被阻滯在膜表面上。二、超濾（UF）：第49頁/共58頁兩者區(qū)別在于：（1）膜不同：超過濾所用的膜(超濾膜)較疏松，透水量大，除鹽率低，一般用超濾過濾分離高分子和低分子有機物以及無機離子等，能夠分離的溶質(zhì)分子至少要比溶劑的分子大10倍，在這種系統(tǒng)中滲透壓已經(jīng)不起作用了。反滲透所用的膜(反滲透膜)致密，透水量低，除鹽率高，具有選擇透過能力，用以分離分子大小大致相同的溶劑和溶質(zhì)，第50頁/共58頁（2）機理不同：超過濾的去除機理主要是篩濾作用。在反滲透膜上分離過程伴隨有半透膜、溶解物質(zhì)和溶劑之間復(fù)雜的物理化學(xué)作用。（3）工作壓力不同：超過濾的工作壓力低(0.07－0.7MPa)。反滲透所需的工作壓力高(大于2.8MPa)。超濾裝置與反滲透裝置類似，目前我國試驗研究及生產(chǎn)中普遍用管式裝置。第51頁/共58頁52

對比：