膜分離技術(shù)及其應(yīng)用北京海德能公司1膜料液水小分子大分子滲透液定義：

具有選擇性分離的功能薄膜材料。

“21世紀(jì)的多數(shù)工業(yè)中，膜技術(shù)扮演著戰(zhàn)略的角色”“誰掌握了膜技術(shù)，誰就掌握了21世紀(jì)的未來”膜的簡介2膜的應(yīng)用膜海水淡化工業(yè)廢水處理城市廢水資源化天然氣生物質(zhì)利用能源水資源傳統(tǒng)工業(yè)生態(tài)環(huán)境除塵CO2

控制制藥食品化工與石化電子冶金燃料電池潔凈燃燒3膜技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用舉例金屬工藝金屬回收；污染控制；富氧燃燒

紡織及制革工業(yè)余熱回收；藥劑回收；污染控制造紙工業(yè)代替蒸餾；污染控制；纖維及藥劑回收食品及生化工業(yè)凈化；濃縮；消毒；代替蒸餾；副產(chǎn)品回收化學(xué)工業(yè)有機物除去或回收；污染控制；氣體分離；藥劑回收和再利用醫(yī)藥及保健人造器官；控制釋放；血液分離；消毒；水凈化水處理海水、苦咸水淡化；超純水制備；電廠鍋爐用水凈化；廢水處理國防工業(yè)艦艇淡水供應(yīng)；戰(zhàn)地醫(yī)院污水凈化；低放射性水處理；野戰(zhàn)供水4膜技術(shù)用于生物質(zhì)資源開發(fā)膜生物反應(yīng)器技術(shù)取得間歇發(fā)酵可提高反應(yīng)器效率15－80倍滲透汽化膜分離技術(shù)比傳統(tǒng)共沸蒸餾節(jié)能60％生產(chǎn)裝置總投資為傳統(tǒng)分離方法總投資的40－80%

650kcal/l130kcal/l7wt%乙醇1380kcal/l42wt%乙醇93wt%乙醇99.8wt%乙醇980kcal/l350kcal/l(~90%ES)(~33%ES)纖維素發(fā)酵蒸餾蒸餾脫水透醇膜60wt%乙醇99.8wt%乙醇透水膜傳統(tǒng)過程:發(fā)酵速率低、能耗大膜生物反應(yīng)器：實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，降低操作成本5膜法海水淡化分離方法反滲透低溫多效多級閃蒸能耗(kWh/m3)3.5>7>10國家或地區(qū)沙特中國長海中國長島中國滄化設(shè)備能力m3/d568001000100018000原水含鹽量mg/L43700350003400013000能耗kwh/m3754.52.75產(chǎn)水成本RMB/m34.886.695.131.83反滲透淡化廠的能耗及產(chǎn)水成本

幾種分離方法能耗比較6膜法海水淡化嵊泗1000噸/日反滲透海水淡化裝置7膜法自來水廠巴瓦茲河梅里市14萬立方米/天的納濾廠，每天為巴黎附近50萬居民提供14萬噸飲用水黎8典型膜應(yīng)用過程－反滲透滲透與反滲透的區(qū)別：滲透是水通過半透膜，從低溶質(zhì)濃度一側(cè)到高溶質(zhì)濃度一側(cè)，直到兩側(cè)的水的化學(xué)位達(dá)到平衡。而反滲透是在推動力作用下，溶劑（水）從高溶質(zhì)濃度一側(cè)到低溶質(zhì)濃度一側(cè)，克服的是滲透壓。滲透壓的計算：理想水溶液滲透壓＝RTCsi

實際溶液＝iRTCsi

Csi是溶質(zhì)的濃度，mol/cm39典型膜應(yīng)用過程－反滲透

半透膜純水鹽水純水鹽水純水鹽水hPA、滲透B、滲透平衡C、反滲透滲透、平衡滲透、反滲透示意圖

10典型膜應(yīng)用過程－反滲透一般而言，無機鹽溶液的滲透壓很高，含1g/l氯化鈉的天然水，滲透壓為0.07MPa，含35g/l氯化鈉的海水，滲透壓為2.5MPa。反滲透是以壓力差為推動力的分離操作，其功能是截留離子物質(zhì)而僅透過溶劑。反滲透不是滲透的逆過程，兩者同樣是在等溫條件下溶劑從高化學(xué)位到低化學(xué)位的遷移過程。反滲透將料液分成兩部分：透過膜的是含溶質(zhì)很少的溶劑，稱為滲透液；未透過膜的液體，溶質(zhì)濃度增高，稱為濃縮液。1784年Abble

Nollet用豬膀胱作透過試驗，發(fā)現(xiàn)滲透現(xiàn)象；1953年C.E.Reid提出用反滲透法淡化海水的方案；1960年Loeb和S.Sourirajan制成第一張非對稱結(jié)構(gòu)的醋酸纖維素膜，反滲透技術(shù)進(jìn)入實用化階段。反滲透過程可以分為三類：高壓反滲透（5.6-10.5MPa），

低壓反滲透（1.0-4.2MPa），

納濾（0.3-1.0MPa）。11典型膜應(yīng)用過程－反滲透分離機理反滲透膜上的微孔孔徑約為2nm，而無機鹽離子的直徑僅為0.1-0.3nm，水合離子的直徑為0.3-0.6nm，明顯小于孔徑，無法用分子篩分原理來解釋分離現(xiàn)象。S.Sourirajan提出了優(yōu)先吸附－毛細(xì)管流動模型來解釋非荷電膜的分離；荷電膜分離機理著重考慮的是膜與分離對象之間的Donnan效應(yīng)。溶解－擴散模型：膜是無孔的“完整的膜”12典型膜應(yīng)用過程－反滲透膜低壓滲透側(cè)Jw=水通量Cw=滲透液溶質(zhì)濃度Qp＝滲透流量＝Jw×ACr＝截留液中溶質(zhì)濃度Qr＝截留液流量高壓側(cè)

p-＝膜的推動力Cb＝主體溶質(zhì)濃度Cm＝膜面溶質(zhì)濃度供料截留液滲透液Qi=進(jìn)料流量Ci=溶質(zhì)濃度反滲透過程示意圖反滲透過程用三個參數(shù)來評價：R＝表觀截留率＝1-w/CiJw=滲透通量＝單位面積上的滲透流量r＝回收率間歇系統(tǒng)：r=

JwAt/V連續(xù)系統(tǒng)：r=JwA/Qi13典型膜應(yīng)用過程－反滲透反滲透膜：高操作壓力：3－10MPa；要求膜必須有高透水率，高脫鹽率；耐一定的酸堿、耐微生物、耐壓密；必須滿足工藝要求、性質(zhì)穩(wěn)定，能長期使用。形狀：平板膜、管式膜、卷式膜、中空纖維膜主要膜材料：醋酸纖維素、芳香聚酰胺、聚砜膜組件反滲透過程的經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用性，取決于各種廉價的反滲透膜組件。主要有：管式、板式、中空纖維、卷式卷式組件的銷售占反滲透市場總量的70％，中空纖維組件占26％，管式、板框組件的銷售量較小。組件必須滿足：1）機械強度：必須承受高壓，及周期性的減壓與膜清洗；2）水力性能好：組件設(shè)計必須使膜的污染和濃差極化最??；3）經(jīng)濟(jì)性：組件壽命必須長；4）制造費用低，易于替換。14典型膜應(yīng)用過程－反滲透15典型膜應(yīng)用過程－反滲透16典型膜應(yīng)用過程－反滲透17典型膜應(yīng)用過程－反滲透過程設(shè)計1、原則：設(shè)計變量：組件的流體力學(xué)和流速、水的特性（溶質(zhì)濃度和擴散性、滲透壓、粘度等）、操作壓力、水回收率、污染指數(shù)。設(shè)計過程中應(yīng)考慮因素：1）溶液變量：懸浮固體、可溶性無機物、微生物、可溶性有機物、有機溶劑、氧化性化學(xué)試劑、溫度、pH2）最低預(yù)處理要求SDI<53）膜的變量：膜材料和組件形式、組件中的流速、壓力降、說回收率和濃度、最小運行通量和最大通量、組件排列、清洗要求4）膜與其他過程的結(jié)合；5）膜的性能隨長期運行會發(fā)生變化，隨時間的延長，通量和脫鹽率發(fā)生明顯的變化，一般膜的壽命3-5年；18典型膜應(yīng)用過程－反滲透2、料液預(yù)處理每個反滲透系統(tǒng)都包含了一定程度的供料預(yù)處理系統(tǒng)。其目的為：延長膜的壽命、防止膜污染、保持系統(tǒng)的去除率和回收率。與預(yù)處理相關(guān)的投資成本和操作費用占總生產(chǎn)成本的50％。預(yù)處理程度取決于：膜組件的類型、料液組成、系統(tǒng)要求達(dá)到的性能。預(yù)處理的方法：1）防止化學(xué)損傷膜的預(yù)處理供給水的氯濃度和pH會對膜產(chǎn)生化學(xué)損傷。聚酰胺類膜不耐氯，醋酸纖維素特別要控制pH，在pH<4,pH>7的條件下水解特別快。脫氯常用方法：a、用NaHSO3處理；b、炭過濾c、用SO2氣體處理。pH的調(diào)整一般用H2SO4或NaOH19典型膜應(yīng)用過程－反滲透20典型膜應(yīng)用過程－反滲透脫鹽裝置的共同單元：供給水吸入系統(tǒng)預(yù)處理系統(tǒng)反滲透膜產(chǎn)品水后處理動力回收系統(tǒng)水源供水泵預(yù)處理系統(tǒng)高壓泵反滲透膜單元后處理系統(tǒng)分配汽提、消毒能量回收系統(tǒng)濃液排放典型脫鹽系統(tǒng)單元可降低能耗25～40％沖擊式水輪泵反轉(zhuǎn)泵21典型膜應(yīng)用過程－反滲透海水氯氣FeClSO4陽離子聚電介質(zhì)攪拌槽絮凝槽重力過濾器活性炭過濾器氯氣0.5m筒式過濾器阻垢劑加酸（H2SO4）去膜組件海水淡化預(yù)處理系統(tǒng)0.5m筒式過濾器去膜組件深進(jìn)水加酸阻垢劑軟化水處理中的預(yù)處理22典型膜應(yīng)用過程－反滲透濃縮液4段滲透液3段滲透液1段滲透液2段滲透液產(chǎn)品水高水回收率的反滲透級聯(lián)工藝23典型膜應(yīng)用過程－反滲透應(yīng)用1、海水和苦咸水淡化2、廢水和有害廢水的處理工業(yè)廢水市政廢水3、化學(xué)加工工業(yè)的應(yīng)用電鍍和金屬拋光工業(yè)造紙工業(yè)紡織工業(yè)石油工業(yè)電力工業(yè)4、食品加工工業(yè)的應(yīng)用水處理產(chǎn)品回收濃縮和脫水分餾5、地下水和地表水的處理6、納濾的應(yīng)用廢水處理產(chǎn)品脫鹽濃縮24典型膜應(yīng)用過程－反滲透反滲透過程已成功使用30多年，據(jù)統(tǒng)計，在全世界所有淡化過程生產(chǎn)