第八章膜技術(shù)(membranetechnologies)第1節(jié)概述一、定義在某種推動力的作用下，利用某種隔膜特定的透過性能，使溶質(zhì)或溶劑分離的方法稱為膜分離。分離溶質(zhì)時一般叫滲析；分離溶劑時一般叫滲透。二、分類與特點根據(jù)推動力的不同，膜分離有下列幾種：濃度差：擴散滲析電位差：電滲析壓力差：反滲透(RO,reverseosmosis)：MW<100,0.2-0.3nm,2–3A0納濾(NF,nanofiltration)：MW:100-1000,0.5-5nm超濾(UF,ultrafiltration)：MW:1000—百萬,5nm-0.2m微濾(MF,microfiltration)：0.2-1m(1A0=10-8cm,1=10-4cm,1nm=10-7cm)膜分離的特點：可在一般溫度下操作，沒有相變；濃縮分離同時進行；不需投加其他物質(zhì)，不改變分離物質(zhì)的性質(zhì)；適應(yīng)性強，運行穩(wěn)定。第2節(jié)電滲析原理在直流電場作用下，利用陰、陽離子交換膜對溶液中的陰、陽離子的選擇透過性，分離溶質(zhì)和水。陰膜只讓陰離子通過；陽膜只讓陽離子通過。陰極：還原反應(yīng)：2H＋＋2e→H2↑陰極室溶液呈堿性，結(jié)垢陽極：氧化反應(yīng)：4OH－→O2↑＋2H2O＋4e或2Cl-→Cl2↑+2e陽極室溶液呈酸性，腐蝕特點：只能將電解質(zhì)從溶液中分離出去。不能去除有機物等。二、離子交換膜離子交換樹脂：樹脂與離子之間發(fā)生交換反應(yīng)離子交換膜：對溶液中的離子具有選擇透過的特性按其結(jié)構(gòu)分為：異相膜、均相膜。異相膜：離子交換樹脂磨成粉末，加入粘合劑，滾壓在纖維網(wǎng)上。均相膜：離子及交換樹脂的母體材料制成連續(xù)的膜狀物，作為底膜，然后在上面嵌接上活性基團?！锇措x子選擇性分：陽離子交換膜（一般為聚苯乙烯磺酸型）：R－SO3H，在水中電離后，呈負電性陰離子交換膜（聚苯乙烯季胺型）：R－CH2N（CH3）3OH，電離后，呈正電性離子交換膜選擇透過性主要是由于：1）膜的孔隙結(jié)構(gòu)；2）活性交換基團的作用。離子交換膜是電滲析的關(guān)鍵部分，良好的電滲析應(yīng)：1）高的離子選擇性；2）滲水性差；3）導電性好；4〕化學穩(wěn)定性和機械強度三、關(guān)鍵設(shè)備如圖電滲析可分為三部分：極區(qū)、膜堆和緊固部分極區(qū)：常用的電極有不銹鋼、石墨等膜對：一對陰、陽膜和一對濃、淡水隔板交替排列，組成的最基本脫鹽單元膜堆：若干膜對的集合體一級：一對正、負極之間的膜堆一段：具有同一水流方向的并聯(lián)膜堆增加段數(shù)：加長水的流程長度，增加脫鹽效率。增加膜對數(shù)：提高水處理量增加級數(shù)：降低兩個電極之間的電壓四、電流效率與極限電流密度1．電流效率η＝實際去除的鹽量m1/理論去除量m2100%m1＝q(C1-C2)tMB/1000q：一個淡室的出水量,L/sC1，C2：進出水含鹽量,mmol/Lt：通電時間,sMB：物質(zhì)的摩爾質(zhì)量依據(jù)法拉第定律：m2=ItMB/FF：法拉第常數(shù)I：電流強度，A2．極限電流密度如果電流密度過大――發(fā)生濃差極化現(xiàn)象電流傳導靠Na＋和Cl－電流總量＝Cl－電量＋Na+電量Cl－電遷移數(shù)（總電量中所占比例）＝0.5Na+電遷移數(shù)（總電量中所占比例）＝0.5但在陰膜中，由于鈉離子不能通過，氯離子的遷移數(shù)為1，為此補充此差需要動用邊界層中的氯離子，致使邊界層與主流層之間存在濃度差。當電流密度i過大時，C’趨于0，水分子開始電離，參加遷移，此時發(fā)生濃差極化現(xiàn)象―――――極限電流密度極限電流密度的確定：電壓-電流法極化與結(jié)垢：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)生在陰膜濃室一側(cè)。防止措施：1）極限電流法，在極限電流的70－90％下運行；2）倒換電極；3）定期酸洗五、應(yīng)用海水或苦咸水（小于10克/L）淡化；自來水脫鹽制取初級純水；電滲析與離子交換組合制取高純水；廢液的處理回收（可以與電極反應(yīng)聯(lián)合進行）如酸洗廢水回收硫酸和鐵，芒硝回收硫酸和堿第3節(jié)擴散滲析高濃度溶液中的溶質(zhì)透過隔膜向低濃度溶液中遷移的過程，濃度差為推動力。采用離子交換膜：陰膜。主要用于回收酸，堿。但不能將它們濃縮。其特點是不消耗能量。回收硫酸時，只有原廢水硫酸濃度大于10％時，才有實用價值。第4節(jié)反滲透一、滲透壓和反滲透原理滲透壓：當用一張半透膜將純水和鹽水分開，純水會透過半透膜向鹽水擴散，使鹽水側(cè)溶液水面升高，直到動態(tài)平衡。滲透的推動力就是滲透壓，這是正滲透。任何溶液都存在滲透壓π，只是一般沒表現(xiàn)出來。π=iRTCi：范特霍爾系數(shù)C：溶液的濃度當在鹽水側(cè)施加壓力P>π，反滲透。一般壓力在幾十公斤。二、反滲透膜★性能指標脫鹽率＝（C0－C）/C0×100％，一般高達90％以上。透水率（L/m2.d）膜種類：醋酸纖維素膜（CA）2）芳香族聚酰胺膜結(jié)構(gòu)：表皮層、過渡層、多孔支撐層反滲透機理：尚不十分清楚。選擇性吸附－毛細管流機理：由于膜表面的親水性，優(yōu)先吸附水分子而排斥鹽分子，因此在膜表皮層形成兩個水分子（1nm）的純水層，施加壓力，純水層的分子不斷通過毛細管流過反滲透膜?？刂票砥拥目讖椒浅Ｖ匾?，影響脫鹽效果和透水性，一般為純水層厚度的一倍時，稱為膜的臨界孔徑，可達到理想的脫鹽和透水效果。膜組件：板框式、管式（有內(nèi)壓和外壓兩種）、卷式：膜表面積大、透水量大、紊流效果好、中空纖維三、應(yīng)用苦咸水、海水淡化與離子交換聯(lián)用，制取超純水處理重金屬廢水，回收重金屬：如處理鍍鎳廢水，鎳回收率可達99％。廢水脫鹽深度處理美國加州21世紀水處理回用廠，就是將二級生物處理出水，經(jīng)一定的預處理后經(jīng)反滲透處理后回灌地下水。第5節(jié)超濾一、原理與反滲透一樣是在壓力差下工作，但由于膜孔較大，無滲透壓，可在較低壓力下工作。一般幾公斤。分離機理：小孔篩分作用。一般以截留分子量來表示孔徑特征，此外也與物質(zhì)形狀和性質(zhì)有關(guān)。分離范圍：截留分子量1000－1000000的物質(zhì)，如細菌、蛋白質(zhì)、顏料、油類等膜組件形式與反滲透類似。但既有有機膜，也有無機膜。超濾過程中的濃差極化mmCbCmJw：水通量K：傳質(zhì)系數(shù)＝D/m當Cm增加到Cg時，膜面大分子物質(zhì)生成凝膠層。一旦凝膠層形成，透水量并不因壓力的增加而增加。Rm