《水的膜分离技术》PPT课件.ppt

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1、第十章 膜 法,第一节 概 论 第二节 电渗析 第三节 反渗透 第四节 超滤,第一节 概 述,膜分离法是在某种推动力作用下，利用特殊的薄膜对液体中的某些成分进行选择性透过的方法的统称。 常用的膜分离方法有电渗析、反渗透、超滤，其次是自然渗析和液膜技术.,膜分离技术有以下共同特点： 不发生相变，能量转化效率高 ； 在常温下进行； 装置简单，操作容易，分离效率高。,在直流电场的作用下，利用离子交换膜的选择透过性，把电解质从水中分离出来的过程。,第二节 电渗析,一、电渗析原理和工作过程,1.原理 C阳膜 A阴膜 阳极： Cl- Cl2 +2e 阴极 ：2H+2e H2 （氧化反应）： 4OH- O2

2、+2H2O+4e （还原反应）：,图9-1电渗析工作原理图,Na+,2.工作过程 主要过程： 离子电迁移和电极反应 次要过程 （1）反离子的迁移 （2）电解质浓差扩散 （3）水的渗透 （4）水的电渗透 （5）水的压渗 （6）水的电离,海水淡化电渗析法示意图,二、离子交换膜,1、 离子交换膜的分类 2、 离子交换膜性能 3、 离子交换膜选择透过性机理,1、离子交换膜的分类,（1）按膜体结构分类 a异相膜 b半均相膜 c均相膜 （2）按活性基团分类 a阳离子交换膜 b. 阴离子交换膜 c特种膜 （3）按材料性质分类 a. 有机离子交换膜 b. 无机离子交换膜,二、离子交换膜,离子交换膜,电渗析器,

3、2、 离子交换膜的性能,（1）交换容量 一定量膜样品中所含活性基团数，通常以单位面积、单位体积或单位干重膜所含可交换离子的毫克当量数表示。 （2）含水量 湿膜中所含水的百分数。 一般为3050。 （3）破裂强度 衡量膜机械强度的重要指标之一。 （4）厚度 膜厚度与膜电阻和机械强度有关。 一般异相膜约1mm，均相膜0.20.6mm，最薄的为0.015mm。,（6）选择透过性 膜中离子的选择透过性可用选择透过率来表示。,阳膜对阳离子的选择透过性,阴膜对阴离子的选择透过性,（5）导电性 可用电阻率、电导率或面电阻来表示， 面电阻表示单位膜面积的电阻（cm-2）。,3 离子交换膜的选择性透过机理,（1

4、）双电层理论,（2）Donnan膜平衡理论,三、 电渗析器的构造,1. 构造 膜堆：一对阴阳膜和一对浓淡水隔板交替排列组成最基本的脱盐单元，称为膜对。 电极之间若干膜对组成膜堆。 极区：电极、极框、电极托板、橡胶垫板。 紧固装置：压杆、螺杆紧固。 配套设备：整流器、水泵、转子流量计等。,(1)离子交换膜 （组装前对膜的处理） 首先将膜放在操作溶液中浸泡2448小时，使之与膜外溶液平衡，然后剪裁打孔。膜的尺寸大小比隔板周边小1 mm，应比隔板水孔大1 mm。电渗析停运时，应在电渗析器中充满溶液，以防膜发霉变质，或膜因干燥收缩变形甚至破裂。,（2）隔板（放在阳、阴膜之间） 作用膜的支撑体； 水流通

5、道。 隔板上有进出水孔、配水槽及过水道，其结构如图。为了支撑膜和加强搅拌作用，使液体产生紊流，在大部分隔板的流道中，均粘贴或热压上一定形式的隔网。,(3)电极 常用铅板或石墨作阳极，不锈钢作阴极。 (4)夹紧装置 作用是把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。,2 电渗析器的组成,将阴、阳离子交换膜和隔板交替排列、再配上阴、阳极就构成了电渗析器。,电渗析器的组装方式有几种，如图所示。,四、 电渗析的操作控制,电能消耗分析 电流密度控制 1. 浓差极化 2. 极限电流密度 流速与压力确定,1、电能消耗分析 电渗析过程，主要消耗的是电能，因此，耗电量的大小，不

6、但直接地影响到处理成本，也在一定程度上反映了操作技术水平。单位体积成品水的电能消耗按下式计算：,(kWh/m3),式中 V工作电压，V； I工作电流，A； Qd淡水产量，m3h。,电渗析器的工作电压V 可分解为下式中的几个部分：,2 电流密度控制,（1）浓差极化 在电渗析操作中，如采用的电流密度过大，会产生浓差极化现象，如图所示。,（2） 极限电流密度 发生浓差极化的情况下的电流密度称为极限电流密度。 理论值：,式中 ilim极限电流密度，A/cm2； c淡水室溶液中的离子浓度，mmol/L； 扩散边界层厚度，cm； D离子扩散系数，cm2/s； F法拉第常数，F96500C/mol。,对于扩

7、散层厚度，威尔逊(Wilson 1960)提出如下计算式：,式中 v淡水室中水流线速度，cm/s； K试验常数； d淡水室(隔板)厚度，cm。,将式(9-7)代入式(9-6)中，并令,得,此式常被称为威尔逊公式。,3.流速与压力的确定 电渗析器都有自身的额定流量，流量过大进水压力过高，设备容易产生漏水和变形。流量过小时，达不到正常流速，水流不均匀，容易极化结垢，都会影响电渗析器的正常运行。 目前一般水流速度控制在525 cm/s，进水压力一般不超过O.3 MPa。,五 电渗析除盐的设计计算,1设计计算步骤 确定电渗析在临界极化状态下所需要的极限流程长度 Llim。以此为依据，确定电渗析器的工作

8、状况。 选定隔板形式，确定隔板构造数值。 计算水流速度、电流密度、污染物含量等 各段（或各级)污染物含量均按临界极化状况的去除 规律来分配。 计算水头损失p 数值，以校核所选取的水流速度是 否可行。有时由于水压的限制需要试算，以确定合理 的水流速度。 根据电流密度计算电流，根据水的电阻率计算电压， 以选择直流电源。,2. 计算公式 (1)电流效率 通过一张隔板的电流，就是隔板上平均电流密度与隔板有效面积的乘积，将通过一张隔板的电流除以法拉第常数F就得到水流经过一张隔板时每秒的理论脱盐量。,(2)膜面积及流程长度 所需膜面积及流程长度的公式：,(3）段数和每段膜对数 求出流程总长度L总后、根据每

9、张隔板实际流程长度L，即可求出所需串联的段数N，即,NL总L,(4) 水头损失 除盐流程长度上的综合水头损失(沿程损失与局部损失)可按下式估算:,(5)电流、电压及电耗 电渗析工作电流为有效膜面积与平均电流密度的乘积，即,六、电渗析法在废水处理中的应用,(1)处理碱法造纸废液，从浓液中回收碱，从淡液中回收木质素； (2)从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化钠； (3)从酸洗废液中制取硫酸和沉积重金属离子； (4)放射性废水中分离放射性元素，其浓缩液掩埋； (5)处理电镀废水和废液，含Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cr6+等金属离子的废水都适宜用电渗析处理。,阳极反应式：,阴极反应式：,第三节 反 渗

10、透,反渗透原理 反渗透膜及其传质机理 反渗透装置 反渗透工艺流程及操作控制 反渗透法在废水处理中的应用举例,反渗透法是以压力为驱动力的膜法分离技术。,渗透和反渗透,一、反渗透原理,第三节 反 渗 透,二、反渗透膜及其传质机理,反渗透膜 是一类具有不带电荷的亲水性基团的膜，是实现反渗透分离的关键。 1醋酸纤维素膜(简称CA膜)的结构及性能,毛细管流机理,膜,膜,2.反渗透膜的透过机理,(1)氢键理论 该理论认为，水透过膜是由于水分子和膜的活化点形成氢键及断开氢键之故。,(2)优先吸附 毛细管流理论,三、反渗透装置,1、板框式反渗透装置 在多孔透水板的单侧或两侧贴上反渗透膜，即构成板式反渗透元件。

11、 再将元件紧粘在用不锈钢或环氧玻璃钢制作的承压板两侧。 然后将几块或几十块元件成层叠合，用长螺栓固定，装入密封耐压容器中，制成板式反渗透器。,2、管式装置 把膜和支撑物均制成管状，两者装在一起，再将一定数量的管，以一定方式联成一体而组成。,3、螺旋卷式装置 其膜组件是在两层膜中间夹一层多孔的柔性格网，并将它们的三边粘合密封起来、再在下面铺一层供废水通过的多孔透水格网，然后将另一开放边与一根多孔集水管密封联接，使进水与净化水完全隔开，最后以集水管为轴，将膜叶螺旋卷紧而成。,4、中空纤维式装置 中空纤维膜是一种细如头发的空心管，由制膜液空心纺丝而成。纤维外经为50100m，内径为2542m。将数十

12、万根中空纤维膜捆成膜束，弯成U字形装入耐压圆筒容器中，并将纤维膜开口端固定在环氧树脂管板上，即可组成反渗透器。,反渗透系统由其预处理及反渗透装置和后处理三部分组成。核心是反渗透装置，预处理是反渗透装置能否长期稳定运行的前提，后处理用以满足不同处理对象的最终产水水质指标。,四、反渗透工艺流程及操作控制,1. 工艺流程,2工艺参数 (1) 净化水质与回收率 根据物料平衡，进出反渗透系统的溶质有下列关系： 式中 Qf、Qc、Qp分别为进水、浓水和淡水流量； cf、cc、cp分别为进水、浓水和淡水浓度。 浓水侧溶质的平均浓度cm可用下式计算： 令溶质的平均去除率为Rm，则：,按上面的公式用试算法可以简

13、便地求出净化水质。 由于cp很小，故先假定cp0，则有 式中 Y 为水的回收率，YQpQf。 由此得 在已知Q、cf、Rm及取定Y值的条件下，将按公式算得的cp初步值代入公式，求得cp的新值。重复计算几次就可获得较精确的cp值。,(2)工作压力 膜的透水量取决于膜的物理特性、膜的化学组成以及系统的操作条件等。 实际上，膜的物理特性、水温、进出水浓度、流速等对一定的过程是固定的，因此透水量仅是膜两侧压力差的函数，可按下式计算： 式中 Fs膜的平均透水量，g/cm2.s； KW膜的水透过系数，g/cm2s.MPa； p供水压力与淡水压力的差值，MPa； 供水与淡水的渗透压力差，MPa,(3)膜的透

14、盐量 膜的透盐量或某溶质组分的透过量与浓度差有关，可按下式汁算： 式中 Fy透盐量，g/cm2s； Py溶质在膜内的扩散系数，cm2/s； 膜的有效厚度，cm； 膜的透盐常数，表示特定膜的透盐能力。,3浓差极化 在反渗透过程中，由于水不断地透过膜，引起 膜表面附近的溶液浓度升高，从而在膜的高压一 侧溶液中，从膜表面到主体溶液之间形成一个浓 度梯度，引起溶质从浓的部分向淡的部分扩散， 这一现象即为浓差极化。,4.膜的污染与清洗 引起膜污染的原因大致可分为三类： (1)原水中的亲水性悬浮物，在水透过膜时，被膜吸附； (2)原水中本来处于非饱和状态的溶质，在水透过膜后浓度提高变成过饱和状态，在膜上析

15、出； (3)浓差极化使溶质在膜面上析出。 染膜的清洗方法包括物理法和化学法。,第四节 超 滤,依靠压力推动力和半透膜实现分离。 在本质上是一种筛滤过程，膜表面的孔隙大小是主要的控制因素，溶质能否被膜孔截留取决于溶质粒子的大小、形状、柔韧性以及操作条件等，而与膜的化学性质关系不大。,超滤的过程是动态过程，即在超滤膜的表面既受到垂直于膜面的压力，使水分子得以透过膜面并与被截留物质分离，同时又产生一个与膜表面平行的切向力，以将截留在膜表面的物质冲开。,二、超滤膜 大多数超滤膜都是聚合物或共聚物的合成膜，主要有醋酸纤维超滤膜、聚讽类超滤膜和聚砚酰胺超滤膜。此外，聚丙烯脂也是一种很好的超滤膜材料。,三、超滤设备 超滤膜组件的结构形式基本上类似于反渗透膜组件，也可以制成板框式、螺旋卷式、管式、中空纤维式等超滤膜组件，并且通常是由生产厂家将这些组件组装成配套设备供应市场。,