3第二章-反渗透

第二章反渗透本章主要内容•概述•反渗透的基本原理•反渗透过程传质机理•反渗透膜材料和分类•反渗透膜的制备•反渗透膜组件及装置•反渗透工艺流程及应用第一节概述最早在1953年，美国里德(Reid)研究发现醋酸纤维素类膜具有半透性；1960年，Sourirajan与Loeb制成了世界上第一张具有高脱盐率、高透水量的非对称醋酸纤维反渗透膜,并首次用于海水和苦咸水的淡化工作；1964年美国通用原子公司研制出螺旋卷式反渗透装置；1965年美国加利福尼亚大学制造出管式膜组件，19t/d；1970年杜邦公司发明高效率芳香聚酰胺中空纤维反渗透器；1980年，全芳香族聚酰胺复合膜及卷式膜组件问世；1990年，中压、低压和超低压高脱盐聚酰胺复合膜；1998年低污染膜扩大反渗透膜的应用范围在沙特阿拉伯和科威特等西亚国家以及美国等发达国家有许多大型反渗透海水淡化厂，淡水生产规模为几十~几百万t/d；我国对反渗透技术的研究始于1965年．海水淡化工作中，反渗透法作为一个重要研究项目取得了一定的进展．迄今，无论是在膜材料的研制还是反渗透装置的研制方面都取得了可喜成果1、概念第二节反渗透的基本原理渗透与反渗透原理示意图当溶液与纯溶剂被半透膜隔开，半透膜两侧压力相等时，纯溶剂通过半透膜进入溶液侧使溶液浓度变低的现象——渗透渗透压()取决于溶液系统及其浓度，且与温度有关，但与半透膜无关如果加在溶液侧的压力超过渗透压，溶液中的溶剂分子就会进入纯溶剂内——反渗透（RO（ReverseOsmosis））=niciRT•凡基于此原理所进行的浓缩或纯化溶液的分离方法，一般称之为反渗透工艺•反渗透是渗透的一种反向迁移运动，它主要是在压力推动下，借助半透膜的截留作用，迫使溶液中的溶剂与溶质分开•半透膜实际上对任何组分都有透过性能，只是透过速率相差很大，反渗透中溶剂透过速率远远高于溶质，成为反渗透膜2、渗透压的计算=niciRT3、反渗透分离过程具备的条件※1）半透膜具有高选择性和高渗透性；2）操作压力必须高于溶液的渗透压。半透膜的截留作用4、反渗透膜分离过程特点常温条件下，可以对溶质和水进行分离或浓缩，因而能耗低；杂质去除范围广，可去除无机盐和各类有机物杂质；较高的水回用率；分离装置简单，容易操作和维修。最精细的过程，又被称为“高滤”第三节反渗透过程传质机理（一）溶解扩散理论溶剂与溶质透膜的机理是由于溶剂与溶质在膜中的溶解，然后在化学位差的推动力下，从膜的一侧向另一侧进行扩散，直至透过膜。（二）优先吸附－毛细管流理论•该理论把反渗透膜看作一种微细多孔结构物质，它有选择性吸附水分子而排斥溶质分子的化学特性。•当水溶液同膜接触时，膜表面优先吸附水分子，在界面上形成一层不含溶质的纯水分子层•在外压作用下，界面水层在膜孔内产生毛细管流连续地透过膜。（三）扩散-细孔流理论•该理论认为膜表面存在细孔，水和溶质在细孔和溶解扩散的共同作用下透过膜。•膜的透过特性既取决于细孔流，也取决于水和溶质在膜表面的扩散系数。（四）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的过程。•即在高压作用下，溶液中水分子和膜表皮层活化点缔合，原活化点上的结合水解离出来，解离出来的水分子继续和下一个活化点缔合，又解离出下一个结合水。•水分子通过一连串的缔合－解离过程，依次从一个活化点转移到下一个活化点，直至离开表皮层，进入多孔层。水分子逐渐从膜面进入膜内，最后透过膜；溶质通过高分子链间空穴，以空穴型扩散透过膜。（五）自由体积理论•该理论认为，水可以在整个膜的自由体积中迁移，而盐只能在水的自由体积中迁移，使得膜具有选择透过性能。•膜的自由体积包括聚合物的自由体积和水的自由体积。聚合物的自由体积指的是在无水溶胀的由无规则高分子线团堆积而成的膜中，未被高分子占据的空间。水的自由体积是指在水溶胀的膜中纯水所占据的空间。第四节反渗透膜材料和分类反渗透技术所分离的物质的分子量一般小于500，操作压力为1.5～10.5MPa。用于实施反渗透操作的膜为反渗透膜。反渗透膜大部分为不对称膜，孔径0.1~1nm，可截留溶质分子。•按成膜材料可分为醋酸纤维模、芳香聚酰胺膜、高分子电解质膜等和无机膜；•按膜的形状可分为平板状、管状、中空纤维状膜；•按膜结构可分为非对称膜、均质膜、复合膜；•按应用对象可分为海水淡化用的海水膜、咸水淡化用的咸水膜及用于废水处理、分离提纯等的膜。•按操作压力可分为高压反渗透膜、低压反渗透膜和超低压反渗透膜第五节反渗透膜的制备（一）相转移法1）配制具有适当的均相聚合物溶液；2）将聚合物溶液流涎成薄膜；3）蒸发部分溶剂；4）聚合物凝胶（沉淀）；5）热处理。6）预压处理，稳定膜的性能（二）复合法可以选用不同的材质制作超薄脱盐层和多孔支撑层，使其功能分别达到最优化，性能最佳；可以用不同方法制备出良好分离率和较高透水速度的超薄脱盐层，同时具有良好稳定性和耐压密性；根据不同应用特性，制作不同厚度的超薄脱盐层，可制作干膜，便于运输和保存（三）醋酸纤维素（CA）1.醋酸纤维素膜的结构及性能①膜的结构•醋酸纤维素是没有强烈氢键的无定形链状高分子化合物。•制膜过程是将其溶解在丙酮中并加入甲酰胺作添加剂，经混合调制、过滤、铸塑成型，然后再经蒸发、冷水浸渍、热处理，即可得到醋酸纤维素(celluloseacetate,CA)膜。•外观为乳白色、半透明，有一定的韧性，膜厚l00－250m。•这种膜有不对称结构，表面结构致密，孔隙很小，通称为表皮层或致密层、活化层；下层结构较疏松，孔隙较大，通称为多孔层或支撑层。示意•CA膜是被水充分溶胀了的凝胶体。由于铸膜液中的所有添加剂及溶剂在制膜过程中先后被除去，膜中仅含水分。链接醋酸纤维素膜的结构示意图99％表皮层，孔径（8－10）×10－10m过渡层，孔径200×10－10m多孔层，孔径（1000－4000）×10－10m1%显微镜下膜的照片在相对湿度为100％时，膜的含水量高达60％，其中表皮层只含10％－20％，且主要是以氢键形式结合的所谓一级结合水和少量的二级结合水。多孔层中除上述两种结合水外，较大的孔隙中还充满着毛细管水，此层中含水率较高。正由于膜中存在这几种不同性质的水，决定了CA膜具有良好的脱盐性能和适宜的透水性能。膜必须保存在水中。2.CA膜的性质a）膜的方向性由于CA膜是一种不对称膜，因此，在进行反渗透时，必须保持表层与待处理的溶液或废水接触，而决不能倒置，否则达不到处理的目的。b）选择透过性CA膜对无机电解质和有机物具有选择透过性。对电解质，离子价越高，或同价离子水合半径越大，则脱除效果越好。阳离子的脱除顺序为：Sr2+Ba2+Li+Na+K+。阴离子的脱除顺序为：柠檬酸根酒石酸根SO42-CH3COO-Cl-Br-NO3-I-SCN-。对有机物，一般是水溶性好的、非解离性的、分子量小的脱除效果较差。而解离性大的、分子量大于200的有机物，则脱除效果较好。对同一类有机物，随分子量增大，脱除效率增加。对同分子量有机物，随分子支链的增加，脱除效果变得更好。（c）压密效应CA膜在压力作用下，外观厚度一般减少25％―50％，同时，透水性及对溶质的脱除率也相应降低，这种现象称为膜的压密效应。这种塑性变形是不可逆的，因此膜的性能在压力消失后不会恢复。（d）膜的水解作用和生物分解作用CA膜是一种酯，易于水解，水解速率与pH值和水的温度有关。一般在碱性介质中的水解速率比在酸性介质中大，在pH4.5－5.2时最低。第六节反渗透膜组件及装置由膜、固定膜的支撑体、间隔物以及收纳这些部件的容器构成的一个单元称为膜组件或膜装置。反渗透膜组件有板框式、管式、螺旋卷式和中空纤维式等四种。一、板框式反渗透膜组件装配图平板膜进水透过水浓缩水耐压容器透水板半透膜板框式膜组件工作过程示意图优点：组装简单、坚固，压力损失小。缺点：膜的力学强度要求高，装置成本高。二、管式反渗透膜组件管式膜组件又分为内压式和外压式外压式膜组件结构内压式膜组件结构管式膜组件的内径较大，结构简单，适合于处理悬浮物含量较高的料液，分离操作完成后的清洗比较容易。但是管式膜组件单位体积的过滤表面积(即比表面积)在各种膜组件中最小，这是它的主要缺点。蜂窝状结构(陶瓷)内压式管式膜组件的内部结构示意图特点:水力条件好，安装、清洗、维修比较方便。能耐高压，可以处理高粘度的原水。缺点是膜的有效面积小，装置体积大，而且两端要较多的联结装置。淡水淡水膜表皮层玻璃纤维管进水束式外压式膜组件1－档圈；2－集水密封环；3－聚氯乙烯烧结板；4－锥形多孔橡胶塞；5－密封管接头；6－进水口；7－壳体；8－橡胶胆；9－出水口；10－膜元件；11－网套；12－O形密封圈；13－档圈槽；14－淡水出口三、螺旋卷式反渗透膜组件密封密封密封螺旋卷式膜组件一个膜叶结构示意图多孔透水材料膜，上下两层膜叶透水网状材料透过水浓水进水螺旋卷式膜组件组合示意图膜组件的组装示意图进水口耐压容器连接器膜组件密封圈端盖透过液浓缩液工业应用的反渗透装置工业应用的反渗透装置的膜组件之间的连接螺旋卷式反溶透装置的特点：结构紧凑，单位容积的膜面积大。处理能力高，占地面积小，操作方便。缺点是不能处理含有悬浮物的液体，原水流程短，压力损失大，浓水难于循环以及密封长度大，清洗、维修不方便，易堵塞。四、中空纤维式反渗透膜组件中空纤维膜组件是由中空纤维膜制成的。中空纤维外径50―100m，内径1545m。将数万至数十万根中空纤维制成膜束，膜束外侧覆以保护性格网，内部中间放置供分配原水用的多孔管，膜束两端用环氧树脂加固。将其一端切断，使纤维膜呈开口状，并在这一侧放置多孔支撑板。将整个膜束装在耐压筒内。中空纤维膜组件简图进水浓水透过水多孔进水管浓水出口淡水出口密封中空纤维膜外径50－200μ内径25－42μ密封耐压容器由于中空纤维膜组件由许多极细的中空纤维构成，采用外压式操作(料液走壳方)时，流动容易形成沟流效应，凝胶吸附层的控制比较困难；采用内压式操作(料液走腔内)时，为防止堵塞，需对料液进行预处理，除去其中的微粒。中空纤维超滤膜组件中空纤维式膜组件的特点：单位体积膜表面积大。制造和安装简单，不需要支撑物。缺点是不能用于处理含有悬浮物的废水，预处理必须经过滤处理。难以发现损坏的膜。四种反渗透装置的性能及操作特点比较项目板框式管式螺旋卷式中空纤维式填充密度（m2/m3）201502501800易污染程度难中等易易膜清洗难度内压式易，外压式难易难难膜更换难度内压式难，外压式易一般易易原水预处理成本低中等高高相对价格高高低低第七节反渗透工艺流程及应用一、反渗透工艺流程反渗透工艺一般包括预处理和膜分离两部分。预处理可以用物理化学法，也可以用化学法。所采取的预处理方法与原水的物理、化学性质及生物学特性有关，还与膜装置的结构有关。制定工艺流程应考虑的因素：对溶液的分离有不同的质量要求。膜元件的使用寿命。※反渗透工艺中的段与级：段（concentratestaging)：指膜组件的浓缩液(浓水)流到下一组膜组件处理。流经n组膜组件，即称为n段。级(permeatestaging)：指膜组件的产品水再经下一组膜组件处理。透过液产品水经n次膜组件处理，称为n级。一级一段的不同方式一级一段连续式一级一段循环式可保证出水水质，但水回收率低可以提高水的回收率，但出水水质有可能下降一级多段连续式水回收率高，浓缩液量少，浓度高，有利于回收其中的有用物质。但出水水质差。一级多段循环式浓缩液浓度高，出水水质较好。二级五段连续式第二级二、应用范围海水脱盐苦咸水淡化太空水、纯净水、蒸馏水等超纯水生产酒类制造及降度用水；医药、电子等行业用水的前期制备；化工工艺的浓缩、分离、提纯及配水制备；锅炉补给水除盐软水；造纸、电镀、印染等行业用水及废水处理本章习题渗透和反渗透的理解反渗透膜过程发生的必备条件以及半透膜通过性能的理解？反渗透膜的孔径范围及其通过的哪种物