膜法分离和反渗透演示文稿.

第七章反渗透和纳滤脱盐第一节膜法分离1.1、膜分离法简介膜的概念膜——具有选择透过性的一层薄薄的凝聚物质。薄膜分离系统用于去除小颗粒及溶解盐。膜分离（MembraneSeparation）——是以选择性透过膜为分离介质，在膜两侧一定推动力的作用下，使混合物中的某些组分选择性地透过膜，从而使混合物得以分离，以达到浓缩、提纯等目的的分离过程。加压的供水流平行通过薄膜表面，部分水流通过薄膜，被排除的颗粒在剩余的水流中浓度会越来越高。由于溶液是连续性的流过，被排除的颗粒不会沉积，反而会被浓缩液带走。因此，进水流在通过薄膜后便分为通过薄膜的溶液（渗透液）和残留的浓缩液。1.2、膜分离过程的特点膜分离过程均需要一定能量物质选择透过膜的能量可分为两类：借助外界能量，物质由低位到高位流动；借助本身的化学位差，物质由高位到低位流动推动力：压力差、浓度差、电位差、温度差1.3、膜分离法的分类一般可分为：微滤（microfiltration）、超滤（ultrafiltration;hyperfiltratio）、纳滤（nanofiltration;NF）和薄膜过滤反渗透（reverseosmosis，RO;reverseosmosis;RO）微滤、超滤、纳滤和反渗透均为压力推动的分离过程，即在压力差的作用下，溶剂及小分子能通过膜，而盐、大分子、微粒等被截留，其截留程度取决于膜结构。微滤微滤能截留0.1～1微米之间的颗粒，微滤膜允许大分子有机物和溶解性固体（无机盐）等通过，但能阻挡住悬浮物、细菌、部分病毒及大尺度的胶体的透过，微滤膜两侧的运行压差（有效推动力）一般为0.7bar。超滤超滤利用一种压力活性膜，在外界推动力(压力)作用下截留水中胶体、颗粒和分子量相对较高的物质,而水和小的溶质颗粒透过膜的分离过程。通过膜表面的微孔筛选可截留分子量为1000—100000的物质。水分子和分子量小于300—500的溶质透过膜，可将水中含有的大部分胶体硅除去，同时可去除大量的有机物等。透膜压一般为1~7bar。纳滤纳滤膜的一个很大特性是膜本体带有电荷，这是它在很低压力下具有较高除盐性能和截留相对分子质量为数百的物质，也可脱除无机盐的重要原因。主要去除直径为1nm左右的溶质粒子，故被命名为“纳滤膜”，二价或高价离子，特别是阴离子的截留率比较高，可大于90%，而对一价离子的截留率一般低于90%。截留物相对分子质量为200-1000。透膜压一般为3.5~16bar。反渗透反渗透是目前最微细的过滤系统。反渗透膜可阻挡所有溶解的无极分子以及任何相对分子质量大于100的有机物。操作压力较高，一般为2～10Mpa。1.4、膜分离技术的优点（1）膜分离是一个高效分离过程，可以实现高纯度的分离；（2）大多数膜分离过程不发生相变化，因此能耗较低；（3）膜分离通常在常温下进行，特别适合处理热敏性物料；（4）膜分离设备本身没有运动的部件，可靠性高，操作、维护都十分方便。1.5、分离膜性能分离膜（Membrane）是膜分离过程的核心部件，其性能直接影响着分离效果、操作能耗以及设备的大小。分离膜的性能主要包括两个方面：透过性能与分离性能1．透过性能能使待分离的混合物有选择的透过是分离膜的最基本条件。表征膜透过性能的参数是透过速率。透过速率——指单位时间、单位膜面积透过组分的通过量，对于水溶液体系，又称透水率或水通量，以J表示。式中：J——透过速率，m3/(m2·h)或kg/(m2·h)；V——透过组分的体积或质量，m3或kg；A——膜有效面积，m2；t——操作时间，h。膜的透过速率与膜材料的化学特性和分离膜的形态结构有关，且随操作推动力的增加而增大。此参数直接决定分离设备的大小。2．分离性能分离膜必须对被分离混合物中各组分具有选择透过的能力，即具有分离能力，这是膜分离过程得以实现的前提。不同分离过程中膜的分离性能有不同的表示方法，如截留率、截留分子量、分离因数等。（1）截留率对于反渗透过程，通常用截留率表示其分离性能。截留率反映膜对溶质的截留程度，对盐溶液又称为脱盐率，以R表示，定义为式中CF——原料中溶质的浓度，kg/m3；CP——渗透物液中溶质的浓度，kg/m3。100％截留率表示溶质全部被膜截留,此为理想的半渗透膜；0％截留率则表示全部溶质透过膜，无分离作用。（2）截留分子量在超滤和纳滤中，通常用截留分子量表示其分离性能。截留分子量是指截留率为90%时所对应的最小分子量。截留分子量的高低，在一定程度上反映了膜孔径的大小，通常可用一系列不同分子量的标准物质进行测定。（3）分离因数对于气体分离和渗透汽化过程，通常用分离因数表示各组分透过的选择性。对于含有A、B两组分的混合物，分离因数定义为式中xA,xB——原料中组分A与组分B的摩尔分率；yA,yB——透过物中组分A与组分B的摩尔分率。1.6、膜的分类按结构分：对称膜（无孔膜、多孔膜）非对称膜（一体化非对称膜、复合膜）对称膜是一种均匀的薄膜，又称均质膜。膜的横截面结构及形态是均匀的，厚度一般在10~200μm之间，传质阻力由膜的总厚度决定，降低膜的厚度可以提高透过速率。（2）非对称膜非对称膜的横断面是不对称结构，由一薄薄的皮层和多孔亚层构成。包括一体化非对称膜＆复合膜。一体化非对称膜是用同种材料制备、由厚度为0.1~0.5μm的致密皮层和50~150μm的多孔支撑层构成，其支撑层结构具有一定的强度，在较高的压力下也不会引起很大的形变。复合膜：致密皮层与多孔亚层由不同材料构成，使每一层独立发挥最大作用。非对称膜的作用主要由很薄的致密皮层决定，传质阻力小，其透过速率较对称膜高得多，因此非对称膜在工业上应用十分广泛。第二节反渗透2.1、定义反渗透——借助于半透膜对溶液中溶质的截留作用，在高于溶液渗透压的压差推动力下使溶剂渗透通过膜，达到溶液脱盐的目的。在膜的两侧造成一个压力差，并使其大于溶液的渗透压，溶剂就会渗透到膜的另一侧，使浓度较高的溶液得到浓缩2.2、反渗透机理把溶剂和溶液（或两种不同浓度的溶液）分别置于半透膜的两侧，纯溶剂将透过膜而自发地向溶液（或从低浓度溶液向高浓度溶液）一侧流动，这种现象称为渗透(osmosis)。当溶液的液位升高到所产生的压差恰好抵消溶剂向溶液方向流动的趋势，渗透过程达到平衡，此压力差称为该溶液的渗透压，以π表示。若在溶液侧施加一个大于渗透压π的压差时，则溶剂将从溶液侧向溶剂侧反向流动，此过程称为反渗透(reverseosmosis)这样，把溶液置于半透膜的一侧，利用反渗透过程可从溶液中获得纯溶剂。界面区膜表面本体溶液相临界孔高压多孔膜大气压H2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2O2tH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2ONa+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na++C1－C1－C1－C1－C1－C1－C1－C1－C1－C1－C1－C1－C1－C1－C1－C1－C1－C1－C1－H2O图13－20优先吸附－毛细管流动机理示意图2.3、反渗透膜及其性质1、反渗透膜反渗透膜为半透膜：即能够让溶液中一种或几种组分通过而其它组分不能通过的选择性膜。反渗透借助半透膜对溶液中溶质起截流作用，以压力差为推动力，使溶剂透过半透膜，从而达到溶液脱除溶质的目的。膜的特性：透水率、透盐率、抗压性等反渗透膜的结构2、反渗透膜的种类醋酸纤维素膜的结构醋酸纤维素膜的性能2.4、反渗透装置1、管式装置管式装置水力条件好，适当调节水流状态可防止浓差极化和膜污染，能够处理含悬浮固体的溶液，但单位体积中膜面积小，制造和安装费用较高。2、螺旋卷式装置螺旋卷式装置单位体积的膜表面积较大，透水量大。紊流效果好，不易产生浓差极化现象。缺点是膜玷污后消除困难，不能处理含有悬浮物的液体。3、中空纤维式装置优点是单位体积的膜表面积很大，制造和安装简单，可在较低压力下运行，膜的压实现象减缓，不需要膜制成材料，浓差极化可忽略；缺点是制作工艺复杂，易堵塞，不能用于处理含悬浮物的液体4、板框式装置这种装置结构牢固，能承受高压，占地面积不大；但液流状态差，易造成浓差极化，设备费用较大。2.5反渗透的应用反渗透是一种节能技术，过程中无相变，一般不需加热，工艺过程简单，能耗低，操作和控制容易，应用范围广泛。主要应用：海水和苦咸水的淡化，纯水和超纯水制备，工业用水处理，饮用水净化，医药、化工和食品等工业料液处理和浓缩，以及废水处理等。还可以用于1.处理电镀废水废水进入电渗析器分离后，浓缩液返回电镀槽再次使用；处理水则补充至最后的漂洗槽，实现水量平衡。2.冲印胶片废水的处理照相洗印废水、电影制片厂排出的废水中含有多种有用物质，可回收。3.酸性尾矿水的处理第三节反渗透工艺设计要点