-废水的物理化学处理法-膜

2.反渗透法（RO）►自然渗透的逆过程，它的原理，如图所示►两种不同浓度的溶液用一种只能透过水而不能透过溶质的半透膜隔开，水分子则会自然地从低浓度溶液一侧透过膜渗透到高浓度溶液的一侧，这一现象叫渗透。渗透达到平衡时的平衡压力称渗透压；若在高浓度一侧加上一大于渗透压的压力，其中的水分则会透过半透膜反向渗透，这一过程叫反渗透。反渗透法►基本原理膜表面层有许多极细孔隙，具亲水性，因而选择吸附水分子而排斥某些溶质分子当其和水溶液接触时，溶质分子或离子被排斥，仍留在溶液中，化合价越高的离子排斥越远。当在溶液上施加压力时，水分子薄层通过薄膜的毛细管渗出，而溶质分子或离子不能通过而被截留。膜的孔径越大，渗透性也愈大，分离效果就差有机物的脱除，则属筛分机理►截留分子量、截留率和水通量截留率是指对一定分子量的物质来说，膜所能截留的程度，其定义为fCpCfCR式中Cf为料液的浓度，Cp为滤液的浓度。膜的纯水通量是指料液为纯水时，单位时间透过纯水的体积，一般是在0.13～0.3MPa压力下测定的2.1反渗透膜►反渗透膜一种半透膜，只能通过溶液中某种组分的膜厚度一般为几个微米～0.1微米有平板膜和中空纤维膜两种当前最广泛使用的是醋酸纤维索膜(CA膜)►CA膜一种不对称膜，厚100微米左右膜分两层，表面致密层和多孔支持层。表面致密层厚0.25μm，孔径小于8A，多孔支持层是—种凝胶体的海绵状结构，孔隙率为60%，孔径大(可达几百纳米），起支持致密层和使水流通作用。2.1反渗透膜►CA膜的特性方向性由于CA膜是不对称的，使用时致密层须在高压侧选择性CA膜对无机电解质和有机物具有选择透过性。对电解质高价离子较易脱除，同价离子水合半径越大越易脱除；对有机物，水溶性好、非离解性、分子量小的脱除效果差。压密效应CA膜在压力作用下厚度减少，透水性降低，分离效果下降。水解作用和生物分解作用2.2反渗透工艺及工艺条件的选择►pH值范围：CA膜使用的范围为pH＝3～7：►操作压力：操作中透水量随压力的提高而增加，但压力过高又会使膜压实而使进水量下降，因此应根据膜的性能、原液浓度、水的回收率等几方面综合考虑；►温度：膜透水量随温度上升而增加，但温度过高，会加快膜的水解速度，且膜会变软，压力也随之增加，故一般控制在20～30℃►提高待处理液进料流速，使其保持湍流状态，以避免发生浓差极化现象一级反渗透水处理工艺流程•浓差极化是指在反渗透过程中，由于水不断透过膜，引起膜表面溶液浓度的升高，从膜表面到进料液之间形成—浓度梯度，即浓差极化。浓差极化引起膜表面溶液渗透压大大增加，使过程的有效推动力变小，导致水透过膜的阻力增大，使透水率和分离效率下降。2.3反渗透装置►常用的反渗透装置有四种型式——板式、管式、卷式和空心纤维式►板式反渗透器：板式反渗透器类似板框压滤机。它是由几块或几十块圆形承压板(用下铺钢或环氧玻璃钢制成)组成，承压板外环有密封圈支撑，使内部组成压力容器，两板之间是多孔性材料用以支撑膜并引出分离出的水，每块板面都装有反渗透平膜。高压废水以湍流状态通过反渗透膜表面，分离出的水由承压板中流出。这类装置结构简单、体积小但装卸复杂，单位体积膜表面积小。1-膜；2-水引出孔；3-橡胶密封圈；4-多孔性板；5-处理水通道；6-膜间流水道；7-双头螺栓平板式膜组件反渗透装置►管式反渗透器：管式反渗透器类似排管式热交换器。由若干直径10～20mm，长1～3米的反渗透管状膜装入多孔高压管内，膜与高压管之间衬以尼龙布或其它纤维网，组成管状膜单元，然后将多根管状膜单元装入高压容器内成为内压管式。►管式反渗透装置的特点是水力条件好，安装、清洗、换膜维修方便；但膜的有效面积小，装置的体积大，建造费用高。1-高压水泵；2-缓冲器；3-管式膜组件；4-压力表；5-阀门；6-玻璃钢管；7-膜管式膜组件反渗透装置►螺旋卷式反渗透器：由多层半透膜配合其他材料制成卷简，装置于耐压容器中，卷筒的两层膜之间有多孔性透水垫层，膜周边用粘胶剂密封，膜外面有细网间隔层，使膜与膜之间有间隙。将此三面封死的膜缠绕在多孔集水管上面成一个组件►待处理水自一端进入沿轴线方向在细网间隔层中旋动，分离水则通过膜面经多孔支承垫沿螺旋线方向流入中心渠水管后引出，浓缩液由简的另一端引出。•螺旋卷式装置的优点是单位体积有较大的膜面积，透水量大，湍流效果好、不易产生浓差极化现象、安装更换容易。缺点是清洗困难，不能处理含悬污物的液体、压力损失大．反渗透装置►中空纤维式反渗透器：类似U形管式热交换器。它是将许多根头发粗细的中空细管状空心纤维丝捆在一起弯成U形，装入反渗透器内，把纤维束开口端装在环氧塑料封内，进入纤维内径的净化水由纤维束开口端引出，浓缩液由另一端排出。►该装置单位体积膜面积大，安装方便，可在低压下运行。膜的寿命长，但压力损失大，不能处理含悬浮物的液体。反渗透法在水净化和废水处理中的应用►海水、苦咸水脱盐►电镀废水的处理3.电渗析—原理►在直流电场作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性把电解质从溶液中分离的过程。►在电渗析槽中交错放置两种类型的交换树脂膜——阳离子膜和阴离子膜。►阳离子膜带有固定的负电荷，它只允许阳离子通过而排斥阴离子；►阴离子膜带有固定的正电荷，允许阴离子通过而排斥阳离子。3.电渗析—原理►在直流电场中，槽内各室中的阴阳离子在电场力的作用下发生定向移动，在一、三两室中，阳离子向左移动，穿过阳离子膜分别进入阴极室和二室，而阴离子向右移动穿过阴离子膜分别进入二室和阳极室内。►总的结果则使一、三两室离子浓度大大降低，使其中水得以淡化，在二室则相反，阳离子向左移动但受到阴离子膜阻挡而留在室内，阴离子向右移动但受到阳离子膜阻挡也留在室内，同时第一、三两室的阴阳离子还要进入二室，总结果便造成二室的离子的积聚．使水得以·浓缩．►将待处理水不断送入二室(浓室），从一、三两室（淡室）便可排出处理过的废水。电渗析器►电渗析器有板框型(压滤型)和螺旋卷式两种。►板框型由交换膜、隔板、电极、板框及压紧装置所组成，两端为电极，中间为阴、阳膜和用隔板间隔交替排列的浓、淡室，电极与膜之间设置极框。1.压紧板；2.垫板；3.电极4.垫圈；5.导水板；6.阳膜7.淡水隔板框；8.阴膜9.浓水隔板框电渗析器►离子交换膜：一种由高分子材料制成的，具有离子交换基因的薄膜．内有一定数目的孔隙，以供离子通过。可分为阳离子交换膜和阴离子交换膜两种，简称阳膜和阴膜。►阳离子交换膜：常有酸性活性基因(如R-SO3H)在水中可离解成固定在高分子膜上带负电的阴离子R-SO3-和可移动阳离子H+，膜中固定基团R-SO3-构成了足够强的负电场，因此能吸引阳离子让其通过而排斥阴离子，阻止其通过。►阴离子交换膜：带有碱性活性基团：如R—CH2N+(CH3)2OH，固定在高分子膜上的是带正电的阳离子R—CH2N+(CH3)2和可移动的OH—，固定基团构成强烈正电场，故它能吸引阴离子让其通过而排斥阳离子。电渗析器（续）►隔板和隔网：隔板的用处是使阴、阳膜间保持一定距离，并使布水均匀。上面有配水孔、布水槽、流水道、填充网，网的作用是使液体产生湍流，提高效率。根据隔板在膜堆中使用的情况，又分为浓室隔板和淡室隔板。它们和阴阳离子交换膜交替排列，构成了淡水室和浓水室。►电极：电极的作用是直接连接电源。位于膜堆两侧。它的质量直接影响电渗析效果。常用的有石墨电极，铅板电极．钛涂钌电极、不锈钢电极(只能做阴极)等．►电极框：保持电极与膜间的距离，是极水的通道，保持水流的畅通，排除电极反应产生的气体及沉淀，防止电极和膜的腐蚀。电渗析在废水处理中的应用►回收酸洗废水中的酸废液中含12～30%的硫酸亚铁，5%～10%的硫酸►回收重金属离子含铬、铜、镍、镉等重金属离子和氰化物的废水也可用电渗析法来回收，并使洗涤水循环使用。电镀镍废水的回收，可将电镀回收液通入电渗析器的淡室，使回收液不断淡化，而其中的镍离子及其它成份通过电渗析作用迁移到浓室中，浓缩至一定浓度后循环回到电镀槽中使用。此法可回收镍95％以上。4.超滤法►超滤是利用孔径在20～200Å的半透膜，让流体以一定压力和流速通过膜的表面，将流体中的高分子和低分子分开。►超滤法与反渗透法相似，也是以压力差为推动力的液相膜分离过程。但是两者的作用实质并不完全相同。超滤的机理目前尚不完善，一般认为，超滤是一种筛孔分离过程。比孔隙小的分子和粒子可以在压力差的作用下，从高压侧透过膜到低压侧，而大粒子则被膜所阻拦。►超滤膜是超滤工艺的关键。大多数超滤膜都是聚合物或共聚合物的合成膜，如醋酸纤维素和芳香聚酰胺等。有人认为超滤膜就是具有较大平均孔径的反渗透膜。4.超滤法►超滤法所截留的污染物粒子比反渗透法所截留的粒子要大得多，主要用于截留2～200nm间的粒子。超滤法也要加压，以使废水能克服滤膜的阻力而透过滤膜，但这个压力比反渗透法要小►超滤设备同反渗透相似，主要有板框式、管式、螺旋卷式和中空纤维式。►用超滤法进行废水处理，既可做到水的循环使用，又可回收有价值的产品。►已在食品、印染、电镀、造纸、金属加工等部门的废水处理中得到研究和应用。5.微孔过滤法►微孔过滤的分离机理是筛分效应。所分离组份直径一般为0.03～15μm。操作静压差为0.01～0.2MPa►微孔过滤膜常用纤维素脂或工程塑料制成。►微孔过滤设备也有板框式、管式、螺旋卷式和中空纤维式►主要用于电子、医药、饮料工业，也用于水的深度处理。6.隔膜电解法►隔膜电解法是把电渗析和电解组合起来的一种方法。它是利用一定性质的隔膜将电解装置的阳极和阴极隔开而进行电解，根据所用膜的性质可分为非选择透过膜电解与选择透过膜电解。►实际应用时要选择不同性质的隔膜来有效地隔离两个电极室，使两个电极的反应物不会互相混淆。利用阳极和阴极反应的特异性来保证一极的生成物不会在另一极上遭到破坏。也可利用膜对离子的选择性透过，顺利完成电极反应，回收各电极的产物。6.隔膜电解法►回收重金属•再生镀铬废液阳极产生的酸用于溶解泥浆。膜应用中的问题：膜污染membraneFouling►Particulate:Causedbydepositionofclays,silt,algae,bacteria,diatoms,etc.,onmembranesurface.Canbepartiallycontrolledthroughbackflushing,pulsing,increaseincrossflowvelocity,secondaryflows,loweringfluxand/orrecovery,additionofcoagulants.Physicalandchemicalcleaners.►Inorganic:Causedbyprecipitationofinorganicsalts,e.g.,CaCO3.Usuallyafactorinhighpressureprocesses(RO/NF)withsignificantconcentrationpolarization.TypicallycontrolledorlimitedthroughadjustmentoffeedpH,and/oradditionofchelatingandsequesteringagents,decreasingrecovery.Cleaningwithacids,basesandchelating/sequesteringagents.MembraneFouling(continued)►Biofouling:Causedbygrowthofbacteriaonmembranesurface.Chlorination,‘organicconditioningfilms’,membranematerialimportant.Difficulttocontrolsincebiofilmscanrecoverquicklyafter‘cleaning’steps.►Organic(NOM