【环境课件】膜分离法

膜分离法(MembraneSeparationProcesses)教学内容：一、膜的定义和分类二、膜分离概述三、扩散渗析（diffusiondialysis）四、电渗析(electrodialysis)五、反渗透（reverseosmosis)六、超过滤(ultrafiltration)2020/3/17水污染控制工程3一、膜的定义和分类1、膜（分离膜）的定义分离膜可看作是分离两相和作为选择性传递物质的屏障。它可以是固态、液态或气态的，目前使用的分离膜绝大多数是固膜。膜可以存在于两流体之间或附着于支撑体或载体的微孔隙上，膜厚度要远小于其比表面积。2、膜的分类按膜结构分：有对称膜和不对称膜按膜材料分：有机膜：纤维素膜、聚酰胺膜、聚砜膜、聚乙烯膜等无机膜：玻璃膜、陶瓷膜、氧化铝膜等按分离机理分：多孔膜、无孔膜和载体膜按几何形状分：平板式、管式、毛细管式和中空纤维式膜二、膜分离概述1．膜分离的概念2、膜分离技术的特点3．膜分离法的分类4．膜分离法的应用2020/3/17水污染控制工程51．膜分离的概念用一张特殊制造的、具有选择透过性能的薄膜（分离膜），在外力推动下对双组分或多组分溶质和溶剂进行分离、提纯、浓缩的方法，统称为膜分离法。膜分离可用于液相和气相，对液相分离，可以用于水溶液体系、非水溶液体系、水溶胶体系以及含有其他微粒的水溶液体系等。2020/3/17水污染控制工程6膜分离过程的推动力有两类：①借助外界能量，物质发生由低位向高位的流动；②以化学位差为推动力，物质发生由高位向低位的流动。推动力膜过程压力差反渗透，超滤，微滤，气体分离电位差电渗析浓度差扩散渗析、控制释放浓度差（分压差）渗透气化浓度差加化学反应液膜，膜传感器一些主要的膜分离过程的推动力2、膜分离技术的特点（a）膜分离过程不发生相变，因此能量转化的效率高。例如在现在的各种海水淡化方法中反渗透法能耗最低；（b）膜分离过程在常温下进行，因而特别适于对热敏性物料，如果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩；（c）装置简单，操作简单，控制、维修容易，且分离效率高。与其它水处理方法相比，具有占地面积小、适用范围广、处理效率高等特点；（d）由于目前膜的成本较高，所以膜分离法投资较高，有些膜对酸或碱的耐受能力较差。所以目前膜分离法在水处理中一般用于回收废水中的有用成分或水的回用处理。2020/3/17水污染控制工程83．膜分离法的分类膜分离法的种类很多，现已应用的膜过程有反渗透、纳滤、超滤、微滤、扩散渗析、电渗析、气体分离、渗透蒸发、控制释放、液膜、膜蒸馏等。目前，在废水处理中常用的有扩散渗析、电渗析、反渗透、超滤等四种膜分离技术。废水处理中几种常用膜分离法的特点如下表所示。2020/3/17水污染控制工程9膜过程推动力传质机理透过物及其尺寸截留物膜类型电渗析电位差离子选择性透过溶解性无机物非电解质大分子离子交换膜反渗透压力差2-10MPa溶剂的扩散水或溶剂溶质、盐、SS非对称膜超过滤压力差0.1-10.MPa筛滤及表面作用水、盐及低分子有机物胶体大分子、不容有机物非对称膜渗析浓度差溶质的扩散低分子物质、离子溶剂非对称膜液膜化学反应和浓度差反应促进和扩散电解质离子溶剂（非电解质液膜2020/3/17水污染控制工程104、膜分离的应用领域（1）化学/染料工业活性染料的脱盐、纯化、浓缩与回收食品染料的脱盐、纯化、浓缩与回收催化剂与贵金属的回收利用脱氧、氧化、酯化、皂化、磺化、硝化、脱氢反应中液体的分离、纯化甘油/己内酰胺/苯/染料活性剂等有机化工原料的回收汽车/仪表及其它工业涂漆的浓缩回收（2）食品/饮料工业啤酒/果酒/黄酒/葡萄酒的澄清除菌过滤苹果、梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、柠檬等果汁的澄清除菌过滤苹果、梨、凤梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、柠檬等果汁的脱水浓缩葡萄酒/果酒/茶/咖啡芬香气味的浓缩保留豆蛋白/乳清蛋白/白蛋白/单糖/多糖溶液的澄清与浓缩乳清、奶酶及其他乳品的澄清、脱盐与浓缩蔬菜抽提汁/西红柿汁的脱水浓缩2020/3/17水污染控制工程11（3）制药/生物工程抗生素、维生素、有机酸、氨基酸、酶等发酵液的澄清除菌过滤抗生素、维生素、有机酸、氨基酸等发酵液的蛋白剔除酶、蛋白质、多糖制备过程中细胞碎片的剔除抗生素、氨基酸、维生素、有机酸、酶、多糖、蛋白质的纯化与浓缩6-APA、7-ACA、7-ADCA及其他半合成抗生素的脱盐浓缩中成药、保健品口服液的澄清除菌过滤动物血浆、血清的浓缩精制其他相关的脱盐浓缩、澄清除菌、蛋白剔除、细胞收集等分离过程（4）空气过滤喷雾干燥过程中染料、抗生素、奶粉等的回收电池厂金属镉、氧化铅粉尘的收集粉碎过程中磷酸盐、氧化镁、二氧化钛、碳粉、水泥、碳酸钙的回收包装过程中砂糖、染料、奶粉、味精等的回收干燥过程中PVC、二氧化硅、活性碳、肥料等的回收合成氨尾气中氢气的回收利用其他一切有关的粉尘收集及空气除尘过程2020/3/17水污染控制工程12（5）水处理饮用纯水（太空水）的制备医药工业中注射用水/洗瓶水及其他无菌水的制备电子工业中超纯水的制备火力发电厂锅炉补给水的制备饮料与化妆品工业中产品配方用水的制备制造业中终端洗涤水的制备饮用水纯化/苦碱水脱盐/海水淡化废水循环与再生利用（零排放）BOD/COD的最小化垃圾填埋场渗出水的浓缩处理染料、颜料、油漆、含油废水的处理纸浆与造纸废水的处理及木素磺酸盐的回收金属、食品、皮革、农药和除草剂废水的处理纺织印染废水的处理及丝光废水的回收利用2020/3/17水污染控制工程13三、扩散渗析（diffusiondialysis）1、渗析：把水溶液中溶质透过半透膜而溶质被截留的现象称为渗析。半透膜：起渗析作用的薄膜，对溶质具有选择性。半透膜的发展：动物的膀胱膜、肠膜、羊皮纸；离子交换膜：阳离子交换膜、阴离子交换膜2、扩散渗析的原理利用离子交换膜的选择透过性，以浓度差为推动力来实现酸与盐或者碱与酸的分离。扩散渗析回收酸原理示意图(1)—原液室；(2)—回收液室；A—阴离子交换膜残液/渗析液H2O回收液/扩散液废酸液A（2）（1）H+H+SO42-H+H+SO42-Fe2+SO42-扩散渗析法回收酸的原理⑴为原液室，⑵为回收室，向⑴室自下而上引入料液(H2SO4和FeSO4的混合液)，另向⑵室自上而下引入水流。由于⑴室中的酸及盐的浓度较大，其中的Fe2＋、H＋、SO42-均有向⑵室扩散的趋势，因阴离子交换膜对离子具有选择透过性，只允许阴离子SO42-通过而不让阳离子透过，所以Fe2＋受到阴膜的阻挡而不能进入⑵室，而H＋则因性质特殊，其水合离子半径小，迁移速度快，也能跟随SO42-一起进入⑵室，以保持溶液的电中性。这样，⑴室中的H2SO4就不断扩散进入(2)室，而FeSO4被阻挡在⑴室中，从而实现了酸与盐的分离。2020/3/17水污染控制工程153、优缺点：优点：能耗小，设备结构简单，操作方便，不需要对膜进行酸碱再生，分离过程中不需要加入其它化学药剂。缺点渗析速度慢，分离效率低。4、应用：在生物医学上的应用最为广泛，主要的用途是血液渗析法（又称为人工肾），此外还有人工肺。在工业方面的应用从钢铁工业酸洗废液中回收硫酸及在其它废酸液中回收硝酸等；从化工厂人造丝浆压液中回收NaOH2020/3/17水污染控制工程16四、电渗析（electrodialysis，简称ED）1．电渗析的基本原理电渗析是在直流电场的作用下，以电位差为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性(即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯的一种膜过程。++++++阳极－－－－－－阴极Cl-Na＋阳膜阳极室Cl-Cl-Cl-Na＋Na＋Cl-Na＋Na＋Cl-Cl-Na＋Na＋浓缩室淡化室浓缩室阴极室阴膜阳膜阴膜电渗析过程原理图阳极反应：阴极反应：222CleClHOHOH22OHOeOH22244HClOHClOHCl22OHHeOH22222NaOHOHNa2020/3/17水污染控制工程192．离子交换膜离子交换膜具有与离子交换树脂相同的组成，含有活性基团和能使离子透过的细孔。常用的离子交换膜按其选择透过性可分为阳膜、阴膜、复合膜等数种。阳膜(cationexchangemembrane)含有阳离子交换基团，在水中交换基团发生离解，使膜上带有负电，能排斥水中的阴离子，吸引水中的阳离子并使其通过。阴膜(anionexchangemembrane)含有阴离子交换基团，在水中离解出阴离子，使膜上带正电，吸引阴离子并使其通过。复合膜复合膜由一面阳膜和一面阴膜其间夹一层极薄的网布做成，具有方向性的电阻。当阳膜面朝向阴极，阴膜面朝向阳极时，正、负离子都不能透过膜，显示出很高的电阻。当膜的朝向与上述相反时，膜电阻降低，膜两侧相应的离子进入膜中。2020/3/17水污染控制工程21离子交换膜是一种由高分子材料制成的具有离子交换基团的薄膜，其所以具有选择透过性主要是由于膜上孔隙和膜上离子基团的作用。膜上孔隙的作用是，在膜的高分子键之间有一足够大的孔隙，以容纳离子的进出和通过。是离子通过膜的大门和通道。膜上离子基团的作用是，在膜的高分子链上，连接着一些可以发生解离作用的活性基团。在水溶液中，膜上的活性基因会发生解离作用，解离所产生的离子(或称反离子）进入溶液。于是，在膜上就留下了带有一定电荷的固定基团。存在于膜微孔中的带一定电荷的固定基团，好比在一条狭长的通道中设立的一个个关卡或“警卫”，以鉴别和选择通过的离子。离子交换膜为什么具有选择透过性呢？注意：离子交换膜的作用并不是起离子交换的作用，而是起离子选择透过性作用。2020/3/17水污染控制工程22离子交换膜功能示意图2020/3/17水污染控制工程233、电渗析器电渗析器由膜堆、极区和夹紧装置三部分组成。膜堆位于电渗析器的中部，由阳膜、浓（或淡）水室隔板、阴膜、淡（浓）水室隔板交替排列成浓水室和淡水室。极区位于膜堆两侧，包括电极、极水框和保护室，其作用是供给电渗析器直流电，将原水导入膜堆的配水孔，将淡水和浓水排出电渗析器，并通入和排出极水。压紧装置由盖板和螺杆组成，其作用是将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。（1）电渗析器的组装电渗析器的组装依其应用不同而有所不同。其组装的情况是用级和段来表示的。级：一对正、负电极之间的膜堆称为一级。段：具有同一水流方向的并联膜堆称为一段。电渗析器的组装示意图2020/3/17水污染控制工程25（2）电渗析器的级与段一级一段一级两段两级一段两级两段一对正、负电极之间的膜堆称为一级具有同一水流方向的并联膜堆称为一段（3）实际应用的电渗析器2020/3/17水污染控制工程274、电渗析在废水处理中的应用目前，电渗析在废水处理实践中应用最普遍的有：⑴造纸工业废水处理，利用电渗析法处理造纸工业的亚硫酸纸浆废液和洗浆废水及碱法造纸黑液，从中回收化学药品，已得到工业应用。⑵从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化钠。⑶从酸洗废液中制取硫酸和沉淀重金属离子。⑷电镀废水和废液处理，含Cd2+、Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cr6+等重金属离子和氰化物的电镀废水都适宜用电渗析法处理，其中应用最成熟的是含镍废水处理。⑸从放射性废水中分离放射性元素，然后将其浓缩液掩埋。2020/3/17水污染控制工程28五、反渗透（RO）ReverseOsmosis1、概述2、反渗透基本原理3、反渗透膜及其透过机理4、反渗透装置5、反渗透工艺流程2020/3/17水污染控制工程291、概述反渗透是一项高新膜分离技术，其孔径很小，大都≤10×10–10（10A），它能去除滤液中的离子范围和分子量很小的有机物，如细菌、病毒、热源等。它已广泛用于海水或苦咸水淡化、电子、医药用纯水、饮用蒸馏水、太空水的生产，还应用于生物、医学工程。