第十六章-污水的化学与物理化学处理7-膜分离

水污染控制工程Ⅰ1第八节膜分离水污染控制工程I水中污染物的去除方法悬浮污染物——格栅、沉淀、混凝、气浮、过滤溶解态污染物一般浓度的金属离子——化学沉淀其他可氧化还原的——化学氧化还原残余微量的溶解物质——吸附、离子交换？2水污染控制工程I3第八节膜分离一、概述二、微滤/超滤/纳滤三、反渗透四、扩散渗析五、电渗析通过本章学习，重点掌握膜分离的基本原理和工艺特点；了解各类膜（微滤、超滤、纳滤和反渗透）反应器的基本构造和原理；熟悉膜污染及其防治方法。水污染控制工程I一、概述膜分离法是指利用天然或人工合成的高分子薄膜——半透膜，以外界能量或化学位差为推动力，对溶液中某些物质进行分离、分级、提纯和富集的方法。分子水平、选择性透过→分离。溶质透过膜——渗析溶剂(水)透过膜——渗透膜上游膜膜下游选择性透膜水污染控制工程I51.膜的分类固膜——应用最多按组成材料分有机膜和无机膜按形态和结构分为多孔膜和致密膜。多孔膜（聚合物和无机材料均可）主要用于超滤、微滤和渗析过程；致密膜（仅限于聚合物材料）主要用于反渗透、电渗析、渗透汽化和气体渗透过程。液膜——已有中试应用气膜——实验室研究阶段生物膜——细胞膜合成膜膜水污染控制工程I66（1）按材料分类有机膜：以高分子材料制成的聚合膜居多。类别膜材料举例纤维素酯类纤维素衍生物类醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤维素等非纤维素酯类聚砜类聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚酰(亚)胺类聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亚胺等聚酯、烯烃类涤纶，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等含氟(硅)类聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等其他壳聚糖，聚电解质等以日本为例，纤维素酯类膜占53％，聚砜膜占33.3％，聚酰胺膜占11.7％，其他材料的膜占2％水污染控制工程I无机膜多以金属及其氧化物、多孔玻璃、陶瓷为材料。无机膜的制备已成为研究热点，其增长速度远快于聚合物膜。无机膜水污染控制工程I无机膜粗孔膜50nm微孔膜2nm致密膜微滤膜超滤膜纳滤膜渗透蒸发膜反渗透膜气体分离膜金属及其合金膜致密陶瓷膜多孔膜中孔膜2~50nm无机膜集成过程无机膜水污染控制工程I99无机膜与有机膜性能比较无机膜优点：热力学、化学稳定性好，耐污染能力强，强度大，使用寿命长，容易清洗，适用于高粘度、高固体含量等复杂流体物料的分离；——食品、生化领域缺点：造价较高，装填面积较小，运行费用偏高有机膜优点：取材广泛、单位膜面积制造成本低廉、膜组件装填密度大等优势，目前约占有膜市场85%左右。缺点：化学、机械、热稳定性差水污染控制工程I10各种膜材料的特点聚合物优点缺点TiO2/ZrO2化学、机械、热稳定性好价格昂贵，仅限于MF和UF，材料较贵醋酸纤维价格低，抗氯，溶剂浇注化学、机械、热稳定性差聚砜广泛的消毒性，抗pH，溶剂浇注对碳氢化合物的截留较差聚丙烯抗化学腐蚀性强未经表面处理具有疏水性聚四氟乙烯具有良好的疏水性能，抗有机物污染，良好的化学稳定性，具有灭菌性疏水性强，价格贵聚酰胺良好的化学稳定性、热稳定性对氯化物较敏感水污染控制工程I1111（2）按膜的结构分类对称膜(SymmetricMembrane)非对称膜(AsymmetricMembrane)-CA膜复合膜(CompositeMembrane)水污染控制工程I醋酸纤维素（CA）膜的结构99％表皮层孔径0.0008~0.001m过渡层孔径0.02m多孔层孔径0.1～0.4m1%水污染控制工程I1313（3）按膜的形状分类平板膜(FlatMembrane)管式膜(TubularMembrane)/中空纤维膜(HollowFiber)卷式膜（Spiralwoundconfiguration）。水污染控制工程I1414膜的形状水污染控制工程I基本部件平板膜支撑盘间隔盘。三种部件相互交替、重叠、压紧。特点组装比较简单，可以增加膜的层数以提高处理量操作比较方便。板框式膜组件组装零件太多；装填密度低；膜的机械强度要求较高。板框式膜器件水污染控制工程I1616膜的形状水污染控制工程I基本部件管状膜、圆筒形支撑体、管束板、不锈钢外壳、端部密封特点流动状态好，流速易控制；结构简单，容易清洗，安装、操作方便；装填密度较小，单位体积内有效膜面积小；耐高压，无死角，适宜于处理高黏度及固体含量较高的料液，比其他形式应用更为广泛。圆管式膜器件水污染控制工程I外压型内压型单管式管束式管式膜组件类型水污染控制工程I基本部件膜、多孔支撑层、原料水隔网、多孔中心管构成两层膜三边封口，构成信封状膜袋，膜袋内填充多孔支撑层，一层膜袋衬一层隔网，从膜袋开口端开始绕多孔中心管卷绕而形成螺旋卷式膜器件。密封密封多孔透水材料膜，上下两层螺旋卷式膜器件水污染控制工程I螺旋卷式膜器件水污染控制工程I螺旋卷式膜器件水污染控制工程I进水口耐压容器连接器膜组件密封圈端盖透过液浓缩液膜分离设备水污染控制工程I基本构成将膜材料制成外径为80～400μm、内径为40～100μm的空心管，即为中空纤维膜膜组件将大量的中空纤维一端封死，另一端用环氧树脂浇注成管板，装在圆筒形压力容器中，就构成了中空纤维膜组件。中空纤维膜器件水污染控制工程I内压式料液从空心纤维管内流过，透过液经纤维管膜流出管外，这是常用的操作方式。外压式料液从一端经分布管在纤维管外流动，透过液则从纤维膜管内流出。特点结构紧凑，装填密度很高；清洗困难；中空纤维膜一旦损坏无法维修，只能更换膜组件；液体在管内流动时阻力很大，易阻塞。中空纤维膜工作过程水污染控制工程I过滤、浓缩→反洗→清洗→正洗操作注意事项中空纤维组件必须在湿态下使用与保存。长期停用时，用0.5%甲醛或次氯酸钠水溶液保存。中空纤维膜设备操作水污染控制工程I进水透过水浓缩水耐压容器透水板半透膜膜分离设备示意图水污染控制工程I二、膜分离技术的主要设备膜分离设备工作过程水污染控制工程I28（4）按膜孔大小和分离原理分类微孔膜MF、超滤膜UF、纳滤膜NF、渗析膜DL、电渗析膜ED、反渗透膜RO、渗透蒸发膜等。水污染控制工程I2929膜分离法的分类及应用以推动力的过程分类以静压力差为推动力的过程：微滤，超滤，反渗透以浓度差为推动力的过程：渗析技术以电场力为推动力的过程：电渗析，离子交换电渗析以蒸气压差为推动力的过程：膜蒸馏，渗透蒸馏水污染控制工程I30302.膜分离的基本原理及特点膜分离法的基本原理根据它们物理性质（主要是质量、体积大小和几何形态）差异，用过滤的办法将其分离。根据混合物的不同化学性质。水污染控制工程I＜0.5离子、分子量＜100的有机物溶解扩散渗透蒸发＜0.5离子、分子量＜100的有机物溶解扩散反渗透＜２离子、分子量＜100的有机物溶解扩散纳滤2~501000~1000,000Da的大分子体积大小超滤50~100000.05~10μm的固体粒子体积大小微滤＞10000固体粒子体积大小粒子过滤孔径/nm分离对象分离机理膜过程各种膜分离范围水污染控制工程I浓度梯度电位差浓度梯度压力（1~10MPa)压力（0.2~1MPa)压力0.05~0.5MPa驱动力醇与水分离，乙酸与水分离，有机溶剂脱水，有机液体混合物分离（如脂烃与芳烃的分离等小分子有机物与水的分离致密膜或复合膜渗透蒸发苦咸水、海水淡化，纯水制备，锅炉给水，生产工艺用水离子脱除、氨基酸分离离子交换膜电渗析除去小分子有机物或无机离子，奶制品脱盐，蛋白质溶液脱盐等小分子有机物和无机离子的去除对称的或不对称的膜透析低浓度乙醇浓缩，糖及氨基酸浓缩，苦咸水、海水淡化，超纯水制备小分子溶质脱除与浓缩带皮层不对称膜、复合膜(＜１nm)反渗透溶液除菌、澄清，注射用水制备，果汁澄清、除菌，酶及蛋白质分离、浓缩与纯化，含油废水处理，印染废水处理，乳化液分离、浓缩等细粒子胶体去除可溶性中等或大分子分离不对称微孔膜（１~５0nm)超滤溶液除菌、澄清，果汁澄清、细胞收集、水中颗粒物去除清毒、澄清、细胞收集对称微孔膜（0.05~10μm)微滤示例应用对象膜结构名称几种主要膜分离技术特征水污染控制工程I3333膜分离法的特点膜分离法的共同优点：①无相变，能量转化率高。如现行各种海水淡化方法中，反渗透法能耗最低。②常温下进行，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。③装置简单，操作容易，大多不消耗化学药剂，易控制、维修，且分离效率高。作为一种新型的水处理方法，与常规水处理方法相比，具有占地面积小、适用范围广、处理效率高等特点。缺点：处理能力小；膜贵，易损坏；需消耗相当的能量(扩散渗析除外)。水污染控制工程I3434膜分离法纳滤膜和微反渗透膜、超滤膜、滤膜最初用于工业用水、海水、苦咸水的淡化和脱盐处理，近年来逐步应用于饮用水处理领域。现已广泛用于去除水中浊度、色度、臭味、消毒副产物前体物、微生物、溶解性有机物等，可部分或完全取代常规水处理工艺。水污染控制工程I微滤、超滤、纳滤、反渗透均为压力推动的膜过程，即在压力的作用下，溶剂及小分子通过膜，而盐、大分子、微粒等被截留，其截留程度取决于膜结构。二、微滤/超滤/纳滤/反渗透水污染控制工程I1.微滤（MF）又称微孔过滤，它属于精密过滤，其基本原理是筛孔分离过程。微滤膜多数为对称结构\均匀的多孔薄膜，厚度10~150um不等，过滤粒径在0.025～10μm之间，操作压在0.01～0.2MPa。到目前为止，国内外商品化的微孔膜约有13类，总计400多种。其中最常见的是曲孔型，类似于内有相连空隙的网状海绵；另一种是毛细管型。36水污染控制工程I3737应用范围:主要是从气相和液相中截留微粒、细菌以及其他污染物，以达到净化、分离、浓缩的目的。主要优点为孔径均匀，过滤精度高。孔隙大，流速快。无吸附或少吸附。无介质脱落。微孔膜的缺点：颗粒容量较小，易被堵塞；使用时必须有前道过滤的配合，否则无法正常工作。微滤水污染控制工程I微滤水处理设备具体涉及领域主要有：医药工业、食品工业（明胶、葡萄酒、白酒、果汁、牛奶等）、高纯水、城市污水、工业废水、饮用水、生物技术、生物发酵等。水污染控制工程I3939超滤是以压力为推动力的膜分离技术之一。其过滤粒径介于微滤和纳滤之间，约5～10nm，在0.1～0.5MPa的静压差推动下截留各种可溶性大分子，形成浓缩液，达到溶液的净化、分离及浓缩目的。其本质上是一种筛滤过程，膜表面的空隙大小是主要控制因素，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。2.超滤水污染控制工程I•超滤膜的膜材料主要有纤维素及其衍生物、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚砜酰胺、磺化聚砜、交链的聚乙烯醇、改性丙烯酸聚合物等。•工业使用的超滤膜一般为非对称膜超滤膜材料水污染控制工程I超滤膜的形态主要有海绵状结构和指状结构，两类结构膜顶部均有致密的皮层。超滤膜的皮层赋予膜分离功能和集中膜传质阻力。超滤膜结构与特征水污染控制工程I42超滤设备和超滤工艺超滤设备与反渗透相似，是由多孔性支撑体和膜构成，装在坚固的壳内，有板框式，管式，卷式和中空纤维式。超滤工艺流程可分为间隔操作、连续超滤和重过滤三种。间隔操作具有最大透过速率，效率高，但处理量小。连续超滤过程操作常在部分循环下进行，回路中循环量常比料液量大得多。超滤的界面层影响与反渗透相似，不能滤过膜的残留物在膜表面的浓聚形成浓度极化现象，使通水量急剧减少，加大通水速度＞3~5m/s可适当防止。水污染控制工程I超滤硬件包括泵、料液贮槽、膜组件、管路、接头、热交换器和必要的温度、压力及流量的监测和控制单元等。膜组件是核心硬件。超滤装置水污染控制工程I44超滤技术的应用应用：超滤是一种筛孔分离过程，主要用来截留分子量高于500的物质，如细菌、蛋白质、颜料和油类等。在废水处理中，超滤技术可以用来