水處理-膜技術

1、1第二章 膜分離22.1概述 一、概念一、概念 膜分離膜分離是以對組分具有選擇性透過功能的膜選擇性透過功能的膜為分離載體，通過在膜兩側施加（或存在）一種或多種推動力推動力，使原料中的組分選擇性地優(yōu)先透過膜，從而達到混合物分離，并使產(chǎn)物提取、濃縮、純化等的一種新型分離過程。 滲透-水通過；滲析-溶質通過推動力 壓力差（也稱跨膜壓差）、濃度差、壓力差（也稱跨膜壓差）、濃度差、電位差、溫度差等電位差、溫度差等 。如微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）與反滲透（RO）都是以壓力差為推動力的膜分離過程。3 二、膜的簡介二、膜的簡介 特征特征：具有選擇性分離功能選擇性分離功能的薄膜材料，以及以其為核心

2、的裝置、過程、工藝的集成與應用 特點特點：無相變、低能耗 高效率、污染小工藝簡單、操作方便便于與其它技術集成濃縮液濃縮液進料液進料液滲透液滲透液2.1概述4三、膜的分類2.1概述5 2.1概述四、膜元件62.1概述四、四、膜元件膜元件7五、膜過程的一些術語五、膜過程的一些術語1.膜分離的形式膜分離的形式錯流過濾錯流過濾 終端過濾 污染嚴重污染嚴重錯流過濾污染輕污染輕錯流過濾的優(yōu)點：錯流過濾的優(yōu)點：(1)便于連續(xù)化操作過程中控制循環(huán)比；(2)流體流動平行于過濾表面，產(chǎn)生的表面剪切力帶走膜表面的沉積物，防止污染層積累，使之處于動態(tài)平衡，從而有效地改善液體分離過程，使過濾操作可以在較長的時間內(nèi)連續(xù)進

3、行；(3)錯流過濾所產(chǎn)生的流體剪切力和慣性舉力能促進膜表面的溶質向流體主體的反向運動，提高了過濾速度。2.1概述82.2.選擇性選擇性：將混合物總的組分分離開來的能力。 截留率截留率：表示液體分離的選擇性 R R（C Cf f-C-Cp p）/C/Cp p Cf-原料液濃度，%（w/w）；Cp-透過液濃度，%（w/w）。2.1概述 -五、膜過程的一些術語9 3.推動力： 1）對多孔膜多孔膜而言，在對流流動的情況下，傳質推動力是膜兩側的壓壓力差力差。 膜壓降：P1-P2，是由于流體流動引起的。 2）對致密膜致密膜而言，推動力為膜兩側的化學勢化學勢之差。P1P2P3P（P1P2）/2P32.1概述

4、 -五、膜過程的一些術語104.4.濃差極化：濃差極化：在膜分離過程中，一部分溶質被溶質被截留截留，在膜表面及靠近膜表面區(qū)域的濃度越來越高，造成從膜表面到本體溶液之間產(chǎn)生濃度梯度，這一現(xiàn)象稱為“濃差極化”。 1 2 3 Cf Cm Cp 濃差 膜層 滲透側 極化層 極化層2.1概述 -五、膜過程的一些術語11n5.傳遞阻力傳遞阻力：1）膜阻Rm:與膜本身的結構有關，包含膜層到支撐層的傳遞阻力；2）濃差極化阻力Rc：由于被截留組分在膜面濃度的增大而引起的；3）推動力的損失：進料側和滲透側的壓力損失；4）膜污染阻力：由于物料中的成分對膜產(chǎn)生吸附、堵塞、以及沉積等現(xiàn)象而引起的。2.1概述 -五、膜過

5、程的一些術語12 Rm 膜管本身阻力膜管本身阻力 Ri 膜孔內(nèi)污染阻力膜孔內(nèi)污染阻力 Rg 凝膠層阻力凝膠層阻力 Rc 濃差極化阻力濃差極化阻力CguCbRm Ri Rg RcC膜污染阻力的概念模型膜污染阻力的概念模型 2.1概述 -五、膜過程的一些術語13 膜污染：指處理物料中的微粒、膠體粒子或溶質大分子由于與膜存在物理化學相互作用或機械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞孔徑變小或堵塞，使膜產(chǎn)生滲透通量與分離特性的不可逆變化現(xiàn)象。物理污染包括膜表面的沉積，膜孔內(nèi)的阻塞阻塞，這與膜孔結構、膜表面的粗糙度、溶質的尺寸和形狀等有關?；瘜W污染包括膜表面和膜孔內(nèi)的吸附吸附，這與

6、膜表面的電荷性、親水性、吸附活性點及溶質的荷電性、親水性、溶解度等有關。 2.1概述 -五、膜過程的一些術語6.膜污染14 六、膜的用途六、膜的用途 1.濃縮：目的產(chǎn)物以低濃度形式存在，因此需要除去溶劑；（截留物為產(chǎn)物） 2.純化：除去雜質； 3.分離：將混合物分成兩種或多種目的產(chǎn)物； 4.反應促進：把化學反應或生化反應的產(chǎn)物連續(xù)取出，能提高反應速率或提高產(chǎn)品質量。2.1概述15七、膜的應用七、膜的應用2020世紀世紀9090年代，膜技術基本已經(jīng)從實驗室步入工業(yè)化，年代，膜技術基本已經(jīng)從實驗室步入工業(yè)化，并在水處理、食品工業(yè)、環(huán)境保護、化工與石油化工、并在水處理、食品工業(yè)、環(huán)境保護、化工與石油

7、化工、電子、冶金、國防電子、冶金、國防等領域得到成功的應用。目前全等領域得到成功的應用。目前全球膜產(chǎn)業(yè)的規(guī)模超過百億美元，正以年球膜產(chǎn)業(yè)的規(guī)模超過百億美元，正以年3030的速度遞增的速度遞增著。著。2.1概述16膜海水淡化海水淡化工業(yè)廢水處理工業(yè)廢水處理城市廢水資源化城市廢水資源化天然氣天然氣生物質利用生物質利用能源能源水資源水資源傳統(tǒng)工業(yè)傳統(tǒng)工業(yè)生態(tài)環(huán)境除塵除塵COCO2 2 控制控制制制 藥藥食食 品品化工與石化化工與石化電電 子子冶冶 金金燃料電池燃料電池潔凈燃燒潔凈燃燒2.1概述 -七、膜的應用17工業(yè)領域工業(yè)領域應用舉例應用舉例金屬工藝金屬工藝金屬回收；污染控制；富氧燃燒金屬回收；污

8、染控制；富氧燃燒 紡織及制革工業(yè)紡織及制革工業(yè)余熱回收；藥劑回收；污染控制余熱回收；藥劑回收；污染控制造紙工業(yè)造紙工業(yè)代替蒸餾；污染控制；纖維及藥劑回收代替蒸餾；污染控制；纖維及藥劑回收食品及生化工業(yè)食品及生化工業(yè)凈化；濃縮；消毒；代替蒸餾；副產(chǎn)品回收凈化；濃縮；消毒；代替蒸餾；副產(chǎn)品回收化學工業(yè)化學工業(yè)有機物除去或回收；污染控制；氣體分離；藥劑回收和再利用有機物除去或回收；污染控制；氣體分離；藥劑回收和再利用醫(yī)藥及保健醫(yī)藥及保健人造器官；控制釋放；血液分離；消毒；水凈化人造器官；控制釋放；血液分離；消毒；水凈化水處理水處理海水、苦咸水淡化；超純水制備；電廠鍋爐用水凈化；廢水處理海水、苦咸水淡

9、化；超純水制備；電廠鍋爐用水凈化；廢水處理國防工業(yè)國防工業(yè)艦艇淡水供應；戰(zhàn)地醫(yī)院污水凈化；低放射性水處理；野戰(zhàn)供水艦艇淡水供應；戰(zhàn)地醫(yī)院污水凈化；低放射性水處理；野戰(zhàn)供水2.1概述 -七、膜的工業(yè)應用18膜法海水淡化分離方法分離方法反滲透反滲透低溫多效低溫多效多級閃蒸多級閃蒸能耗能耗(kWh/m3)3.5710國家或地區(qū)國家或地區(qū)沙特沙特中國中國長海長海中國中國長島長島中國中國滄化滄化設備能力設備能力m3/d568001000100018000原水含鹽量原水含鹽量mg/L43700350003400013000能耗能耗kwh/m3754.52.75產(chǎn)水成本產(chǎn)水成本RMBRMB/m34.886.

10、695.131.83反滲透淡化廠的能耗及產(chǎn)水成本反滲透淡化廠的能耗及產(chǎn)水成本 幾種分離方法能耗比較幾種分離方法能耗比較多級閃蒸：多級閃蒸：經(jīng)過加熱的海水，依次通過多個溫度、壓力逐級降低的閃蒸室，進行蒸發(fā)冷凝的蒸餾淡化方法。低溫多效低溫多效水的沸點和它所受到的壓力有關，壓力越低，水的沸點就越低。第1效蒸發(fā)海水所得的蒸汽可以用作第2效的熱源（見圖2）。第2效的沸點溫度和壓力比第1效低，效與效之間的熱量再生利用可以重復數(shù)次。 19膜法海水淡化嵊泗嵊泗1000噸噸/日反滲透海水淡化裝置日反滲透海水淡化裝置20膜法自來水廠巴黎瓦茲河梅巴黎瓦茲河梅里市里市1414萬立方萬立方米米/ /天的納濾天的納濾廠，

11、每天為巴廠，每天為巴黎附近黎附近5050萬居萬居民提供民提供1414萬噸萬噸飲用水飲用水212.2 分離膜與膜組件 一、定義：一、定義：具有選擇性分離功能的薄膜材料。水水小分子小分子大分子大分子料液料液滲透液滲透液膜膜二、二、 膜的種類及型式膜的種類及型式1）按材料的來源來源：可分為天然生物膜天然生物膜與人工合成膜人工合成膜；2）按膜分離過程的推動力推動力可分為壓力差、電位差、濃度差、溫壓力差、電位差、濃度差、溫度差度差等膜；3）按膜的結構結構可分為對稱對稱和和非對稱膜非對稱膜兩大類，其中非對稱膜還可細分為多孔膜、疊合膜以及復合膜等。2223非對稱膜的優(yōu)點24 三、膜材料及制膜方法 膜過程 膜

12、材料 微濾 聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙稀、聚乙烯聚碳酸酯、聚（醚）砜、聚（醚）酰亞胺、聚醚醚酮等氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦、碳化硅 超濾聚（醚）砜、磺化聚砜、聚偏二氟乙烯、聚丙稀腈 、聚（醚）酰亞胺、聚脂肪酰胺、醚酮、纖維素類等氧化鋁、氧化鋯納濾聚酰（亞）胺 反滲透二醋酸纖維素、三醋酸纖維素、聚芬香酰胺類、聚合苯并咪唑（酮） 聚酰（亞）胺、聚酰胺酰阱、聚醚脲等電滲析膜電解含有離子基團的聚電解質：磺酸型、季胺型等四氟乙烯和含磺酸或羧酸的全氟單體共聚物滲透氣化彈性態(tài)或玻璃態(tài)聚合物;聚丙稀腈、聚乙烯醇、聚丙稀酰胺 氣體分離彈性態(tài)聚合物：聚二甲硅氧烷、聚甲基戊烯玻璃態(tài)聚合物：聚酰亞胺、聚砜膜接觸器疏水聚

13、合物：聚四氟乙烯、聚丙稀、聚乙烯、聚偏氟乙烯滲析親水聚合物：再生纖維素、醋酸纖維素、乙烯乙烯醇共聚物、乙烯醋酸乙烯酯共聚物252.2 分離膜與膜組件2627282.2 分離膜與膜組件 五、各種膜組件（a）板框式；（b）平板式；（c）折疊式；（d）中空纖維式；29302.2 分離膜與膜組件六、六、 對膜組件的要求對膜組件的要求經(jīng)驗證明，一種性能良好的膜組件應達到以下要求要求： 對膜性能提供足夠的機械支撐機械支撐，并可使高壓原料液（氣）和低壓透過液（氣）嚴格分開； 在能耗最小的條件下，使原料液（氣）在膜面上流動狀態(tài)均勻合理，以減少濃差極化以減少濃差極化； 具有盡可能高的裝填密度高的裝填密度（單位體

14、積的膜組件中填充膜的有效面積），并使膜的安裝和更換方便方便； 裝置牢固、安全可靠、價格低廉和易維護。31 膜元件(element)：即膜芯 膜組件(module)：按一定技術要求將膜(元件)組裝在一起的組合構件。 原料以一定組成、一定流速進入膜組件，由于其中某一組分更容易通過膜，所以膜組件內(nèi)原料的組成和流速均隨位置原料的組成和流速均隨位置變化變化。進入膜組件的物流通過膜組件以后分成兩股，即滲透物滲透物（通過膜的那部分物流）和截留物截留物（被膜所截留的物流）。膜上游膜上游原料液原料液滲透液滲透液截留液截留液膜下游膜下游膜組件膜組件(module)32u 管式管式 (tubes)膜組件膜組件u 毛

15、細管毛細管 (capillary)膜組件膜組件u 中空纖維中空纖維 (Hollow-Fibers)膜膜組件組件u 板框式板框式 (Plate and frame)膜組件膜組件u 卷繞式卷繞式 (Spiral Wound)膜膜組件組件u 墊套式膜組件墊套式膜組件 膜組件可以有多種形式，它們均根據(jù)兩種膜構型設計而成：1）管式構型；2）平板式構型。331）所謂圓管式膜）所謂圓管式膜是指在圓筒狀支撐體的內(nèi)側或外側刮制上一層半透膜半透膜而得到的圓管形分離膜，再將一定數(shù)量的這種膜管以一定方式聯(lián)成一體而組成，其外形狀極類似于列管式換熱器。1. 膜組件的形式之一膜組件的形式之一圓管式圓管式2）管式膜的特點）管

16、式膜的特點優(yōu)點：流動狀態(tài)好，流速易控制；安裝、拆卸、換膜和維修均較方便；能處理含有懸浮固體的溶液；機械雜質清除比較容易；合適的流動狀態(tài)可減少濃差極化和污染。缺點缺點：與平板膜比較，管膜的制備條件較難控制；單位體積內(nèi)有效膜面積??；管口的密封也比較困難。價錢較貴3435英國PCI公司管式膜36陶瓷膜陶瓷膜陶瓷管式膜設備陶瓷管式膜設備(南京久吾高科技公司南京久吾高科技公司)陶瓷管式膜實驗室設備陶瓷管式膜實驗室設備陶瓷膜元件陶瓷膜元件Suntar公司制造公司制造的陶瓷膜設備的陶瓷膜設備37管式膜成套設備管式膜成套設備乳品工業(yè)乳品工業(yè)廢水處理廢水處理大型集成設備大型集成設備383）管式膜組件大致規(guī)格）管

17、式膜組件大致規(guī)格 構 型 直 徑/mm 管狀膜 10毛細管 0.5 10.0中空纖維 0.5不同管徑下單位體積的膜面積 管半徑/mm 單位體積膜面積/m2/m3 5 360 0.5 3,600 0.05 36,00039 1）中空纖維式膜）中空纖維式膜 是一種極細的空心膜管空心膜管，其本身不需要支撐材料即可耐受很高的壓力，它實際是一根厚壁的環(huán)柱體，纖維的外徑有的細如人發(fā)，約為50200m，內(nèi)徑為2542m 特點：1）可耐高壓；2）單位體積內(nèi)的有效膜表面積比率高；3）壽命較長（可達5年）；4）可做成一種效率高、成本低、體積小和重量輕的膜分離裝置；5）不足之處是中空纖維膜的制作技術復雜，管板制作也

18、較困難，同時不能處理含懸浮固體的料液（原水）。2. 膜組件形式之二膜組件形式之二中空纖維式中空纖維式40膜組件外殼中空纖維中空纖維MF膜組件膜組件中空纖維中空纖維UF膜組件膜組件41中中空空纖纖維維膜膜分分離離設設備備（69.6 m3/h ）（58 m3/h ）（1016 m3/h ）（23.2 m3/h ）423. 膜組件的形式之三膜組件的形式之三板框式板框式 1）板框式 也稱平板式，它是由許多板和框(plate and frame)堆積組裝在一起而得名，其外觀類似普通的板框式壓濾機(filter press)。它是膜分離歷史上最早問世的一種膜組件形式。43 2）板框式膜組件特點）板框式膜組

19、件特點 構造比較簡單，且可單獨更換膜片； 可作為試驗機，將各種膜樣品同時安裝在一起進行性能檢測； 流道的斷面積可適當增大，壓降較小，線速度可達15m/s，且不易被纖維屑等異物堵塞； 為促進膜組件內(nèi)的湍流效果，不少廠家將原液導流板的表面設計成各式凹凸或波紋結構或在膜面配置篩網(wǎng)等物。 3）板框式膜組件類型）板框式膜組件類型 系緊螺栓式 耐壓容器式 DDS型（由丹麥的DDS De Danske Sukker fabrikker公司首創(chuàng)，在歐洲很流行。）44板框式膜組件流道示意圖板框式膜組件流道示意圖曲折流道示意圖曲折流道示意圖45 4.膜組件形式之四膜組件形式之四螺旋卷式螺旋卷式 1）螺旋卷式）螺旋

20、卷式(簡稱簡稱卷式卷式) 膜組件的結構是由中間為多孔支撐材料，兩邊是膜的“雙層結構”裝配組成的。其中三個邊沿被密封而粘結成膜袋狀，另一個開放的邊沿與一根多孔中心產(chǎn)品水(液)收集管連接，在膜袋外部的原水側再墊一層網(wǎng)眼型間隔材料（隔網(wǎng)），也就是把膜多孔支撐體膜原水側隔網(wǎng)依次疊合，繞中心集水管緊密地卷在一起，形成一個膜元件，再裝進圓柱型壓力容器里，構成一個螺旋卷式膜組件。 2）螺旋卷式膜組件特點）螺旋卷式膜組件特點 結構緊湊，單位體積內(nèi)的有效面積大（8301660m2/m3） 缺點是當原液中含有懸浮固體懸浮固體時使用有困難；透過側的支撐材料較難滿足要求，不易密封，同時膜組件的制作工藝復雜、要求高，尤其是用于高壓操作時難度更大。463）螺旋卷式膜組件47