反滲透解析課件

1、第二章反滲透本章主要內(nèi)容概述反滲透的基本原理反滲透過程傳質(zhì)機(jī)理反滲透膜材料和分類反滲透膜的制備反滲透膜組件及裝置反滲透工藝流程及應(yīng)用第一節(jié)概述最早在1953年，美國里德(Reid)研究發(fā)現(xiàn)醋酸纖維素類膜具有半透性；1960年，Sourirajan與Loeb制成了世界上第一張具有高脫鹽率、高透水量的非對(duì)稱醋酸纖維反滲透膜,并首次用于海水和苦咸水的淡化工作；1964年美國通用原子公司研制出螺旋卷式反滲透裝置；1965年美國加利福尼亞大學(xué)制造出管式膜組件，19 t/d；1970年杜邦公司發(fā)明高效率芳香聚酰胺中空纖維反滲透器； 1980年，全芳香族聚酰胺復(fù)合膜及卷式膜組件問世； 1990年，中壓、低壓

2、和超低壓高脫鹽聚酰胺復(fù)合膜； 1998年低污染膜擴(kuò)大反滲透膜的應(yīng)用范圍在沙特阿拉伯和科威特等西亞國家以及美國等發(fā)達(dá)國家有許多大型反滲透海水淡化廠，淡水生產(chǎn)規(guī)模為幾十幾百萬t/d；我國對(duì)反滲透技術(shù)的研究始于1965年海水淡化工作中，反滲透法作為一個(gè)重要研究項(xiàng)目取得了一定的進(jìn)展迄今，無論是在膜材料的研制還是反滲透裝置的研制方面都取得了可喜成果1、概念第二節(jié) 反滲透的基本原理滲透與反滲透原理示意圖當(dāng)溶液與純?nèi)軇┍话胪改じ糸_，半透膜兩側(cè)壓力相等時(shí)，純?nèi)軇┩ㄟ^半透膜進(jìn)入溶液側(cè)使溶液濃度變低的現(xiàn)象滲透滲透壓()取決于溶液系統(tǒng)及其濃度，且與溫度有關(guān)，但與半透膜無關(guān)如果加在溶液側(cè)的壓力超過滲透壓，溶液中的溶劑

3、分子就會(huì)進(jìn)入純?nèi)軇﹥?nèi)反滲透（RO（Reverse Osmosis） ）=niciRT凡基于此原理所進(jìn)行的濃縮或純化溶液的分離方法，一般稱之為反滲透工藝反滲透是滲透的一種反向遷移運(yùn)動(dòng)，它主要是在壓力推動(dòng)下，借助半透膜的截留作用，迫使溶液中的溶劑與溶質(zhì)分開半透膜實(shí)際上對(duì)任何組分都有透過性能，只是透過速率相差很大，反滲透中溶劑透過速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于溶質(zhì)，成為反滲透膜2、滲透壓的計(jì)算=niciRT3、反滲透分離過程具備的條件1）半透膜具有高選擇性和高滲透性；2）操作壓力必須高于溶液的滲透壓。半透膜的截留作用4、反滲透膜分離過程特點(diǎn)常溫條件下，可以對(duì)溶質(zhì)和水進(jìn)行分離或濃縮，因而能耗低； 雜質(zhì)去除范圍廣，可去除

4、無機(jī)鹽和各類有機(jī)物雜質(zhì)； 較高的水回用率；分離裝置簡單，容易操作和維修。最精細(xì)的過程，又被稱為“高濾”第三節(jié)反滲透過程傳質(zhì)機(jī)理（一）溶解擴(kuò)散理論 溶劑與溶質(zhì)透膜的機(jī)理是由于溶劑與溶質(zhì)在膜中的溶解，然后在化學(xué)位差的推動(dòng)力下，從膜的一側(cè)向另一側(cè)進(jìn)行擴(kuò)散，直至透過膜。 （二）優(yōu)先吸附毛細(xì)管流理論該理論把反滲透膜看作一種微細(xì)多孔結(jié)構(gòu)物質(zhì)，它有選擇性吸附水分子而排斥溶質(zhì)分子的化學(xué)特性。當(dāng)水溶液同膜接觸時(shí)，膜表面優(yōu)先吸附水分子，在界面上形成一層不含溶質(zhì)的純水分子層在外壓作用下，界面水層在膜孔內(nèi)產(chǎn)生毛細(xì)管流連續(xù)地透過膜。（三）擴(kuò)散-細(xì)孔流理論該理論認(rèn)為膜表面存在細(xì)孔，水和溶質(zhì)在細(xì)孔和溶解擴(kuò)散的共同作用下透過

5、膜。膜的透過特性既取決于細(xì)孔流，也取決于水和溶質(zhì)在膜表面的擴(kuò)散系數(shù)。（四）氫鍵理論該理論認(rèn)為，水透過膜是由于水分子和膜的活化點(diǎn)形成氫鍵及斷開氫鍵的過程。即在高壓作用下，溶液中水分子和膜表皮層活化點(diǎn)締合，原活化點(diǎn)上的結(jié)合水解離出來，解離出來的水分子繼續(xù)和下一個(gè)活化點(diǎn)締合，又解離出下一個(gè)結(jié)合水。水分子通過一連串的締合解離過程，依次從一個(gè)活化點(diǎn)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)活化點(diǎn)，直至離開表皮層，進(jìn)入多孔層。水分子逐漸從膜面進(jìn)入膜內(nèi)，最后透過膜；溶質(zhì)通過高分子鏈間空穴，以空穴型擴(kuò)散透過膜。（五）自由體積理論該理論認(rèn)為，水可以在整個(gè)膜的自由體積中遷移，而鹽只能在水的自由體積中遷移，使得膜具有選擇透過性能。膜的自由體積包

6、括聚合物的自由體積和水的自由體積。聚合物的自由體積指的是在無水溶脹的由無規(guī)則高分子線團(tuán)堆積而成的膜中，未被高分子占據(jù)的空間。水的自由體積是指在水溶脹的膜中純水所占據(jù)的空間。第四節(jié) 反滲透膜材料和分類 反滲透技術(shù)所分離的物質(zhì)的分子量一般小于500，操作壓力為 1.510.5 MPa。 用于實(shí)施反滲透操作的膜為反滲透膜。反滲透膜大部分為不對(duì)稱膜，孔徑0.1 1 nm，可截留溶質(zhì)分子。按成膜材料 可分為醋酸纖維模、芳香聚酰胺膜、高分子電解質(zhì)膜等和無機(jī)膜；按膜的形狀 可分為平板狀、管狀、中空纖維狀膜；按膜結(jié)構(gòu) 可分為非對(duì)稱膜、均質(zhì)膜、復(fù)合膜；按應(yīng)用對(duì)象 可分為海水淡化用的海水膜、咸水淡化用的咸水膜及用

7、于廢水處理、分離提純等的膜。按操作壓力 可分為高壓反滲透膜、低壓反滲透膜和超低壓反滲透膜第五節(jié)反滲透膜的制備（一）相轉(zhuǎn)移法1）配制具有適當(dāng)?shù)木嗑酆衔锶芤海?）將聚合物溶液流涎成薄膜；3）蒸發(fā)部分溶劑；4）聚合物凝膠（沉淀）；5）熱處理。6）預(yù)壓處理，穩(wěn)定膜的性能（二）復(fù)合法 可以選用不同的材質(zhì)制作超薄脫鹽層和多孔支撐層，使其功能分別達(dá)到最優(yōu)化，性能最佳； 可以用不同方法制備出良好分離率和較高透水速度的超薄脫鹽層，同時(shí)具有良好穩(wěn)定性和耐壓密性； 根據(jù)不同應(yīng)用特性，制作不同厚度的超薄脫鹽層， 可制作干膜，便于運(yùn)輸和保存（三）醋酸纖維素（CA）1.醋酸纖維素膜的結(jié)構(gòu)及性能 膜的結(jié)構(gòu)醋酸纖維素是沒有

8、強(qiáng)烈氫鍵的無定形鏈狀高分子化合物。制膜過程是將其溶解在丙酮中并加入甲酰胺作添加劑，經(jīng)混合調(diào)制、過濾、鑄塑成型，然后再經(jīng)蒸發(fā)、冷水浸漬、熱處理，即可得到醋酸纖維素 (cellulose acetate,CA)膜。外觀為乳白色、半透明，有一定的韌性，膜厚l00250m。這種膜有不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，表面結(jié)構(gòu)致密，孔隙很小，通稱為表皮層或致密層、活化層；下層結(jié)構(gòu)較疏松，孔隙較大，通稱為多孔層或支撐層。示意CA膜是被水充分溶脹了的凝膠體。由于鑄膜液中的所有添加劑及溶劑在制膜過程中先后被除去，膜中僅含水分。鏈接醋酸纖維素膜的結(jié)構(gòu)示意圖99表皮層，孔徑（810）1010m過渡層，孔徑2001010m多孔層，孔徑（1

9、0004000）1010m1%顯微鏡下膜的照片在相對(duì)濕度為100時(shí)，膜的含水量高達(dá)60，其中表皮層只含1020，且主要是以氫鍵形式結(jié)合的所謂一級(jí)結(jié)合水和少量的二級(jí)結(jié)合水。多孔層中除上述兩種結(jié)合水外，較大的孔隙中還充滿著毛細(xì)管水，此層中含水率較高。正由于膜中存在這幾種不同性質(zhì)的水，決定了CA膜具有良好的脫鹽性能和適宜的透水性能。膜必須保存在水中。2.CA膜的性質(zhì)a）膜的方向性由于CA膜是一種不對(duì)稱膜，因此，在進(jìn)行反滲透時(shí)，必須保持表層與待處理的溶液或廢水接觸，而決不能倒置，否則達(dá)不到處理的目的。b）選擇透過性CA膜對(duì)無機(jī)電解質(zhì)和有機(jī)物具有選擇透過性。對(duì)電解質(zhì)，離子價(jià)越高，或同價(jià)離子水合半徑越大，

10、則脫除效果越好。陽離子的脫除順序?yàn)椋篠r2+Ba2+Li+Na+ K+。陰離子的脫除順序?yàn)椋簷幟仕岣剖岣鵖O42-CH3COO-Cl-Br-NO3-I-SCN-。對(duì)有機(jī)物，一般是水溶性好的、非解離性的、分子量小的脫除效果較差。而解離性大的、分子量大于200的有機(jī)物，則脫除效果較好。對(duì)同一類有機(jī)物，隨分子量增大，脫除效率增加。對(duì)同分子量有機(jī)物，隨分子支鏈的增加，脫除效果變得更好。（c）壓密效應(yīng)CA膜在壓力作用下，外觀厚度一般減少2550，同時(shí)，透水性及對(duì)溶質(zhì)的脫除率也相應(yīng)降低，這種現(xiàn)象稱為膜的壓密效應(yīng)。這種塑性變形是不可逆的，因此膜的性能在壓力消失后不會(huì)恢復(fù)。（d）膜的水解作用和生物分解作用

11、CA膜是一種酯，易于水解，水解速率與pH值和水的溫度有關(guān)。一般在堿性介質(zhì)中的水解速率比在酸性介質(zhì)中大，在pH4.55.2時(shí)最低。第六節(jié) 反滲透膜組件及裝置由膜、固定膜的支撐體、間隔物以及收納這些部件的容器構(gòu)成的一個(gè)單元稱為膜組件或膜裝置。反滲透膜組件有板框式、管式、螺旋卷式和中空纖維式等四種。一、板框式反滲透膜組件裝配圖平板膜進(jìn)水透過水濃縮水耐壓容器透水板半透膜板框式膜組件工作過程示意圖優(yōu)點(diǎn)：組裝簡單、堅(jiān)固，壓力損失小。缺點(diǎn)：膜的力學(xué)強(qiáng)度要求高，裝置成本高。二、管式反滲透膜組件管式膜組件又分為內(nèi)壓式和外壓式外壓式膜組件結(jié)構(gòu)內(nèi)壓式膜組件結(jié)構(gòu)管式膜組件的內(nèi)徑較大，結(jié)構(gòu)簡單，適合于處理懸浮物含量較高

12、的料液，分離操作完成后的清洗比較容易。但是管式膜組件單位體積的過濾表面積(即比表面積)在各種膜組件中最小，這是它的主要缺點(diǎn)。蜂窩狀結(jié)構(gòu)(陶瓷)內(nèi)壓式管式膜組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖特點(diǎn): 水力條件好，安裝、清洗、維修比較方便。 能耐高壓，可以處理高粘度的原水。 缺點(diǎn)是膜的有效面積小，裝置體積大，而且兩端要較多的聯(lián)結(jié)裝置。淡水淡水膜表皮層玻璃纖維管進(jìn)水束式外壓式膜組件 1檔圈；2集水密封環(huán)；3聚氯乙烯燒結(jié)板；4錐形多孔橡膠塞；5密封管接頭；6進(jìn)水口；7殼體；8橡膠膽；9出水口；10膜元件；11網(wǎng)套；12O形密封圈；13檔圈槽；14淡水出口三、螺旋卷式反滲透膜組件密封密封密封螺旋卷式膜組件一個(gè)膜葉結(jié)構(gòu)示

13、意圖多孔透水材料膜，上下兩層膜葉透水網(wǎng)狀材料透過水濃水進(jìn)水螺旋卷式膜組件組合示意圖膜組件的組裝示意圖進(jìn)水口耐壓容器連接器膜組件密封圈端蓋透過液濃縮液工業(yè)應(yīng)用的反滲透裝置工業(yè)應(yīng)用的反滲透裝置的膜組件之間的連接螺旋卷式反溶透裝置的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，單位容積的膜面積大。處理能力高，占地面積小，操作方便。缺點(diǎn)是不能處理含有懸浮物的液體，原水流程短，壓力損失大，濃水難于循環(huán)以及密封長度大，清洗、維修不方便，易堵塞。四、中空纖維式反滲透膜組件中空纖維膜組件是由中空纖維膜制成的。中空纖維外徑50100m，內(nèi)徑1545m。將數(shù)萬至數(shù)十萬根中空纖維制成膜束，膜束外側(cè)覆以保護(hù)性格網(wǎng)，內(nèi)部中間放置供分配原水用的多孔管

14、，膜束兩端用環(huán)氧樹脂加固。將其一端切斷，使纖維膜呈開口狀，并在這一側(cè)放置多孔支撐板。將整個(gè)膜束裝在耐壓筒內(nèi)。中空纖維膜組件簡圖 進(jìn)水濃水透過水多孔進(jìn)水管濃水出口淡水出口密封中空纖維膜外徑50200內(nèi)徑2542密封耐壓容器由于中空纖維膜組件由許多極細(xì)的中空纖維構(gòu)成，采用外壓式操作(料液走殼方)時(shí)，流動(dòng)容易形成溝流效應(yīng)，凝膠吸附層的控制比較困難；采用內(nèi)壓式操作(料液走腔內(nèi))時(shí)，為防止堵塞，需對(duì)料液進(jìn)行預(yù)處理，除去其中的微粒。中空纖維超濾膜組件中空纖維式膜組件的特點(diǎn)：單位體積膜表面積大。制造和安裝簡單，不需要支撐物。缺點(diǎn)是不能用于處理含有懸浮物的廢水，預(yù)處理必須經(jīng)過濾處理。難以發(fā)現(xiàn)損壞的膜。四種反滲

15、透裝置的性能及操作特點(diǎn) 比較項(xiàng)目板 框 式管 式螺旋卷式中空纖維式填充密度（m2 /m3）201502501800易污染程度難中等易易膜清洗難度內(nèi)壓式易，外壓式難易難難膜更換難度內(nèi)壓式難，外壓式易一般易易原水預(yù)處理成本低中等高高相對(duì)價(jià)格高高低低第七節(jié)反滲透工藝流程及應(yīng)用一、反滲透工藝流程反滲透工藝一般包括預(yù)處理和膜分離兩部分。預(yù)處理可以用物理化學(xué)法，也可以用化學(xué)法。所采取的預(yù)處理方法與原水的物理、化學(xué)性質(zhì)及生物學(xué)特性有關(guān)，還與膜裝置的結(jié)構(gòu)有關(guān)。制定工藝流程應(yīng)考慮的因素：對(duì)溶液的分離有不同的質(zhì)量要求。膜元件的使用壽命。反滲透工藝中的段與級(jí)：段（concentrate staging)：指膜組件的濃縮液(濃水)流到下一組膜組件處理。流經(jīng)n組膜組件，即稱為n段。級(jí)(permeate staging)：指膜組件的產(chǎn)品水再經(jīng)下一組膜組件處理。透過液產(chǎn)品水經(jīng)n次膜組件處理，稱為n級(jí)。一級(jí)一段的不同方式一級(jí)一段連續(xù)式一級(jí)一段循環(huán)式可保證出水水質(zhì)，但水回收率低可以提高水的回收率，但出水水質(zhì)有可能下降一級(jí)多段連續(xù)式水回收率高，濃縮液量少，濃度高，有利于回收其中的有用物質(zhì)。但出水水質(zhì)差。一級(jí)多段循環(huán)式濃縮液濃度高