膜法分離和反滲透演示文稿

第七章

反滲透和納濾脫鹽第一節(jié)膜法分離1.1、膜分離法簡(jiǎn)介膜的概念膜——具有選擇透過(guò)性的一層薄薄的凝聚物質(zhì)。薄膜分離系統(tǒng)用于去除小顆粒及溶解鹽。膜分離（MembraneSeparation）——是以選擇性透過(guò)膜為分離介質(zhì)，在膜兩側(cè)一定推動(dòng)力的作用下，使混合物中的某些組分選擇性地透過(guò)膜，從而使混合物得以分離，以達(dá)到濃縮、提純等目的的分離過(guò)程。

加壓的供水流平行通過(guò)薄膜表面，部分水流通過(guò)薄膜，被排除的顆粒在剩余的水流中濃度會(huì)越來(lái)越高。由于溶液是連續(xù)性的流過(guò)，被排除的顆粒不會(huì)沉積，反而會(huì)被濃縮液帶走。因此，進(jìn)水流在通過(guò)薄膜后便分為通過(guò)薄膜的溶液（滲透液）和殘留的濃縮液。1.2、膜分離過(guò)程的特點(diǎn)膜分離過(guò)程均需要一定能量物質(zhì)選擇透過(guò)膜的能量可分為兩類(lèi)：借助外界能量，物質(zhì)由低位到高位流動(dòng)；借助本身的化學(xué)位差，物質(zhì)由高位到低位流動(dòng)推動(dòng)力：壓力差、濃度差、電位差、溫度差1.3、膜分離法的分類(lèi)一般可分為：微濾（microfiltration）、超濾（ultrafiltration;hyperfiltratio）、納濾（nanofiltration;NF）和薄膜過(guò)濾反滲透（reverseosmosis，RO;reverseosmosis;RO）微濾、超濾、納濾和反滲透均為壓力推動(dòng)的分離過(guò)程，即在壓力差的作用下，溶劑及小分子能通過(guò)膜，而鹽、大分子、微粒等被截留，其截留程度取決于膜結(jié)構(gòu)。微濾

微濾能截留0.1～1微米之間的顆粒，微濾膜允許大分子有機(jī)物和溶解性固體（無(wú)機(jī)鹽）等通過(guò)，但能阻擋住懸浮物、細(xì)菌、部分病毒及大尺度的膠體的透過(guò)，微濾膜兩側(cè)的運(yùn)行壓差（有效推動(dòng)力）一般為0.7bar。超濾超濾利用一種壓力活性膜，在外界推動(dòng)力(壓力)作用下截留水中膠體、顆粒和分子量相對(duì)較高的物質(zhì),而水和小的溶質(zhì)顆粒透過(guò)膜的分離過(guò)程。通過(guò)膜表面的微孔篩選可截留分子量為1000—100000的物質(zhì)。水分子和分子量小于300—500的溶質(zhì)透過(guò)膜，可將水中含有的大部分膠體硅除去，同時(shí)可去除大量的有機(jī)物等。透膜壓一般為1~7bar。

納濾

納濾膜的一個(gè)很大特性是膜本體帶有電荷，這是它在很低壓力下具有較高除鹽性能和截留相對(duì)分子質(zhì)量為數(shù)百的物質(zhì)，也可脫除無(wú)機(jī)鹽的重要原因。主要去除直徑為1nm左右的溶質(zhì)粒子，故被命名為“納濾膜”，二價(jià)或高價(jià)離子，特別是陰離子的截留率比較高，可大于90%，而對(duì)一價(jià)離子的截留率一般低于90%。截留物相對(duì)分子質(zhì)量為200-1000

。透膜壓一般為3.5~16bar。反滲透反滲透是目前最微細(xì)的過(guò)濾系統(tǒng)。反滲透膜可阻擋所有溶解的無(wú)極分子以及任何相對(duì)分子質(zhì)量大于100的有機(jī)物。操作壓力較高，一般為2～10Mpa。1.4、膜分離技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

（1）膜分離是一個(gè)高效分離過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)高純度的分離；（2）大多數(shù)膜分離過(guò)程不發(fā)生相變化，因此能耗較低；（3）膜分離通常在常溫下進(jìn)行，特別適合處理熱敏性物料；（4）膜分離設(shè)備本身沒(méi)有運(yùn)動(dòng)的部件，可靠性高，操作、維護(hù)都十分方便。1.5、分離膜性能

分離膜（Membrane）是膜分離過(guò)程的核心部件，其性能直接影響著分離效果、操作能耗以及設(shè)備的大小。分離膜的性能主要包括兩個(gè)方面：透過(guò)性能與分離性能1．透過(guò)性能能使待分離的混合物有選擇的透過(guò)是分離膜的最基本條件。表征膜透過(guò)性能的參數(shù)是透過(guò)速率。透過(guò)速率——指單位時(shí)間、單位膜面積透過(guò)組分的通過(guò)量，對(duì)于水溶液體系，又稱(chēng)透水率或水通量，以J表示。

式中：J——透過(guò)速率，m3/(m2·h)或kg/(m2·h)；

V——透過(guò)組分的體積或質(zhì)量，m3或kg；

A——膜有效面積，m2；

t——操作時(shí)間，h。膜的透過(guò)速率與膜材料的化學(xué)特性和分離膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)，且隨操作推動(dòng)力的增加而增大。此參數(shù)直接決定分離設(shè)備的大小。2．分離性能

分離膜必須對(duì)被分離混合物中各組分具有選擇透過(guò)的能力，即具有分離能力，這是膜分離過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)的前提。不同分離過(guò)程中膜的分離性能有不同的表示方法，如截留率、截留分子量、分離因數(shù)等。（1）截留率對(duì)于反滲透過(guò)程，通常用截留率表示其分離性能。截留率反映膜對(duì)溶質(zhì)的截留程度，對(duì)鹽溶液又稱(chēng)為脫鹽率，以R表示，定義為

式中CF

——原料中溶質(zhì)的濃度，kg/m3；

CP——滲透物液中溶質(zhì)的濃度，kg/m3。100％截留率表示溶質(zhì)全部被膜截留,此為理想的半滲透膜；0％截留率則表示全部溶質(zhì)透過(guò)膜，無(wú)分離作用。（2）截留分子量在超濾和納濾中，通常用截留分子量表示其分離性能。截留分子量是指截留率為90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的最小分子量。截留分子量的高低，在一定程度上反映了膜孔徑的大小，通常可用一系列不同分子量的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行測(cè)定。（3）分離因數(shù)對(duì)于氣體分離和滲透汽化過(guò)程，通常用分離因數(shù)表示各組分透過(guò)的選擇性。對(duì)于含有A、B兩組分的混合物，分離因數(shù)定義為

式中xA,xB——原料中組分A與組分B的摩爾分率；

yA,yB——透過(guò)物中組分A與組分B的摩爾分率。1.6、膜的分類(lèi)按結(jié)構(gòu)分：對(duì)稱(chēng)膜（無(wú)孔膜、多孔膜）

非對(duì)稱(chēng)膜（一體化非對(duì)稱(chēng)膜、復(fù)合膜）對(duì)稱(chēng)膜是一種均勻的薄膜，又稱(chēng)均質(zhì)膜。膜的橫截面結(jié)構(gòu)及形態(tài)是均勻的，厚度一般在10~200μm之間，傳質(zhì)阻力由膜的總厚度決定，降低膜的厚度可以提高透過(guò)速率。（2）非對(duì)稱(chēng)膜

非對(duì)稱(chēng)膜的橫斷面是不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，由一薄薄的皮層和多孔亞層構(gòu)成。包括一體化非對(duì)稱(chēng)膜＆復(fù)合膜。一體化非對(duì)稱(chēng)膜是用同種材料制備、由厚度為0.1~0.5μm的致密皮層和50~150μm的多孔支撐層構(gòu)成，其支撐層結(jié)構(gòu)具有一定的強(qiáng)度，在較高的壓力下也不會(huì)引起很大的形變。復(fù)合膜：致密皮層與多孔亞層由不同材料構(gòu)成，使每一層獨(dú)立發(fā)揮最大作用。非對(duì)稱(chēng)膜的作用主要由很薄的致密皮層決定，傳質(zhì)阻力小，其透過(guò)速率較對(duì)稱(chēng)膜高得多，因此非對(duì)稱(chēng)膜在工業(yè)上應(yīng)用十分廣泛。第二節(jié)反滲透2.1、定義反滲透——借助于半透膜對(duì)溶液中溶質(zhì)的截留作用，在高于溶液滲透壓的壓差推動(dòng)力下使溶劑滲透通過(guò)膜，達(dá)到溶液脫鹽的目的。在膜的兩側(cè)造成一個(gè)壓力差，并使其大于溶液的滲透壓，溶劑就會(huì)滲透到膜的另一側(cè)，使?jié)舛容^高的溶液得到濃縮2.2、反滲透機(jī)理把溶劑和溶液（或兩種不同濃度的溶液）分別置于半透膜的兩側(cè)，純?nèi)軇⑼高^(guò)膜而自發(fā)地向溶液（或從低濃度溶液向高濃度溶液）一側(cè)流動(dòng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為滲透(osmosis)。當(dāng)溶液的液位升高到所產(chǎn)生的壓差恰好抵消溶劑向溶液方向流動(dòng)的趨勢(shì)，滲透過(guò)程達(dá)到平衡，此壓力差稱(chēng)為該溶液的滲透壓，以π表示。若在溶液側(cè)施加一個(gè)大于滲透壓π的壓差時(shí)，則溶劑將從溶液側(cè)向溶劑側(cè)反向流動(dòng)，此過(guò)程稱(chēng)為反滲透(reverseosmosis)

這樣，把溶液置于半透膜的一側(cè)，利用反滲透過(guò)程可從溶液中獲得純?nèi)軇?/p>

2.3、反滲透膜及其性質(zhì)

1、反滲透膜反滲透膜為半透膜：即能夠讓溶液中一種或幾種組分通過(guò)而其它組分不能通過(guò)的選擇性膜。反滲透借助半透膜對(duì)溶液中溶質(zhì)起截流作用，以壓力差為推動(dòng)力，使溶劑透過(guò)半透膜，從而達(dá)到溶液脫除溶質(zhì)的目的。膜的特性：透水率、透鹽率、抗壓性等反滲透膜的結(jié)構(gòu)2、反滲透膜的種類(lèi)醋酸纖維素膜的結(jié)構(gòu)醋酸纖維素膜的性能2.4、反滲透裝置

1、管式裝置管式裝置水力條件好，適當(dāng)調(diào)節(jié)水流狀態(tài)可防止?jié)獠顦O化和膜污染，能夠處理含懸浮固體的溶液，但單位體積中膜面積小，制造和安裝費(fèi)用較高。2、螺旋卷式裝置螺旋卷式裝置單位體積的膜表面積較大，透水量大。紊流效果好，不易產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象。缺點(diǎn)是膜玷污后消除困難，不能處理含有懸浮物的液體。3、中空纖維式裝置

優(yōu)點(diǎn)是單位體積的膜表面積很大，制造和安裝簡(jiǎn)單，可在較低壓力下運(yùn)行，膜的壓實(shí)現(xiàn)象減緩，不需要膜制成材料，濃差極化可忽略；

缺點(diǎn)是制作工藝復(fù)雜，易堵塞，不能用于處理含懸浮物的液體4、板框式裝置這種裝置結(jié)構(gòu)牢固，能承受高壓，占地面積不大；但液流狀態(tài)差，易造成濃差極化，設(shè)備費(fèi)用較大。2.5反滲透的應(yīng)用反滲透是一種節(jié)能技術(shù)，過(guò)程中無(wú)相變，一般不需加熱，工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，能耗低，操作和控制容易，應(yīng)用范圍廣泛。主要應(yīng)用：海