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文檔簡介

2.3反滲透

反滲透借助半透膜對溶液中溶質(zhì)的截流作用,以壓力差為推動(dòng)力,使溶劑透過半透膜,從而達(dá)到溶液脫溶質(zhì)的目的。一、反滲透1、原理(a)滲透:純水的化學(xué)位比鹽水的高,水分子自動(dòng)從左側(cè)透過到右側(cè);(b)滲透平衡:右側(cè)液面升高,靜壓力增加,右側(cè)水的化學(xué)位增加,直至與左側(cè)相等;此時(shí),有滲透壓差:Δπ=ρgh(c)反滲透:右側(cè)外加壓力Δp>Δπ,則水從右側(cè)向左側(cè)滲透,即為反滲透。2.3反滲透2.滲透壓的計(jì)算根據(jù)滲透平衡時(shí)膜兩側(cè)水的化學(xué)位相等的條件,得出滲透壓的計(jì)算公式,對于水的稀溶液,其計(jì)算式可近似為VantHoff方程(范托霍夫方程):

Π=R·T·∑ci

式中:Π為滲透壓,Mpa;

R為氣體常數(shù),0.008039MPa·L/(mol·K);

T為水的絕對溫度,K;∑ci為水中各種溶質(zhì)的濃度之和,mol/L。滲透壓是選擇操作壓力和設(shè)計(jì)反滲透的重要依據(jù)。25℃時(shí)部分典型溶液的滲透壓數(shù)據(jù)組分濃度滲透壓組分濃度滲透壓mg/Lmol/LMPapsimg/Lmol/LMPapsiNaCl350000.602.8398MgSO410000.008310.0253.6海水32000--2.4340MgCl210000.01050.0689.7NaCl20000.03420.1622.8CaCl210000.0090.0588.3苦咸水2000-5000--0.105-0.2815-40蔗糖10000.002920.0071.05NaHCO310000.01190.0912.8葡萄糖10000.00550.0142.0Na2SO410000.007050.0426.02.3反滲透二、反滲透膜1.反滲透膜的性能要求和指標(biāo)(1)膜的化學(xué)穩(wěn)定性(2)膜的耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度(3)膜的理化指標(biāo)(4)膜的分離透過特性指標(biāo)2.膜運(yùn)行條件的影響因素及膜表面的濃差極化(1)膜的水通量和脫鹽率(2)膜表面的濃差極化3.膜的材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.3反滲透

1.反滲透膜的性能要求和指標(biāo)(1)膜的化學(xué)穩(wěn)定性主要指膜的抗氧化性和抗水解性。膜材料都是高分子化合物,而水溶液中含有次氯酸鈉、溶解氧、雙氧水、六價(jià)鉻等氧化劑,這些氧化劑會(huì)造成膜的氧化,影響膜的性能和壽命。因此若分離含氧化劑的水溶液,應(yīng)盡量避免用含鍵能很低的O-O鍵或N-N鍵的膜,以提高膜的抗氧化能力,如,芳香聚酰胺膜中因有一定的N-N鍵,在氧化劑含量較高時(shí)易斷裂,故其抗氧化性不如醋酸纖維膜。膜的水解和氧化是同時(shí)發(fā)生的。當(dāng)制備膜的高分子化合物中含-CONH-、-COOR-、-CN-、-CN2O-等時(shí),在酸或堿的作用下,易發(fā)生水解反應(yīng),使膜破壞,而聚砜、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚苯醚等材料的抗水解性能優(yōu)越,但由于其缺少親水基團(tuán),故透水性差,常用做制作膜表面有孔的超濾膜和微孔濾膜。(2)膜的耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度耐熱性:反滲透膜有時(shí)需在較高溫度下使用,故需耐熱。機(jī)械強(qiáng)度:是高分子材料力學(xué)性質(zhì)的體現(xiàn),其中包括膜的耐磨性。在壓力作用下,膜的壓縮和剪切蠕變以及表現(xiàn)出的壓密現(xiàn)象,會(huì)導(dǎo)致膜的透過速度下降。如能將膜直接制作在高強(qiáng)度的支撐材料上,會(huì)增加膜的機(jī)械強(qiáng)度。2.3反滲透-----1.反滲透膜的性能要求和指標(biāo)(3)膜的理化指標(biāo)膜材質(zhì)允許使用的壓力適用的pH范圍耐O2和Cl2等氧化性物質(zhì)的能力抗微生物、細(xì)菌的侵蝕能力耐膠體顆粒及有機(jī)物、微生物的污染能力2.3反滲透-----1.反滲透膜的性能要求和指標(biāo)

(4)膜的分離透過特性指標(biāo)①脫鹽率(SaltRejection)指給水中總?cè)芙夤腆w物(TDS)中的未透過膜部分的百分?jǐn)?shù)。

脫鹽率=(1-產(chǎn)品水中總?cè)芙夤腆w物/給水中總?cè)芙夤腆w物)×100%②產(chǎn)水率(PermeatFlowRate/Recovery)指滲透水流的比率,也可表示為回收率,即產(chǎn)水流量與給水流量之比。

產(chǎn)水率=(產(chǎn)品水流量/給水流量)×100%③水通量(Flux)又稱透水量,指單位面積膜的產(chǎn)品水流量,是設(shè)計(jì)和運(yùn)行都要加以控制的重要指標(biāo),它取決于膜和原水的性質(zhì)、工作壓力、溫度。2.3反滲透-----1.反滲透膜的性能要求和指標(biāo)(4)膜的分離透過特性指標(biāo)④通量衰減系數(shù)(Fluxdeclinecoefficient)

指反滲透裝置在運(yùn)行過程中水通量衰減的程度,即運(yùn)行一年后水通量與初始運(yùn)行水通量下降的比值。如,Hydranautics的膜以井水為原水時(shí)每年衰減4%~7%。⑤膜通量保留系數(shù)(MembraneFluxRetentionCoefficient)指運(yùn)行一定時(shí)間后水通量與初始水通量的比值。⑥鹽透過率(SaltPassage)鹽透過率=(1-脫鹽率)×100%2.3反滲透-----1.反滲透膜的性能要求和指標(biāo)(4)膜的分離透過特性指標(biāo)⑦最大給水流量、最大壓降、最低濃水流量設(shè)定最大給水流量用來保護(hù)容器中的第一個(gè)反滲透元件,使其給水與濃水壓力降不會(huì)太大,否則,壓力降高就可能使膜組件變形,損壞膜元件。設(shè)定最小的濃水流量以保證在容器末端的膜元件有足夠的橫向流速,從而減少了膠體在膜表面上的沉淀,并且減少濃差極化對膜表面的影響。濃差極化指在膜表面上的鹽濃度高于主體流體濃度的現(xiàn)象,易產(chǎn)生鹽濃縮,因?yàn)闄M向流速低,膜表面的鹽的反向擴(kuò)散速度就低,結(jié)果難溶鹽沉淀的機(jī)會(huì)增多,而且更多的鹽會(huì)透過膜表面,導(dǎo)致產(chǎn)水量和脫鹽率下降。2.3反滲透-----1.反滲透膜的性能要求和指標(biāo)2.3反滲透-----1.反滲透膜的性能要求和指標(biāo)(5)反滲透膜的除鹽分離特性1)有機(jī)物比無機(jī)物容易分離。2)電解質(zhì)比非電解質(zhì)易分離。對電解質(zhì)來說,電荷高的分離性好,例如去除率大小順序?yàn)椋?/p>

Al3+>Mg2+>Ca2+>Na+;PO43->SO42->Cl-3)無機(jī)離子的去除率受該離子的水合離子數(shù)及水合離子半徑的影響.水合離子半徑越大的離子(一般離子半徑小的離子,其水合離子半徑大),則越容易被去除。例如,某些陽離子的去除率大小順序?yàn)椋?/p>

Mg2+、Ca2+>Li+>Na+>K+,而陰離子的去除率大小順序?yàn)椋?/p>

F->C1->Br->NO3-。(5)反滲透膜的除鹽分離特性4)對非電解質(zhì)來說,分子愈大的愈易去除。5)氣體容易透過膜。例如:氨、氯、碳酸氣、硫化氫氧等氣體的去除率就很低。氨的分離性較差,但調(diào)pH值使之成為銨離子后,分離性就變好。6)對弱酸諸如硼酸、有機(jī)酸的去除率低。在有機(jī)化合物中,去除率大小順序?yàn)椋簷幟仕幔揪剖幔疽宜幔胰疽掖迹景罚舅帷?.3反滲透-----1.反滲透膜的性能要求和指標(biāo)2.3反滲透2.膜運(yùn)行條件的影響因素及膜表面的濃差極化(1)膜的水通量和脫鹽率膜的水通量和脫鹽率是反滲透過程中關(guān)鍵的運(yùn)行參數(shù),這兩個(gè)參數(shù)將受到壓力、溫度、回收率、給水含鹽量、給水pH值等因素的影響。

壓力給水壓力升高使膜的水通量增大,壓力升高并不影響鹽透過量,在鹽透過量不變的情況下,水通量增大時(shí)產(chǎn)品水含鹽量下降,脫鹽率提高。

溫度在提高給水溫度而其他運(yùn)行參數(shù)不變時(shí),產(chǎn)品水通量和鹽透過量均增加。給水含鹽量給水含鹽量增加影響鹽透過量和產(chǎn)品水通量,使產(chǎn)品水通量和脫鹽量均下降?;厥章试龃螽a(chǎn)品水的回收率,則產(chǎn)品水通量稍有下降趨勢。因?yàn)闈馑}濃度增大,鹽濃度高,則滲透壓增大,在給水壓力不變的情況下,用于水通過膜的壓力降低。給水pH值脫鹽率和水通量在一定的pH值范圍內(nèi)較為恒定,一般最大脫鹽率的pH為8.5左右。2.3反滲透

(2)膜表面的濃差極化反滲透過程中,水分子透過以后,膜界面中含鹽量增大,形成較高濃度的濃水層,此層與給水水流的濃度形成很大的濃度梯度,這種現(xiàn)象稱為膜的濃差極化。

濃差極化的危害由于界面層中的濃度很高,相應(yīng)地會(huì)使?jié)B透壓升高,導(dǎo)致原來運(yùn)行條件下的產(chǎn)水量下降。由于界面層中鹽的濃度升高,膜兩側(cè)的鹽濃度差增大,使產(chǎn)品水的鹽透過量增大。由于界面層的濃度升高,則易結(jié)垢的物質(zhì)增加了沉淀的傾向,從而導(dǎo)致膜的垢物污染。濃差極化也是促成膜表面膠體污染的重要原因(膠體擴(kuò)散速度遠(yuǎn)小于鹽)。消除濃差極化的措施嚴(yán)格控制膜的水通量;

嚴(yán)格控制回收率;

嚴(yán)格按照膜生產(chǎn)廠家的設(shè)計(jì)導(dǎo)則進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)行。制造商對回收率的要求考慮了膜表面沖洗的流速,對水通量的規(guī)定考慮了膜表面濃縮鹽分應(yīng)避免達(dá)到臨界濃度。2.3反滲透

3.膜的材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

按反滲透膜的材質(zhì)、成膜工藝、結(jié)構(gòu)和特性分類,主要有非對稱反滲透膜、復(fù)合反滲透膜,包括被人們關(guān)注的耐氯膜、耐污染膜、動(dòng)力膜、荷電膜、無機(jī)膜等。非對稱反滲透膜最早實(shí)際使用的反滲透膜,其結(jié)構(gòu)特征是二層結(jié)構(gòu),上面一層是致密脫鹽層,下面一層是多孔支撐層,真正起脫鹽作用的是致密層最上面厚約0.1~0.2微米的一部分,叫活化層。致密層和多孔支撐層是在膜制備過程中同時(shí)形成的。目前應(yīng)用最廣泛的非對稱反滲透膜是醋酸纖維膜(CA)和芳香聚酰胺膜。醋酸纖維素膜(CA)有平膜和管式膜(中空纖維膜)通常膜的厚度為100~200μm,制膜時(shí)與空氣相接觸的丙酮蒸發(fā)面在外觀上有光澤,并有非常致密的構(gòu)造,其厚度在0.25~1μm,這層稱為表面層或表面致密層,與除鹽作用有關(guān)。表面層下有一較厚的多孔海綿層,支持著表面層,稱為支持層。表面層含水率12%,支持層含水率60%。表面層的細(xì)孔在10nm以下,支持層的細(xì)孔在100nm以上。醋酸纖維素膜(CA)平膜制作程序醋酸纖維素膜優(yōu)點(diǎn):價(jià)格便宜,制備簡單,透水性能好。膜在短時(shí)間內(nèi)抗氯氣的濃度可達(dá)20ppm。缺點(diǎn):容易水解和生物降解,高分子的屈服壓力只有56kg/cm2,只能在較窄的pH值范圍(4~7)、較低的原水溫度(小于30度)和較低的操作壓力(低于50kg/cm2)下使用。應(yīng)用:適用于苦咸水淡化、超純水制備和中性水溶液的濃縮分離等方面。三醋酸纖維素、醋酸丙酸纖維素、醋酸丁酸纖維素等都可做成纖維素類膜。返回芳香聚酰胺膜(PA)70年代以前研究的主要是脂肪族的聚酰胺膜,如尼龍-56、環(huán)氧乙烷接枝尼龍以及異氰酸酯處理的尼龍等。這些膜的透水性都較差,目前使用最多的是芳香聚酰胺膜,成膜材料為芳香聚酰胺、芳香聚酰胺-酰肼以及一些含氮芳香聚合物。優(yōu)點(diǎn):具有較高的透水量和較高的脫鹽率,膜的化學(xué)穩(wěn)定性好,機(jī)械強(qiáng)度高,一般適用pH為4~10、較高的原水溫度和操作壓力。缺點(diǎn):膜材料單體毒性大,制備復(fù)雜,價(jià)格昂貴,對氯氣比較敏感。應(yīng)用:除適用于CA膜應(yīng)用范圍外,還適用于一級(jí)海水淡化、工業(yè)污水凈化及酸性、堿性水溶液的濃縮分離。復(fù)合反滲透膜由于非對稱膜的致密層和支撐層是在制備中同時(shí)形成的,故非對稱膜的活化層很難做得比1000埃更薄,而活化層越厚,透水量越小,流量衰減系數(shù)越大。為克服此問題,發(fā)展了復(fù)合反滲透膜,其活化層和支持層分開形成,從結(jié)構(gòu)上看,復(fù)合膜是兩層薄皮的復(fù)合體,活化層理論上可做成200埃厚。制法:將極薄的皮層刮制在一種預(yù)先制好的微細(xì)多孔支撐層上。復(fù)合膜具有比非對稱膜更大的透水量(比非對稱膜高80~100%)、更高的脫鹽率和更小的流量衰減系數(shù),它的出現(xiàn)大大降低了反滲透的操作壓力,延長了膜的壽命,提高了反滲透的經(jīng)濟(jì)效益,促進(jìn)了萬噸以上反滲透膜海水淡化工廠和十萬噸級(jí)反滲透苦咸水淡化工廠的建立。2.4電滲析一、原理在直流電場作用下,利用陰、陽離子交換膜對溶液中的陰、陽離子的選擇透過性,分離溶質(zhì)和水。

陰膜只讓陰離子通過;陽膜只讓陽離子通過。2.4電滲析陰極:還原反應(yīng):2H++2e→H2↑

陰極室溶液呈堿性,結(jié)垢陽極:氧化反應(yīng):4OH-→O2↑+2H2O

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