正滲透膜法新技術(shù)

正滲透膜法新技術(shù)第一頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三正滲透的原理正滲透過程(ForwardOsmosis,簡稱FO)是以選擇性分離膜兩側(cè)的滲透壓差為驅(qū)動力,溶液中的水分子從高水化學(xué)勢區(qū)(原料液側(cè))通過選擇性分離膜向低水化學(xué)勢區(qū)(汲取液側(cè))傳遞,而溶質(zhì)分子或離子被阻擋的一種膜分離過程,正滲透過程是通過跨膜滲透壓差,而不是通過外加壓力(如反滲透膜過程),作為驅(qū)動力使水通過分離膜,最終會導(dǎo)致原料液的濃縮和汲取液的稀釋,濃縮的原料液可以作為下一次正滲透過程的汲取液循環(huán)利用,而稀釋的汲取液可以借助化學(xué)沉降冷卻沉降、熱分解、熱揮發(fā)等標(biāo)準(zhǔn)方法從汲取液中獲取產(chǎn)品純水,并使汲取液得到濃縮。第二頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三正滲透的原理第三頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三外濃差極化伴隨著滲透過程的進(jìn)行,原料液側(cè)膜表面處有溶質(zhì)的積累,導(dǎo)致膜表面滲透壓升高,從而使得有效滲透驅(qū)動力降低,稱為濃縮的濃差極化;同時(shí)汲取液側(cè)膜表面處溶液被滲透過來的水稀釋,水化學(xué)勢卻顯著增大,這種現(xiàn)象稱為稀釋的濃差極化,這兩種極化現(xiàn)象都會導(dǎo)致膜兩側(cè)主體溶液的滲透壓差要遠(yuǎn)低于膜活性層兩側(cè)的滲透壓差,即:正向滲透的傳質(zhì)推動力減小了,也就是說,正滲透過程也同樣存在濃差極化現(xiàn)象。

FO膜兩側(cè)的外部濃差極化都會導(dǎo)致有效滲透壓的降低,但可以通過提高膜面的流速和擾動來消除外部濃差極化的影響。研究表明,由于FO過程中基本不使用外壓,其外部濃差極化影響要遠(yuǎn)小于RO,不是造成FO膜通量遠(yuǎn)低于預(yù)期值的主要原因。第四頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三內(nèi)濃差極化當(dāng)所用的正滲透膜是對稱的膜,且在不考慮外濃差極化現(xiàn)象的時(shí)候,滲透壓差的梯度遞減過程如圖(a)所示第五頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三內(nèi)濃差極化當(dāng)多孔支撐層朝向原料液側(cè)時(shí),溶質(zhì)會在緊靠致密層的支撐層孔內(nèi)部得到積累,如圖(b)所示,這稱為濃縮的內(nèi)濃差極化,不能通過錯(cuò)流的方式消除第六頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三內(nèi)濃差極化當(dāng)多孔支撐層朝向汲取液時(shí),膜孔內(nèi)的濃差極化則應(yīng)稱為稀釋的內(nèi)濃差極化,如圖(c)所示一般的在水純化和脫鹽的應(yīng)用中,正向滲透膜的朝向多選擇后一種形式第七頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三正滲透的影響因素溫度的影響溫度對反滲透的影響主要在于溫度升高會降低水的粘度,從而提高擴(kuò)散系數(shù),最終使得水通量增大表明溫度升高,會降低內(nèi)濃差極化,提高水通量,但并不是越高越好,為水通量增大到一定程度后會加重內(nèi)濃差極化。膜方位的影響膜的方位不同,會產(chǎn)生兩種不同的濃差極化現(xiàn)象,有研究表明這兩種極化現(xiàn)象對水通量的影響差別很大,因此要根據(jù)具體應(yīng)用選擇合適的膜朝向,一般的在水純化與脫鹽的應(yīng)用中,正滲透膜的朝向多為活性分離層面向原料液。第八頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三正滲透的影響因素流速的影響外濃差極化卻可以通過增大流速,增加漩渦來消除,因此在運(yùn)行時(shí)要采用錯(cuò)流的方式,提高流速,減小邊界層的厚度,以削弱外濃差極化的影響。原料液和汲取液的濃度的影響當(dāng)原料液的濃度一定時(shí),汲取液濃度增大,會使得滲透壓差加大,從而提高水通量,但當(dāng)濃度增大到一定值時(shí),水通量會下降,這是因?yàn)闈舛群芨邥r(shí),濃差極化會加劇。第九頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三應(yīng)用—海水淡化(中試)進(jìn)料溶液0.5mol/LNaCl,驅(qū)動溶液為6mol/L銨鹽,膜兩側(cè)的滲透壓差高達(dá)22.5MPa膜通量25L/(m2·h)鹽的截留率大于95%通過適度加熱(約60℃),將銨鹽分解成氨和CO2并循環(huán)使用,剩余的液體就是稀鹽水。該稀鹽水蒸餾或膜蒸餾即可獲得純凈水。節(jié)能第十頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三應(yīng)用—廢水與垃圾滲濾液的處理(中試)垃圾滲濾液的處理,TDS達(dá)到100mg/L一下,也可用于污泥濃縮,總磷去除完全,氨氮總凱氏氮去除90%膜通量25L/(m2·h)抗污能力很強(qiáng),通過測定鹽度確定受污染程度第十一頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三應(yīng)用—減壓滲透發(fā)電(構(gòu)想)首先,淡水過濾后進(jìn)入壓力阻尼滲透模塊,透過膜擴(kuò)散進(jìn)入高壓的海水側(cè),海水被稀釋后壓強(qiáng)增大,然后稀釋后的海水分成二股,一股海水在管道內(nèi)減壓用來發(fā)電,另一股通過壓力交換器給進(jìn)入裝置的海水增壓"壓力阻尼滲透發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵是壓力交換器和膜件第十二頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三應(yīng)用—減壓滲透發(fā)電(構(gòu)想)在較低溫度下,通過循環(huán)利用NH3-CO2驅(qū)動溶液,將滲透能產(chǎn)生的高水壓轉(zhuǎn)化為電能,能夠?qū)⒌蛢r(jià)值的廢熱源或環(huán)境友好的低溫?zé)嵩?地?zé)帷⑻柲艿?轉(zhuǎn)化成電能。目前滲透熱泵的轉(zhuǎn)化效率為5%～10%,還需要進(jìn)一步分析和優(yōu)化膜的能量密度、熱交換面積以及熱源的質(zhì)量、數(shù)量和最終的能量輸出的關(guān)系。第十三頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三其他應(yīng)用航天工業(yè)中的運(yùn)用正滲透技術(shù)是美國航空航天局太空水回用系統(tǒng)候選技術(shù)之一。人類長期的太空任務(wù)需要一個(gè)可靠、耐用、輕便且能耗低的廢水處理系統(tǒng)。正滲透水袋濃鹽水再濃縮此外正滲透過程具有抗污染、較高的水回收率的特點(diǎn)，通過選擇合適的驅(qū)動溶液，可進(jìn)行濃鹽水的再濃縮，甚至使鹽析出，減少排放。理想的正滲透脫鹽過程目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)零液體排放，這點(diǎn)對于在內(nèi)陸地區(qū)建設(shè)脫鹽工程尤為重要。食品和醫(yī)藥方面的運(yùn)用正滲透技術(shù)的另一個(gè)特點(diǎn)是操作低溫低壓。結(jié)合上面的低能耗、低污染特點(diǎn)，其已經(jīng)廣泛運(yùn)用到了液體食品的濃縮，有利于食品的包裝、運(yùn)輸和儲存，還可降低水的活度，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。第十四頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三膜材料的要求和發(fā)展趨勢(1)具有致密的皮層，對溶質(zhì)有高截留率；(2)膜的皮層具有較好的親水性，實(shí)現(xiàn)較高的水通量和水回收率，同時(shí)又能降低膜污染趨勢；(3)膜的支撐層盡量薄，并且孔隙率盡量大，以便能減小內(nèi)濃差極化；(4)