膜分离课件1.pptVIP

5-13 膜分离法概述 1、定义：膜分离法是微孔过滤、超滤、反渗透、渗析、电渗析方法的统称。 2、原理：利用特定膜材料的透过性能，在一定驱动力的作用下，实现对水中颗粒、胶体、分子和离子的分离。 3、几种膜分离法： 微孔过滤、超滤和反渗透是以压力差作为驱动力的膜分离法。 渗析是以浓度差作为驱动力的膜分离法。 电渗析是利用离子交换膜对水中离子的选择性，以电位差作为驱动力的膜分离法。 其中电渗析、超滤、反渗透是目前给水与废水处理常用的三种膜分离法。超滤和反渗透的应用范围及工作压力见图5-46。 5-13 膜分离法概述 4、半透膜 （1）半透膜是一种只能通过溶液中某种组分的膜。反渗透作用所用的滤膜就是半透膜，它厚约几个?m到0.1mm，可以分为平膜和中空纤维膜两种。 （2）半透膜的断面分为表皮层、过渡层和多孔层三层。如图5-47。 表皮层：一种微晶片结构，含有结合水。具有透水而又不被堵塞的特性。 过渡层：一种凝胶体的海绵状结构，含有结合水和毛细管水。 多孔层：一种凝胶体的海绵状结构，含有结合水和毛细管水，空隙大，起支撑作用。 5、膜的半透性的几种解释 第一种，筛除作用，即膜孔大小介于水分子与溶质分子之间．因此水能透过，而溶质不能透过。但这不能解释盐离子不能透过的原因，因为这些离子和水分子的大小基本一样。 第二种，是在半透膜孔的壁上吸附了水分子，因此堵塞了溶质分子的通路，水分子可以自由运动通过膜孔，而溶质分子则需要把水分子顶下来后才能通过，这需要较大能量，因此，在通常溶液的情况下就不能通过半透膜。 第三种，认为膜的聚合物上有带电荷部位，这些电荷阻挡了电解质的离子通过，起了渗透膜的作用。但是，大多数的反渗透用膜，都不具有带电荷部位。 第四种，有一种机理认为是由于水能溶解于膜内，而溶质不能溶解于膜内。 但是以上的四种都不能解释全部渗透现象。 1、渗透与渗透压 如图5-48所示，在联通管中所装的半透膜的两边分别装不含溶质的水和含溶 质的溶液。水(溶剂)透过膜扩散到溶液一侧，结果使溶液一侧的液面逐渐上升，直至达到某一水位高度的平衡状态为止．此所谓渗透过程。 溶液渗透压：阻止渗透过程进行所需外加的压力或使纯溶剂不向溶液一侧扩散而必须外加在溶液上的压力。 出现渗透压的原因可由化学热力学来解释。理想溶液中水的化学位可 以表示为： 当发生渗透时，溶液一侧因水位上升而产生了压力p，进而增加了溶液中水的化学位。化学位和压力的关系可写成 由此得 2、反渗透通量 由图5—48可看出，当需要从浓水中分离出淡水时，必须在膜的浓水一侧施加大于渗透压∏的压力P。这就是所谓的反渗透作用。 3、海水淡化的最低理论耗能 利用反渗透原理还可推导出海水淡化所需的最低理论耗能量。当图5—48的半透膜两侧分别为淡水和海水时．则在反渗透开始时，在右侧施加一比原来海水的渗透压∏略大的压力p，这一压力使容积为dV的纯水渗入淡水一侧，因此海水侧容积减少dV。对于每一无限小的压缩步骤，压力P所作的功为—∏dV 。海水由于分离出d V体积的淡水而引起含盐浓度增加，从而渗透压也增加。若海水从初始体积V1缩小到终末体积V2，即产生纯水体积(V1—V2)的过程中，每产生单位体积纯水所需作的功为 5-15 超滤 a、与其他过滤介质的区别：表面的滤渣层厚度不会一直增加。 在稳态时，凝胶层表面浓度cg与水的主体浓度cb间仍保持物料衡算关系式（5-167），溶质要从凝胶层表面不断向水中扩散。 向着膜方向迁 移的溶质通量 反向扩散的溶质通量 透过膜的溶质通量 b、压差△p对通量的影响（凝胶层形成） △p 通量 传递水速度 溶质的聚积 水流到凝胶层速率 现象：（1）△p增加，通量会先短瞬间增大，又恢复为原来通量。 水力阻力 （2）△p减小，通量会先短瞬间减小，又恢复为原来通量。 5-15 超滤 （5-171） 7、传质系数km 超滤模型需要确定传质系数km，km值知道之后才能计算任凝胶层极化条件下的超滤通量极大值。按流道的几何形状及水流条件的特点可得到Sherwood数(Sh)与雷诺数(Re)及施密特数(Sc)间的相关方程式，由这样的方程式可以计算计算km。有关这些相似准数的讨论请参看4—3。当流道为矩形断面，水流条件为紊流时，相关方程式为 （5-172） （5-173）