第九章_膜分离技术(水质06级).ppt

第九章 膜分离技术 概 述 膜分离法是指在某一推动力作用下，利用膜的透过性能分离水中离子、分子或胶体。膜分离技术大致分为：电渗析、电除盐、膜过滤和渗析四种。 电渗析（ED）是利用离子交换膜易透盐而难透水以及水中离子在直流电场中定向移动的特性，实现水的脱盐。 电除盐（EDI）是以离子交换树脂作为离子迁移的载体，以离子交换膜控制水中离子的通过，在直流电场的推动下，实现盐和水的分离。 膜过滤是反渗透（RO）、纳滤（NF）、超滤（UF）和精密过滤（MF）的总称，用压力作推动力，利用膜的选择透过性实现物质的分离。 渗析又称透析，用浓度差作推动力，借助膜对物质透过速度的差异，实现物质的分离。 在火电厂水处理中，反渗透脱盐出水水质可达到离子交换一级复床除盐出水水质。电除盐是用于水的深度除盐。超滤和精密过滤主要用于反渗透和电除盐进水的深度除浊处理。纳滤介于反渗透和超滤之间，可用于除去盐类、有机物、细菌和病毒。 反渗透是继离子交换技术之后发展较快的水处理技术，本章主要介绍反渗透和电除盐。 §9－1 反渗透脱盐(简介) 一、反渗透原理 渗透：渗透是动植物普遍具有的生理功能。例如：动物通过细胞膜的渗透作用从外界吸收营养，同时向外界排除代谢产物；植物通过细胞膜的渗透作用从土壤中吸收水分和养料。细胞膜对物质透过具有选择性。 半透膜：有许多天然膜及人造膜对于物质的透过也有选择性。例如，醋酸纤维素膜，水容易透过它，而盐难以透过它；阳离子交换膜允许阳离子透过，而不允许阴离子和水透过，这类允许某些特定物质透过的膜称半透膜。 1.渗透与反渗透(按图9-1讲) 如果用一种只能透过水，而不能透过溶质的半透膜，将纯水和含溶质的水（如盐水，或两种不同浓度的溶液）隔开，如图9-1(a)所示，则纯水侧的水分子便自发地通过半透膜至溶液一侧，结果使溶液一侧的液面逐渐上升，直到某一高度为止，这种现象叫做渗透。 当渗透达到平衡时，半透膜两侧形成一个水位差（或压力差），如图9-1(b)所示，这个压力差称为渗透压，以符号?表示。渗透压的大小由某温度下的溶质种类及其浓度大小而定。 据此，溶液渗透压可表达为阻止渗透过程进行所外加的压力或使纯水不向溶液一侧扩散而必须加在溶液上的压力。 如果，这时在溶液一侧施加一个大于渗透压的压力p，则溶液侧的水分子便发生逆向流动，向纯水侧渗透，此时溶液中的水分子被分离出来，溶液本身浓度增大，这种现象叫做反渗透，如图9-1(c)所示。 2.计算渗透压的基本公式(略) 范特荷夫(Van′t Hoff)公式 范特荷夫(Van′t Hoff)用热力学方法导出了溶液的渗透压与溶质种类、浓度和温度之间的关系式： ∏＝icRT (9-1) 式中， R——理想气体常数，0.008MPa·L/(mol·K)；T——绝对温度，K；c——溶液的浓度，mol/L；i——范特荷夫系数，其值等于或大于1。 例如：海水的盐浓度按0.5mol/L和水中盐类全部按NaCl计，则25℃时的海水渗透压为，∏＝icRT ＝2×0.5×0.8×104×(273+25)＝2.43MPa 经验公式(估算渗透压) ?＝0.714×TDS××104 式中，?为渗透压，MPa； TDS为总溶解固形物含量，mg/L。 设：淡水和盐水的渗透压分别为?１和?２，则渗透压差??＝?２－?１。 通常，?２???１，故可用盐水的渗透压（?２）近似代替渗透压差（??）。 计算结果：25℃时，3.5%NaCl(相当于0.599mol/L)的海水渗透压为2.98MPa，而0.1%NaCl(相当于0.017mol/L)的苦咸水渗透压为0.084MPa。 二、反渗透膜种类及其性能 反渗透膜按其材料分为醋酸纤维素膜、芳香聚酰胺膜、聚哌嗪酰膜、磺化聚砜膜等。此外，也可按其用途、膜结构形态、膜形状来分类。 目前水处理工艺应用较多的是醋酸纤维素膜和芳香聚酰胺膜。 1.醋酸纤维素膜(CA膜) CA膜的制造过程如下：将由醋酸纤维素（25%）、溶剂丙酮（45%）和发孔剂甲酰胺（30%）组成的铸膜液在15～25℃和相对湿度为60~75%下铸膜，然后经过蒸发、凝胶和热处理三个阶段，即可制得CA膜。 蒸发的目的是使部分溶剂从膜表面蒸发掉，时间为20～90s。凝胶的目的是将膜中的溶剂和发孔剂大都扩散出来，使膜表面形成一层固体状的多孔膜，为此将铸膜浸在冰水中1h左右。热处理是将铸膜放在75～85C的热水中30~60min，使膜收缩、致密。 由以上工艺制成的CA膜具有不对称结构，它分表皮层和底部多孔层两部分，如图9-2所示。这种不对称结构的膜具有透水量大和除盐率高的特点。 常用的CA膜有二醋酸和三醋酸纤维素膜。近年来还出现了用二醋酸纤维素和三醋酸纤维素混合制成的CA二、三醋酸混合膜。 2.芳香聚酰胺膜