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膜分離

大綱要求：熟悉膜分離的技術(shù)和方法，了解膜及膜組件的分類和性能

1.9.1膜分離法的原理及分類

⑴膜：能夠把流體相分隔為互不相通的兩部分，這兩部分之間能存在“傳質(zhì)”的薄的物質(zhì)。

⑵膜的特征：一是無(wú)論厚度多少都必須有兩個(gè)界面，兩個(gè)界面分別與兩側(cè)流體相接觸，二是要具有選擇透過(guò)性，可允許一側(cè)流體中一種或幾種物質(zhì)通過(guò)，而不允許其他物質(zhì)通過(guò)。

⑶膜分離：利用膜的選擇透過(guò)性能將離子或分子或某些微粒從水中分離出來(lái)的過(guò)程。用膜分離溶液時(shí)，使溶質(zhì)通過(guò)膜的方法稱為滲析，使溶劑通過(guò)膜的方法稱為滲透。

⑷膜分離的特點(diǎn)：

⑸根據(jù)溶質(zhì)或溶劑透過(guò)膜的推動(dòng)力和膜種類不同，水處理中膜分離法通?？梢苑譃椋弘姖B析、反滲透、超濾、微濾。

1.9.2電滲析

⑴原理：

在外加直流電場(chǎng)作用下，利用離子交換膜的透過(guò)性(即陽(yáng)膜只允許陽(yáng)離子透過(guò)，陰膜只允許陰離子透過(guò))，使水中的陰、陽(yáng)離子作定向遷移，從而達(dá)到水中的離子與水分離的一種物理化學(xué)過(guò)程。

原理是：在陰極與陽(yáng)極之間，放置著若干交替排列的陽(yáng)膜與陰膜，讓水通過(guò)兩膜及兩膜與兩極之間所形成的隔室，在兩端電極接通直通電源后，水中陰、陽(yáng)離子分別向陽(yáng)極、陰極方向遷移，由于陽(yáng)膜、陰膜的選擇透過(guò)性，就形成了交替排列的離子濃度減少的淡室和離子濃度增加的濃室。與此同時(shí)，在兩電極上也發(fā)生著氧化還原反應(yīng)，即電極反應(yīng)，其結(jié)果是使陰極室因溶液呈堿性而結(jié)垢，陽(yáng)極室因溶液呈酸性而腐蝕。因此，在電滲析過(guò)程中，電能的消耗主要用來(lái)克服電流通過(guò)溶液、膜時(shí)所受到的阻力及電極反應(yīng)。

例如，用電滲析方法處理含鎳廢水，在直流電場(chǎng)作用下，廢水中的硫酸根離子向正極遷移，由于離子交換膜具有選擇透過(guò)性，淡水室的硫酸根離子透過(guò)陰膜進(jìn)入濃水室，但濃水室內(nèi)的硫酸根離子不能透過(guò)陽(yáng)膜而留在濃水室內(nèi);鎳離子向負(fù)極遷移，并通過(guò)陽(yáng)膜進(jìn)入濃水室，濃水室內(nèi)的鎳離子不能透過(guò)陰膜而留在濃水室中。這樣濃水室因硫酸根離子、鎳離子不斷進(jìn)入而使這兩種離子的濃度不斷增高;淡水室由于這兩種離子不斷向外遷移，濃度降低。離子遷移的結(jié)果是把電滲析器的兩個(gè)電極之間隔室變成了溶液濃度不同的濃室和淡室。濃水系統(tǒng)是一個(gè)溶液濃縮系統(tǒng)，而淡水系統(tǒng)是一個(gè)凈化系統(tǒng)。用電滲析法回收鎳時(shí)，以硫酸鈉溶液作為電極液，硫酸鈉可減輕鉛電極的腐蝕，濃水回用于鍍槽，淡水用于清洗鍍件。

⑵離子交換膜和電滲析裝置

①離子交換膜是電滲析的關(guān)鍵部件，其性能影響電滲析器的離子遷移效率、能耗、抗污染能力和使用期限等。)

②電滲析離子交換膜的分類：

按膜結(jié)構(gòu)分為：異相膜、均相膜和半均相膜。按膜上活性基團(tuán)不同分為：陽(yáng)膜、陰膜和特種膜。按膜材料不同分為：有機(jī)膜和無(wú)機(jī)膜。

③電滲析裝置

電滲析器的構(gòu)造包括壓板、電極托板、電極、極框、陰膜、濃水隔板、淡水隔板等部件。將這些部件按一定順序組裝并壓緊，組成一定形式的電滲析器。電滲析器的輔助設(shè)備還包括水泵、整流器等，組成了電滲析裝置。

⑶電滲析器運(yùn)行的工藝參數(shù)

①電流效率

電滲析析器運(yùn)行時(shí)實(shí)際除鹽量與理論除鹽量之比稱為電滲析器的電流效率。

②電流密度與極化現(xiàn)象

電滲析器工作時(shí)，單位膜面積上通過(guò)的電流稱為電流密度。運(yùn)行時(shí)，當(dāng)電流密度達(dá)到一定值時(shí)，界面層離子的遷移速度遠(yuǎn)低于膜內(nèi)離子遷移速度，迫使膜界面處水分子發(fā)生電離，依靠氫離子和氫氧根離子來(lái)傳遞電流，這種膜界面現(xiàn)象稱為濃差極化，此時(shí)的電流密度稱為極限電流密度。極化包括濃差極化和電極極化。極化發(fā)生后在陽(yáng)膜淡室的一側(cè)富集著過(guò)量的氫氧根離子，陽(yáng)膜濃室的一側(cè)富集著過(guò)量的氫離子;而在陰膜淡室的一側(cè)富集著過(guò)量的氫離子，陰膜濃室的一側(cè)富集著過(guò)量的氫氧根離子。由于濃室中離子濃度高，則在濃室陰膜的一側(cè)發(fā)生碳酸鈣等沉淀，從而增加膜電阻，加大電能消耗，減小膜的有效面積，降低出水水質(zhì)，影響正常運(yùn)行。

⑷處理廢水的電滲析器的特點(diǎn)

目前電滲析在海水或苦咸水淡化和某些工業(yè)用水的精制等應(yīng)用中都已有大型裝置投入生產(chǎn)性運(yùn)行，而在廢水處理中的應(yīng)用還相對(duì)較少，應(yīng)注意以下三點(diǎn)：

①在給水處理中應(yīng)用的電滲析器，只回收淡水和只關(guān)注淡水水質(zhì)，水的回收率一般為50%～70%;而應(yīng)用電滲析處理廢水時(shí)，有時(shí)淡水和濃水均可回收利用，水的回收率高，有時(shí)濃水的利用價(jià)值高于淡水。

②在給水處理中應(yīng)用的電滲析器只含有陽(yáng)膜和陰膜，并以膜對(duì)的形式存在，而在廢水處理中，電滲透析器用膜的種類較多，有陽(yáng)膜、陽(yáng)膜、中性膜和復(fù)合膜等，根據(jù)處理對(duì)象組成和處理目的的不同而有不同的膜組合形式。

③在給水處理中，關(guān)注電滲析電極反應(yīng)多半是為了防止電極反應(yīng)的負(fù)面影響，而在廢水處理中，有時(shí)是利用電極反應(yīng)來(lái)達(dá)到處理廢水和回收有用物質(zhì)的目的。

⑸電滲析在廢水處理中的應(yīng)用

電鍍廢水中含有銅、鋅、鎳等重金屬和氰化物，未經(jīng)處理而直接排放，會(huì)污染環(huán)境，目前已經(jīng)許多電鍍車間應(yīng)用電滲析處理電鍍廢水取得了較好的效果，既回收了重金屬，又使水的重復(fù)利用率有較大的提高。

⑹電滲析器工藝設(shè)計(jì)

目前，電滲析器有系列產(chǎn)品規(guī)格，可根據(jù)淡水產(chǎn)量與處理要求確定合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，選用所需電滲析器的臺(tái)數(shù)以及并聯(lián)或串聯(lián)的組裝方式。

1.9.3反滲透

⑴原理

用膜法分離溶液時(shí)，使溶劑通過(guò)膜的方法稱為滲透。水通過(guò)膜由稀溶液進(jìn)入濃溶液的過(guò)程稱為自然滲透。在濃溶液一側(cè)施加壓力，使?jié)馊芤褐械乃ㄟ^(guò)膜進(jìn)入稱溶液的過(guò)程稱為反滲透。目前的反滲透膜的傳質(zhì)機(jī)理有：溶解擴(kuò)散理論、優(yōu)先吸附——毛細(xì)孔流理論和氫鍵理論。

⑵反滲透膜及反滲透裝置

①反滲透膜

ⅰ結(jié)構(gòu)：是一種只允許水分子通過(guò)的半透膜，厚度一般為100～200鈉米，具有不對(duì)稱的斷面結(jié)構(gòu)，主要包括三層：表面致密層，孔徑約8～10埃，厚度約為1～10微米，脫鹽主要在這一層，另一面為多孔支撐層，結(jié)構(gòu)疏松，孔徑約1000～4000埃，兩者之間為中間過(guò)渡層，孔徑約200埃。

ⅱ性能：反滲透分離的關(guān)鍵是要求反滲透膜具有較高的透水速度和脫鹽性能，則反滲透膜所應(yīng)具有的性能為：?jiǎn)挝荒っ娣e的透水速度快，脫鹽率高;機(jī)械強(qiáng)度好;化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸堿、耐高溫和微生物的侵蝕，耐污染;使用壽命長(zhǎng)，性能衰降小，原料充沛，價(jià)格低，制膜工藝較簡(jiǎn)單。

ⅲ分類：

按材料分為：纖維素膜和非纖維素膜。

按結(jié)構(gòu)分為：不對(duì)稱膜和復(fù)合膜。

按外形分為：膜片和中空纖維。水處理中常用以下膜：

②反滲透裝置：有板框式、管式、卷式、中空纖維式、盤(pán)式或碟式等。

ⅰ板框式反滲透器

優(yōu)點(diǎn)：裝置牢固，能承受高壓。缺點(diǎn)：液流狀態(tài)差，易形成濃差極化，設(shè)備費(fèi)用及占地面積大。

ⅱ管式反滲透器

優(yōu)點(diǎn)：進(jìn)水流動(dòng)狀態(tài)好，易安裝，易清洗，易拆換。缺點(diǎn)：?jiǎn)挝幻娣e內(nèi)的體積很小，占地面積較大。

ⅲ卷式反滲透器

優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)的膜裝載面積大，進(jìn)水流動(dòng)狀態(tài)好，結(jié)構(gòu)緊湊。缺點(diǎn)：進(jìn)水預(yù)處理要求嚴(yán)格，否則易堵塞。

ⅳ中空纖維式反滲透器：

優(yōu)點(diǎn)：在單位體積內(nèi)的膜裝載面積大，無(wú)須承壓材料，結(jié)構(gòu)緊湊。缺點(diǎn)：容易堵塞，清洗困難，對(duì)進(jìn)水的預(yù)處理要求最嚴(yán)，污染指數(shù)要求≤3。

⑶反滲透處理的工藝參數(shù)

①原液狀態(tài)參數(shù)：包括總含鹽量、各組分含量、pH值、溫度、懸浮物、黏度和微生物量等。

②膜性能參數(shù)：包括膜的脫鹽性能、機(jī)械強(qiáng)度、pH值穩(wěn)定范圍和耐熱性等。

③化學(xué)工程參數(shù)：包括產(chǎn)水量、產(chǎn)水水質(zhì)、操作壓力、原液流速、膜清洗、膜更換和能耗等。

⑷反滲透在廢水處理中的應(yīng)用

目前反滲透已應(yīng)用在處理電鍍廢水(鍍鎳、鍍鉻廢水)、食品加工廢水、制糖廢水、水產(chǎn)品加工廢水以及某些污水的深度處理等。

反滲透法對(duì)高價(jià)重金屬離子有良好的脫除效果，可以回收廢液中幾乎全部的重金屬，而且還可將水回收利用。

⑸反滲透法處理工藝的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：分離過(guò)程不需加熱、無(wú)相變、耗能較少，設(shè)備體積少，操作簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)等。

缺點(diǎn)：需在高壓下運(yùn)行，需配備高壓泵和耐高壓的管路;反滲透膜分離裝置對(duì)進(jìn)水指標(biāo)有較高的要求，易產(chǎn)生膜污染，需定期對(duì)膜進(jìn)行清洗。

1.9.4超濾

⑴原理

超濾又稱超過(guò)濾，用于截留水中膠體大小的顆粒，而水和低分子量溶質(zhì)則允許透過(guò)膜。超濾的機(jī)理是：由膜表面機(jī)械篩分、膜孔阻滯和膜表面及膜孔吸附的綜合效應(yīng)，以篩濾為主。

⑵超濾膜與超濾裝置

①超濾膜的種類：

常用的超濾膜有：醋酸纖維素膜，聚砜膜，聚酰胺膜

②超濾裝置：主要有板框式、管式、卷式和中空纖維式等，與反滲透裝置類似。

ⅰ板框式超濾裝置

優(yōu)點(diǎn)：裝置牢固，適合在廣泛的壓力范圍內(nèi)工作;流道間隙大小可調(diào)，原水流道不易被雜物堵塞;具有可拆性，清洗方便;通過(guò)增

減膜及支撐板的數(shù)量可處理不同水量。

缺點(diǎn)：裝置較笨重;單位體積內(nèi)的有效膜面積較小;膜的強(qiáng)度要求較高，一般做在無(wú)紡布上，以增強(qiáng)膜的機(jī)械性能。

ⅱ管式超濾裝置

優(yōu)點(diǎn)：原液流道截留面積較大，不易堵塞;膜面的清洗比較容易，可化學(xué)清洗或擦洗。

缺點(diǎn)：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)膜的充填密度較低，占地面積大;膜管的彎頭及連接件多，設(shè)備安裝費(fèi)時(shí)。

ⅲ卷式超濾裝置

優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)的有效膜面積較大，水在膜表面流動(dòng)狀態(tài)比較好，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積較小。缺點(diǎn)：進(jìn)水預(yù)處理要求嚴(yán)格，對(duì)所

用的膜強(qiáng)度要求較高，使用過(guò)程中，一旦發(fā)現(xiàn)膜破損須更換新的膜元件。

ⅳ中空纖維式超濾裝置：

優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)有效膜面積最大，工作效率最高，占地面積小。中空纖維無(wú)須支撐物。缺點(diǎn)：膜的清洗較困難，只能用水力沖洗

或化學(xué)清洗，不能用機(jī)械清洗，另外，中空纖維膜損壞后要更換整個(gè)組件。

③超濾工藝參數(shù)

主要參數(shù)有膜通量、膜清洗和膜壽命。

在操作壓力為0.11～0.6Mpa，溫度小于60℃時(shí)，超濾膜的膜通量以1～500L/m2h為宜。影響膜通量的因素有：進(jìn)水流速、操作壓力、溫度、進(jìn)水濃度和原水預(yù)處理等。膜必須定期清洗，以延長(zhǎng)膜的壽命，正常使用的膜的壽命為12～18個(gè)月。

④超濾在廢水處理中的應(yīng)用

目前已應(yīng)用在汽車制造行業(yè)噴漆廢水、金屬加工廢水以及食品工業(yè)廢水的處理及有用物質(zhì)的回收。

1.9.5微濾

⑴原理

是一種以壓力為推動(dòng)力，以膜的截留作用為機(jī)理的過(guò)濾技術(shù)，可以阻止水中的懸浮物、微粒和細(xì)菌等大于膜孔徑的雜質(zhì)。其作用屬于篩分過(guò)程。

⑵微濾膜和微濾裝置

①微濾膜

微濾膜有多種類型，按膜表面的化學(xué)特性可分為疏水膜和親水膜，按結(jié)構(gòu)可分為對(duì)稱膜和非對(duì)稱膜，按材料可分為有機(jī)高分子膜和無(wú)機(jī)膜，根據(jù)膜孔的結(jié)構(gòu)，可分為篩網(wǎng)型微孔濾膜和深度型微孔濾膜。

②微孔濾膜過(guò)濾器

主要有平板式和折疊式。平板式常用于中等液量的過(guò)濾，以去除微粒和細(xì)菌等雜質(zhì)。折疊式適合大、中型水處理工程使用。

③微濾的應(yīng)用

可用于以下的水處理

電子行業(yè)：在電子工業(yè)純水制備中主要的作用有兩方面：一是在反滲透或電滲析前作為前置過(guò)濾器，用以去除細(xì)小的懸浮物，二是在陰、陽(yáng)或混合交換柱后作為最后一級(jí)終端過(guò)濾裝置，以濾除樹(shù)脂碎片或細(xì)菌等雜質(zhì)。

醫(yī)藥衛(wèi)生行業(yè)：可以經(jīng)濟(jì)方便地去除水中的細(xì)菌微生物和懸浮物，分離病毒、細(xì)菌、膠體及懸浮微粒，以得到無(wú)菌液體。

水處理：處理城市污水和工業(yè)廢水，可產(chǎn)出不同用途的再生水，若用于食品、釀酒業(yè)及軟飲料工業(yè)中可有效地脫除水中的酵母、霉菌以及其他微生物。

海水淡化：可用于海水的預(yù)處理，去除海水中的懸浮物、顆粒以及大分子有機(jī)物，為反滲透提供原料水。

油田采出水處理：采用聚丙烯中空纖維微濾裝置可以去除油田采出水中的雜質(zhì)，以達(dá)到回灌水的要求。

④微濾法的特性：

具有以下特性：孔徑較均勻，過(guò)濾精度高;孔隙率高，過(guò)濾速度快;膜很薄，吸附容量小;無(wú)介質(zhì)脫落，保證濾液潔凈;濾膜的品種多，應(yīng)用面廣;過(guò)濾過(guò)程中無(wú)濃縮水排放

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