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文檔簡(jiǎn)介
1、第三章第三章 膜膜分離裝置分離裝置 n 膜分離過(guò)程膜分離過(guò)程 膜分離是借助一特殊制造的、具有選擇透過(guò)性能的薄膜,在 某種推動(dòng)力(如壓力差、濃度差、電位差等)的作用下,利用流體 中各組分對(duì)膜的滲透速率的差別而實(shí)現(xiàn)組分分離的單元操作。 膜分離過(guò)程一般不發(fā)生相變,與有相變的平衡分離方法相比 能耗低能耗低,屬于速率分離速率分離過(guò)程。多數(shù)膜分離過(guò)程在常溫常溫下進(jìn)行,特 別適用于熱敏性熱敏性物質(zhì)的分離。此外,它操作方便、設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、 維護(hù)費(fèi)用低,因而是現(xiàn)代分離技術(shù)中一種效率較高的分離手段。 1 膜組件的形式膜組件的形式 膜組件:膜組件:將膜、固定膜的支撐材料、間膜、固定膜的支撐材料、間 隔物或管式外殼隔
2、物或管式外殼等組裝成的一個(gè)單元單元稱為膜膜 組件組件。膜組件的結(jié)構(gòu)及型式取決于膜的形狀, 工業(yè)上應(yīng)用的膜組件主要有中空纖維式、管 式、螺旋卷式、板框式等四種型式。管式和 中空纖維式組件也可以分為內(nèi)壓式和外壓式 兩種。 (1) 板框式板框式(Plate-and-Frame)膜組件膜組件 板框式板框式是最早最早使用的一種膜組件。其設(shè) 計(jì)類似于常規(guī)的板框過(guò)濾裝置, 膜被放置在可 墊有濾紙的多孔的支撐板上,兩塊多孔的支撐 板疊壓在一起形成的料液流道空間,組成一個(gè) 膜單元,單元與單元之間可并聯(lián)或串聯(lián)連接。 不同的板框式設(shè)計(jì)的主要差別差別在于料液流道的料液流道的 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)上。板框式裝置的結(jié)構(gòu)及示意流道如圖
3、 93(a)所示,料液在進(jìn)料側(cè)空間的膜表面上流動(dòng), 通過(guò)膜的滲透液則經(jīng)板間隙孔中流出。 (2) 管式管式(Tubular)膜組件膜組件 q按聯(lián)結(jié)方式分:?jiǎn)喂苁?,管束?q按其作用分:內(nèi)壓型管式,外壓型管式 管式膜組件管式膜組件有外壓式外壓式和內(nèi)壓式內(nèi)壓式兩種,如圖93(b)所示。 對(duì)內(nèi)壓式膜組件,膜被直接澆鑄在多孔的不銹鋼管內(nèi)或 用玻璃纖維增強(qiáng)的塑料管內(nèi)。加壓的料液流從管內(nèi)流 過(guò),透過(guò)膜的滲透溶液在管外側(cè)被收集。對(duì)外壓式膜組 件,膜則被澆鑄在多孔支撐管外側(cè)面。加壓的料液流從 管外側(cè)流過(guò),滲透溶液則由管外側(cè)滲透通過(guò)膜進(jìn)入多孔 支撐管內(nèi)。無(wú)論是內(nèi)壓式還是外壓式,都可以根據(jù)需要 設(shè)計(jì)成串聯(lián)或并聯(lián)裝置
4、。 (a)(a)內(nèi)壓型管式膜組件內(nèi)壓型管式膜組件 1:裝配翼;2:插座接口;3:帶式密封;4:膜;5:密封 6:透過(guò)液管接口;7:O型密封環(huán);8:透過(guò)水出口 (b)(b)外壓型管式膜組件外壓型管式膜組件 優(yōu)點(diǎn):優(yōu)點(diǎn): 流動(dòng)狀態(tài)好,流速易控制; 安裝、拆卸、換膜和維修均較方便; 能夠處理含有懸浮固體的溶液; 機(jī)械清除雜質(zhì)也較容易; 合適的流動(dòng)狀態(tài)可防止?jié)獠顦O化和膜污染。 缺點(diǎn):缺點(diǎn): 與平板膜比較,管式膜的制備條件較難控制; 膜的裝填面積較低; 管口的密封比較困難。 (3) 螺旋卷式螺旋卷式(Spiral Wound)膜組件膜組件 目前,螺旋卷式膜組件螺旋卷式膜組件被廣泛地應(yīng)用于多種膜分 離過(guò)程
5、,圖93(c)為螺旋卷式膜組件的基本構(gòu)型及料液 與滲透液在膜組件內(nèi)的流向。 膜、料液通道網(wǎng)、以及多孔的膜支撐體等通過(guò) 適當(dāng)?shù)姆绞奖唤M合在一起,然后將其裝入能承受壓力 的外殼中制成膜組件。通過(guò)改變料液和過(guò)濾液流動(dòng) 通道的形式,這類膜組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也可被設(shè)計(jì)成多 種不同的形式。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn):結(jié)構(gòu)特點(diǎn):三邊密封的膜袋,另一個(gè)開放的 邊沿與一根多孔中心集水管連接,膜袋內(nèi)裝 多孔支撐材料,膜袋外的原料液側(cè)再墊一層 網(wǎng)眼形間隔材料(隔網(wǎng)),把膜-多孔支撐體- 膜-隔網(wǎng)依次疊和,繞中心集水管緊密地卷在 一起,形成一個(gè)膜元件,再裝進(jìn)圓柱型壓力 容器里,構(gòu)成一個(gè)卷式膜組件。 優(yōu)點(diǎn):優(yōu)點(diǎn): 結(jié)構(gòu)緊湊 膜的裝填密度大
6、 缺點(diǎn):缺點(diǎn): 流道窄,對(duì)原料液的預(yù)處理要求高; 膜的密封困難; 透過(guò)液側(cè)的支撐材料較難滿足要求; 膜組件的制作工藝復(fù)雜,要求高,尤其用于 高壓操作時(shí)難度更大。 (4) 中空纖維中空纖維(Hollow Fiber)膜組件膜組件 中空纖維膜組件中空纖維膜組件的最大特點(diǎn)是單位裝填膜面積比所有 其他組件大, 最高可達(dá)到30000m2/m3。中空纖維膜組件也 分為外壓式和內(nèi)壓式。將大量的中空纖維安裝在一個(gè)管狀 容器內(nèi),中空纖維的一端以環(huán)氧樹脂與管外殼壁固封制成膜 組件,如圖9-2(d)所示。料液從中空纖維組件的一端流入, 沿纖維外側(cè)平行于纖維束流動(dòng),透過(guò)液則滲透通過(guò)中空纖維 壁進(jìn)入內(nèi)腔,然后從纖維在環(huán)
7、氧樹脂的固封頭的開端引出, 原液則從膜組件的另一端流出。 優(yōu)點(diǎn):優(yōu)點(diǎn):?jiǎn)挝惑w積內(nèi)有效膜表面積比率高,故可 采用透水率較低,而物化穩(wěn)定性好的尼龍中 空纖維。該膜不需要支撐材料、壽命可達(dá)5 年,這是一種效率高、成本低、體積小和重 量輕的反滲透裝置。 缺點(diǎn):缺點(diǎn):中空纖維膜的制作技術(shù)復(fù)雜,管板制作 也較困 難,同時(shí)不能處理含懸浮固體的原 水。 各種膜組件的傳質(zhì)特性和綜合性能的比較分別見下表。 3.2膜分離裝置的基本流程膜分離裝置的基本流程 兩個(gè)概念: 段段:指膜組件的濃縮液濃縮液( (濃水)不經(jīng)泵不經(jīng)泵自動(dòng)流到 下一組膜組件處理。流經(jīng)n組膜組件,即稱為n 段。 級(jí):指膜組件的產(chǎn)品水再經(jīng)泵到下一組膜組
8、件 處理。透過(guò)液產(chǎn)品水經(jīng)n次膜組件處理,稱為n 級(jí)。 一級(jí)一段一級(jí)一段 一級(jí)多段一級(jí)多段 二、微濾、超濾、納濾和反滲透二、微濾、超濾、納濾和反滲透 根據(jù)被分離物粒子或分子的大小和所采用膜的 結(jié)構(gòu)可以將以壓力差為推動(dòng)力的膜分離過(guò)程分為微 濾、超濾、納濾與反滲透,四者組成了一個(gè)從可分離 固態(tài)微粒到離子的四級(jí)分離過(guò)程,如圖所示。當(dāng)膜兩 側(cè)施加一定的壓差時(shí),可使一部分溶劑及小于膜孔徑 的組分透過(guò)膜,而微粒、大分子、鹽等被膜截留下來(lái), 從而達(dá)到分離的目的。 微濾膜通常截留粒徑0.05m的微粒。微濾過(guò)程常采用對(duì) 稱微孔膜, 膜的孔徑范圍為0.0510m,操作壓差范圍為 0.050.2MPa;超濾膜截留的是
9、大分子或直徑不大于 0.2m的微粒。 溶 液 的 滲 透 壓 一 般 可 以 忽 略 不 計(jì) , 操 作 壓 差 范 圍 大 約 在 0.91.0MPa;反滲透常被用于截留溶液中的鹽或其他小分子物質(zhì)。 反滲透過(guò)程中溶液的滲透壓不能忽略,操作壓差需要根據(jù)被處理溶 液的溶質(zhì)大小和濃度確定,通常在2MPa左右,也可高達(dá)10MPa,甚 至20MPa。反滲透多采用致密的非對(duì)稱膜或復(fù)合膜。介于反滲透 與超濾之間 的納濾過(guò)程可用來(lái)分離溶液中分子量為幾百至幾千的 物質(zhì),其操作壓差通常比反滲透低,約為0.53.0MPa。因其截留的 組分在納米范圍,故得名納濾。 1、反滲透與納濾、反滲透與納濾 反滲透和納濾是借助
10、于半透膜對(duì)溶液中低分子量溶質(zhì)的截 留作用,以高于溶液滲透壓的壓差為推動(dòng)力,使溶劑滲透通過(guò)半透 膜。反滲透和納濾在本質(zhì)上非常相似,分離所依據(jù)的原理也基本相 同,兩者的差別僅在于溶質(zhì)的大小。事實(shí)上,納濾和反滲透膜可視 為介于多孔膜(微濾、超濾)與致密膜(滲透蒸發(fā)、氣體分離)之間的 過(guò)程。因?yàn)槟ぷ枇^大,所以為使同樣量的溶劑通過(guò)膜,就要使用 較高的壓力,而且需克服滲透壓。 反滲透是利用反滲透膜選擇性地只透過(guò)溶劑(通 常是水)的性質(zhì),對(duì)溶液施加壓力克服溶劑的滲透壓,使 溶劑從溶液中分離出來(lái)的單元操作。反滲透屬于以 壓力差為推動(dòng)力的膜分離技術(shù),其操作壓差一般為 1.510.5MPa,截留組分為(110)
11、10-10m的小分子 物質(zhì)。目前,隨著超低壓反滲透膜的開發(fā),已可在小于 1MPa的壓力下進(jìn)行部分脫鹽、水的軟 化和選擇性分 離等,反滲透的應(yīng)用領(lǐng)域已從早期的海水脫鹽和苦咸 水淡化發(fā)展到化工、食品、制藥、造紙等各個(gè)工業(yè) 部門。 (1)、反滲透原理、反滲透原理 在溫度一定的條件下,若將一種溶液與組成這種溶 液的溶劑放在一起最終的結(jié)果是溶液總會(huì)自動(dòng)地稀釋, 直到整個(gè)體系的濃度均勻一致為止。如果將溶液和溶劑 用半透膜隔開,并且這種膜只能透過(guò)溶劑分子而不能透 過(guò)溶質(zhì)分子,則溶劑將從純?nèi)軇﹤?cè)透過(guò)膜到溶液側(cè),這就 是滲透現(xiàn)象。滲透的結(jié)果是使溶液液柱上升,直到系統(tǒng) 達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,溶劑才不再流入溶液側(cè),此時(shí)溶液
12、上升高 度產(chǎn)生的壓力為即為滲透壓,以表示,如下圖。 若在溶液側(cè)加大壓力, p則溶劑在膜內(nèi)的傳遞現(xiàn)象將發(fā) 生逆轉(zhuǎn),即溶劑將從溶液側(cè)透過(guò)膜向溶劑側(cè)流動(dòng),使溶液增濃,這就 是反滲透現(xiàn)象,如圖(c)所示。 反滲透常用致密膜、非對(duì)稱膜和復(fù)合膜。反滲透不能達(dá)到溶 劑和溶質(zhì)的完全分離,所以反滲透的產(chǎn)品一個(gè)是幾乎純?nèi)軇┑耐高^(guò) 液,另一個(gè)是原料的濃縮液。 總之,反滲透過(guò)程必須滿足兩個(gè)條件: 有一種選擇性高的透過(guò)膜; 操作壓力必須高于溶液的滲透壓。在實(shí)際反滲透過(guò)程中 膜兩邊的靜壓差還必須克服透過(guò)膜的阻力。 (2)、影響反滲透因素、影響反滲透因素濃差極化濃差極化 由于膜的選擇透過(guò)性因素,在反滲透過(guò)程中,溶劑從高壓側(cè)
13、透 過(guò)膜到低壓側(cè),大部分溶質(zhì)被截留,溶質(zhì)在膜表面附近積累,造成由 膜表面到溶液主體之間的具有濃度梯度的邊界層,它將引起溶質(zhì)從 膜表面通過(guò)邊界層向溶液主體擴(kuò)散,這種現(xiàn)象稱為濃差極化。 根據(jù)反滲透基本方程式可分析出濃差極化對(duì)反滲透過(guò)程產(chǎn)生 下列不良影響: 由于濃差極化,膜表面處溶質(zhì)濃度升高,使溶液的滲透壓 升高,當(dāng)操作壓差P一定時(shí),反滲透過(guò)程的有效推動(dòng)力(P - )下 降,導(dǎo)致溶劑的滲透通量下降; 由于濃差極化,膜表面處溶質(zhì)的濃度CA1升高,使溶質(zhì)通過(guò)膜 孔的傳質(zhì)推動(dòng)力(CA1-CA2)增大,溶質(zhì)的滲透通量升高,截留率降低,這 說(shuō)明濃差極化現(xiàn)象的存在對(duì)溶劑滲透通量的增加提出了限制; 膜表面處溶質(zhì)的
14、濃度高于溶解度時(shí),在膜表面上將形成沉淀, 會(huì)堵塞膜孔并減少溶劑的滲透通量; 會(huì)導(dǎo)致膜分離性能的改變; 出現(xiàn)膜污染,膜污染嚴(yán)重時(shí),幾乎等于在膜表面又可形成一層 二次薄膜,會(huì)導(dǎo)致反滲透膜透過(guò)性能的大幅度下降,甚至完全消失。 減輕濃差極化的有效途徑是提高傳質(zhì)系數(shù)A,采取的措施有;提 高料液流速、增強(qiáng)料液湍動(dòng)程度、提高操作溫度、對(duì)膜面進(jìn)行定期 清洗和采用性能好的膜材料等。 (3)、反滲透過(guò)程工藝流程 在實(shí)際生產(chǎn)中,可以通過(guò)膜組件的不同配置方式來(lái)滿足對(duì)溶 液分離的不同質(zhì)量要求。而且膜組件的合理排列組合對(duì)膜組件的 使用壽命也有很大影響。如果排列組合不合理,則將造成某一段內(nèi) 的膜組件的溶劑通量過(guò)大或過(guò)小,不
15、能充分發(fā)揮作用,或使膜組件 污染速度加快,膜組件頻繁清洗和更換,造成經(jīng)濟(jì)損失。 根據(jù)料液的情況、分離要求以及所有膜器一次分離的分離效 率高低等的不同,反滲透過(guò)程可以采用不同工藝過(guò)程,下面簡(jiǎn)要介 紹幾種常見的工藝流程。 一級(jí)一段連續(xù)式一級(jí)一段連續(xù)式 料液一次通過(guò)膜組件即為濃縮液而排出。 這種方式透過(guò)液的回收率不高,在工業(yè)中較少采用。 一級(jí)一段循環(huán)式一級(jí)一段循環(huán)式 為了提高透過(guò)液的回收率,將部分濃縮液 返回進(jìn)料貯槽與原有的進(jìn)料液混合后,再次通過(guò)膜組件進(jìn)行分離。這 種方式可提高透過(guò)液的回收率,但因?yàn)闈饪s液中溶質(zhì)的濃度比原料液 要高,使透過(guò)液的質(zhì)量有所下降。 一級(jí)多段連續(xù)式一級(jí)多段連續(xù)式 將第一段的濃
16、縮液作為第二段的進(jìn)料液, 再把第二段的濃縮液作為下一段的進(jìn)料液,而各段的透過(guò)液連續(xù)排 出。這種方式的透過(guò)液回收率高,濃縮液的量較少,但其溶質(zhì)濃度 較高。 在反滲透的應(yīng)用過(guò)程中還采用多級(jí)多段連續(xù)式和循環(huán)式工藝 流程,操作方法與上述三種工藝流程相似。 (4)、反滲透技術(shù)的應(yīng)用 反滲透技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用主要在海水和苦咸水的淡化,此外還 應(yīng)用于純水制備、生活用水處理以及乳品、果汁的濃縮、生化和生 物制劑的分離和濃縮等。 海水淡化海水淡化 水是人類賴以生存的不可缺少的重要物質(zhì)。然而地球上水大約 97%是不能直接飲用的海水,只有3%是能夠直接飲用的淡水,其中 70%是被南極、北極的冰河和萬(wàn)年雪山所固定,而且隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 的迅速發(fā)展,淡水資源的緊缺日趨嚴(yán)重,促使許多國(guó)家投入大量資金研 究海水和苦咸水淡化技術(shù)。已采用的淡化技術(shù)有蒸發(fā)法和膜法(反滲 透、電滲析),與蒸發(fā)法相比,膜法淡化技術(shù)有投資費(fèi)用少、能耗低、 占地面積少、建造周期短、操作方便、易于自動(dòng)控制、起動(dòng)運(yùn)行快 等優(yōu)點(diǎn)。 目前,世界上最大的反滲透海水淡化廠是設(shè)在沙特阿拉伯的沙 特捷達(dá)市。其工藝流程如圖所示。取自紅海表面下的9m深處的海 水,經(jīng)攔污柵和帶式移動(dòng)篩脫除較大的碎屑、 浮游生物等,進(jìn)入海水 蓄水池,池內(nèi)加次氯酸鈉滅菌,氯化滅菌后的海水在進(jìn)入雙介質(zhì)過(guò)濾 器前還要加入絮凝劑FeCl3以加強(qiáng)過(guò)濾效果
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