反滲透基本原理

1、膜分離法膜分離法 (Membrane Separation Processes)2021-11-20水污染控制工程3 分離膜可看作是分離膜可看作是分離兩相和作為選擇性傳遞物質(zhì)的屏障分離兩相和作為選擇性傳遞物質(zhì)的屏障。它可以是固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)的，目前使用的分離膜絕大多數(shù)是固它可以是固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)的，目前使用的分離膜絕大多數(shù)是固膜。膜可以存在于兩流體之間或附著于支撐體或載體的微孔隙上，膜。膜可以存在于兩流體之間或附著于支撐體或載體的微孔隙上，膜厚度要遠小于其比表面積。膜厚度要遠小于其比表面積。按膜結構分：有對稱膜和不對稱膜按膜結構分：有對稱膜和不對稱膜按膜材料分：按膜材料分：有機膜：纖維素膜、有

2、機膜：纖維素膜、聚酰胺聚酰胺膜、膜、聚砜膜、聚砜膜、聚乙烯聚乙烯膜等膜等 無機膜：玻璃膜、陶瓷膜、氧化鋁膜等無機膜：玻璃膜、陶瓷膜、氧化鋁膜等 按分離機理分：多孔膜、無孔膜和載體膜按分離機理分：多孔膜、無孔膜和載體膜按幾何形狀分：按幾何形狀分：平板式、管式、毛細管式和中空纖維式平板式、管式、毛細管式和中空纖維式膜膜2021-11-20水污染控制工程5 用一張?zhí)厥庵圃斓摹⒕哂羞x擇透過性用一張?zhí)厥庵圃斓?、具有選擇透過性能的薄膜（分離膜），在外力推動下對雙組能的薄膜（分離膜），在外力推動下對雙組分或多組分溶質(zhì)和溶劑進行分離、提純、濃分或多組分溶質(zhì)和溶劑進行分離、提純、濃縮的方法，統(tǒng)稱為膜分離法?？s的

3、方法，統(tǒng)稱為膜分離法。膜分離可用于膜分離可用于液相和氣相，對液相分離，可以用于水溶液液相和氣相，對液相分離，可以用于水溶液體系、非水溶液體系、水溶膠體系以及含有體系、非水溶液體系、水溶膠體系以及含有其他微粒的水溶液體系等。其他微粒的水溶液體系等。2021-11-20水污染控制工程6膜分離過程的推動力有兩類：膜分離過程的推動力有兩類：借助外界能量，物質(zhì)發(fā)生由低位向高位的流動；借助外界能量，物質(zhì)發(fā)生由低位向高位的流動；以化學電位差為推動力，物質(zhì)發(fā)生由高位向低位的流以化學電位差為推動力，物質(zhì)發(fā)生由高位向低位的流動。動。推推 動動 力力膜膜 過過 程程壓力差壓力差反滲透，超濾，微濾，氣體反滲透，超濾，

4、微濾，氣體分離分離電位差電位差電滲析電滲析濃度差濃度差擴散滲析、控制釋放擴散滲析、控制釋放濃度差（分壓差）濃度差（分壓差）滲透氣化滲透氣化濃度差加化學反應濃度差加化學反應液膜，膜傳感器液膜，膜傳感器（a a）膜分離過程不發(fā)生相變，因此能量轉(zhuǎn)化的效率高。例如在膜分離過程不發(fā)生相變，因此能量轉(zhuǎn)化的效率高。例如在現(xiàn)在的各種海水淡化方法中反滲透法能耗最低；現(xiàn)在的各種海水淡化方法中反滲透法能耗最低；（b b）膜分離過程在常溫下進行，因而特別適于對熱敏性物料，膜分離過程在常溫下進行，因而特別適于對熱敏性物料，如果汁、酶、藥物等的分離、分級和濃縮；如果汁、酶、藥物等的分離、分級和濃縮；（c c）裝置簡單，操

5、作簡單，控制、維修容易，且分離效率高。裝置簡單，操作簡單，控制、維修容易，且分離效率高。與其它水處理方法相比，具有占地面積小、適用范圍廣、處與其它水處理方法相比，具有占地面積小、適用范圍廣、處理效率高等特點；理效率高等特點；（d d）由于目前膜的成本較高，所以膜分離法投資較高，有些膜由于目前膜的成本較高，所以膜分離法投資較高，有些膜對酸或堿的耐受能力較差。所以目前膜分離法在水處理中一對酸或堿的耐受能力較差。所以目前膜分離法在水處理中一般用于回收廢水中的有用成分或水的回用處理般用于回收廢水中的有用成分或水的回用處理。2021-11-20水污染控制工程8 3 3膜分離法的分類膜分離法的分類 膜分離

6、法的種類很多，現(xiàn)已應用的膜過膜分離法的種類很多，現(xiàn)已應用的膜過程有程有反滲透、納濾、超濾、微濾、擴散滲析、反滲透、納濾、超濾、微濾、擴散滲析、電滲析、氣體分離、滲透蒸發(fā)、控制釋放、電滲析、氣體分離、滲透蒸發(fā)、控制釋放、液膜、膜蒸餾液膜、膜蒸餾等。目前，在廢水處理中常用等。目前，在廢水處理中常用的有擴散滲析、電滲析、反滲透、超濾等四的有擴散滲析、電滲析、反滲透、超濾等四種膜分離技術。種膜分離技術。 廢水處理中幾種常用膜分離法的特點如下表所示。廢水處理中幾種常用膜分離法的特點如下表所示。 2021-11-20水污染控制工程92021-11-20水污染控制工程102021-11-20水污染控制工程1

7、1 滲透和反滲透原理示意圖滲透和反滲透原理示意圖半透膜半透膜開始時兩邊液開始時兩邊液面相面相同同由于濃度差存在，半透膜由于濃度差存在，半透膜又不允許溶質(zhì)通過，所以又不允許溶質(zhì)通過，所以水透過膜，使?jié)馑贿呉核高^膜，使?jié)馑贿呉好嫔?，產(chǎn)生滲透壓面升高，產(chǎn)生滲透壓在濃水邊加壓，當壓在濃水邊加壓，當壓力超過滲透壓時，則力超過滲透壓時，則水透過半透膜，即反水透過半透膜，即反滲透，實現(xiàn)凈化過程。滲透，實現(xiàn)凈化過程。2021-11-20水污染控制工程12膜過程膜過程推動力推動力傳質(zhì)機理傳質(zhì)機理透過物及其透過物及其尺寸尺寸截留物截留物膜類型膜類型電滲析電滲析電位差電位差離子選擇性離子選擇性透過透過溶解性

8、無機溶解性無機物物非電解質(zhì)非電解質(zhì)大分子大分子離子交離子交換膜換膜反滲透反滲透1.0-1.5MPa溶劑的擴散溶劑的擴散水或溶劑水或溶劑溶質(zhì)、鹽、溶質(zhì)、鹽、SS非對稱非對稱膜膜超過濾50-500kPa篩濾及表面作用水、鹽及低分子有機物膠體大分子、不容有機物非對稱膜滲析滲析濃度差濃度差溶質(zhì)的擴散溶質(zhì)的擴散低分子物質(zhì)、低分子物質(zhì)、離子離子溶劑溶劑非對稱非對稱膜膜液膜液膜化學反應化學反應和濃度差和濃度差反應促進和反應促進和擴散擴散電解質(zhì)離子電解質(zhì)離子溶劑（非溶劑（非電解質(zhì)電解質(zhì)液膜液膜2021-11-20水污染控制工程13三、擴散滲析（三、擴散滲析（diffusion dialysisdiffusio

9、n dialysis） 1、滲析、滲析：把水溶液中溶質(zhì)透過：把水溶液中溶質(zhì)透過半透膜半透膜而溶質(zhì)而溶質(zhì)被截留的現(xiàn)象稱為滲析。被截留的現(xiàn)象稱為滲析。l半透膜：起滲析作用的薄膜，對溶質(zhì)具有選擇性。半透膜：起滲析作用的薄膜，對溶質(zhì)具有選擇性。l半透膜的發(fā)展：半透膜的發(fā)展：l動物的膀胱膜、腸膜、羊皮紙；動物的膀胱膜、腸膜、羊皮紙；l離子交換膜：陽離子交換膜、陰離子交換膜離子交換膜：陽離子交換膜、陰離子交換膜 2、擴散滲析的原理擴散滲析的原理 利用離子交換膜的選擇透過性，以濃度差為推動利用離子交換膜的選擇透過性，以濃度差為推動力來實現(xiàn)酸與鹽或者堿與酸的分離。力來實現(xiàn)酸與鹽或者堿與酸的分離。擴散滲析回收酸

10、原理示意圖擴散滲析回收酸原理示意圖(1) 原液室；原液室；(2) 回收液室；回收液室；A 陰離子交換膜陰離子交換膜殘液殘液 / 滲析液滲析液H2O回收液回收液 / 擴散液擴散液廢酸液廢酸液A（2）（1）H+ H+SO42-H+H+SO42-Fe2+SO42-v 擴散滲析法回收酸的原理擴散滲析法回收酸的原理為原液室，為回收室，為原液室，為回收室，向室自下而上引入料液向室自下而上引入料液( (H H2 2SOSO4 4和和FeSOFeSO4 4的混合液的混合液) )，另向室自上而下引入水流。另向室自上而下引入水流。由于室中的酸及鹽的濃度由于室中的酸及鹽的濃度較大，其中的較大，其中的FeFe2 2、

11、H H、SOSO4 42-2-均有向室擴散的趨勢，均有向室擴散的趨勢，因陰離子交換膜對離子具有因陰離子交換膜對離子具有選擇透過性，只允許陰離子選擇透過性，只允許陰離子SOSO4 42-2-通過而不讓陽離子透過，通過而不讓陽離子透過，所以所以FeFe2 2受到陰膜的阻擋而受到陰膜的阻擋而不能進入室，而不能進入室，而H H則因則因性質(zhì)特殊，其水合離子半徑性質(zhì)特殊，其水合離子半徑小，遷移速度快，也能跟隨小，遷移速度快，也能跟隨SOSO4 42-2-一起進入室，以保持一起進入室，以保持溶液的電中性。這樣，室溶液的電中性。這樣，室中的中的H H2 2SOSO4 4就不斷擴散進入就不斷擴散進入(2)(2)

12、室，而室，而FeSOFeSO4 4被阻擋在被阻擋在室中，從而實現(xiàn)了酸與鹽的室中，從而實現(xiàn)了酸與鹽的分離。分離。 2021-11-20水污染控制工程15 3、優(yōu)缺點：、優(yōu)缺點：l優(yōu)點：能耗小，設備結構簡單，操作方便，優(yōu)點：能耗小，設備結構簡單，操作方便，不需要對膜進行酸堿再生，分離過程中不需不需要對膜進行酸堿再生，分離過程中不需要加入其它化學藥劑。要加入其它化學藥劑。l缺點滲析速度慢，分離效率低。缺點滲析速度慢，分離效率低。 4、應用：、應用：l在生物醫(yī)學上的應用最為廣泛，主要的用途在生物醫(yī)學上的應用最為廣泛，主要的用途是血液滲析法（又稱為人工腎），此外還有是血液滲析法（又稱為人工腎），此外還有

13、人工肺。人工肺。l在工業(yè)方面的應用在工業(yè)方面的應用l從鋼鐵工業(yè)酸洗廢液中回收硫酸及在其它廢酸液從鋼鐵工業(yè)酸洗廢液中回收硫酸及在其它廢酸液中回收硝酸等；中回收硝酸等；l從化工廠人造絲漿壓液中回收從化工廠人造絲漿壓液中回收NaOH2021-11-20水污染控制工程16四、電滲析（四、電滲析（electrodialysiselectrodialysis，簡稱簡稱EDED ） 電滲析是在直流電場的作用下，以電滲析是在直流電場的作用下，以電位差為推動力，利用陰、陽離子交電位差為推動力，利用陰、陽離子交換膜對溶液中陰、陽離子的選擇透過換膜對溶液中陰、陽離子的選擇透過性性( (即陽膜只允許陽離子通過，陰膜只

14、即陽膜只允許陽離子通過，陰膜只允許陰離子通過），而使溶液中的溶允許陰離子通過），而使溶液中的溶質(zhì)與水分離的一種物理化學過程。質(zhì)與水分離的一種物理化學過程。從從而實現(xiàn)溶液的濃縮、淡化、精制和提而實現(xiàn)溶液的濃縮、淡化、精制和提純純的一種膜過程。的一種膜過程。v 電滲析過程原理圖電滲析過程原理圖2021-11-20水污染控制工程182 2離子交換膜離子交換膜離子交換膜具有與離子交換樹脂相同的離子交換膜具有與離子交換樹脂相同的組成，含有活性基團和能使離子透過的組成，含有活性基團和能使離子透過的細孔。常用的離子交換膜按其選擇透過細孔。常用的離子交換膜按其選擇透過性可分為性可分為陽膜、陰膜、復合膜陽膜、陰

15、膜、復合膜等等數(shù)種數(shù)種。陽膜陽膜(cation exchange membrane)含有陽含有陽離子交換基團，在水中交換基團發(fā)生離解，使離子交換基團，在水中交換基團發(fā)生離解，使膜上帶有負電，能排斥水中的陰離子，吸引水膜上帶有負電，能排斥水中的陰離子，吸引水中的陽離子并使其通過。中的陽離子并使其通過。陰膜陰膜(anion exchange membrane)含有陰離含有陰離子交換基團，在水中離解出陰離子，使膜子交換基團，在水中離解出陰離子，使膜上帶正電，吸引陰離子并使其通過上帶正電，吸引陰離子并使其通過。復合膜復合膜復合膜由一面陽膜和一面陰膜其復合膜由一面陽膜和一面陰膜其間夾一層極薄的網(wǎng)布做成，

16、具有方向性的間夾一層極薄的網(wǎng)布做成，具有方向性的電阻。電阻。當陽膜面朝向陰極，陰膜面朝向陽當陽膜面朝向陰極，陰膜面朝向陽極時，極時，正、負離子都不能透過膜，顯示出正、負離子都不能透過膜，顯示出很高的電阻。很高的電阻。當膜的朝向與上述相反時當膜的朝向與上述相反時，膜電阻降低，膜兩側相應的離子進入膜中。膜電阻降低，膜兩側相應的離子進入膜中。2021-11-20水污染控制工程20 五、反滲透（五、反滲透（RORO） Reverse OsmosisReverse Osmosis1 1、概述、概述2 2、反滲透基本原理、反滲透基本原理3 3、反滲透膜及其透過機理、反滲透膜及其透過機理4 4、反滲透裝置、

17、反滲透裝置5 5、反滲透工藝流程、反滲透工藝流程2021-11-20水污染控制工程211 1、概述、概述 反滲透是一項高新膜分離技術，其孔徑很小，大都反滲透是一項高新膜分離技術，其孔徑很小，大都1010 10（10A），），它能它能去除濾液中的離子范圍和去除濾液中的離子范圍和分子量很小的有機物，如細菌、病毒、熱源等分子量很小的有機物，如細菌、病毒、熱源等。它已廣。它已廣泛用于海水或苦咸水淡化、電子、醫(yī)藥用純水、飲用蒸泛用于海水或苦咸水淡化、電子、醫(yī)藥用純水、飲用蒸餾水、太空水的生產(chǎn)，還應用于生物、醫(yī)學工程。餾水、太空水的生產(chǎn)，還應用于生物、醫(yī)學工程。 特點特點常溫條件下，可以對溶質(zhì)和水進行分離

18、或濃縮，因而能常溫條件下，可以對溶質(zhì)和水進行分離或濃縮，因而能耗低；耗低； 雜質(zhì)去除范圍廣，可去除無機鹽和各類有機物雜質(zhì)；雜質(zhì)去除范圍廣，可去除無機鹽和各類有機物雜質(zhì)； 較高的水回用率；較高的水回用率； 分離裝置簡單，容易操作和維修。分離裝置簡單，容易操作和維修。2021-11-20水污染控制工程22 太空水、純凈水、蒸餾水等制備；太空水、純凈水、蒸餾水等制備； 酒類制造及降度用水；酒類制造及降度用水； 醫(yī)藥、電子等行業(yè)用水的前期制備；醫(yī)藥、電子等行業(yè)用水的前期制備； 化工工藝的濃縮、分離、提純及配水制備；化工工藝的濃縮、分離、提純及配水制備； 鍋爐補給水除鹽軟水；鍋爐補給水除鹽軟水； 海水、

19、苦咸水淡化；海水、苦咸水淡化； 造紙、電鍍、印染等行業(yè)用水及廢水處理。造紙、電鍍、印染等行業(yè)用水及廢水處理。顯顯微微鏡鏡下下膜膜的的照照片片工業(yè)生產(chǎn)中使用的膜分離設備是由工業(yè)生產(chǎn)中使用的膜分離設備是由多個構造相同的單個裝置組合而成多個構造相同的單個裝置組合而成的，一般把構成設備的相同的裝置的，一般把構成設備的相同的裝置稱為稱為膜組件（膜組件（membrane modulemembrane module）。反滲透膜組件有反滲透膜組件有板框式（板框式（plate and plate and frame)frame)、管式管式( (tubular modules)tubular modules)、螺

20、旋卷式螺旋卷式( (spirals wound)spirals wound)和和中空纖中空纖維式維式( (hollow fiber)hollow fiber)等四種。等四種。螺旋卷式反滲透膜組件螺旋卷式反滲透膜組件工工業(yè)業(yè)應應用用的的反反滲滲透透裝裝置置工業(yè)工業(yè)應用應用的反的反滲透滲透裝置裝置的膜的膜組件組件之間之間的連的連接接反滲透工藝一般包括反滲透工藝一般包括預處理預處理和和膜分膜分離離兩部分兩部分。預處理可以用物理化學法，也可以預處理可以用物理化學法，也可以用化學法。用化學法。所采取的預處理方法與原水的物理、所采取的預處理方法與原水的物理、化學性質(zhì)及生物學特性有關，還與化學性質(zhì)及生物學特

21、性有關，還與膜裝置的結構有關。膜裝置的結構有關。制定工藝流程應考慮的因素：制定工藝流程應考慮的因素：對溶液的分離有不同的質(zhì)量要求。對溶液的分離有不同的質(zhì)量要求。膜元件的使用壽命。膜元件的使用壽命。反滲透工藝中的級與段：反滲透工藝中的級與段：段（段（concentrate staging)：指指膜組件的濃縮液膜組件的濃縮液(濃水濃水)流到下一組膜組件處流到下一組膜組件處理。流經(jīng)理。流經(jīng)n組膜組件，即稱為組膜組件，即稱為n段。段。級級(permeate staging)：指膜組件指膜組件的產(chǎn)品水再經(jīng)下一組膜組件處理。透過液產(chǎn)的產(chǎn)品水再經(jīng)下一組膜組件處理。透過液產(chǎn)品水經(jīng)品水經(jīng)n次膜組件處理，稱為次膜組件處理，稱為n級。級。一級一段的不同方式一級一段連續(xù)式一級一段連續(xù)式一級一段循環(huán)式一級一段循環(huán)式可保證出水水質(zhì)，可保證出水水質(zhì)，但水回收率低但水回收率低可以提高水的回收可以提高水的回收率，但出水水質(zhì)有率，但出水水質(zhì)有可能下降可能下降一級多段連續(xù)式一級多段連續(xù)式水回收率高，濃縮液量少，濃度高，有利水回收率高，濃縮液量少，濃度高，有利于回收其中的有用物質(zhì)。但出水水質(zhì)差。于回收其中的有用物質(zhì)。但出水水質(zhì)差。一級多段循環(huán)式濃縮液濃度高，出水水質(zhì)較好。濃縮液濃度高，出水水質(zhì)較好。二級五段連續(xù)式第二級第二級六、超濾六、超濾（UltrafiltrationUltr