水處理膜技術(shù)

水處理膜技術(shù)第1頁/共54頁22.1概述一、概念膜分離是以對組分具有選擇性透過功能的膜為分離載體，通過在膜兩側(cè)施加（或存在）一種或多種推動力，使原料中的組分選擇性地優(yōu)先透過膜，從而達(dá)到混合物分離，并使產(chǎn)物提取、濃縮、純化等的一種新型分離過程。滲透----水通過；滲析----溶質(zhì)通過推動力

壓力差（也稱跨膜壓差）、濃度差、電位差、溫度差等。如微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）與反滲透（RO）都是以壓力差為推動力的膜分離過程。第2頁/共54頁3二、膜的簡介特征：具有選擇性分離功能的薄膜材料，以及以其為核心的裝置、過程、工藝的集成與應(yīng)用特點：無相變、低能耗高效率、污染小工藝簡單、操作方便便于與其它技術(shù)集成濃縮液進(jìn)料液滲透液2.1概述第3頁/共54頁4三、膜的分類2.1概述第4頁/共54頁5

2.1概述四、膜元件第5頁/共54頁62.1概述四、膜元件第6頁/共54頁7五、膜過程的一些術(shù)語1.膜分離的形式——錯流過濾

終端過濾

污染嚴(yán)重錯流過濾污染輕錯流過濾的優(yōu)點：(1)便于連續(xù)化操作過程中控制循環(huán)比；(2)流體流動平行于過濾表面，產(chǎn)生的表面剪切力帶走膜表面的沉積物，防止污染層積累，使之處于動態(tài)平衡，從而有效地改善液體分離過程，使過濾操作可以在較長的時間內(nèi)連續(xù)進(jìn)行；(3)錯流過濾所產(chǎn)生的流體剪切力和慣性舉力能促進(jìn)膜表面的溶質(zhì)向流體主體的反向運動，提高了過濾速度。2.1概述第7頁/共54頁82.選擇性：將混合物總的組分分離開來的能力。截留率：表示液體分離的選擇性

R＝（Cf-Cp）/CpCf----原料液濃度，%（w/w）；Cp----透過液濃度，%（w/w）。2.1概述

----五、膜過程的一些術(shù)語第8頁/共54頁93.推動力：

1）對多孔膜而言，在對流流動的情況下，傳質(zhì)推動力是膜兩側(cè)的壓力差。

膜壓降：P1-P2，是由于流體流動引起的。

2）對致密膜而言，推動力為膜兩側(cè)的化學(xué)勢之差。P1P2P3P＝（P1＋P2）/2－P32.1概述

----五、膜過程的一些術(shù)語第9頁/共54頁104.濃差極化：在膜分離過程中，一部分溶質(zhì)被截留，在膜表面及靠近膜表面區(qū)域的濃度越來越高，造成從膜表面到本體溶液之間產(chǎn)生濃度梯度，這一現(xiàn)象稱為“濃差極化”。

123CfCm

Cp

濃差膜層滲透側(cè)極化層極化層2.1概述

----五、膜過程的一些術(shù)語第10頁/共54頁115.傳遞阻力：1）膜阻Rm:與膜本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，包含膜層到支撐層的傳遞阻力；2）濃差極化阻力Rc：由于被截留組分在膜面濃度的增大而引起的；3）推動力的損失：進(jìn)料側(cè)和滲透側(cè)的壓力損失；4）膜污染阻力：由于物料中的成分對膜產(chǎn)生吸附、堵塞、以及沉積等現(xiàn)象而引起的。2.1概述

----五、膜過程的一些術(shù)語第11頁/共54頁12Rm膜管本身阻力Ri膜孔內(nèi)污染阻力Rg凝膠層阻力Rc濃差極化阻力膜污染阻力的概念模型

2.1概述

----五、膜過程的一些術(shù)語第12頁/共54頁13膜污染：指處理物料中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子由于與膜存在物理化學(xué)相互作用或機(jī)械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產(chǎn)生滲透通量與分離特性的不可逆變化現(xiàn)象。物理污染包括膜表面的沉積，膜孔內(nèi)的阻塞，這與膜孔結(jié)構(gòu)、膜表面的粗糙度、溶質(zhì)的尺寸和形狀等有關(guān)?；瘜W(xué)污染包括膜表面和膜孔內(nèi)的吸附，這與膜表面的電荷性、親水性、吸附活性點及溶質(zhì)的荷電性、親水性、溶解度等有關(guān)。2.1概述

----五、膜過程的一些術(shù)語6.膜污染第13頁/共54頁14六、膜的用途1.濃縮：目的產(chǎn)物以低濃度形式存在，因此需要除去溶劑；（截留物為產(chǎn)物）2.純化：除去雜質(zhì)；3.分離：將混合物分成兩種或多種目的產(chǎn)物；4.反應(yīng)促進(jìn)：把化學(xué)反應(yīng)或生化反應(yīng)的產(chǎn)物連續(xù)取出，能提高反應(yīng)速率或提高產(chǎn)品質(zhì)量。2.1概述第14頁/共54頁15七、膜的應(yīng)用20世紀(jì)90年代，膜技術(shù)基本已經(jīng)從實驗室步入工業(yè)化，并在水處理、食品工業(yè)、環(huán)境保護(hù)、化工與石油化工、電子、冶金、國防……等領(lǐng)域得到成功的應(yīng)用。目前全球膜產(chǎn)業(yè)的規(guī)模超過百億美元，正以年30％的速度遞增著。2.1概述第15頁/共54頁16膜海水淡化工業(yè)廢水處理城市廢水資源化天然氣生物質(zhì)利用能源水資源傳統(tǒng)工業(yè)生態(tài)環(huán)境除塵CO2

控制制藥食品化工與石化電子冶金燃料電池潔凈燃燒2.1概述

----七、膜的應(yīng)用第16頁/共54頁17工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用舉例金屬工藝金屬回收；污染控制；富氧燃燒

紡織及制革工業(yè)余熱回收；藥劑回收；污染控制造紙工業(yè)代替蒸餾；污染控制；纖維及藥劑回收食品及生化工業(yè)凈化；濃縮；消毒；代替蒸餾；副產(chǎn)品回收化學(xué)工業(yè)有機(jī)物除去或回收；污染控制；氣體分離；藥劑回收和再利用醫(yī)藥及保健人造器官；控制釋放；血液分離；消毒；水凈化水處理海水、苦咸水淡化；超純水制備；電廠鍋爐用水凈化；廢水處理國防工業(yè)艦艇淡水供應(yīng)；戰(zhàn)地醫(yī)院污水凈化；低放射性水處理；野戰(zhàn)供水2.1概述

----七、膜的工業(yè)應(yīng)用第17頁/共54頁18膜法海水淡化分離方法反滲透低溫多效多級閃蒸能耗(kWh/m3)3.5>7>10國家或地區(qū)沙特中國長海中國長島中國滄化設(shè)備能力m3/d568001000100018000原水含鹽量mg/L43700350003400013000能耗kwh/m3754.52.75產(chǎn)水成本RMB/m34.886.695.131.83反滲透淡化廠的能耗及產(chǎn)水成本幾種分離方法能耗比較多級閃蒸：經(jīng)過加熱的海水，依次通過多個溫度、壓力逐級降低的閃蒸室，進(jìn)行蒸發(fā)冷凝的蒸餾淡化方法。低溫多效水的沸點和它所受到的壓力有關(guān)，壓力越低，水的沸點就越低。第1效蒸發(fā)海水所得的蒸汽可以用作第2效的熱源（見圖2）。第2效的沸點溫度和壓力比第1效低，效與效之間的熱量再生利用可以重復(fù)數(shù)次。第18頁/共54頁19膜法海水淡化嵊泗1000噸/日反滲透海水淡化裝置第19頁/共54頁20膜法自來水廠巴黎瓦茲河梅里市14萬立方米/天的納濾廠，每天為巴黎附近50萬居民提供14萬噸飲用水第20頁/共54頁212.2分離膜與膜組件一、定義：

具有選擇性分離功能的薄膜材料。水小分子大分子料液滲透液膜二、膜的種類及型式1）按材料的來源：可分為天然生物膜與人工合成膜；2）按膜分離過程的推動力可分為壓力差、電位差、濃度差、溫度差等膜；3）按膜的結(jié)構(gòu)可分為對稱和非對稱膜兩大類，其中非對稱膜還可細(xì)分為多孔膜、疊合膜以及復(fù)合膜等。第21頁/共54頁22第22頁/共54頁23非對稱膜的優(yōu)點第23頁/共54頁24三、膜材料及制膜方法膜過程

膜材料

微濾

聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙稀、聚乙烯聚碳酸酯、聚（醚）砜、聚（醚）酰亞胺、聚醚醚酮等氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦、碳化硅

超濾聚（醚）砜、磺化聚砜、聚偏二氟乙烯、聚丙稀腈、聚（醚）酰亞胺、聚脂肪酰胺、醚酮、纖維素類等氧化鋁、氧化鋯納濾聚酰（亞）胺

反滲透二醋酸纖維素、三醋酸纖維素、聚芬香酰胺類、聚合苯并咪唑（酮）聚酰（亞）胺、聚酰胺酰阱、聚醚脲等電滲析膜電解含有離子基團(tuán)的聚電解質(zhì)：磺酸型、季胺型等四氟乙烯和含磺酸或羧酸的全氟單體共聚物滲透氣化彈性態(tài)或玻璃態(tài)聚合物;聚丙稀腈、聚乙烯醇、聚丙稀酰胺

氣體分離彈性態(tài)聚合物：聚二甲硅氧烷、聚甲基戊烯玻璃態(tài)聚合物：聚酰亞胺、聚砜膜接觸器疏水聚合物：聚四氟乙烯、聚丙稀、聚乙烯、聚偏氟乙烯滲析親水聚合物：再生纖維素、醋酸纖維素、乙烯－乙烯醇共聚物、乙烯－醋酸乙烯酯共聚物第24頁/共54頁252.2分離膜與膜組件四、膜性能的表示方法膜的性能包括物化穩(wěn)定性

分離透過性兩個方面。1.物化穩(wěn)定性：指膜的強度、允許適用的壓力、溫度、PH值以及對有機(jī)溶劑和各種化學(xué)藥品的抵抗性，它是決定膜的作用壽命的主要因素。2.分離透過性：包括

分離效率滲透通量通量衰減系數(shù)三個方面第25頁/共54頁26第26頁/共54頁27第27頁/共54頁282.2分離膜與膜組件五、各種膜組件（a）板框式；（b）平板式；（c）折疊式；（d）中空纖維式；第28頁/共54頁29第29頁/共54頁302.2分離膜與膜組件六、對膜組件的要求經(jīng)驗證明，一種性能良好的膜組件應(yīng)達(dá)到以下要求：對膜性能提供足夠的機(jī)械支撐，并可使高壓原料液（氣）和低壓透過液（氣）嚴(yán)格分開；在能耗最小的條件下，使原料液（氣）在膜面上流動狀態(tài)均勻合理，以減少濃差極化；具有盡可能高的裝填密度（單位體積的膜組件中填充膜的有效面積），并使膜的安裝和更換方便；裝置牢固、安全可靠、價格低廉和易維護(hù)。第30頁/共54頁31膜元件(element)：即膜芯膜組件(module)：按一定技術(shù)要求將膜(元件)組裝在一起的組合構(gòu)件。

原料以一定組成、一定流速進(jìn)入膜組件，由于其中某一組分更容易通過膜，所以膜組件內(nèi)原料的組成和流速均隨位置變化。進(jìn)入膜組件的物流通過膜組件以后分成兩股，即滲透物（通過膜的那部分物流）和截留物（被膜所截留的物流）。膜上游原料液滲透液截留液膜下游膜組件(module)第31頁/共54頁32管式膜管式(tubes)膜組件毛細(xì)管(capillary)膜組件中空纖維(Hollow-Fibers)膜組件板式膜板框式(Plateandframe)膜組件卷繞式(SpiralWound)膜組件墊套式膜組件

膜組件可以有多種形式，它們均根據(jù)兩種膜構(gòu)型設(shè)計而成：1）管式構(gòu)型；2）平板式構(gòu)型。第32頁/共54頁331）所謂圓管式膜是指在圓筒狀支撐體的內(nèi)側(cè)或外側(cè)刮制上一層半透膜而得到的圓管形分離膜，再將一定數(shù)量的這種膜管以一定方式聯(lián)成一體而組成，其外形狀極類似于列管式換熱器。1.膜組件的形式之一——圓管式2）管式膜的特點優(yōu)點：流動狀態(tài)好，流速易控制；安裝、拆卸、換膜和維修均較方便；能處理含有懸浮固體的溶液；機(jī)械雜質(zhì)清除比較容易；合適的流動狀態(tài)可減少濃差極化和污染。缺點：與平板膜比較，管膜的制備條件較難控制；單位體積內(nèi)有效膜面積??；管口的密封也比較困難。價錢較貴第33頁/共54頁34管式膜組件構(gòu)造第34頁/共54頁35英國PCI公司管式膜第35頁/共54頁36陶瓷膜陶瓷管式膜設(shè)備(南京久吾高科技公司)陶瓷管式膜實驗室設(shè)備陶瓷膜元件Suntar公司制造的陶瓷膜設(shè)備第36頁/共54頁37管式膜成套設(shè)備乳品工業(yè)廢水處理大型集成設(shè)備第37頁/共54頁383）管式膜組件大致規(guī)格

構(gòu)型直徑/mm管狀膜＞10毛細(xì)管0.5~10.0中空纖維＜0.5不同管徑下單位體積的膜面積

管半徑/mm單位體積膜面積/m2/m3

53600.53,6000.0536,000第38頁/共54頁391）中空纖維式膜是一種極細(xì)的空心膜管，其本身不需要支撐材料即可耐受很高的壓力，它實際是一根厚壁的環(huán)柱體，纖維的外徑有的細(xì)如人發(fā)，約為50~200μm，內(nèi)徑為25~42μm特點：1）可耐高壓；2）單位體積內(nèi)的有效膜表面積比率高；3）壽命較長（可達(dá)5年）；4）可做成一種效率高、成本低、體積小和重量輕的膜分離裝置；5）不足之處是中空纖維膜的制作技術(shù)復(fù)雜，管板制作也較困難，同時不能處理含懸浮固體的料液（原水）。2.膜組件形式之二——中空纖維式第39頁/共54頁40膜組件外殼中空纖維MF膜組件中空纖維UF膜組件第40頁/共54頁41中空纖維膜分離設(shè)備（6～9.6m3/h

）（5～8m3/h

）（10～16m3/h

）（2～3.2m3/h

）第41頁/共54頁423.膜組件的形式之三——板框式1）板框式也稱平板式，它是由許多板和框(plateandframe)堆積組裝在一起而得名，其外觀類似普通的板框式壓濾機(jī)(filterpress)。它是膜分離歷史上最早問世的一種膜組件形式。第42頁/共54頁432）板框式膜組件特點構(gòu)造比較簡單，且可單獨更換膜片；可作為試驗機(jī)，將各種膜樣品同時安裝在一起進(jìn)行性能檢測；流道的斷面積可適當(dāng)增大，壓降較小，線速度可達(dá)1~5m/s，且不易被纖維屑等異物堵塞；為促進(jìn)膜組件內(nèi)的湍流效果，不少廠家將原液導(dǎo)流板的表面設(shè)計成各式凹凸或波紋結(jié)構(gòu)或在膜面配置篩網(wǎng)等物。3）板框式膜組件類型系緊螺栓式耐壓容器式DDS型（由丹麥的DDS[DeDanskeSukkerfabrikker]公司首創(chuàng)，在歐洲很流行。）第43頁/共54頁44板框式膜組件流道示意圖曲折流道示意圖第44頁/共54頁454.膜組件形式之四——螺旋卷式1）螺旋卷式(簡稱卷式)膜組件的結(jié)構(gòu)是由中間為多孔支撐材料，兩邊是膜的“雙層結(jié)構(gòu)”裝配組成的。其中三個邊沿被密封而粘結(jié)成膜袋狀，另一個開放的邊沿與一根多孔中心產(chǎn)品水(液)收集管連接，在膜袋外部的原水側(cè)再墊一層網(wǎng)眼型間隔材料（隔網(wǎng)），也就是把膜~多孔支撐體~膜~原水側(cè)隔網(wǎng)依次疊合，繞中心集水管緊密地卷在一起，形成一個膜元件，再裝進(jìn)圓柱型壓力容器里，構(gòu)成一個螺旋卷式膜組件。2）螺旋卷式膜組件特點結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積內(nèi)的有效面積大（830~1660m2/m3）缺點是當(dāng)原液中含有懸浮固體時使用有困難；透過側(cè)的支撐材料較難滿足要求，不易密封，同時膜組件的制作工藝復(fù)雜、要求高，尤其是用于高壓操作時難度更大。第45頁/共54頁463）螺旋卷式膜組件第46頁/共