第十六章 污水的化學(xué)與物理化學(xué)處理7-膜分離

1第八節(jié)膜分離水中污染物的去除方法懸浮污染物——格柵、沉淀、混凝、氣浮、過濾溶解態(tài)污染物一般濃度的金屬離子——化學(xué)沉淀其他可氧化還原的——化學(xué)氧化還原殘余微量的溶解物質(zhì)——吸附、離子交換？23第八節(jié)膜分離一、概述二、微濾/超濾/納濾三、反滲透四、擴(kuò)散滲析五、電滲析通過本章學(xué)習(xí)，重點(diǎn)掌握膜分離的基本原理和工藝特點(diǎn)；了解各類膜（微濾、超濾、納濾和反滲透）反應(yīng)器的基本構(gòu)造和原理；熟悉膜污染及其防治方法。一、概述膜分離法是指利用天然或人工合成的高分子薄膜——半透膜，以外界能量或化學(xué)位差為推動力，對溶液中某些物質(zhì)進(jìn)行分離、分級、提純和富集的方法。分子水平、選擇性透過→分離。溶質(zhì)透過膜——滲析溶劑(水)透過膜——滲透膜上游膜膜下游選擇性透膜51.膜的分類固膜——應(yīng)用最多按組成材料分有機(jī)膜和無機(jī)膜按形態(tài)和結(jié)構(gòu)分為多孔膜和致密膜。多孔膜（聚合物和無機(jī)材料均可）主要用于超濾、微濾和滲析過程；致密膜（僅限于聚合物材料）主要用于反滲透、電滲析、滲透汽化和氣體滲透過程。液膜——已有中試應(yīng)用氣膜——實驗室研究階段生物膜——細(xì)胞膜合成膜膜66（1）按材料分類有機(jī)膜：以高分子材料制成的聚合膜居多。類

別膜材料舉

例纖維素酯類纖維素衍生物類醋酸纖維素，硝酸纖維素，乙基纖維素等非纖維素酯類聚砜類聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚酰(亞)胺類聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亞胺等聚酯、烯烴類滌綸，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等含氟(硅)類聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等其他殼聚糖，聚電解質(zhì)等以日本為例，纖維素酯類膜占53％，聚砜膜占33.3％，聚酰胺膜占11.7％，其他材料的膜占2％無機(jī)膜多以金屬及其氧化物、多孔玻璃、陶瓷為材料。無機(jī)膜的制備已成為研究熱點(diǎn)，其增長速度遠(yuǎn)快于聚合物膜。無機(jī)膜無機(jī)膜粗孔膜>50nm微孔膜<2nm致密膜微濾膜超濾膜納濾膜滲透蒸發(fā)膜反滲透膜氣體分離膜金屬及其合金膜致密陶瓷膜多孔膜中孔膜2~50nm無機(jī)膜集成過程無機(jī)膜99無機(jī)膜與有機(jī)膜性能比較無機(jī)膜優(yōu)點(diǎn)：熱力學(xué)、化學(xué)穩(wěn)定性好，耐污染能力強(qiáng)，強(qiáng)度大，使用壽命長，容易清洗，適用于高粘度、高固體含量等復(fù)雜流體物料的分離；——食品、生化領(lǐng)域缺點(diǎn)：造價較高，裝填面積較小，運(yùn)行費(fèi)用偏高有機(jī)膜優(yōu)點(diǎn)：取材廣泛、單位膜面積制造成本低廉、膜組件裝填密度大等優(yōu)勢，目前約占有膜市場85%左右。缺點(diǎn)：化學(xué)、機(jī)械、熱穩(wěn)定性差10各種膜材料的特點(diǎn)聚合物優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)TiO2/ZrO2化學(xué)、機(jī)械、熱穩(wěn)定性好價格昂貴，僅限于MF和UF，材料較貴醋酸纖維價格低，抗氯，溶劑澆注化學(xué)、機(jī)械、熱穩(wěn)定性差聚砜廣泛的消毒性，抗pH，溶劑澆注對碳?xì)浠衔锏慕亓糨^差聚丙烯抗化學(xué)腐蝕性強(qiáng)未經(jīng)表面處理具有疏水性聚四氟乙烯具有良好的疏水性能，抗有機(jī)物污染，良好的化學(xué)穩(wěn)定性，具有滅菌性疏水性強(qiáng)，價格貴聚酰胺良好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性對氯化物較敏感1111（2）按膜的結(jié)構(gòu)分類對稱膜(SymmetricMembrane)非對稱膜(AsymmetricMembrane)-CA膜復(fù)合膜(CompositeMembrane)醋酸纖維素（CA）膜的結(jié)構(gòu)99％表皮層孔徑

0.0008~0.001m過渡層孔徑

0.02m多孔層孔徑

0.1～0.4

m1%1313（3）按膜的形狀分類平板膜(FlatMembrane)管式膜(TubularMembrane)

/中空纖維膜(HollowFiber)卷式膜（Spiralwoundconfiguration）。1414膜的形狀基本部件平板膜支撐盤間隔盤。三種部件相互交替、重疊、壓緊。特點(diǎn)組裝比較簡單，可以增加膜的層數(shù)以提高處理量操作比較方便。板框式膜組件組裝零件太多；裝填密度低；膜的機(jī)械強(qiáng)度要求較高。板框式膜器件1616膜的形狀基本部件管狀膜、圓筒形支撐體、管束板、不銹鋼外殼、端部密封特點(diǎn)流動狀態(tài)好，流速易控制；結(jié)構(gòu)簡單，容易清洗，安裝、操作方便；裝填密度較小，單位體積內(nèi)有效膜面積小；耐高壓，無死角，適宜于處理高黏度及固體含量較高的料液，比其他形式應(yīng)用更為廣泛。圓管式膜器件外壓型內(nèi)壓型單管式管束式管式膜組件類型基本部件膜、多孔支撐層、原料水隔網(wǎng)、多孔中心管構(gòu)成兩層膜三邊封口，構(gòu)成信封狀膜袋，膜袋內(nèi)填充多孔支撐層，一層膜袋襯一層隔網(wǎng)，從膜袋開口端開始繞多孔中心管卷繞而形成螺旋卷式膜器件。密封密封多孔透水材料膜，上下兩層螺旋卷式膜器件螺旋卷式膜器件螺旋卷式膜器件進(jìn)水口耐壓容器連接器膜組件密封圈端蓋透過液濃縮液膜分離設(shè)備基本構(gòu)成將膜材料制成外徑為80～400μm、內(nèi)徑為40～100μm的空心管，即為中空纖維膜膜組件將大量的中空纖維一端封死，另一端用環(huán)氧樹脂澆注成管板，裝在圓筒形壓力容器中，就構(gòu)成了中空纖維膜組件。中空纖維膜器件內(nèi)壓式料液從空心纖維管內(nèi)流過，透過液經(jīng)纖維管膜流出管外，這是常用的操作方式。外壓式料液從一端經(jīng)分布管在纖維管外流動，透過液則從纖維膜管內(nèi)流出。特點(diǎn)結(jié)構(gòu)緊湊，裝填密度很高；清洗困難；中空纖維膜一旦損壞無法維修，只能更換膜組件；液體在管內(nèi)流動時阻力很大，易阻塞。中空纖維膜工作過程過濾、濃縮→反洗→清洗→正洗操作注意事項中空纖維組件必須在濕態(tài)下使用與保存。長期停用時，用0.5%甲醛或次氯酸鈉水溶液保存。中空纖維膜設(shè)備操作進(jìn)水透過水濃縮水耐壓容器透水板半透膜膜分離設(shè)備示意圖二、膜分離技術(shù)的主要設(shè)備膜分離設(shè)備工作過程28（4）按膜孔大小和分離原理分類微孔膜MF、超濾膜UF、納濾膜NF、滲析膜DL、電滲析膜ED、反滲透膜RO、滲透蒸發(fā)膜等。2929膜分離法的分類及應(yīng)用以推動力的過程分類以靜壓力差為推動力的過程：微濾，超濾，反滲透以濃度差為推動力的過程：滲析技術(shù)以電場力為推動力的過程：電滲析，離子交換電滲析以蒸氣壓差為推動力的過程：膜蒸餾，滲透蒸餾30302.膜分離的基本原理及特點(diǎn)膜分離法的基本原理根據(jù)它們物理性質(zhì)（主要是質(zhì)量、體積大小和幾何形態(tài)）差異，用過濾的辦法將其分離。根據(jù)混合物的不同化學(xué)性質(zhì)。＜0.5離子、分子量＜100的有機(jī)物溶解擴(kuò)散滲透蒸發(fā)＜0.5離子、分子量＜100的有機(jī)物溶解擴(kuò)散反滲透＜２離子、分子量＜100的有機(jī)物溶解擴(kuò)散納濾2~501000~1000,000Da的大分子體積大小超濾50~10000

0.05~10μm的固體粒子體積大小微濾＞10000固體粒子體積大小粒子過濾孔徑/nm分離對象分離機(jī)理膜過程各種膜分離范圍濃度梯度電位差濃度梯度壓力（1~10MPa)壓力（0.2~1MPa)壓力0.05~0.5MPa驅(qū)動力醇與水分離，乙酸與水分離，有機(jī)溶劑脫水，有機(jī)液體混合物分離（如脂烴與芳烴的分離等小分子有機(jī)物與水的分離致密膜或復(fù)合膜滲透蒸發(fā)苦咸水、海水淡化，純水制備，鍋爐給水，生產(chǎn)工藝用水離子脫除、氨基酸分離離子交換膜電滲析除去小分子有機(jī)物或無機(jī)離子，奶制品脫鹽，蛋白質(zhì)溶液脫鹽等小分子有機(jī)物和無機(jī)離子的去除對稱的或不對稱的膜透析低濃度乙醇濃縮，糖及氨基酸濃縮，苦咸水、海水淡化，超純水制備小分子溶質(zhì)脫除與濃縮帶皮層不對稱膜、復(fù)合膜(＜１nm)反滲透溶液除菌、澄清，注射用水制備，果汁澄清、除菌，酶及蛋白質(zhì)分離、濃縮與純化，含油廢水處理，印染廢水處理，乳化液分離、濃縮等細(xì)粒子膠體去除可溶性中等或大分子分離不對稱微孔膜（１~５0nm)超濾溶液除菌、澄清，果汁澄清、細(xì)胞收集、水中顆粒物去除清毒、澄清、細(xì)胞收集對稱微孔膜（0.05~10μm)微濾示例應(yīng)用對象膜結(jié)構(gòu)名稱幾種主要膜分離技術(shù)特征3333膜分離法的特點(diǎn)膜分離法的共同優(yōu)點(diǎn)：①無相變，能量轉(zhuǎn)化率高。如現(xiàn)行各種海水淡化方法中，反滲透法能耗最低。②常溫下進(jìn)行，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。③裝置簡單，操作容易，大多不消耗化學(xué)藥劑，易控制、維修，且分離效率高。作為一種新型的水處理方法，與常規(guī)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(diǎn)。缺點(diǎn)：處理能力小；膜貴，易損壞；需消耗相當(dāng)?shù)哪芰?擴(kuò)散滲析除外)。3434膜分離法納濾膜和微反滲透膜、超濾膜、濾膜最初用于工業(yè)用水、海水、苦咸水的淡化和脫鹽處理，近年來逐步應(yīng)用于飲用水處理領(lǐng)域?，F(xiàn)已廣泛用于去除水中濁度、色度、臭味、消毒副產(chǎn)物前體物、微生物、溶解性有機(jī)物等，可部分或完全取代常規(guī)水處理工藝。微濾、超濾、納濾、反滲透均為壓力推動的膜過程，即在壓力的作用下，溶劑及小分子通過膜，而鹽、大分子、微粒等被截留，其截留程度取決于膜結(jié)構(gòu)。二、微濾/超濾/納濾/反滲透1.微濾（MF）又稱微孔過濾，它屬于精密過濾，其基本原理是篩孔分離過程。微濾膜多數(shù)為對稱結(jié)構(gòu)\均勻的多孔薄膜，厚度10~150um不等，過濾粒徑在0.025～10μm之間，操作壓在0.01～0.2MPa。到目前為止，國內(nèi)外商品化的微孔膜約有13類，總計400多種。其中最常見的是曲孔型，類似于內(nèi)有相連空隙的網(wǎng)狀海綿；另一種是毛細(xì)管型。363737應(yīng)用范圍:主要是從氣相和液相中截留微粒、細(xì)菌以及其他污染物，以達(dá)到凈化、分離、濃縮的目的。主要優(yōu)點(diǎn)為孔徑均勻，過濾精度高?？紫洞?，流速快。無吸附或少吸附。無介質(zhì)脫落。微孔膜的缺點(diǎn)：顆粒容量較小，易被堵塞；使用時必須有前道過濾的配合，否則無法正常工作。微濾微濾

水處理設(shè)備具體涉及領(lǐng)域主要有：醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)（明膠、葡萄酒、白酒、果汁、牛奶等）、高純水、城市污水、工業(yè)廢水、飲用水、生物技術(shù)、生物發(fā)酵等。3939

超濾是以壓力為推動力的膜分離技術(shù)之一。其過濾粒徑介于微濾和納濾之間，約5～10nm，在0.1～0.5MPa的靜壓差推動下截留各種可溶性大分子，形成濃縮液，達(dá)到溶液的凈化、分離及濃縮目的。其本質(zhì)上是一種篩濾過程，膜表面的空隙大小是主要控制因素，溶質(zhì)能否被膜孔截留取決于溶質(zhì)粒子的大小、形狀、柔韌性以及操作條件等，而與膜的化學(xué)性質(zhì)關(guān)系不大。2.超濾超濾膜的膜材料主要有纖維素及其衍生物、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚砜酰胺、磺化聚砜、交鏈的聚乙烯醇、改性丙烯酸聚合物等。工業(yè)使用的超濾膜一般為非對稱膜超濾膜材料超濾膜的形態(tài)主要有海綿狀結(jié)構(gòu)和指狀結(jié)構(gòu)，兩類結(jié)構(gòu)膜頂部均有致密的皮層。超濾膜的皮層賦予膜分離功能和集中膜傳質(zhì)阻力。超濾膜結(jié)構(gòu)與特征

42超濾設(shè)備和超濾工藝超濾設(shè)備與反滲透相似，是由多孔性支撐體和膜構(gòu)成，裝在堅固的殼內(nèi)，有板框式，管式，卷式和中空纖維式。超濾工藝流程可分為間隔操作、連續(xù)超濾和重過濾三種。間隔操作具有最大透過速率，效率高，但處理量小。連續(xù)超濾過程操作常在部分循環(huán)下進(jìn)行，回路中循環(huán)量常比料液量大得多。超濾的界面層影響與反滲透相似，不能濾過膜的殘留物在膜表面的濃聚形成濃度極化現(xiàn)象，使通水量急劇減少，加大通水速度＞3~5m/s可適當(dāng)防止。超濾硬件包括泵、料液貯槽、膜組件、管路、接頭、熱交換器和必要的溫度、壓力及流量的監(jiān)測和控制單元等。膜組件是核心硬件。超濾裝置44超濾技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)用：超濾是一種篩孔分離過程，主要用來截留分子量高于500的物質(zhì)，如細(xì)菌、蛋白質(zhì)、顏料和油類等。在廢水處理中，超濾技術(shù)可以用來去除廢水中的淀粉、蛋白質(zhì)、樹膠、油脂等有機(jī)物，以及粘土、微生物等?？苫厥崭鞣N有用物質(zhì)，生產(chǎn)回用水。處理實例有：電泳漆廢水處理；含油廢水處理；紙漿和造紙廢水、洗毛廢水、染料廢水，食品工業(yè)廢水等處理。飲用水處理受污染河水，經(jīng)過混凝沉淀預(yù)處理后，通過UF對水中的懸浮固體、微生物、細(xì)菌病毒、膠體類物質(zhì)等進(jìn)一步去除，出水濁度、微生物衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)等達(dá)到自來水要求。1、項目概況浙江某水廠一期工程項目產(chǎn)水量為5萬噸/天，以水庫為水源，要求產(chǎn)品水符合GB5749-85《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)》，而水庫的水源已受到嚴(yán)重的污染，耗氧量、氨氮和氯離子均超過了飲用水二級標(biāo)準(zhǔn)要求，具體參見下面的水質(zhì)表。為此在工藝方案中既要考慮去除有機(jī)物又要增加除鹽工藝。2、原水水質(zhì)表濁度15NTU色度40

CODMn10mg/l總堿度190mg/l

氨氮3mg/l亞硝酸鹽0.02mg/l硝酸鹽10mg/l大腸菌150細(xì)菌500總硬度140mg/l

TDS1200mg/l

游離氯1.5mg/l鐵0.3mg/l錳0.1mg/l鉀280mg/l

3、系統(tǒng)工藝流程4、超濾系統(tǒng)概況超濾產(chǎn)水規(guī)模：4套320噸／小時超濾膜組件：美國科氏濾膜公司的V1072-35-PMC中空纖維超濾膜件，共160只超濾運(yùn)行方式：單通錯流過濾，運(yùn)行情況：投運(yùn)至今，運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)水水量、水質(zhì)完全滿足要求。浙江某水廠項目47超濾膜與微濾膜同是多孔膜，雖然前者孔徑較小，后者較大，但前者的工作周期比后者長得多。原因：微濾是一種靜態(tài)過濾，隨過濾時間延長，膜面上截流沉積不溶物，引起水流阻力增大，透水速率下降，直至微孔全被堵塞；超濾過程是一種動態(tài)過程，在超濾進(jìn)行時，由泵提供推動力，在膜表面產(chǎn)生兩個分力：一個是垂直于膜面的法向分力，使水分子透過膜面，另一個是于膜面平行的切向力，把膜面截流物沖掉。因此，表面不易產(chǎn)生濃差極化和結(jié)垢，透水速率衰減較慢，運(yùn)行周期相對較長。超濾和微濾3.納濾（NF）

是介于超濾與反滲透之間的一種膜分離技術(shù)，與反滲透及超濾類似，都屬于靠壓力推動的膜工藝。操作壓力介于超濾和反滲透之間，一般小于1.5MPa，常稱為“松散反滲透”。納濾、超濾和微濾都是籍膜孔的“篩除”/“篩除”作用直接去除/截留水中的物質(zhì)，故皆可稱為膜濾。納濾膜是具有納米級微孔結(jié)構(gòu)并且孔表面電荷的分離膜。膜孔徑1-5nm，大部分納濾膜為電荷膜，通過電荷排斥、溶質(zhì)擴(kuò)散和截留實現(xiàn)分離。4949納濾應(yīng)用納濾膜的截留特性是以對標(biāo)準(zhǔn)NaCl、MgSO4、CaCl2溶液的截留率來表征，通常截留率范圍在60～90%，相應(yīng)截留分子量范圍在100～1000，故納濾膜能對小分子有機(jī)物等與水、無機(jī)鹽進(jìn)行分離，實現(xiàn)脫鹽與濃縮的同時進(jìn)行。納濾“篩除”的包括了構(gòu)成水溶液性質(zhì)的溶解離子。納濾的滲透水，不止溶解離子的濃度有變化，堿度、硬度、pH、TDS這些重要的水質(zhì)參數(shù)的數(shù)值也要改變?；诩{濾分離技術(shù)的優(yōu)越特性，其在制藥、生物化工、食品工業(yè)等諸多領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。納濾設(shè)備納濾的主要應(yīng)用領(lǐng)域涉及：食品工業(yè)、植物深加工、飲料工業(yè)、農(nóng)產(chǎn)品深加工、生物醫(yī)藥、生物發(fā)酵、精細(xì)化工、環(huán)保工業(yè)……5151三、反滲透用一種半透膜將淡水和鹽水隔開，該膜只讓水分子通過，而不讓溶質(zhì)通過。如在鹽水側(cè)施加壓力P，當(dāng)P=時，則水分子在膜兩側(cè)通過的數(shù)目相等，達(dá)到平衡狀態(tài)。當(dāng)P>時，則鹽水中水分子將流向淡水中去，使鹽水增濃→反滲透。52滲透和反滲透C——溶液的物質(zhì)的量的濃度mol/m3

——系數(shù)，海水=1.8

可見實現(xiàn)反滲透過程必須具備二個條件：一是必須有一種高選擇性和高透水性的半透膜；二是操作壓力P>溶液的滲透壓。53（2）反滲透膜半透膜表皮層厚僅0.25-1um,表皮層的微孔徑0.6-0.9nm。膜對溶質(zhì)不僅有篩濾作用，而且還有膜對水分子的優(yōu)先吸附作用。反滲透膜以成膜材料分，主要有纖維素脂類膜和非纖維素脂類膜兩大類。目前研究得比較多和應(yīng)用比較廣的是醋酸纖維素膜（CA膜）和芳香族聚酰胺膜兩種。5454CA膜聚酰胺復(fù)合膜1．不可避免地會發(fā)生水解，脫鹽率會下降化學(xué)穩(wěn)定性好，不會發(fā)生水解，脫鹽率基本不變2．脫鹽率95%，逐年遞減脫鹽率高，>98%3．易受微生物侵襲生物穩(wěn)定性好，不受微生物侵襲4．只能在pH值4~7范圍內(nèi)運(yùn)行可在pH值3~11范圍內(nèi)運(yùn)行5．在運(yùn)行中膜會被壓緊，因而產(chǎn)水量會不斷下降膜不會被壓緊，因而產(chǎn)水量不變6．膜透水速度較小，要求工作壓力高，耗電量也較高膜透水速度高，故工作壓力低，耗電量也較低7．膜使用壽命一般為3年一般使用5年以上性能基本不變8．價格較便宜抗氯性較差，價格較高（2）反滲透膜55反滲透膜影響CA膜工作性能的因素有溫度、pH值、工作壓力、進(jìn)液流速和工作時間等。供水溫度一般以20-30度為宜，pH值范圍為3-7，以在酸性中工作為好。芳香族聚酰胺膜制成中空纖維膜時，其外徑45-85um，內(nèi)徑24-42um，表皮層厚0.1-1.0um。這類反滲透膜具有良好的透水性能、較高的脫鹽率，工作壓力低（2.74Mpa)、機(jī)械強(qiáng)度好、化學(xué)穩(wěn)定性好，能在pH值為4-11范圍內(nèi)使用，壽命長。56（3）反滲透裝置反滲透裝置主要有板框式、管式（內(nèi)壓管式、外壓管式）、螺旋式（卷式）和中空纖維式四種。中空纖維式膜的裝填密度最高，達(dá)9200m-1，操作壓力低，透水量低，但單位體積產(chǎn)水量高（每天690），其它三種形式，工藝參數(shù)相差不大。大型裝置常用螺旋式（卷式）和中空纖維式兩種。5758反滲透膜的污染原因和一般特征

污染原因一般特征鹽透過率組件的壓損產(chǎn)水量金屬氧化物增加速度快≥2倍增加速度快≥2倍急速降低20%~25%鈣沉淀物增加10%~25%增加10%~25%稍微減少<10%膠體物質(zhì)緩慢增加≥2倍緩慢增加≥2倍緩慢減少≥50%混合膠體增加速度快2~4倍緩慢增加≥2倍緩慢減少≥50%細(xì)菌增加速度快≥2倍增加速度快≥2倍減少≥50%（4）反滲透膜的污染及清洗592）清洗遵循的法則——10%法則

3）清洗工藝（4）反滲透膜清洗60（5）反滲透應(yīng)用：主要用于去除重金屬離子，貴重金屬被濃縮回收，滲透水也能重復(fù)利用。如：電鍍廢水的處理，照相洗印廢水的處理，酸性尾礦水的處理；另外，反滲透用于造紙廢水、印染廢水、石油化工廢水，醫(yī)院污水處理和城市污水的深度處理也都獲得了很好的效果。614噸雙級反滲透設(shè)備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)水成本膜法海水淡化費(fèi)用及能耗比較6363超濾與反滲透超濾有小孔的篩分作用，可不受滲透壓力的阻礙（超濾與反滲透的區(qū)別示意圖所示）之外，對于高分子物質(zhì)，還與溶質(zhì)—水—膜之間的相互作用有關(guān)。membraneFeedProductwater=permeateConcentrate=Retentate=Brinemembrane

microfiltrationultrafiltrationnanofiltrationreverseosmosisDecreaseofporesize/increaseofpumpingpressurePressuredrivenMembranefiltration6565超濾、微濾與反滲透膜及過程特性比較

過程膜特性過程特征結(jié)構(gòu)孔隙率/%孔徑/mm孔密度/cm-2截流分子量操作壓力/MPapH反滲透不對稱100200淡水2.8海水5.64~11超濾不對稱≈6020~1001011103~1060.3~1.051.5~13微濾對稱73~84102~105107~109很高0.2從分離機(jī)理比較，超濾膜是篩分、反滲透膜是溶解-擴(kuò)散分離，大部分納濾膜是電荷膜，其對無機(jī)鹽的分離行為不僅受到化學(xué)勢控制，同時也受到電勢梯度的影響。通透量理論：一種基于粒子懸濁液在毛細(xì)管內(nèi)流動的毛細(xì)管理論。水通量（Jw）和截留率（R）：W—透水量，A—膜的有效面積，t—時間c1—料液中溶質(zhì)濃度，c2—透過液中溶質(zhì)濃度通透量理論67四、擴(kuò)散滲析原理擴(kuò)散滲析是使高濃度溶液中的溶質(zhì)透過薄膜向低濃度溶液中遷移的過程。推動力是薄膜兩側(cè)的濃度差。使用離子交換膜的擴(kuò)散滲析，利用膜的選擇透過性，可以分離電解質(zhì)。

下頁圖示為離子交換膜(陰膜)回收廢酸的原理。應(yīng)用：主要用于生物醫(yī)學(xué)（如血液滲析）和廢酸、堿的回收，回收率可達(dá)70~90％，但不能將它們濃縮。其特點(diǎn)是不消耗能量。68擴(kuò)散滲析示意圖如圖所示，從酸洗鋼鐵廢水中回收硫酸。Fe2+H+SO42-Fe2+H+SO42-Fe2+H+SO42-Fe2+H+SO42-H+OH-H+OH-H+OH-殘液FeSO4原液H2SO4+FeSO4擴(kuò)散液H2SO4水H2O塑料板

陰膜

陰膜

陰膜

陰膜

陰膜

陰膜

塑料板①②③④⑤⑥⑦擴(kuò)散滲析器除了沒有電極以外，其它構(gòu)造與電滲析器基本相同。

因效率低，常被更有效的電滲析所替代。69五、電滲析(1)電滲析原理及過程電滲析是在直流電場的作用下，利用陰、陽離子交換膜對溶液中陰、陽離子的選擇透過性(即陽膜只允許陽離子通過，陰膜只允許陰離子通過)，而使溶液中的溶質(zhì)與水分離的一種物理化學(xué)過程。電滲析系統(tǒng)由一系列陰、陽膜交替置放于兩電極之間組成，如圖9-3所示。離子減少的隔室稱淡室，其出水為淡水；離子增多的隔室稱濃室，其出水為濃水；與電極板接觸的隔室稱極室，其出水為極水。而每個室內(nèi)離子的正負(fù)電荷仍是平衡的。70（1）電滲析原理和工作過程水解電離：H2O→H++OH-NaCl→Na++Cl-陽極（氧化反應(yīng)）：Cl-→Cl2↑+2e4OH-→O2↑+2H2O+4e陰極（還原反應(yīng)）：

2H++2e→H2↑如：海水淡化腐蝕結(jié)垢71（1）電滲析原理和工作過程電滲析器在運(yùn)行時．同時發(fā)生著多種復(fù)雜過程。反離子遷移電解質(zhì)濃差擴(kuò)散水的滲透、電滲和壓滲水的電離其中次要過程，如：反離子遷移和電解質(zhì)濃差擴(kuò)散將降低除鹽效果；水的滲透、電滲和壓滲會降低淡水產(chǎn)量和濃縮效果；水的電離會使耗電量增加，導(dǎo)致濃水室極化結(jié)垢等，因此，在電滲析器的設(shè)計和操作中，必須設(shè)法消除或改善這些次要過程的不利影響。72（2）電滲析膜的性能要求離子交換膜是電滲析器的關(guān)鍵部件離子交換膜通常按結(jié)構(gòu)（均相膜）、活性基團(tuán)和成膜材料（有機(jī)）來分類：按活性基團(tuán)的不同分為陽離子交換膜、陰離子交換膜和特殊離子交換膜。陽離子交換膜：指能離解出陽離子的離子交換膜，在膜結(jié)構(gòu)中含有酸性活性基團(tuán)的膜。陰離子交換膜：指能離解出陰離子的離子交換膜，在膜結(jié)構(gòu)中含有堿性活性基團(tuán)的膜。目前使用最多的磺酸型陽膜和季胺型陰膜都是有機(jī)均相膜。73（2）電滲析膜的性能要求選擇透過性高，要求在95%以上；導(dǎo)電性好，要求其導(dǎo)電能力應(yīng)大于溶液的導(dǎo)電能力。交換容量大溶脹率和含水率適量?；瘜W(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)；機(jī)械強(qiáng)度大。74P+或P-越大，則選擇透過性越好。膜電阻：Ω·cm2=電阻率×膜厚度膜電阻越小，則所需電壓越小，膜電阻在0.1M的NaCl（25℃）溶液中測得。（2）電滲析膜的性能要求7575（3）電滲析器的構(gòu)造電滲析器是由膜堆、極區(qū)和夾緊裝置三部分組成。極區(qū)：常用的電極有不銹鋼、石墨等膜對：一對陰、陽膜和一對濃、淡水隔板交替排列，組成的最基本脫鹽單元膜堆：若干膜對的集合體一級：一對正、負(fù)極之間的膜堆一段：具有同一水流方向的并聯(lián)膜堆將陰、陽離子交換膜和隔板交替排列、再配上陰、陽極就構(gòu)成了電滲析器。常用于水處理的電滲析器是由幾十到幾百個膜堆組成的壓濾型(也稱緊固型）電滲析器。其中隔板與膜的排列要求極嚴(yán)格，不允許有差錯，否則影響出水質(zhì)量。7676（3）電滲析器的構(gòu)造77電滲析器78（4）電滲析存在的問題及克服方法電滲析器運(yùn)行中存在的主要問題：極化和結(jié)垢。濃差極化及其不良后果在電滲析中，電流的傳導(dǎo)是靠陰、陽離子的定向遷移來完成的。當(dāng)電流提高到相當(dāng)程度，就會出現(xiàn)淡水側(cè)相界面處的離子濃度值趨于零的情況，此時在淡水側(cè)的邊界層中就會發(fā)生水分子的電離，產(chǎn)生H+和OH-

，參與傳導(dǎo)電流，以補(bǔ)充離子的不足。這種情況稱為濃差極化，此時的電流密度稱為極限電流密度。

極化結(jié)果→結(jié)垢→膜電阻增大，電流效率降低，膜的有效面積減小，壽命縮短，影響電滲析過程的正常進(jìn)行。79（4）電滲析存在的問題及克服方法極化最有效的防止方法是控制電滲析器在極限電流密度以下（70-90%）運(yùn)行。定期倒換電極和酸洗，可將膜上積聚的垢層溶解下來。電極區(qū)腐蝕陽極室中溶液呈酸性，氧、氯氣都有強(qiáng)烈的腐蝕性，采用抗腐蝕的電極板和膜。80（5）電滲析的操作控制電滲析操作控制中，最重要的是控制電能消耗和工作電流密度?？刂齐娔芟男鑿碾妷汉碗娏鲀煞矫婵紤]。為了提高電能效率就必須提高電流效率和電