氣體膜分離技術(shù)課件

高等分離工程氣體膜分離膜生物反應(yīng)器高等分離工程氣體膜分離膜生物反應(yīng)器1

氣體膜分離1254簡介原理膜材料

設(shè)備3

應(yīng)用氣體膜分離1254簡介原理膜材料2簡介氣體膜分離技術(shù)是利用原料混合氣中不同氣體對膜材料具有不同滲透率,以膜兩側(cè)氣體的壓力差為推動力,在滲透側(cè)得到滲透率大的氣體富集的物料,在未滲透側(cè)得到不易滲透氣體富集的分離氣,從而達(dá)到氣體分離目的。簡介氣體膜分離技術(shù)是利用原料混合氣中不同氣體對膜材料具有不同3一般來說,所有的高分子膜對一切氣體都是可滲透的,只不過不同氣體滲透速度各不相同.人們正是借助它們之間在滲透速率上的差異,來實(shí)現(xiàn)對某種氣體的濃縮和富集。通常人們把滲透較快的氣體叫“快氣”,因?yàn)樗莾?yōu)先透過膜并得到富集的滲透氣,而把滲透較慢的氣體叫“慢氣”,因?yàn)檩^多地滯留在原料氣側(cè)而成為滲余氣。“快氣”和“慢氣”不是絕對的,而是針對不同的氣體組成而言的,如對O2和H2體系來說,H2是“快氣”,O2是“慢氣”;而對O2和N2體系來說,O2則變?yōu)椤翱鞖狻?因?yàn)镺2比N2透過得快.因此,這主要由其所在體系中的相對滲透速率來決定。一般來說,所有的高分子膜對一切氣體都是可滲透的,只不過不41831年，英國人J.V.Mitchell系統(tǒng)地研究了天然橡膠的透氣性，首先揭示了膜實(shí)現(xiàn)氣體分離的可能性。1954年，P.Mears進(jìn)一步研究了玻璃態(tài)聚合物的透氣性，拓寬了膜材料的選擇范圍；1965年，S.A.Sterm等人為從天然氣中分離出氦進(jìn)行了含氟高分子膜的試驗(yàn)，但發(fā)現(xiàn)膜的通量小，氣體分離膜尚無法在工業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用；1979年，美國Monsanto（孟山都公司）研制出“Prism”氣體分離膜裝置，Monsanto公司也因此成為世界上第一個大規(guī)模的氣體分離膜專業(yè)公司。發(fā)展歷史1831年，英國人J.V.Mitchell系統(tǒng)地研究了天5氣體膜分離過程的關(guān)鍵是膜材料，目前用于氣體分離的膜種類繁多,根據(jù)結(jié)構(gòu)的差異將其分為2類:多孔膜和高分子致密膜(也稱非多孔膜)，它們可由無機(jī)膜材料和高分子膜材料組成。膜材料的類型與結(jié)構(gòu)對氣體滲透有著顯著影響。例如,氧在硅橡膠中的滲透要比在玻璃態(tài)的聚丙烯腈中的滲透大幾百萬倍。氣體分離用膜材料的選擇需要同時兼顧其滲透性與選擇性。氣體膜分離技術(shù)課件6膜材料要求高透氣性、良好的透氣選擇性高的機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)良的熱和化學(xué)穩(wěn)定性良好的成膜加工性能膜材料要高透氣性、良好的透氣選擇性高的機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)良的熱和化學(xué)7

按材料的性質(zhì)區(qū)分,氣體分離膜材料主要有高分子材料、無機(jī)材料和高分子-無機(jī)復(fù)合材料三大類。目前氣體分離用膜材料主要有高分子聚合物膜材料和無機(jī)膜材料兩大類。高分子膜因具有制造成本低、結(jié)構(gòu)可控性強(qiáng)、成膜性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于氣體分離膜的制備①高分子材料

高分子材料分橡膠態(tài)膜材料和玻璃態(tài)膜材料兩大類。玻璃態(tài)聚合物與橡膠態(tài)聚合物相比選擇性較好,其原因是玻璃態(tài)的鏈遷移性比后者低得多。玻璃態(tài)膜材料的主要缺點(diǎn)是它的滲透性較低,橡膠態(tài)膜材料的普遍缺點(diǎn)是它在高壓差下容易膨脹變形。目前,研究者們一直致力于研制開發(fā)具有高透氣性和透氣選擇性、耐高溫、耐化學(xué)介質(zhì)的氣體分離膜材料,并取得了一定的進(jìn)展。 按材料的性質(zhì)區(qū)分,氣體分離膜材料主要有高分子材料、無機(jī)材料8高分子有機(jī)膜做成的氣體膜,一般是復(fù)合膜,分三層結(jié)構(gòu),由不同材料制成的,如圖所示底面是無紡布支撐層;中間是多孔膜支撐層,它具有不對稱結(jié)構(gòu),要求對氣體滲透沒有阻力;最上層為致密膜。常規(guī)高分子膜大多存在滲透性和選擇性相互制約的Trade-off現(xiàn)象，即Ｒobeson上限。為了保證較高的氣體選擇性，目前工業(yè)上使用的高分子氣體分離膜普遍存在滲透性偏低的難題高分子有機(jī)膜做成的氣體膜,一般是復(fù)合膜,分三層結(jié)構(gòu),由9②無機(jī)材料無機(jī)膜屬固態(tài)膜的一種,是由無機(jī)材料、無機(jī)高分子材料制成的半透膜,根據(jù)其組成不同,它包括Al2O3

、ZrO2

、TiO2

、SiO2

、C、SiC及其復(fù)合膜;此外,硅酸鹽材料及沸石材料也備受重視。

無機(jī)膜的主要優(yōu)點(diǎn)有：物理、化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性好,耐有機(jī)溶劑、氯化物和強(qiáng)酸、強(qiáng)堿溶液,并且不被微生物降解,孔徑分布窄;操作簡單、迅速、便宜。受目前工藝水平的限制,無機(jī)膜的缺點(diǎn)為：制造成本相對較高,大約是相同膜面積高分子膜的10倍;質(zhì)地脆,需要特殊的形狀和支撐系統(tǒng);制造大面積穩(wěn)定的且具有良好性能的膜比較困難;膜組件的安裝、密封(尤其是在高溫下)比較困難;表面活性較高。由于陶瓷膜的這些特點(diǎn),目前它主要用于一些高分子膜所無法應(yīng)用的一些領(lǐng)域,如高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕性環(huán)境中,所以采用無機(jī)膜進(jìn)行高溫氣體凈化更具實(shí)用性,如ceramen公司設(shè)計(jì)了一種新型膜過濾器,對氣體的除塵率達(dá) 99.99%以上。②無機(jī)材料10③高分子-無機(jī)復(fù)合或雜化材料采用高分子-陶瓷復(fù)合膜,以耐高溫高分子材料為分離層,陶瓷膜為支撐層,既發(fā)揮了高分子膜高選擇性的優(yōu)勢,又解決了支撐層膜材料耐高溫、抗腐蝕的問題,為實(shí)現(xiàn)高溫、腐蝕環(huán)境下的氣體分離提供了可能性。。③高分子-無機(jī)復(fù)合或雜化材料11根據(jù)氣體通過膜的分離機(jī)理不同其原理主要有以下兩種：機(jī)理1、粘性流動機(jī)制2、Knudsen（諾森）擴(kuò)散3、表面擴(kuò)散機(jī)制4、分子擴(kuò)散溶解擴(kuò)散機(jī)理：微孔擴(kuò)散機(jī)理吸著解吸擴(kuò)散致密膜多孔膜根據(jù)氣體通過膜的分離機(jī)理不同其原理主要有以下兩種：機(jī)1、粘性12氣體在微孔膜中的分離效應(yīng)決定因素諾森數(shù)

氣體分子的平均運(yùn)動自由程；

膜的平均孔徑；氣體在多孔膜中的分離機(jī)理氣體透過多孔膜的過程,有的可以用一種機(jī)理來解釋,有的可能同時存在2種以上的機(jī)理,這取決于膜對氣體的分離性能,與氣體性質(zhì)及膜孔徑大小有關(guān)氣體在微孔膜中的分離效應(yīng)決定因素諾森數(shù)氣體在多孔膜中的分離13粘性流是指孔徑大于操作條件氣體分子的平均運(yùn)動自由程，孔內(nèi)分子流動受分子之間碰撞作用支配

即：

<1

粘性流模型：粘性流粘性流是指孔徑大于操作條件氣體分子的平均運(yùn)動自由程，孔內(nèi)分子14Knudsen擴(kuò)散流Knudsen擴(kuò)散流（分子流）是指孔徑小于操作條件下的氣體分子平均運(yùn)動自由程，孔內(nèi)分子流動受分子與孔壁之間的碰撞作用支配諾森數(shù)

>1擴(kuò)散流模型：Knudsen擴(kuò)散流Knudsen擴(kuò)散流（分子流）是指孔徑小15表面擴(kuò)散流氣體分子吸附在膜孔壁上，在濃度差的作用下，分子沿膜孔表面移動，產(chǎn)生表面擴(kuò)散流通常沸點(diǎn)低的氣體易被孔壁吸附，而且操作溫度越低，孔徑越小，表面擴(kuò)散越顯著表面擴(kuò)散流機(jī)理在蒸氣分離中一般比努森擴(kuò)散有效。表面擴(kuò)散流氣體分子吸附在膜孔壁上，在濃度差的作用下，分子沿膜16毛細(xì)管凝膠模型在膜孔比分子篩稍大幾或十幾10

m中氣體混合物中易冷凝組分在毛細(xì)管凝聚作用下在孔內(nèi)冷凝，阻礙了其他組分分子通過，從而達(dá)到分離效果毛細(xì)管凝聚對蒸氣混合物的分離效果尤其顯著毛細(xì)管凝膠模型在膜孔比分子篩稍大幾或十幾10m中17分子篩篩分膜孔介于不同氣體分子直徑之間直徑小的分子就能通過膜孔，而大分子就被擋住，達(dá)到分離效果分子篩篩分模型分子篩篩分膜孔介于不同氣體分子直徑之間18在高分子致密膜中,普遍被認(rèn)可的是“溶解-擴(kuò)散”機(jī)理。整個過程可分為3步:首先氣體分子被吸附在膜表面,接著在濃度梯度的作用下,氣體分子擴(kuò)散通過膜,然后在膜的另一側(cè)解吸,達(dá)到分離的目的。氣體通過膜的擴(kuò)散過程可以用Fick定律來表示,即：

（1）

式中:J為氣體透過膜的滲透速率(cm3/(cm2·s));D為擴(kuò)散系數(shù)(cm2/s);dc/dx為氣體通過膜的濃度。在穩(wěn)態(tài)下,J可看成常數(shù),D亦為常數(shù),積分式(1)可得

（2）

式中:c0

和c1分別為膜上游及下游氣體濃度;

l為膜的厚度(cm)。當(dāng)壓力較低時,氣體在膜內(nèi)的濃度可用Henry定律來表示,即

（3）式中:S為Henry溶解常數(shù),即氣體溶解度系數(shù)(cm3/(cm3·kPa));p為氣體壓力(kPa)。在高分子致密膜中,普遍被認(rèn)可的是“溶解-擴(kuò)散”機(jī)理。整個過19將式(3)代入式(2)可得

(4)

式中：P為氣體滲透系數(shù)(cm3·cm/(cm2·s·kPa)),而

(5)高分子致密膜對氣體的選擇分離能力通?？梢杂梅蛛x系數(shù)來表示,即

(6)因此,分離系數(shù)αA/B可以看成是混合氣體中A和B的2種組分的擴(kuò)散系數(shù)和溶解度系數(shù)的函數(shù)。c氣體在高分子致密膜中的分離機(jī)理將式(3)代入式(2)可得c氣體在高分子致密膜中的分離機(jī)理20其滲透機(jī)理可由溶解-擴(kuò)散模型來說明。首先是氣體與膜接觸,如圖(a),接著是氣體在膜的表面溶解(稱為溶解過程),如圖(b);其次是因氣體溶解產(chǎn)生的濃度梯度使氣體在膜中向前擴(kuò)散(稱為擴(kuò)散過程);隨后氣體就達(dá)到膜的另一側(cè),此時過程一直處于非穩(wěn)定狀態(tài),如圖(c),一直到膜中氣體的濃度梯度沿膜厚度方向變成直線時達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),如圖(d)。從這個階段開始,氣體由膜的另一側(cè)脫附出去,其速度恒定。所以,氣體透過均質(zhì)膜的過程為溶解、擴(kuò)散、脫附三個步驟。c氣體在高分子致密膜中的分離機(jī)理其滲透機(jī)理可由溶解-擴(kuò)散模型來說明。首先是氣體與膜接觸,如圖21D擴(kuò)散系數(shù)為一動力學(xué)參數(shù)，表示了滲透物通過膜傳遞的速率的快慢。它主要取決于氣體分子的大小及聚合物膜的種類擴(kuò)散系數(shù)反比于分子大小，擴(kuò)散系數(shù)隨溫度而增加D擴(kuò)散系數(shù)為一動力學(xué)參數(shù)，表示了滲透物通過膜傳遞的速率22聚合物擴(kuò)散系數(shù)N2O2H2(298)(298)(298)天然橡膠1.11.610.2聚丁二烯1.11.59.6丁苯橡膠1.11.49.9聚四氟乙烯0.10.15聚苯乙烯0.060.114.4聚氯乙烯0.0040.0120.50聚醋酸乙酯0.030.052.1部分氣體在聚合物中的擴(kuò)散系數(shù)聚合物擴(kuò)散系數(shù)N2O2H2(298)(298)(298)天然23溶解度系數(shù)S溶解度系數(shù)表示聚合物膜對氣體的溶解能力，為一熱力學(xué)參數(shù)與液體相比，氣體分子與聚合物的親和作用很低，所以氣體在聚合物中溶解度很低（一般<0.2%），符合Henry定律。溶解度主要取決于冷凝的難易程度。大分子容易冷凝的溶解度高。對于一給定氣體分子，其溶解度隨著其與聚合物的親和力加強(qiáng)而增大

溶解度系數(shù)S溶解度系數(shù)表示聚合物膜對氣體的溶解能力，為一24聚合物N2O2H2天然橡膠0.0550.1120.037聚丁二烯0.0450.0970.033丁苯橡膠0.0480.0940.031聚苯乙烯0.055聚氯乙烯0.0240.0290.026聚醋酸乙酯0.020.040.023部分氣體在聚合物中的溶解度系數(shù)聚合物N2O2H2天然橡膠0.0550.1120.037聚丁25滲透率J滲透率的物理意義是單位時間、單位膜面積、單位推動力作用下所透過氣體的量。單位為cm3（STP）/（cm2·s·cmHg），SI制單位為m3（STP）/（m2·s·Pa）。J是氣體性質(zhì)、膜材料的性質(zhì)及膜結(jié)構(gòu)的函數(shù)，用下列公式計(jì)算：

滲透率J滲透率的物理意義是單位時間、單位膜面積、單位26氣體分離過程中描述均質(zhì)膜氣體透過性的參數(shù),由分離氣體和膜的性質(zhì)所決定。滲透系數(shù)可通過下式求得，L為膜厚：滲透系數(shù)P氣體分離過程中描述均質(zhì)膜氣體透過性的參數(shù),由分離氣體和膜的性27

分離系數(shù)α描述氣體分離膜的選擇性，可用兩種氣體滲透系數(shù)之比表示，即滲透率之比

分離系數(shù)α描述氣體分離膜的選擇性，可用兩種氣體滲透系數(shù)之28影晌滲透通量與分離系數(shù)的因素①壓力氣體膜分離的推動力為膜兩側(cè)的壓力差,壓差增大,氣體中各組分的滲透通量也隨之升高。但實(shí)際操作壓差受能耗、膜強(qiáng)度、設(shè)備制造費(fèi)用等條件的限制,需要綜合考慮才能確定。②膜的厚度膜的致密活性層的厚度減小,滲透通量增大。減小膜厚度的方法是采用復(fù)合膜,此種膜是在非對稱膜表面加一層超薄的致密活性層,降低可致密活性層的厚度,使?jié)B透通量提高。影晌滲透通量與分離系數(shù)的因素①壓力29

③膜材質(zhì)氣體分離用膜多采用高分子材料制成,氣體通過高分子膜的滲透程度取決于高分子是“橡膠態(tài)”還是“玻璃態(tài)”。橡膠態(tài)聚合物具有高度的鏈遷移性和對透過物溶解的快速響應(yīng)性。氣體與橡膠之間形成溶解平衡的過程,在時間上要比擴(kuò)散過程快得多。因此,橡膠態(tài)膜比玻璃態(tài)膜滲透性能好,如氧在硅橡膠中的滲透性要比在玻璃態(tài)的聚丙烯腈中大幾百萬倍。但其普遍缺點(diǎn)是它在高壓差下容易變形膨脹;而玻璃態(tài)膜的選擇性較好。氣體分離用高分子膜的選定通常是在選擇性與滲透性之間取"折中"的方法,這樣既可提高滲透通量又可增大分離系數(shù)。④溫度溫度對氣體在高分子膜中的溶解度與擴(kuò)散系數(shù)均有影響,一般說來溫度升高,溶解度減小,而擴(kuò)散系數(shù)增大。但比較而言,溫度對擴(kuò)散系數(shù)的影響更大,所以,滲透通量隨溫度的升高而增大。影晌滲透通量與分離系數(shù)的因素③膜材質(zhì)影晌滲透通量與分離系數(shù)的因素30氣體膜分離流程

氣體膜分離流程可分為單級的、多級的。當(dāng)過程的分離系數(shù)不高，原料氣的濃度低或要求產(chǎn)品較純時,單級膜分離不能滿足工藝要求,因此,采用多級膜分離,即將若干膜器串聯(lián)使用,組成級聯(lián)。常用的氣體膜分離級聯(lián)有以下三種類型。

(1)、簡單級聯(lián)簡單級聯(lián)流程見下圖,每一級的滲透氣作為下一級的進(jìn)料氣,每級分別排出滲余氣，物料在級間無循環(huán)，進(jìn)料氣量逐級下降，末級的滲透氣是級聯(lián)的產(chǎn)品。氣體膜分離流程氣體膜分離流程可分為單級的、多級的31(2)精餾級聯(lián)精餾級聯(lián)的流程見下圖,每一級的滲透氣作為下一級的進(jìn)料氣,將末級的滲透氣作為級聯(lián)的易滲產(chǎn)品,其余各級的滲余氣入前一級的進(jìn)料氣中,還將部分易滲產(chǎn)品作為回流返回本級的進(jìn)料氣中,整個級聯(lián)只有兩種產(chǎn)品。其優(yōu)點(diǎn)是易滲產(chǎn)品的產(chǎn)量與純度比簡單級聯(lián)有所提高。氣體膜分離流程

(2)精餾級聯(lián)精餾級聯(lián)的流程見下圖,每一級的滲透氣作為32(3)提餾級聯(lián)提餾級聯(lián)流程見下圖,每一級的滲余氣作為下一級的進(jìn)料氣,將末級的滲余氣作為級聯(lián)的產(chǎn)品,第一級的滲透氣作為級聯(lián)的易滲產(chǎn)品,其余各級的滲透氣并入前一級的進(jìn)料氣中。整個級聯(lián)只有兩種產(chǎn)品,其優(yōu)點(diǎn)是難滲產(chǎn)品的產(chǎn)量與純度比簡單級聯(lián)有所提高。氣體膜分離流程

(3)提餾級聯(lián)提餾級聯(lián)流程見下圖,每一級的滲余氣作為下33分離膜只有組裝成膜分離器，并與機(jī)、泵、過濾器、閥、儀表、管路等裝配成流程才能完成分離任務(wù)。分離器選擇、設(shè)計(jì)和制做的好壞，直接影響到分離過程最終完成的效果。原料側(cè)與透過側(cè)的流體有良好的流動狀態(tài)，如無濃度差極化、無反混、密封性良好等在單位體積的分離器內(nèi)有較大的分離膜的面積操作費(fèi)用小，制造成本低能適應(yīng)操作條件，安全可靠，易維護(hù)等膜分離器應(yīng)盡量保證：氣體膜分離設(shè)備

分離膜只有組裝成膜分離器，并與機(jī)、泵、過濾器、閥、儀表、管路34膜分離裝置卷式膜分離裝置板框式膜分離裝置管式膜分離裝置中空纖維式膜分離裝置氣體膜分離設(shè)備

膜分離裝置卷式膜分離裝置板框式膜分離裝置管式中空纖維式膜分離35板框式膜分離器(Plate-and-FrameModules)是以傳統(tǒng)的壓濾機(jī)為原型最早被設(shè)計(jì)開發(fā)的膜分離器制造成本較高對密封要求極嚴(yán)格應(yīng)用相對較少，主要用于特殊的膜分離過程中，如電滲析、滲透蒸發(fā)以及小規(guī)模的超濾和反滲透板框式膜分離器(Plate-and-FrameModule36管式膜分離器(TubularModules)

最早應(yīng)用于1961年，將管式膜和制成管狀的支撐體裝在一起，或?qū)⒛ぶ苯又圃谥喂苌?，然后用單管或管束裝在殼體內(nèi)制成分離器，其結(jié)構(gòu)類似于列管式換熱器。管式膜分離器(TubularModules)最早應(yīng)用于137分類：內(nèi)壓管式膜：原料物流走管內(nèi)，透過物流走管外，則稱為內(nèi)壓管式膜分離器；外壓管式膜：原料物流走管外，物質(zhì)在推動力下由管外向管內(nèi)滲透，滲透物流走管內(nèi)，稱為外壓管式膜分離器。特點(diǎn)：膜填裝密度太低，成本較高所以逐漸被螺旋卷式和中空纖維式膜分離器所代替。有較好的物流流動狀態(tài)和較強(qiáng)的抗污染能力，因此，它們?nèi)栽谝恍┏瑸V、納米過濾過程中應(yīng)用。管式膜分離器(TubularModules)分類：特點(diǎn)：管式膜分離器(TubularModules)38螺旋卷式膜分離器(Sprial-WoundModules)UOP公司1964年開發(fā)出的一種新型膜組件。將兩張長方形的平板膜疊合，并將其中的三個邊密封、粘結(jié)成信封裝的膜袋，在膜袋內(nèi)夾有間隔材料或支撐材料，再將膜袋另一側(cè)開口邊與一根多孔收集管密封連接。螺旋卷式膜分離器(Sprial-WoundModules)39

膜袋的數(shù)目稱為葉數(shù)，有一葉、二葉、四葉或更多葉的分離器。四葉螺旋卷式分離器示意圖見下圖：螺旋卷式膜分離器(Sprial-WoundModules)膜袋的數(shù)目稱為葉數(shù)，有一葉、二葉、四葉或更多葉的分離器。四40中空纖維膜分離器從廣義的概念來說是管式膜分離器的一種。但中空纖維膜在分離器內(nèi)不需要支撐物，是自身支撐。中空纖維膜可分為兩種結(jié)構(gòu)一種結(jié)構(gòu)如圖a，中空纖維束裝在耐壓的金屬殼體中，纖維束一端封閉，一端開口，原料流體走纖維外側(cè)，在推動力的作用下，可滲透物質(zhì)由纖維外側(cè)滲透進(jìn)纖維絲內(nèi)，并從纖維束的開口端排出。中空纖維膜分離器從廣義的概念來說是管式膜分離器的一種。但中空41

另一種結(jié)構(gòu)如圖b，纖維束兩端都是開口的，原料流體可以走絲外，亦可走絲內(nèi)，同樣滲透流體亦可走絲外或絲內(nèi)。原料流體走絲內(nèi)時，中空纖維所能承受的壓力，不如走絲外時高。中空纖維膜分離器另一種結(jié)構(gòu)如圖b，纖維束兩端都是開口的，原料流體可以走絲外42中空纖維膜分離器中空纖維膜分離器43膜分離器的選擇主要考慮以下因素成本膜的填裝密度抗污染能力膜材料制成相應(yīng)的膜是否有限制是否適合特定的操作條件膜分離器的選擇主要考慮以下因素成本膜的填裝密度抗污染能力膜材44各種形式的膜分離器的主要特征中空纖維式螺旋卷式板框式管式制造成本($/m2)5-2030-100100-30050-200膜填裝密度高中低低抗污染能力差中好很好流動阻力高中中低高壓操作適合一般困難困難膜成型限制有無無無各種形式的膜分離器的主要特征中空纖維式螺旋卷式板框式管式制造451膜組件結(jié)構(gòu)簡單，便于連續(xù)操作，易與其他分離過程或反應(yīng)過程耦合，易維修和自控，易于放大2膜分離過程條件溫和，因而特別適用于熱敏性物質(zhì)的分離、濃縮、分級與富集;3膜分離過程可同時實(shí)現(xiàn)分離與濃縮、分離與反應(yīng)，很大程度提高了過程效率4膜的性能方面可靈活調(diào)節(jié)5膜分離過程還適于許多特殊溶液體系的分離，如近沸物或共沸物的分離6膜分離過程一般無需從外界加入其他物質(zhì)，可保護(hù)環(huán)境和節(jié)約資源7多數(shù)膜分離過程無相變發(fā)生，能耗通常較低1膜組件結(jié)構(gòu)簡單，便于連續(xù)操作，易與其他分離過程或反應(yīng)過程耦46氣體膜分離技術(shù)課件47氣體膜分離技術(shù)課件48膜法提氫膜法富氧、富氮有機(jī)蒸氣回收天然氣脫濕、提氫、脫二氧化碳和脫硫化氫等氣體膜分離技術(shù)應(yīng)用自1980年來,利用聚合物致密膜分離工業(yè)氣體的方法急劇增長,廣泛用于：膜法提氫膜法富氧、富氮有機(jī)蒸氣回收天然氣脫濕、提氫、脫二氧化49如圖所示為美國Monsanto公司建成的合成氨弛放氣回收氫氣的典型流程。合成氨弛放氣首先進(jìn)入水清洗塔除去或回收其中夾帶的氨氣,從而避免氨對膜性能的影響。經(jīng)過預(yù)處理的氣體進(jìn)入第一組滲透器,透過膜的氣體作為高壓氫氣回收,滲余氣流經(jīng)第二組滲透器中,滲透氣體作為低壓氫氣回收。滲余氣體中氫氣含量較少,作為廢氣燃燒,兩段回收的氫氣循環(huán)使用。膜法進(jìn)行氣體的分離最早用于氫氣的回收。典型的例子是從合成氨弛放氣中回收氫氣。在合成氨生產(chǎn)過程中每天將有大量氫氣的高壓段被混在弛放氣中白白地?zé)?如果不加以回收,將會造成很大的浪費(fèi)。氫氣的回收如圖所示為美國Monsanto公司建成的合成氨50原料氣壓力/psia氫濃度/V%原料氣滲透氣原料氣產(chǎn)品氫油品加氫脫硫尾氣6101506095石腦油加氫脫硫尾氣4801508097石腦油加氫脫硫尾氣6002508598柴油加氫尾氣5301707095油品加氫尾氣7001006194流化催化裂化尾氣8501001260流化催化裂化尾氣680852684流化催化裂化尾氣650501773催化重整尾氣5751758097油品加氫尾氣9506008898加氫裂化尾氣10502506594油品加氫尾氣8502506892催化重整尾氣7202207998催化重整尾料氣壓力/psia氫濃度/V%原料氣滲透氣原料氣產(chǎn)品氫油品51從加氫脫硫尾氣中回收氫氣的經(jīng)濟(jì)性對比從加氫脫硫尾氣中回收氫氣的經(jīng)濟(jì)性對比52氮、氧分離空氣中含氮79%,含氧21%。選用易于透過O2膜,在透過側(cè)得到富集的O2,其濃度為30%~40%;另一側(cè)得到富集的氮?dú)?其濃度可達(dá)95%。膜法富氮與深冷和變壓吸附法相比具有成本低、操作靈活、安全、設(shè)備輕便、體積小等優(yōu)點(diǎn)。氮、氧分離空氣中含氮79%,含氧21%。選用易于透過O2膜,53合成天然氣(液化石油氣或石腦油精制氣體)是城市煤氣的主要來源之一。由于天然氣中的CO2的含量(摩爾分?jǐn)?shù))為18%~21%,如此高的CO2濃度會降低合成天然氣的熱值和燃燒速率。因此,需將合成天然氣中的CO2含量降至2.5%~3.0%。脫除合成天然氣中的CO2制備城市煤氣合成天然氣(液化石油氣或石腦油精制氣體)是城市煤氣的主要來源54圖為膜法制備城市煤氣的工藝流程圖。液化石油氣或石腦油在熱交換器中加熱到300~400℃,通入脫硫塔,在鎳-鉬催化劑的作用下,含硫化合物反應(yīng)生成H2S,用ZnO吸附H2O。脫硫后的氣體在管道內(nèi)與水蒸氣混合,在加熱爐中加熱到550℃,進(jìn)入甲烷轉(zhuǎn)化器合成甲烷。合成天然氣經(jīng)熱交換器降溫到40~50℃進(jìn)入一級膜分離器,滲余氣富含甲烷,輸入城市煤氣管道,透過氣中含有少量甲烷,經(jīng)壓縮機(jī)加壓進(jìn)入二級膜分離器,透過氣可作為加熱爐或蒸汽鍋爐的燃料,剩余氣體回流,重新輸入一級膜分離器。脫除合成天然氣中的CO2制備城市煤氣圖為膜法制備城市煤氣的工藝流程圖。液化石油氣或石腦油在熱交55有機(jī)廢氣的回收在許多石油化工、制藥、油漆涂料、半導(dǎo)體等工業(yè)中,每天有大量的有機(jī)廢氣向大氣中散發(fā)。廢氣中揮發(fā)性的有機(jī)物(簡稱VOC)大多具有毒性,部分已被列為致癌物。VOC的處理方法有兩類：破壞性消除法和回收法。膜分離法作為一種有前途的回收法比其他方法都經(jīng)濟(jì)可行。圖為膜法與冷凝法結(jié)合的流程。經(jīng)壓縮后的有機(jī)廢氣進(jìn)入冷凝器,氣體中的一部分VOC被冷凝下來,冷凝液可以再利用,而未凝氣體進(jìn)入膜組件中,其中VOC在壓力差的推動下透過膜,滲余氣為脫除VOC的氣體,可以直接放空;透過氣中富含有機(jī)蒸氣,該氣體循環(huán)至壓縮機(jī)的進(jìn)口。由于VOC的循環(huán),回路中VOC濃度迅速上升,當(dāng)進(jìn)人冷凝器的壓縮氣體達(dá)到VOC的凝結(jié)濃度時,VOC又被冷凝下來。有機(jī)廢氣的回收在許多石油化工、制藥、油漆涂料、半導(dǎo)體等工業(yè)中56部分有機(jī)蒸氣膜法回收項(xiàng)目運(yùn)行效果大連有機(jī)合成廠2002年12月經(jīng)自控整改后，運(yùn)行至今，回收率在90%以上。膜使用壽命已達(dá)到18個月。每年回收丙烯效益可達(dá)400萬元南京金陵塑料廠膜使用接近2年，回收率在85%以上，每年回收丙烯效益可達(dá)300萬元寧波甬興化工公司回收率在95%以上，每年回收丙烯效益可達(dá)150萬元其他于2003年新上裝置，回收率均在90%以上。以上項(xiàng)目投資均在40萬元左右，技術(shù)指標(biāo)不低于國際國內(nèi)的其他公司，投資回收期均不超過半年，短的一個月即可收回所有投資有機(jī)廢氣的回收部分有機(jī)蒸氣膜法回收項(xiàng)目運(yùn)行效果大連有機(jī)合成廠2002年1257天然氣中的飽和水蒸氣在輸送過程中會凝結(jié)、凍結(jié)而堵塞管道。膜法脫水是新近推出的技術(shù)。該分離過程設(shè)備簡單、投資低、裝卸容易、操作方便,具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。如下圖為天然氣膜法脫水的工藝流程。從井口出來的天然氣經(jīng)過預(yù)熱、節(jié)流、集氣后,進(jìn)入膜法脫水工段。在此工段,天然氣首先進(jìn)行前處理,目的是脫除其中的固體物質(zhì)、液態(tài)水及液態(tài)烴等,然后經(jīng)換熱器,氣體溫度升高到5~10℃,使氣體遠(yuǎn)離露點(diǎn),避免水蒸氣在膜內(nèi)冷凝。最后,氣體進(jìn)入中空纖維膜組件殼程,水蒸氣在壓力差推動下透過膜而進(jìn)入管程,滲透氣即可以直接排放也可以經(jīng)過處理后回收再利用,脫除了水分后的干燥氣體作為產(chǎn)品氣輸入天然氣管道。天然氣的脫水干燥天然氣中的飽和水蒸氣在輸送過程中會凝結(jié)、凍結(jié)而堵塞管道。膜法58氣體膜分離技術(shù)課件59混合氣體

應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)問題H2/N2從合氨馳放氣中回收氫氣是成功的，但要除掉可凝結(jié)的H2O或NH3H2/CH4從加氫過程中回收H2是成功的，不過可凝結(jié)的烴對膜是致命的H2/CO調(diào)節(jié)合成氣的比例是成功的，不過要除掉可凝結(jié)的甲醇O2/N2

富氮惰性介質(zhì)實(shí)用的為95%，希望有更高選擇性的膜,使氮濃度98%以上，與PSA相媲美家庭醫(yī)用富氧在技術(shù)上不存在大的問題，但市場小富氧爐氣

高溫爐需要設(shè)計(jì)，可滿足經(jīng)濟(jì)上的需要，因新制的膜具有調(diào)整生產(chǎn)的能力高富氧(>90%)氣體高聚物膜的選擇性太低，如要實(shí)現(xiàn)高富氧，需要α=6.0的膜酸性氣體/烴從生物氣中回收CO2是成功的，在消除可凝結(jié)的有機(jī)物方面可與PSA法相媲美；從井口氣回收CO2是成功的，但要除掉可凝結(jié)物和提高生產(chǎn)能力，并需要耐老化從天然氣中脫除H2S沒有現(xiàn)成的設(shè)備，不過現(xiàn)行的膜可以使用H2O/烴

天然氣脫水

是有效的，不過存在烴的流失H2O/空氣必要的空氣去濕對中等露點(diǎn)有效，問題是濃差極化烴/空氣

控制污染和回收溶劑對氯化烴分離是成功的.烴(CH4)/N2提高BTU氣體的等級現(xiàn)有膜的選擇性不足以防止甲烷過量損失He/烴從氣井回收氦

低濃度的氦原料需多級操作；市場小He/N2從潛水的混合中回收氦可行，市場小氣體膜分離的應(yīng)用領(lǐng)域混合氣體應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)問題H2/N2從合氨馳放氣60公司CO2H2O2N2其它分離器形式A/GTechnology(AVIR)

中空纖維式AirProducts(Separex)

卷

式Cynara(Dow)

中空纖維式Dow(Generon)

中空纖維式DuPont

中空纖維式GKSS

板

框

式GraceMembraneSystems

卷

式MembraneTech.&Resch

卷

式Monsanto

中空纖維式OxygenEnrichmentCo

板

框

式PermaPure

中空纖維式Techmashexport

板

框

式Toyobo

中空纖維式UbeIndustries

中空纖維式Unioncabide(Linde)

中空纖維式世界上主要?dú)怏w膜分離裝置供應(yīng)商及應(yīng)用領(lǐng)域公司CO2H2O2N2其它分離器形式A/GTechnolo61主要工業(yè)化的氣體分離膜技術(shù)氮?dú)淠ぶ饕獞?yīng)用于煉油廠含氫氣的氫回收；化肥廠合成放空氣的氫回收；甲醇廠尾氣的氫回收；氫氣、一氧化碳的氣調(diào)富氧膜主要應(yīng)用于工業(yè)鍋爐、玻璃窯爐的富氧助燃、醫(yī)療保健、健康空調(diào)及化肥廠的大型富氧連續(xù)氣化等方面。氧氣的最高濃度可達(dá)45%。富氮膜主要應(yīng)用于油田的三次采油、化工行業(yè)的氮?dú)廨斔图凹耶a(chǎn)品的氣調(diào)庫等方面。配合純化技術(shù)氮?dú)獾淖罡邼舛瓤蛇_(dá)99.995%。有機(jī)蒸氣膜從聚合反應(yīng)馳放氣中回收乙烯、丙烯、丁烯、氯乙烯、氯甲烷等有機(jī)蒸汽。

主要工業(yè)化的氣體分離膜技術(shù)氮?dú)淠ぶ饕獞?yīng)用于煉油廠含氫氣的氫回62安慶石化柴油加氫尾氣氫氣提濃裝置鎮(zhèn)海煉化裂化干氣PSA解吸氣氫氣提濃裝置工業(yè)化的氣體分離膜技術(shù)安慶石化柴油加氫尾氣氫氣提濃裝置鎮(zhèn)海煉化裂化干氣PSA解吸氣63金陵石化脫硫干氣氫回收裝置金陵石化重整還原氫提濃裝置主要工業(yè)化的氣體分離膜技術(shù)金陵石化脫硫干氣氫回收裝置金陵石化重整還原氫提濃裝置主要工業(yè)64吉林石化氯甲烷膜法回收裝置膜法天然氣脫水工業(yè)裝置主要工業(yè)化的氣體分離膜技術(shù)吉林石化氯甲烷膜法回收裝置膜法天然氣脫水工業(yè)裝置主要工業(yè)化的65合成氨放空氣氫回收裝置采用膜分離技術(shù)的丙烯回收裝置主要工業(yè)化的氣體分離膜技術(shù)合成氨放空氣氫回收裝置采用膜分離技術(shù)的丙烯回收裝置主要工業(yè)化66目前國外已經(jīng)開發(fā)了新的組合工藝,例如膜分離法與變壓吸附法整合,用于提高煉廠氫氣的回收率或氫氣的純度;或用于從空氣中生產(chǎn)干燥的高純度氮?dú)?或用于煉廠干氣中回收乙烯、丙烯原料氣。膜法與化學(xué)催化反應(yīng)的整合,可大大提高反應(yīng)速率。膜法與深冷分離法整合,可大大降低能耗,另外目前正在開發(fā)推廣的一種新型膜分離技術(shù)——滲透氣化技術(shù),它類似氣體膜分離原理,但該技術(shù)用于液體混合物的分離,以低的能耗實(shí)現(xiàn)蒸餾、萃取、吸附等傳統(tǒng)的方法難于完成的分離任務(wù),在石化工業(yè)領(lǐng)域中更具有廣闊的市場應(yīng)用前景。幾十年后,煉化企業(yè)很多分離工藝很可能將要被膜分離技術(shù)及膜和其它分離的集成技術(shù)所代替.總之氣體膜分離技術(shù)是21世紀(jì)的高新技術(shù),而且是不斷在發(fā)展的新技術(shù).氣體分離膜技術(shù)展望目前國外已經(jīng)開發(fā)了新的組合工藝,例如膜分離法與變壓吸附法整67氣體膜分離技術(shù)課件68氣體膜分離技術(shù)課件69氣體膜分離技術(shù)課件70氣體膜分離技術(shù)課件71氣體膜分離技術(shù)課件72MBR膜生物反應(yīng)器

匯報人：史冰森

匯報時間：2015.12MBR膜生物反應(yīng)器

匯報人：史冰森73

ContentMBR簡介1

MBR原理、類型及特點(diǎn)2MBR運(yùn)行的影響因素膜污染及控制方法5MBR應(yīng)用及展望6

MBR膜技術(shù)介紹43ContentMBR簡介1MBR原理、類型及特點(diǎn)274

1MBR簡介MBR(英文名稱為MembraneBioreactor)工藝是膜分離技術(shù)與生物技術(shù)有機(jī)結(jié)合的新型廢水處理技術(shù)，也稱膜分離活性污泥法。它利用膜分離設(shè)備將生化反應(yīng)池中的活性污泥和大分子有機(jī)物截留住，水力停留時間和污泥停留時間可以分別控制，而難降解的物質(zhì)在反應(yīng)器中不斷反應(yīng)、降解。一方面，膜截留了反應(yīng)池中的微生物，使池中的活性污泥濃度大大增加，使降解污水的生化反應(yīng)進(jìn)行得更迅速更徹底；另一方面，由于膜的高過濾精度，保證了出水清澈透明從而省掉二沉池。因此，MBR工藝通過膜分離技術(shù)大大強(qiáng)化了生物反應(yīng)器的功能。與傳統(tǒng)的生物處理方法相比，具有污泥濃度高、抗負(fù)荷沖擊能力強(qiáng)、出水水質(zhì)穩(wěn)定、占地面積小、剩余污泥量少、便于自動控制等優(yōu)點(diǎn)，是目前最有前途的廢水處理新技術(shù)之一。MBR簡介11MBR簡介MBR(英文名稱為MembraneB75歷史第一階段(1966年～1980年)1966年，美國的Dorroliver公司首先將MBR用于廢水處理研究1968年，Smith等人在活性污泥法工藝中用超濾取代二次池。20世紀(jì)70年代，膜生物反應(yīng)器工藝首次進(jìn)入日本市場。第二階段(1980年～1995年)1989年日本政府聯(lián)合許多大公司共同投資研發(fā)。90年代Kubota公司研制了平板式浸沒MBR。在80年代末到90年代初，Zenon環(huán)境公司研制成功了兩個注冊產(chǎn)品。Zenon環(huán)境公司商業(yè)化的產(chǎn)品系統(tǒng)——ZenonGem在1982年進(jìn)入市場。第三階段(1995年至今)20世紀(jì)90年代中后期。越來越多的歐洲國家將MBR用于生活污水和工業(yè)廢水的處理。目前主要有四家大公司經(jīng)營MBR，它們分別是加拿大Zenon

公司，日本MitsubishiRayon公司，法國Suez．LDE/IDI公司和日本Kubota公司。MBR簡介1歷史第一階段1966年，美國的Dorroliver公司首先2.1原理膜生物反應(yīng)器(MembraneBioreactor)是把生物處理與膜分離相結(jié)合的一種組合工藝，是用膜組件來代替?zhèn)鹘y(tǒng)生物處理技術(shù)，使反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行。MBR將膜分離技術(shù)的膜組件與污水生物處理工程中的生物反應(yīng)器相結(jié)合，膜組件作為泥水分離單元取代二次沉淀池，綜合了膜處理技術(shù)和生物處理技術(shù)。下圖展示了普通A/O工藝和應(yīng)用MBR反應(yīng)器后工藝的差異。2.1原理膜生物反應(yīng)器(MembraneBioreact77

2.1原理2.1原理78

2.1原理2.1原理79根據(jù)運(yùn)行方式的不同

外置式（分體式）

將膜分離單元置于生化池之外。水透過膜的推動力主要靠水的靜壓力。為防止膜污染，必須維持較高的膜面循環(huán)流速，同時要維持污泥回流，因此動力消耗較高。浸沒式（一體式）將膜分離單元置于生化池之內(nèi)。水透過膜的推動力主要靠抽吸泵產(chǎn)生的負(fù)壓來實(shí)現(xiàn)。依靠曝氣時空氣泡的攪動在膜表面形成交錯流，來實(shí)現(xiàn)膜表面的清潔。浸沒式膜生物反應(yīng)器（MBR）的能耗遠(yuǎn)較外置式膜生物反應(yīng)器（MBR）低，具有更大優(yōu)勢，代表了MBR技術(shù)的發(fā)展方向。2.2

MBR反應(yīng)器類型根據(jù)運(yùn)行方式的不同2.2MBR反應(yīng)器類型80分體式一體式2.2

MBR反應(yīng)器類型分體式812.2.2根據(jù)需氧量的不同

2.2.3根據(jù)膜材料的不同

好氧膜生物反應(yīng)器厭氧膜生物反應(yīng)器有機(jī)膜生物反應(yīng)器無機(jī)膜生物反應(yīng)器2.2

MBR反應(yīng)器類型2.2.2根據(jù)需氧量的不同好氧膜生物反應(yīng)器厭氧膜822.2.4根據(jù)膜孔徑的不同

可分為微濾、超濾、和納濾膜生物反應(yīng)器。

2.2

MBR反應(yīng)器類型2.2.4根據(jù)膜孔徑的不同2.2MBR反應(yīng)器類832.2.5根據(jù)生物膜機(jī)理的不同

膜曝氣-生物反應(yīng)器（MABR）萃取膜生物反應(yīng)器（EMBR）膜分離生物反應(yīng)器（BSMBR）

2.2

MBR反應(yīng)器類型2.2.5根據(jù)生物膜機(jī)理的不同2.2MBR反應(yīng)842.3.1出水水質(zhì)好在MBR中，降解時間較長的可溶性大分子化合物可以被膜截留下來并與污泥一起返回到生物反應(yīng)器中，使這些化合物在生物反應(yīng)器中的停留時間變長，從而有利于微生物對這些化合物的降解；同時較長的SRT可以使世代時間較長的硝化細(xì)菌能夠在生物反應(yīng)器中積累，提高了硝化效果。因此MBR出水有機(jī)物含量較低，且總氮和總磷的含量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)活性污泥法。同時，由于膜單元采用微濾膜或超濾膜，因而不僅對水中懸浮物截留率高，而且可以去除細(xì)菌。2.3

MBR工藝特點(diǎn)2.3.1出水水質(zhì)好2.3MBR工藝特點(diǎn)852.3.2工藝參數(shù)易于控制

在MBR中，用膜組件代替二沉池，可以同時實(shí)現(xiàn)較短的HRT(相對水力停留時間）和很長的SRT（污泥停留時間）。同時，MBR中由于膜對污泥的截留，可以在很大程度上消除污泥膨脹現(xiàn)象。2.3.3耐沖擊負(fù)荷MBR中生物反應(yīng)器中的微生物濃度比普通生物反應(yīng)器高得多，裝置處理容積負(fù)荷大，同時當(dāng)進(jìn)水中有機(jī)物濃度變化較大時，有機(jī)負(fù)荷率(單位質(zhì)量的微生物在單位時間內(nèi)承受的有機(jī)物質(zhì)量)變化不大，系統(tǒng)去除有機(jī)物的效果變化不大。2.3

MBR工藝特點(diǎn)2.3.2工藝參數(shù)易于控制2.3MBR工藝特點(diǎn)862.3.4污泥產(chǎn)生量少生物反應(yīng)器中的污泥濃度很高，泥齡長，因此污泥負(fù)荷F/M（污泥負(fù)荷，即單位質(zhì)量的污泥微生物）較低，污泥產(chǎn)量很低。2.3.5易于自動控制MBR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行靈活穩(wěn)定，容易操作和實(shí)現(xiàn)自動化。2.3.6不足之處存在膜污染，需要定期反沖洗和化學(xué)清洗；膜需要定期更換；能耗較一般生化處理方法要高。2.3

MBR工藝特點(diǎn)2.3.4污泥產(chǎn)生量少2.3MBR工藝特點(diǎn)873.1

膜的定義膜從廣義上可以定義為兩相之間的一個具有選擇透過性的薄層屏障。膜分離是指在某種推動力的作用下，利用膜的透過性能，達(dá)到分離混合物中離子、分子以及某些微粒的過程。與傳統(tǒng)過濾器的最大不同是，膜可以在離子或分子范圍內(nèi)進(jìn)行分離，并且該過程是一種物理過程，不需發(fā)生相的變化和添加助劑。3.1膜的定義膜從廣義上可以定義為兩相之間的一個具有選擇透883.2膜的結(jié)構(gòu)與分類根據(jù)相態(tài)的不同：

液相膜、氣相膜、固相膜根據(jù)孔徑的不同：

微濾膜、超濾膜、納濾膜根據(jù)材料的不同：

無機(jī)膜、有機(jī)膜根據(jù)形態(tài)的不同：

均質(zhì)膜、非對稱膜3.2膜的結(jié)構(gòu)與分類根據(jù)相態(tài)的不同：893.3膜的性能3.3.1膜通量和膜的過濾方式膜通量：單位時間單位膜面積上通過的物質(zhì)的量,m3/(m2?s)。影響膜通量的因素有：膜的阻力單位膜面積上的驅(qū)動壓力膜表面的水動力學(xué)狀況膜污染和其他清洗情況3.3膜的性能3.3.1膜通量和膜的過濾方式903.3膜的性能3.3.2膜通量和膜的過濾方式過濾方式：全程過濾：在膜兩邊壓力差的驅(qū)動下，溶質(zhì)和溶劑垂直于分離膜方向運(yùn)動，溶質(zhì)被膜截留，溶劑通過膜而被分離。錯流過濾：主體料液與膜表面相切而流動，料液中的溶質(zhì)被截留，透過液垂直于膜面而通過膜流出。3.3膜的性能3.3.2膜通量和膜的過濾方式913.3膜的性能3.3.3膜的分離性能參數(shù)膜過濾過程中通常希望膜具有良好的機(jī)械性能、高的膜通量和高的選擇性。表征膜的分離性能參數(shù)主要有兩個。即：截留率：包括表觀截留率和本證截留率。膜通量：由本身性能決定。膜在運(yùn)行過程中，隨著流體阻力越來越大，膜的推動力也越來越大，而膜通量則越來越小，被截留的分子也越來越小。3.3膜的性能3.3.3膜的分離性能參數(shù)923.3.4濃差極化與膜污染濃差極化：在膜分離過程中，料液中的溶劑在壓力驅(qū)動下透過膜，溶質(zhì)被截留，由于水的通量不斷把溶質(zhì)帶到濾膜表面，使溶質(zhì)在濾膜表面的濃度高于在水溶液中的濃度，在濃度梯度的作用下，溶質(zhì)由膜表面向本體溶液擴(kuò)散，形成一個穩(wěn)定的邊界層，這種現(xiàn)象稱為濃差極化。濃差極化的危害：使膜表面溶質(zhì)濃度增高，引起滲透壓增大，從而減小傳質(zhì)驅(qū)動力。膜表面沉積層會改變膜的分離特性可能會導(dǎo)致結(jié)晶析出，阻塞通道溶質(zhì)截留率下降膜通量降低3.3膜的性能3.3.4濃差極化與膜污染3.3膜的性能933.3膜的性能3.3.4濃差極化與膜污染膜污染：由于膜在分離過程中，由于污水中的溶質(zhì)分子與膜分子發(fā)生物理化學(xué)的作用，造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產(chǎn)生透過量和分離特性發(fā)生變化的現(xiàn)象。膜污染與濃差極化密切相關(guān)，常常同時發(fā)生，膜污染的具體內(nèi)容及其防治下面進(jìn)行詳細(xì)的介紹。3.3膜的性能3.3.4濃差極化與膜污染94板框式膜組件3.3.5膜組件管式膜組件板框式膜組件3.3.5膜組件管式膜組件95螺旋卷式膜組件中空纖維式膜組件3.3.5膜組件螺旋卷式膜組件中空纖維式膜組件3.3.5膜組件96毛細(xì)管式膜組件3.3.5膜組件毛細(xì)管式膜組件3.3.5膜組件97有機(jī)負(fù)荷：每立方米池容積每日負(fù)擔(dān)的有機(jī)物量污泥負(fù)荷：單位質(zhì)量的活性污泥在單位時間內(nèi)所去除的污染物的量

在好氧MBR中，污泥濃度隨容積負(fù)荷的增加迅速升高，有機(jī)物去除速率加快，污泥負(fù)荷基本保持不變，從而抑制出水水質(zhì)的惡化；而在厭氧MBR中，污泥濃度升高緩慢，污泥負(fù)荷與容積負(fù)荷幾乎呈正相關(guān)關(guān)系，因此厭氧MBR出水水質(zhì)易受容積負(fù)荷的影響。4.1影響MBR穩(wěn)定運(yùn)行的生物動力學(xué)參數(shù)有機(jī)負(fù)荷：每立方米池容積每日負(fù)擔(dān)的有機(jī)物量4.1影響MB98污泥濃度：污泥濃度是MBR系統(tǒng)的重要參數(shù)，不僅影響有機(jī)物的去除能力，還對膜通量產(chǎn)生影響。研究成果表明：一定條件下污泥濃度越高，膜通量愈低。但國內(nèi)學(xué)者在一體式MBR處理生活污水的研究卻發(fā)現(xiàn)：當(dāng)曝氣強(qiáng)度足夠大時（氣水比近似100：1），MLSS由10g/L變化到35g/L時，MLSS（混合液懸浮固體）與膜通量沒有明顯的相關(guān)性；但如果降低曝氣強(qiáng)度，MLSS對膜通量可能產(chǎn)生一定的影響。4.1影響MBR穩(wěn)定運(yùn)行的生物動力學(xué)參數(shù)污泥濃度：4.1影響MBR穩(wěn)定運(yùn)行的生物動力學(xué)參數(shù)99膜的選擇：膜材料分為有機(jī)膜和無機(jī)膜兩種。由于較高的投資成本限制了無機(jī)膜在我國的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)MBR普遍采用有機(jī)膜，常用的膜材料為聚乙烯、聚丙烯等。分離式MBR通常采用超濾膜組件，截留分子量一般在2～30萬。截留分子量越大，初始膜通量越大，但長期運(yùn)行膜通量未必越大。對于一體式MBR，既可用超濾膜，也可使用微濾膜。4.2膜分離參數(shù)膜的選擇：4.2膜分離參數(shù)100操作方式的優(yōu)化：對于分體式MBR，為了減緩膜污染，反沖洗是維持MBR穩(wěn)定運(yùn)行的重要操作。對于一體式MBR，縮短抽吸時間或延長停吸時間和增加曝氣量均有利于減緩膜污染，抽吸時間對膜阻力的上升影響最大，曝氣量其次。水力學(xué)特性的改善：對于分體式MBR，可以提高流體的進(jìn)水流速，減少濃差極化，使被截留的溶質(zhì)及時被帶走。對于一體式MBR，設(shè)計(jì)合理的流道結(jié)構(gòu)，提高曝氣強(qiáng)度，較大的曝氣量具有沖刷膜表面的錯流過濾效果。4.2膜分離參數(shù)操作方式的優(yōu)化：4.2膜分離參數(shù)1015.1膜污染的來源凝膠層，即濾餅水透過后被截留下來的部分活性污泥和膠體物質(zhì)，在濾壓差和透過水流的作用下堆積在膜表面而形成的可逆性膜面污染溶解性物質(zhì)溶解性物質(zhì)被膜內(nèi)微孔表面吸附或結(jié)晶，堵塞孔道，使膜通量減少，屬于可逆污染。微生物污染在膜表面和膜孔中有微生物所需的營養(yǎng)物質(zhì)，因而會有大量的微生物滋生，從而造成膜通量的減少。5.1膜污染的來源凝膠層，即濾餅水透過后被截留下來的部分1025.2膜污染的影響因素膜本身的性質(zhì)料液和污泥的特點(diǎn)工藝的操作條件包括膜材質(zhì)、膜孔徑大小、孔隙率、親疏水性、電荷性質(zhì)和粗糙度等包括顆粒分布、COD負(fù)荷、污泥濃度，污泥泥齡，污泥絮體結(jié)構(gòu)，微生物群落結(jié)構(gòu)等包括反應(yīng)器運(yùn)行方式，操作壓力，HRT，濾出速率，溫度，膜清洗周期等5.2膜污染的影響因素膜本身的性質(zhì)料液和污泥的特點(diǎn)1035.3膜污染的控制5.3.1膜污染的預(yù)防采用低成本的無機(jī)膜，因?yàn)闊o機(jī)膜如陶瓷、金屬膜等比有機(jī)膜具有更強(qiáng)的抗污染能力，尤其重視動態(tài)膜的使用；優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行的操作條件，針對不同的MBR的運(yùn)行狀況，測定出最佳的運(yùn)行條件；調(diào)控混合液性狀，可添加吸附劑或混凝劑，除去混合液中溶解性微生物產(chǎn)物、胞外聚合物、微粒子等，防止它們對膜污染的影響。5.3膜污染的控制5.3.1膜污染的預(yù)防采用低成本的無1045.3.2膜的清洗曝氣、反洗是利用上升氣流帶來的錯流減少微粒子在膜面的沉積，從而減輕膜污染，反洗指使用濾液進(jìn)行反洗可成功去除大部分可逆污染物?？諝夥创低ㄟ^對幾種不同的過濾—空氣反吹操作的研究發(fā)現(xiàn)，空氣反吹可以獲得穩(wěn)定的通透量和總透過量，與連續(xù)運(yùn)行的工藝相比透過量提高，說明空氣反吹可以緩解膜污染，但對膜組件的強(qiáng)度要求更高。水力清洗一種較為簡單的清洗方法。在前期的清洗中有明顯的效果物理清洗5.3.2膜的清洗曝氣、反洗是利用上升氣流帶來的錯流減少微105主要是采用各種化學(xué)藥劑進(jìn)行清洗，例如堿類清洗劑、酸類清洗劑和氧化類清洗劑，如加入化學(xué)試劑如NaOH、HNO3、NaClO等來進(jìn)行清洗超聲波清洗作為一種新的洗膜方式，是利用超聲波在液體中空化作用而達(dá)到清洗的目的，同時超聲波在液體中又能加速溶解作用和乳化作用等，具有高效快速的優(yōu)點(diǎn)5.3.2膜的清洗化學(xué)清洗：超聲波清洗：。主要是采用各種化學(xué)藥劑進(jìn)行清洗，例如堿類清洗劑、酸類清洗劑和106

結(jié)合有機(jī)物污染通過堿洗效果明顯、鹽結(jié)垢通過酸洗效果明顯的原理，將化學(xué)加強(qiáng)反洗程序引入到MBR膜的運(yùn)行過程中。通過類似于低強(qiáng)度的化學(xué)清洗的操作，將MBR膜的污染消除在剛形成的階段，阻止膜污染得不到及時恢復(fù)形成協(xié)同惡化的效應(yīng)。5.3.2膜的清洗結(jié)合有機(jī)物污染通過堿洗效果明顯、鹽結(jié)垢通過酸洗效果明加藥種類化學(xué)藥劑加藥濃度酸鹽酸、檸檬酸、草酸控制PH在2.5~3.5之間堿氫氧化鈉0.02%~0.05%氧化劑次氯酸鈉0.05%~0.1%5.3.2膜的清洗加藥種類化學(xué)藥劑加藥濃度酸鹽酸、檸檬酸、草酸控制PH在2.5污染物化學(xué)藥劑濃度清洗時間有機(jī)物10%次氯酸鈉1000~5000mg/L1~2h有機(jī)物氫氧化鈉PH<121h無機(jī)物鹽酸0.1mol/L1~2h化學(xué)清洗的頻率和操作的條件與進(jìn)水的水質(zhì)有關(guān)。通常情況下運(yùn)行1～3個月或在相同的運(yùn)行條件下透過膜的壓差比初期上升的0.5bar以上時就應(yīng)該進(jìn)行化學(xué)清洗。5.3.2膜的清洗污染物化學(xué)藥劑濃度清洗時間有機(jī)物10%次氯酸鈉1000~50城市污水與生活污水的處理與回用高濃度有機(jī)廢水的處理含難降解有機(jī)物廢水的處理受污染水源水凈化6.1MBR工藝的應(yīng)用城市污水與生活污水的處理與回用6.1MBR工藝的應(yīng)用110氣體膜分離技術(shù)課件1111998年，大連大器公司設(shè)計(jì)的200m3/d的中水回用裝置就己在大連投入運(yùn)行；天津德人公司首先開發(fā)了重力淹沒式MBR，該技術(shù)在2000年己應(yīng)用于天津普辰大廈的中水回用系統(tǒng)，處理規(guī)模為25m3／d，該裝置占地僅2.8m2，處理成本為1.05元／m3；上海荏原公司研究開發(fā)的PW系統(tǒng)己成功地應(yīng)用于數(shù)十個行業(yè)的高濃度有機(jī)廢水處理，規(guī)模從5m3／d至700m3／d不等；杭州華濾、哈爾濱鷺濱、上海斯納普等公司在MBR開發(fā)應(yīng)用方面都具有一定的競爭力。在南方地區(qū)，MBR目前主要應(yīng)用于高濃度有機(jī)廢水處理；而在天津、大連嚴(yán)重缺水的北方地區(qū)，MBR主要做為中水回用技術(shù)。應(yīng)用1998年，大連大器公司設(shè)計(jì)的200m3/d的中水回用裝置就112曝氣池膜處理車間1、北小河再生水廠（6萬噸/日）曝氣池膜處理車間1、北小河再生水廠（6萬噸/日）113原水出水晶瑩剔透，雜質(zhì)比自來水還少1、北小河再生水廠（6萬噸/日）原水出水晶瑩剔透，雜質(zhì)比自來水還少1、北小河再生水廠（6萬114MBR反應(yīng)器出水水質(zhì)

6MBR應(yīng)用及展望2、密云再生水廠（4.5萬噸/日）MBR反應(yīng)器出水水質(zhì)6MBR應(yīng)用及展望2、密云再生1153、中關(guān)村科技園區(qū)軟件園培訓(xùn)中心污水處理工程3、中關(guān)村科技園區(qū)軟件園培訓(xùn)中心污水處理工程1164、沈陽統(tǒng)一集團(tuán)食品廢水處理4、沈陽統(tǒng)一集團(tuán)食品廢水處理1175、金威啤酒有限公司污水處理廠5、金威啤酒有限公司污水處理廠118中石化洛陽分公司PTA污水處理與回用工程，5000噸/日中石化巴陵分公司己內(nèi)酰胺污水處理項(xiàng)，7200噸/日6、石化污水處理中石化洛陽分公司PTA污水處理與回用工程，5000噸/日6、119廢水量：300m3／d膜組件：SMBR150型膜元件500片，總膜面積750米2，裝配成10個膜組件。水質(zhì)情況：進(jìn)水BOD2000mg／L，出水達(dá)二級排放水標(biāo)準(zhǔn)。效果：達(dá)標(biāo)排放。7、河南華蘭生物工程有限公司制藥廢水MBR處理工程廢水量：300m3／d7、河南華蘭生物工程有限公司制藥廢水120日處理滲濾液300噸采用MBR＋碟管式反滲透的工藝8、御橋垃圾焚燒廠滲濾液處理廠日處理滲濾液300噸8、御橋垃圾焚燒廠滲濾液處理廠1219、其它9、其它122我國人均水資源擁有量僅為2250m3/人.年，不足世界平均水平的1／4。在我國600多個城市中，有300余座城市缺水。華北地區(qū)人均水資源低于全國人均水平的1／5，這一地區(qū)的所有城市幾乎都面臨缺水問題。膜生物反應(yīng)器技術(shù)以其優(yōu)質(zhì)的出水水質(zhì)被認(rèn)為是具有較