膜法水處理技術(shù)

第第頁(yè)膜法水處理技術(shù)膜法水處理技術(shù)**節(jié)概論膜，更精準(zhǔn)而言是半滲透膜，它是一薄層物質(zhì)，當(dāng)肯定的推動(dòng)力應(yīng)用于膜兩側(cè)時(shí)，它能依照物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)使物質(zhì)進(jìn)行分別。通常，膜是依照物質(zhì)的分別范圍和應(yīng)用的推動(dòng)力來(lái)分類(lèi)。在解決水資源缺乏的問(wèn)題上，膜分別過(guò)程起到了特別緊要的作用。在廢水或污水排放之前，膜分別過(guò)程可以用于廢水或污水處理；在廢水進(jìn)入污水系統(tǒng)之前，膜分別過(guò)程可以用于回收工業(yè)上有用的物質(zhì)；當(dāng)然膜分別過(guò)程也可以用于生產(chǎn)飲用水。在生產(chǎn)飲用水方面，使用膜人們可以利用大量的海水資源；此外，在水與廢水循環(huán)回用方面，膜的特別作用顯得非常緊要。膜分別技術(shù)在水處理中的應(yīng)用，即可用于給水處理也可用于廢水處理。膜技術(shù)應(yīng)用于水處理具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.處理各種濾液，能得到高質(zhì)量的濾出水；2.膜過(guò)程可通過(guò)模擬裝置加以實(shí)現(xiàn)，而且可以連續(xù)操作；3.對(duì)滲透液具有以肯定比例循環(huán)作為工藝用水或再利用的潛力。膜技術(shù)應(yīng)用于水處理具也存在以下缺點(diǎn)：1.膜的相容性與孔的大小、水的pH值以及水的溫度等很多因素有關(guān)；2.在某些情況下易生成污垢，使得在一些特別應(yīng)用中膜的壽命較短3.與傳統(tǒng)的物理化學(xué)處理相比，一般投資費(fèi)用較高。膜的使用壽命，短的只有幾個(gè)月，但通常是3—7年，有的管式膜系統(tǒng)可超過(guò)15年。影響膜的使用壽命的因素很多，通常有加料貯槽和泵的匹配性能，預(yù)處理效果，滲透液的貯存裝置以及膜的清洗系統(tǒng)和效果等。21世紀(jì)膜分別的應(yīng)用將持續(xù)增長(zhǎng)，尤其是微濾/超濾、微濾/反滲透、微濾/超濾/反滲透或鈉濾結(jié)合的膜處理過(guò)程。增長(zhǎng)的領(lǐng)域包括：1.飲用水處理2.工業(yè)廢水的脫色3.垃圾填埋場(chǎng)滲濾液處理4.膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用5.水的回收與循環(huán)利用等**節(jié)膜分別過(guò)程膜分別技術(shù)受到廣泛的注意，進(jìn)展快速，是由于膜分別對(duì)混合物中各組分的選擇性很高，在分別過(guò)程中混合物主體沒(méi)有相變，所用的設(shè)備裝填密度大、效率高。1.水處理和膜分別1）用水水的凈化與純化包括從水中去除懸浮物、**、病毒、無(wú)機(jī)物、農(nóng)藥、有機(jī)物和溶解氣體，在這方面，膜分別技術(shù)發(fā)揮了其獨(dú)特的作用。2）工業(yè)用水日產(chǎn)高達(dá)數(shù)千噸以致數(shù)萬(wàn)噸的反滲透水處理裝置廣泛地應(yīng)用于電子、電力、醫(yī)藥、化工、飲料、冶金等領(lǐng)域，反滲透是超純水和純水制備的優(yōu)選方法；膜軟化是基于鈉濾膜對(duì)二價(jià)離子，特別是二價(jià)陰離子的高脫除性而開(kāi)發(fā)新型的膜分別過(guò)程，膜軟化工藝在美國(guó)應(yīng)用已很普遍，特別是新建的軟化廠多采納此新工藝。3）工業(yè)廢水和市政廢水城市污水處理達(dá)標(biāo)排放僅僅是基本要求，污水是否能再生回用，能再生到什么程度，是否經(jīng)濟(jì)可行，這是廢水資源化的關(guān)鍵。實(shí)踐表明，常規(guī)處理與膜法結(jié)合可給出各種標(biāo)準(zhǔn)、供不同用途的再生水，*后反滲透的產(chǎn)水完全符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)浸沒(méi)式膜生物反應(yīng)器在污水處理和資源化方面倍受重視，已有商品化設(shè)，適用于中小型污水處理廠。2.膜的定義和分類(lèi)膜是分別兩相和作為選擇性傳遞物質(zhì)的屏障。膜可以是固態(tài)的，也可以是液態(tài)的；膜的結(jié)構(gòu)可能是均質(zhì)的，也可能是非均質(zhì)的；膜可以是中性的，也可以是帶電的；膜傳遞過(guò)程可以是自動(dòng)傳遞過(guò)程，也可以是被動(dòng)傳遞過(guò)程。膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)決議了分別機(jī)理，從而也決議了其應(yīng)用。按膜結(jié)構(gòu)分類(lèi)可分為對(duì)稱(chēng)膜和不對(duì)稱(chēng)膜。按化學(xué)構(gòu)成分類(lèi)可分為有機(jī)材料類(lèi)和無(wú)機(jī)材料類(lèi)。按分別機(jī)理分類(lèi)，膜大致可分為多孔膜、無(wú)孔膜和載體膜。多孔膜在處理溶液時(shí)依據(jù)顆粒大小進(jìn)行分別，重要用于超濾和微濾。無(wú)孔膜利用分別體系中各組分溶解度或擴(kuò)散系數(shù)的差異進(jìn)行分別，重要用于氣體分別、透析、蒸汽滲透等過(guò)程。載體膜是通過(guò)載體分子對(duì)某一組分高度專(zhuān)一的親和性來(lái)實(shí)現(xiàn)不同組分間的分別的，通過(guò)膜的組分可以是氣體、液體、離子或非離子。按幾何形狀分類(lèi)，有平板式、管式、毛細(xì)管式和中空纖維式。后三種皆為管狀膜，直徑大于10mm的為管式膜；直徑在0.5—10mm之間的是毛細(xì)管式膜；直徑小于0.5mm的為中空纖維膜。管狀膜直徑越小，則單位體積里的膜面積越大。3.膜分別的定義和分類(lèi)全部分別過(guò)程都是利用在某種環(huán)境中混合物各組分性質(zhì)的差異進(jìn)行分別。膜分別過(guò)程是以選擇性透過(guò)膜為分別介質(zhì)，在兩側(cè)加以某種推動(dòng)力時(shí)，原材料側(cè)組分選擇性地透過(guò)膜，從而達(dá)到分別或提純的目的。1）反滲透和納濾反滲透已成為海水淡化*經(jīng)濟(jì)的技術(shù)，也是苦咸水淡化的重要手段，它已成為超純水和純水制備的優(yōu)選技術(shù)；另外在各種料液的分別、純化和濃縮以及廢液的再生回用方面都發(fā)揮了重點(diǎn)作用。我國(guó)反滲透技術(shù)能在海水淡化、脫水濃縮、高溫水再用、市政和工業(yè)廢水處理與再用領(lǐng)域發(fā)揮其應(yīng)有的作用。納濾膜介于反滲透膜和超濾膜之間，是近10多年進(jìn)展較快的膜品種。a.反滲透原理當(dāng)用一個(gè)半透性膜分別兩種不同濃度的溶液時(shí)，膜僅允許溶劑分子通過(guò)。由于濃溶液中溶劑的化學(xué)勢(shì)低于它在稀溶液中的化學(xué)勢(shì)，稀溶液中的溶劑分子自發(fā)地透過(guò)半透膜向濃溶液中遷移。b.反滲透膜與納濾膜及其組件c.反滲透膜與納濾膜由于反滲透膜與納濾膜多種多樣，重要有平板不對(duì)稱(chēng)膜、不對(duì)稱(chēng)平板復(fù)合膜、管式不對(duì)稱(chēng)膜、中空纖維不對(duì)稱(chēng)膜、中空纖維復(fù)合膜等。目前平板不對(duì)稱(chēng)膜和中空纖維膜占據(jù)了市場(chǎng)絕大部分的份額。d.反滲透膜與納濾膜組件反滲透過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用性決議于組見(jiàn)的價(jià)格和性能。它對(duì)組件的機(jī)械強(qiáng)度、流體力學(xué)結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)性都有較高的要求。e.反滲透與納濾工藝流程反滲透與納濾工藝流程通常包括前處理工藝、膜分別工藝和后處理工藝三部分。為削減料液在膜分別過(guò)程中對(duì)膜的污染和化學(xué)損傷，必需對(duì)料液進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理。在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)溶液的分別有不同的要求，必需選用合適的膜和組件形式，應(yīng)當(dāng)通過(guò)計(jì)算確定組件的排列和操作條件。f.反滲透與納濾應(yīng)用反滲透應(yīng)用領(lǐng)域可分為兩大類(lèi)：水純化和溶質(zhì)濃縮。重要用于水的純化，如海水和苦咸水脫鹽制飲用水，以及制備半導(dǎo)體工業(yè)、醫(yī)藥、化學(xué)工業(yè)中所需的超純水。納濾膜對(duì)Na+和Cl—單價(jià)離子的截留率較低，實(shí)踐證明納濾可以代替沉淀、pH調(diào)整和蒸發(fā)等過(guò)程，達(dá)到產(chǎn)品純化和濃縮的目的，是一新的高效節(jié)能的過(guò)程。此外納濾在有機(jī)小分子與鹽的分別與濃縮、去除無(wú)脂奶粉的異味等方面得到了廣泛的應(yīng)用。2）超濾a.超濾原理超濾膜多為不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，由一層極薄、具有肯定尺寸孔徑的表皮層和一層較厚、具有海綿狀或指定結(jié)構(gòu)的多孔層構(gòu)成。前者起分別作用，后者起支撐作用。在超濾膜分別過(guò)程中，膜的孔徑大小和膜表面的化學(xué)性質(zhì)等將分別起著不同的分別作用。一般情況下，超濾膜的性能指標(biāo)有滲透通量和截留率。超濾膜的耐壓性、耐清洗性、耐溫性等性能對(duì)于工業(yè)應(yīng)用是特別緊要的。目前商品化的有機(jī)材質(zhì)的超濾膜都是采納相轉(zhuǎn)化法制得的。b.超濾操作工藝超濾的基本操作有以下三種。重過(guò)濾操作，用于大分子和小分子的分別。間歇操作，常用于小規(guī)模生產(chǎn)。連續(xù)式操作，常用于大規(guī)模生產(chǎn)。c.超濾應(yīng)用超濾在需將尺寸較大的分子或微粒與低分子物質(zhì)或溶劑分別的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。超濾裝置可單獨(dú)運(yùn)行，也可與其他處理設(shè)備結(jié)合應(yīng)用于各種分別過(guò)程中。超濾已成為蛋白和酶純化和濃縮的高效過(guò)程。超濾濃縮的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)相變、一般不需加熱、工序簡(jiǎn)單、適用pH范圍寬和防止失活等，很適用于熱敏性物質(zhì)的分別濃縮。3）微濾微濾（MF）是一種與常規(guī)的粗濾非常相像的膜過(guò)程。微孔濾膜具有比較整齊、均勻的多孔結(jié)構(gòu)，孔徑范圍0.05—10um，使過(guò)濾從一般只有比較粗造的相對(duì)性質(zhì)過(guò)度到精密的**性質(zhì)，重要用于對(duì)懸浮液和乳液進(jìn)行截留。a.微濾原理微濾又稱(chēng)為精過(guò)濾，其基本原理屬于篩網(wǎng)狀過(guò)濾，在靜壓差作用下，小于膜孔的粒子通過(guò)濾膜，大于膜孔的粒子則被截留到膜表面，使大小不同的組分得以分別，操作壓力為0.7—7kPa。除此以外，還有膜表面層的吸附截留和架橋截留，以及膜內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)中截留。b.微濾操作工藝微濾有兩種操作工藝：死端過(guò)濾在死端過(guò)濾時(shí)，溶劑和小于膜孔的溶質(zhì)在壓力驅(qū)動(dòng)下透過(guò)膜，大于膜孔的顆粒被截留，通常聚積在膜表面上。死端過(guò)濾是間隙式的，必需周期性地停下來(lái)清洗膜表面的污染層或更換膜。錯(cuò)流過(guò)濾在泵的推動(dòng)下料液平行于膜面流動(dòng)，與死端過(guò)濾不同的是料液流經(jīng)膜面時(shí)產(chǎn)生的剪切力把膜表面上的滯留的顆粒帶走，從而使污染層保持在一個(gè)較薄的水平。c.微濾膜微濾膜屬于篩網(wǎng)狀過(guò)濾介質(zhì)，具有形態(tài)整齊的結(jié)構(gòu)，使全部比網(wǎng)孔大的粒子全部攔截在膜表面上。目前市場(chǎng)上的微孔濾膜的材質(zhì)可分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩大類(lèi)。有機(jī)材質(zhì)重要是聚合物，常通過(guò)相轉(zhuǎn)化、拉伸、燒結(jié)、徑跡刻蝕等方法制備。d.微濾膜的應(yīng)用微濾是全部膜過(guò)程中應(yīng)用*普遍、銷(xiāo)售額*大的一項(xiàng)技術(shù)。工業(yè)上，微濾重要用于將大于0.1um的粒子與溶液分開(kāi)的場(chǎng)合，它的*大市場(chǎng)是制藥行業(yè)的**過(guò)濾和電子工業(yè)用高純水的制備。其*新的應(yīng)用領(lǐng)域是生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域技術(shù)。4）滲析滲析；也是透析，是溶質(zhì)自身濃度梯度作用下膜的上游傳下下游的過(guò)程。由于分子大小及溶解度不同，使得不同溶質(zhì)的擴(kuò)散速率不同，從而實(shí)現(xiàn)分別。a.傳質(zhì)理論原材料液和透析掖流向通常是逆向的，也可以是同向的。若溶劑與溶液中其他組分之間不存在耦合作用，則在滲透壓的作用下溶劑從低濃度側(cè)流向高濃度側(cè)；若原材料液側(cè)壓力高于滲透壓側(cè)，則溶劑從原材料液側(cè)流向滲透壓側(cè)。b.滲析膜透析重要用于從高分子量物質(zhì)中分別出低分子量組分，基于不同組分物化性質(zhì)和分子尺寸的差異，導(dǎo)致其在膜的擴(kuò)散速率不同而實(shí)現(xiàn)分別的。c.滲析應(yīng)用目前滲析*重要的用途是血液透析，即以透析膜代替腎除去尿素、肌酸酐、磷酸鹽和尿酸等有毒的低分子量組分，以緩解腎衰竭和尿毒病患者的病情。5）電滲析電滲析是在直流電場(chǎng)作用下，以電位差為推動(dòng)力，利用離子交換膜的選擇透過(guò)性，把電解質(zhì)從溶液中分別出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)溶液的濃縮、淡化、精制和提純。a.電滲析的基本原理在陰極和陽(yáng)極之間交替排列一系列陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜。陰離子交換膜能使陰離子透過(guò)，陽(yáng)離子交換膜能使陽(yáng)離子透過(guò)。b.離子交換膜目前離子交換膜的種類(lèi)很多，常用的膜按功能分有陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜。強(qiáng)酸性陽(yáng)膜陽(yáng)離子交換膜中等酸性陽(yáng)膜弱酸性陽(yáng)膜強(qiáng)堿性陰膜陰離子交換膜中等堿性陰膜弱堿性陰膜c.電滲析的應(yīng)用目前電滲析已是一種相當(dāng)成熟的膜分別技術(shù)，重要用途是苦咸水淡化、生產(chǎn)飲用水、濃縮海水制鹽以及體系中脫除電解質(zhì)。第三節(jié)膜組件工業(yè)應(yīng)用中通常需要較大面積的膜。安裝膜的*小單元稱(chēng)為膜組件。膜組件的設(shè)計(jì)有很多種形式，它們均依據(jù)兩種膜結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)：平板膜和管式膜。板框式和卷式膜組件使用平板膜，管式、毛細(xì)管式和中空纖維膜組件均使用管式膜。1.板框式膜組件板框式膜組件的突出優(yōu)點(diǎn)是操作快捷，其重要特點(diǎn)有：1）組裝簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，對(duì)壓力變動(dòng)和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的牢靠性較大；2）可以簡(jiǎn)單的加添膜的層數(shù)實(shí)現(xiàn)增大處理量；3）每?jī)善ぶg的滲透物都是被單獨(dú)引出來(lái)的，可以通過(guò)關(guān)閉個(gè)別膜來(lái)除去操作中的故障，而不必使整個(gè)組件停止運(yùn)行。板框式膜組件可用于反滲透、超濾和滲透汽化過(guò)程。在不同的過(guò)程中，組件的實(shí)在設(shè)計(jì)也不相同。2.卷式膜組件卷式膜組件是目前反滲透、超濾及氣體分別過(guò)程中*緊要的膜組件形式，也有少量用于滲透汽化過(guò)程。對(duì)于不同的處理對(duì)象，可對(duì)卷式膜組件的結(jié)構(gòu)作相應(yīng)的改進(jìn)。3.管式膜組件管式膜組件是由園管式的膜及膜的支撐構(gòu)成。由于膜本身的強(qiáng)度不夠，因此在壓力下工作時(shí)需要具有良好透水性能和高強(qiáng)度的材料支撐。管式膜的流道較大，對(duì)料液中雜質(zhì)含量的要求不高，可用于處理高固含量的料液。膜面的清洗不僅可以用化學(xué)方法，而且也可以用海綿球之類(lèi)的機(jī)械清洗方法。4.毛細(xì)管膜組件毛細(xì)管膜組件的結(jié)構(gòu)仿佛于管式膜。由于