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第六章 膜分离法,主要内容： 膜分离法的分类和应用范围 电渗析(electrodialysis) 反渗透（ reverse osmosis) 超过滤(ultrafiltration),第六章 膜分离法,6．1 概述 L 6．2 电渗析 L 6．3 反渗透 L 6．4 超过滤 L,什么是膜分离法？ 什么是渗透和渗析？ 膜分离技术有什么共同的特点？ 膜分离的各种方法的原理是什么？各适于处理什么对象？有哪些实际的应用？ 反渗透法与超滤法相比有什么不同？,3,6．1概述,膜分离法是利用特殊的薄膜对液体中的某些成分进行选择性透过的方法的统称 溶剂透过膜的过程称为渗透(osmosis) 溶质透过膜的过程称为渗析(dialysis) 几种主要膜分离法的特点：,,5,膜分离技术有以下共同的特点：,（a）膜分离过程不发生相变，因此能量转化的效率高例如在现在的各种海水淡化方法中反渗透法能耗最低； （b）膜分离过程在常温下进行，因而特别适于对热敏性物料，如果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩； （c）装置简单，操作简单，控制、维修容易，且分离效率高与其它水处理方法相比，具有占地面积小、适用范围广、处理效率高等特点； （d）由于目前膜的成本较高，所以膜分离法投资较高，有些膜对酸或碱的耐受能力较差。

所以目前膜分离法在水处理中一般用于回收废水中的有用成分或水的回用处理6．2电渗析（electrodialysis),6．2．1原理和工作过程 用特制的半透膜(semi-permeable membrane) 将浓度不同的溶液隔开，溶质即从浓度高的一侧透过膜而扩散(diffusion)到浓度低的一侧，这种现象称为渗析作用(dialysis)，也称扩散渗析、浓差渗析 电渗析的原理是在直流电场的作用下，依靠对水中离子有选择透过性的离子交换膜(ion exchange membrane)，使离子从一种溶液透过离子交换膜进入另一种溶液，以达到分离、提纯、浓缩、回收的目的电渗析过程示意图,,8,,,,浓水,阳膜,只允许阳离子通过,,阴膜,只允许阴离子通过,,电极,,,,,,,,浓水室,淡水室,6．2．2离子交换膜,离子交换膜具有与离子交换树脂相同的组成，含有活性基团和能使离子透过的细孔常用的离子交换膜按其选择透过性可分为阳膜、阴膜、复合膜等数种 阳膜(cation exchange membrane)含有阳离子交换基团，在水中交换基团发生离解，使膜上带有负电，能排斥水中的阴离子，吸引水中的阳离子并使其通过。

9,6．2．2离子交换膜,阴膜(anion exchange membrane)含有阴离子交换基团，在水中离解出阴离子，使膜上带正电，吸引阴离子并使其通过 复合膜复合膜由一面阳膜和一面阴膜其间夹一层极薄的网布做成，具有方向性的电阻当阳膜面朝向阴极，阴膜面朝向阳极时，正、负离子都不能透过膜，显示出很高的电阻当膜的朝向与上述相反时，膜电阻降低，膜两侧相应的离子进入膜中6．2．3电渗析器构造和组装,11,电渗析器的组装示意图,,构造－膜堆、极区和夹紧装置,膜堆包括若干个膜对，膜对是电渗析的基本单元 1张阳膜、1张浓(或淡)室隔板、1张阴膜、1张淡(浓)室隔板组成一个膜对 极区包括电极、极水框和保护室 夹紧装置由盖板和螺杆组成12,13,极区包括电极、极水框和保护室,膜堆包括若干个膜对，1张阳膜、1张浓(或淡)室隔板、1张阴膜、1张淡(浓)室隔板组成一个膜对夹紧装置由盖板和螺杆组成,14,有进出水孔、配水槽及过水道,作为膜的支撑体，使两层膜之间保持一段距离；作为水流通道，使两层膜之间的流体均匀分布，同时依靠水流的涡动作用，减薄膜表面的滞流层，以提高净化效果和减少耗电量,隔板,15,为了支撑膜和加强搅拌作用，使液体产生紊流，在大部分隔板的流道中，均粘贴或热压上一定形式的隔网,16,浓室隔板和淡室隔板结构完全一样，只是在组装时放置的方向不同，使进出水孔位置不一样,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,＋,＋,－,浓室隔板,淡室隔板,阴膜,阳膜,,,,,,,,,浓水,淡水,电渗析器的组装,电渗析器的组装依其应用不同而有所不同。

其组装的情况是用级和段来表示的 级：一对正、负电极之间的膜堆称为一级 段：具有同一水流方向的并联膜堆称为一段 电渗析法可以有效地回收废水中的无机酸、碱、金属盐及有机电解质等，使废水净化电渗析器的级与段,18,一级一段,一级两段,两级一段,两级两段,一对正、负电极之间的膜堆称为一级,具有同一水流方向的并联膜堆称为一段,,19,实际应用的电渗析器,电渗析与其他设备组合工艺系统： 用得较多的4种工艺系统为,①原水→预处理→电渗析→除盐水 是制取工业用脱盐水和初级纯水的最简单流程； ②原水→预处理→电渗析→消毒→除盐水 用于由海水、苦咸水制取饮用水或从自来水制取食品、饮料用水； ③原水→预处理→软化→电渗析→除盐水 适于处理高硬度、高硫酸盐水或低硬度苦咸水；,20,④原水→预处理→电渗析→离子交换→纯水或高纯水 将电渗析与离子交换结合，充分利用了电渗析适于处理较高盐浓度水，而离子交换适于处理较低盐浓度水的特点，先用电渗析脱盐80％-90％，再用离子交换处理(也可在淡水室填充离子交换树脂)，这样既可保证出水质量又使系统运行稳定，耗酸碱少，适于各种原水21,,6．3反渗透 6．3．1反渗透(reverse osmosis, RO)原理,22,,,,,开始时两边液面相同,由于浓度差存在，半透膜又不允许溶质通过，所以水透过膜，使浓水一边液面升高，产生渗透压,在浓水边加压，当压力超过渗透压时，则水透过半透膜，即反渗透，实现净化过程。

半透膜,,6．3．2反渗透膜及作用机理,反渗透膜应具有多种性能： 选择性好，单位膜面积上透水量大，脱盐率高； 机械强度好，能抗压、抗拉、耐磨； 热和化学的稳定性好，能耐酸、碱腐蚀和微生物侵蚀，耐水解、辐射和氧化； 结构均匀一致，尽可能地薄，寿命长，成本低反渗透膜的分类：,按成膜材料可分为有机膜和无机高聚物膜； 按膜的形状可分为平板状、管状、中空纤维状膜； 按膜结构可分为多孔性和致密性膜，或对称牲(均匀性)和不对称性(各向异性)结构膜； 按应用对象可分为海水淡化用的海水膜、咸水淡化用的咸水膜及用于废水处理、分离提纯等的膜1）醋酸纤维素膜的结构及性能,1）膜的结构 醋酸纤维素是没有强烈氢键的无定形链状高分子化合物 制膜过程是将其溶解在丙酮中并加入甲酰胺作添加剂，经混合调制、过滤、铸塑成型，然后再经蒸发、冷水浸渍、热处理，即可得到醋酸纤维素 (cellulose acetate,CA)膜 外观为乳白色、半透明，有一定的韧性，膜厚l00－250m25,,这种膜有不对称结构，表面结构致密，孔隙很小，通称为表皮层或致密层、活化层；下层结构较疏松，孔隙较大，通称为多孔层或支撑层示意 CA膜是被水充分溶胀了的凝胶体。

由于铸膜液中的所有添加剂及溶剂在制膜过程中先后被除去，膜中仅含水分链接,27,醋酸纤维素膜的结构示意图,28,,,,,99％,表皮层，孔径 （8－10）×10－10m,过渡层，孔径 200×10－10m,多孔层，孔径 （1000－4000）×10－10m,1%,29,显微镜下膜的照片,,,在相对湿度为100％时，膜的含水量高达60％，其中表皮层只含10％－20％，且主要是以氢键形式结合的所谓一级结合水和少量的二级结合水 多孔层中除上述两种结合水外，较大的孔隙中还充满着毛细管水，此层中含水率较高 正由于膜中存在这几种不同性质的水，决定了CA膜具有良好的脱盐性能和适宜的透水性能 膜必须保存在水中2）CA膜的性质,（a）膜的方向性： 由于CA膜是一种不对称膜，因此，在进行反渗透时，必须保持表层与待处理的溶液或废水接触，而决不能倒置，否则达不到处理的目的 （b）选择透过性： CA膜对无机电解质和有机物具有选择透过性对电解质，离子价越高，或同价离子水合半径越大，则脱除效果越好 阳离子的脱除顺序为：Sr2+Ba2+Li+Na+ K+阴离子的脱除顺序为：柠檬酸根酒石酸根SO42-CH3COO-Cl-Br-NO3-I-SCN-。

对有机物，一般是水溶性好的、非解离性的、分子量小的脱除效果较差而解离性大的、分子量大于200的有机物，则脱除效果较好对同一类有机物，随分子量增大，脱除效率增加对同分子量有机物，随分子支链的增加，脱除效果变得更好c）压密效应： CA膜在压力作用下，外观厚度一般减少25％―50％，同时，透水性及对溶质的脱除率也相应降低，这种现象称为膜的压密效应这种塑性变形是不可逆的，因此膜的性能在压力消失后不会恢复 （d）膜的水解作用和生物分解作用： CA膜是一种酯，易于水解，水解速率与pH值和水的温度有关一般在碱性介质中的水解速率比在酸性介质中大，在pH4.5－5.2时最低2）反渗透膜的透过机理,34,膜的溶液界面上选择吸附一层水分子，在反渗透压力的作用下，通过膜的毛细管作用连续地流出纯水，盐类溶质则被膜排斥35,大分子有机物和微生物因其比膜孔大而被筛除绿浓杆菌、流感病毒、脑膜炎病毒等都可以用反渗透滤除6．3．3反渗透装置,工业生产中使用的膜分离设备是由多个构造相同的单个装置组合而成的，一般把构成设备的相同的装置称为膜组件（membrane module） 反渗透膜组件有板框式（plate and frame)、管式(tubular modules)、螺旋卷式(spirals wound)和中空纤维式(hollow fiber)等四种。

1）板框式反渗透膜组件装配图,37,整个装置由若干块圆形多孔透水板重叠起来组成透水板两面都贴有反渗透膜，膜四周用胶粘剂和透水板外环密封透水板外环有“O”形密封圈支撑，使内部组成压力容器，高压水由上而下通过每块板，净化水由每块透水板引出38,,,,,,,,进水,透过水,浓缩水,耐压容器,透水板,半透膜,,板框式膜组件工作过程示意图,特点：结构简单，体积比管式的小缺点：装卸复杂，单位体积膜表面积小2）管式反渗透膜组件,39,管式膜组件又分为内压式和外压式,管式反渗透装置是把膜和支撑物均制成管状，两者装在一起，再将一定数量的管，以一定方式联成一体而组成,,内压式管式膜组件的内部结构示意图,40,,特点: 水力条件好，安装、清洗、维修比较方便 能耐高压，可以处理高粘度的原水 缺点是膜的有效面积小，装置体积大，而且两端要较多的联结装置淡水,淡水,,膜表皮层,玻璃纤维管,,进水,,束式外压式膜组件,1－档圈；2－集水密封环；3－聚氯乙烯烧结板；4－锥形多孔橡胶塞；5－密封管接头；6－进水口；7－壳体；8－橡胶胆；9－出水口；10－膜元件；11－网套；12－O形密封圈；13－档圈槽；14－淡水出口,41,,42,（3）螺旋卷式反渗透膜组件,43,,膜组件是在两层膜中间夹一层多孔的柔性格网，并将它们的三边粘合密封起来、再在下面铺一层供废水通过的多孔透水格网，然后将另一开放边与一根多孔集水管密封联接，使进水与净化水完全隔开，最后以集水管为轴，将膜叶螺旋卷紧而成。

把几个膜组件串联起来，装入圆筒形耐压容器中,,44,密封,密封,密封,螺旋卷式膜组件一个膜叶结构示意图,多孔透水材料,膜，上下两层,45,,,,,,膜叶,透水网状材料,,,,,透过水,浓水,进水,螺旋卷式膜组件组合示意图,,膜组件的组装示意图,46,进水口,耐压容器,连接器,膜组件,密封圈,端盖,,,,,透过液,浓缩液,,,47,48,工业应用的反渗透装置,49,工业应用的反渗透装置的膜组件之间的连接,螺旋卷式反溶透装置的特点：,结构紧凑，单位容积的膜面积大 处理能力高，占地面积小，操作方便 缺点是不能处理含有悬浮物的液体，原水流程短，压力损失大，浓水难于循环以及密封长度大，清洗、维修不方便，易堵塞4）中空纤维式反渗透膜组件,中空纤维膜组件是由中空纤维膜制成的。