膜法分離和反滲透演示文稿

1、第七章第七章 反滲透和納濾脫鹽反滲透和納濾脫鹽第一節(jié) 膜法分離1.1、膜分離法簡(jiǎn)介、膜分離法簡(jiǎn)介 膜的概念膜的概念 膜膜具有選擇透過性的一層薄薄的凝聚物質(zhì)。具有選擇透過性的一層薄薄的凝聚物質(zhì)。 薄膜分離系統(tǒng)用于去除小顆粒及溶解鹽。膜分離（Membrane Separation）是以選擇性透過膜為分離介質(zhì)，在膜兩側(cè)一定推動(dòng)力的作用下，使混合物中的某些組分選擇性地透過膜，從而使混合物得以分離，以達(dá)到濃縮、提純等目的的分離過程。 加壓的供水流平行通過薄膜表面，部分水流通過薄膜，被排除的顆粒在剩余的水流中濃度會(huì)越來越高。由于溶液是連續(xù)性的流過，被排除的顆粒不會(huì)沉積，反而會(huì)被濃縮液帶走。因此，進(jìn)水流在通

2、過薄膜后便分為通過薄膜的溶液（滲透液）和殘留的濃縮液。1.2、膜分離過程的特點(diǎn)、膜分離過程的特點(diǎn)膜分離過程均需要一定能量膜分離過程均需要一定能量物質(zhì)選擇透過膜的能量可分為兩類：物質(zhì)選擇透過膜的能量可分為兩類：借助借助外界能量外界能量，物質(zhì)由低位到高位流動(dòng)；，物質(zhì)由低位到高位流動(dòng)；借助借助本身的本身的化學(xué)位差，物質(zhì)由高位到低位流動(dòng)化學(xué)位差，物質(zhì)由高位到低位流動(dòng)推動(dòng)力：推動(dòng)力：壓力差、濃度差、電位差、溫度差壓力差、濃度差、電位差、溫度差1.3、膜分離法的分類、膜分離法的分類一般可分為：微濾（microfiltration ）、超濾（ultrafiltration;hyperfiltratio）、納

3、濾（nanofiltration;NF）和薄膜過濾反滲透（reverse osmosis，RO;reverse osmosis;RO ）微濾、超濾、納濾和反滲透均為微濾、超濾、納濾和反滲透均為壓力推動(dòng)壓力推動(dòng)的分離過程，即在壓力差的作用下，溶劑的分離過程，即在壓力差的作用下，溶劑及小分子能通過膜，而鹽、大分子、微粒及小分子能通過膜，而鹽、大分子、微粒等被截留，其截留程度取決于膜結(jié)構(gòu)。等被截留，其截留程度取決于膜結(jié)構(gòu)。微濾 微濾能截留0.11微米之間的顆粒，微濾膜允許大分子有機(jī)物和溶解性固體（無機(jī)鹽）等通過，但能阻擋住懸浮物、細(xì)菌、部分病毒及大尺度的膠體的透過，微濾膜兩側(cè)的運(yùn)行壓差（有效推動(dòng)力）

4、一般為0.7bar。超濾 超濾利用一種壓力活性膜，在外界推動(dòng)力(壓力)作用下截留水中膠體、顆粒和分子量相對(duì)較高的物質(zhì),而水和小的溶質(zhì)顆粒透過膜的分離過程。通過膜表面的微孔篩選可截留分子量為1000100000的物質(zhì)。水分子和分子量小于300500的溶質(zhì)透過膜，可將水中含有的大部分膠體硅除去，同時(shí)可去除大量的有機(jī)物等。透膜壓一般為17bar。 納濾納濾膜的一個(gè)很大特性是膜本體帶有電荷，這是它在很低壓力下具有較高除鹽性能和截留相對(duì)分子質(zhì)量為數(shù)百的物質(zhì)，也可脫除無機(jī)鹽的重要原因。主要去除直徑為1nm左右的溶質(zhì)粒子，故被命名為“納濾膜”，二價(jià)或高價(jià)離子，特別是陰離子的截留率比較高，可大于90%，而對(duì)一

5、價(jià)離子的截留率一般低于90%。截留物相對(duì)分子質(zhì)量為200-1000 。透膜壓一般為3.516bar。反滲透 反滲透是目前最微細(xì)的過濾系統(tǒng)。反滲透膜可阻擋所有溶解的無極分子以及任何相對(duì)分子質(zhì)量大于100的有機(jī)物。操作壓力較高，一般為210 Mpa。1.4、膜分離技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)、膜分離技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)（1）膜分離是一個(gè)高效分離過程，可以實(shí)現(xiàn)高）膜分離是一個(gè)高效分離過程，可以實(shí)現(xiàn)高純度的分離；純度的分離；（2）大多數(shù)膜分離過程不發(fā)生相變化，因此能）大多數(shù)膜分離過程不發(fā)生相變化，因此能耗較低；耗較低；（3）膜分離通常在常溫下進(jìn)行，特別適合處理）膜分離通常在常溫下進(jìn)行，特別適合處理熱敏性物料；熱敏性物料；（4）膜

6、分離設(shè)備本身沒有運(yùn)動(dòng)的部件，可靠性）膜分離設(shè)備本身沒有運(yùn)動(dòng)的部件，可靠性高，操作、維高，操作、維 護(hù)都十分方便。護(hù)都十分方便。1.5、分離膜性能、分離膜性能 分離膜（分離膜（Membrane）是膜分離過程的）是膜分離過程的核心部件，其性能直接影響著分離效果、核心部件，其性能直接影響著分離效果、操作能耗以及設(shè)備的大小。分離膜的性能操作能耗以及設(shè)備的大小。分離膜的性能主要包括兩個(gè)方面：主要包括兩個(gè)方面：透過性能透過性能 與與分離性能分離性能 1透過性能透過性能能使待分離的混合物有選擇的透過是分離膜的最能使待分離的混合物有選擇的透過是分離膜的最基本條件。表征膜透過性能的參數(shù)是基本條件。表征膜透過性能

7、的參數(shù)是透過速率透過速率。透過速率透過速率指單位時(shí)間、單位膜面積透過組分的通過指單位時(shí)間、單位膜面積透過組分的通過量，對(duì)于水溶液體系，又稱透水率或水通量，量，對(duì)于水溶液體系，又稱透水率或水通量，以以J表示表示。 式中：式中： J 透過速率，透過速率，m3/(m2h)或或 kg/(m2h)； V透過組分的體積或質(zhì)量，透過組分的體積或質(zhì)量，m3或或kg； A膜有效面積，膜有效面積，m2； t 操作時(shí)間，操作時(shí)間，h。膜的膜的透過速率透過速率與膜材料的化學(xué)特性和分離膜的與膜材料的化學(xué)特性和分離膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)，且隨操作推動(dòng)力的增加而增大。形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)，且隨操作推動(dòng)力的增加而增大。此參數(shù)直接決定分離設(shè)

8、備的大小此參數(shù)直接決定分離設(shè)備的大小。2分離性分離性能能分離膜分離膜必須對(duì)被分離混合物中各組分具有必須對(duì)被分離混合物中各組分具有選擇透過選擇透過的能力，即具有分離能力，這是膜分的能力，即具有分離能力，這是膜分離過程得以實(shí)現(xiàn)的前提。離過程得以實(shí)現(xiàn)的前提。 不同分離過程中膜的分離性能有不同的表不同分離過程中膜的分離性能有不同的表示方法，如截留率、截留分子量、分離因數(shù)等。示方法，如截留率、截留分子量、分離因數(shù)等。（1）截留率）截留率對(duì)于反滲透過程，通常用截留率表示其分離性對(duì)于反滲透過程，通常用截留率表示其分離性能。能。截留率截留率反映膜對(duì)溶質(zhì)的截留程度，對(duì)鹽溶反映膜對(duì)溶質(zhì)的截留程度，對(duì)鹽溶液又稱為脫

9、鹽率，以液又稱為脫鹽率，以R表示，定義表示，定義為為 式式中中CF 原料中溶質(zhì)的濃度，原料中溶質(zhì)的濃度，kg/m3；CP滲透物液中溶質(zhì)的濃度，滲透物液中溶質(zhì)的濃度，kg/m3。100截留率表示溶質(zhì)全部被膜截留截留率表示溶質(zhì)全部被膜截留,此為理想的半滲此為理想的半滲透膜；透膜；0 截留率則表示全部溶質(zhì)透過膜，無分離作用。截留率則表示全部溶質(zhì)透過膜，無分離作用。（2）截留分子量）截留分子量在超濾和納濾中，通常用在超濾和納濾中，通常用截留分子量截留分子量表示表示其分離性能。其分離性能。截留分子量是指截留率為截留分子量是指截留率為90%時(shí)時(shí)所對(duì)應(yīng)的最小分子量。所對(duì)應(yīng)的最小分子量。截留分子量的高低，在截

10、留分子量的高低，在一定程度上反映了膜孔徑的大小，通?？梢欢ǔ潭壬戏从沉四た讖降拇笮?，通?？捎靡幌盗胁煌肿恿康臉?biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行測(cè)定。用一系列不同分子量的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行測(cè)定。（3）分離因數(shù)）分離因數(shù)對(duì)于氣體分離和滲透汽化過程，通常用對(duì)于氣體分離和滲透汽化過程，通常用分離因數(shù)分離因數(shù)表示各組分透過的選擇性。對(duì)于含有表示各組分透過的選擇性。對(duì)于含有A、B兩組分兩組分的混合物，分離因數(shù)定義的混合物，分離因數(shù)定義為為 式中式中 xA,xB原料中原料中組分組分A與組分與組分B的摩爾分率；的摩爾分率；yA,yB 透過物中組分透過物中組分A與組分與組分B的的摩爾分率。摩爾分率。1.6、膜的分類、膜的分類按按結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)

11、分：分： 對(duì)稱膜對(duì)稱膜（無孔膜、多孔膜）（無孔膜、多孔膜） 非對(duì)稱膜非對(duì)稱膜（一體化非對(duì)稱膜、復(fù)合膜）（一體化非對(duì)稱膜、復(fù)合膜）對(duì)稱膜對(duì)稱膜是一種均勻的薄膜，又稱均質(zhì)膜。膜的橫是一種均勻的薄膜，又稱均質(zhì)膜。膜的橫截面結(jié)構(gòu)及形態(tài)是均勻的，厚度一般在截面結(jié)構(gòu)及形態(tài)是均勻的，厚度一般在10200 m之間，傳質(zhì)阻力由膜的總厚度決定，降低膜的之間，傳質(zhì)阻力由膜的總厚度決定，降低膜的厚度可以提高透過速率。厚度可以提高透過速率。（2）非對(duì)稱膜）非對(duì)稱膜 非對(duì)稱膜非對(duì)稱膜的橫斷面是不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，由一薄薄的皮層和多孔的橫斷面是不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，由一薄薄的皮層和多孔亞層構(gòu)成。包括亞層構(gòu)成。包括一體化非對(duì)稱膜一體化非對(duì)稱膜

12、復(fù)合膜復(fù)合膜 。一體化非對(duì)稱膜一體化非對(duì)稱膜是用同種材料制備、由厚度是用同種材料制備、由厚度為為0.10.5m的致密皮層和的致密皮層和50150 m的多孔支撐層構(gòu)成，的多孔支撐層構(gòu)成，其支撐層結(jié)構(gòu)具有一定的強(qiáng)度，在較高的壓力下也不其支撐層結(jié)構(gòu)具有一定的強(qiáng)度，在較高的壓力下也不會(huì)引起很大的形變。會(huì)引起很大的形變。復(fù)合膜：復(fù)合膜：致密皮層與多孔亞層由不同材料構(gòu)成，使每致密皮層與多孔亞層由不同材料構(gòu)成，使每一層獨(dú)立發(fā)揮最大作用。一層獨(dú)立發(fā)揮最大作用。非對(duì)稱膜非對(duì)稱膜的作用主要由很薄的的作用主要由很薄的致密皮層致密皮層決定，傳質(zhì)阻力小，決定，傳質(zhì)阻力小，其透過速率較對(duì)稱膜高得多，因此非對(duì)稱膜在工業(yè)上應(yīng)

13、用其透過速率較對(duì)稱膜高得多，因此非對(duì)稱膜在工業(yè)上應(yīng)用十分廣泛。十分廣泛。第二節(jié) 反滲透2.1、定義定義反滲透反滲透借助于半透膜對(duì)溶液中溶質(zhì)的截借助于半透膜對(duì)溶液中溶質(zhì)的截留作用，在高于溶液滲透壓的壓差推動(dòng)力下使留作用，在高于溶液滲透壓的壓差推動(dòng)力下使溶劑滲透通過膜，達(dá)到溶液脫鹽的目的。溶劑滲透通過膜，達(dá)到溶液脫鹽的目的。在膜的兩側(cè)造成一個(gè)壓力差，并使其大于溶液在膜的兩側(cè)造成一個(gè)壓力差，并使其大于溶液的滲透壓，溶劑就會(huì)滲透到膜的另一側(cè)，使?jié)獾臐B透壓，溶劑就會(huì)滲透到膜的另一側(cè)，使?jié)舛容^高的溶液得到濃縮度較高的溶液得到濃縮2.2、反滲透機(jī)理反滲透機(jī)理把溶劑和溶液（或兩種不同濃度的溶液）分別置于把溶劑

14、和溶液（或兩種不同濃度的溶液）分別置于半透膜的兩側(cè)，純?nèi)軇⑼高^膜而自發(fā)地向溶液半透膜的兩側(cè)，純?nèi)軇⑼高^膜而自發(fā)地向溶液（或從低濃度溶液向高濃度溶液）一側(cè)流動(dòng)，這種（或從低濃度溶液向高濃度溶液）一側(cè)流動(dòng)，這種現(xiàn)象現(xiàn)象稱為稱為滲透滲透(osmosis)。當(dāng)溶液的液位升高到所產(chǎn)生的壓差恰好抵消溶劑向當(dāng)溶液的液位升高到所產(chǎn)生的壓差恰好抵消溶劑向溶液方向流動(dòng)的趨勢(shì)，滲透過程達(dá)到平衡，此壓力溶液方向流動(dòng)的趨勢(shì)，滲透過程達(dá)到平衡，此壓力差稱為該溶液的差稱為該溶液的滲透壓滲透壓，以，以表示。表示。若在溶液側(cè)施加一個(gè)大于滲透壓若在溶液側(cè)施加一個(gè)大于滲透壓的壓差時(shí)，則溶的壓差時(shí)，則溶劑將從溶液側(cè)向溶劑側(cè)劑將從

15、溶液側(cè)向溶劑側(cè)反向流動(dòng)，反向流動(dòng)，此過程稱為此過程稱為反滲反滲透透(reverse osmosis) 這樣，把溶液置于半透膜的一側(cè)，利用反滲透過程這樣，把溶液置于半透膜的一側(cè)，利用反滲透過程可從溶液中獲得純?nèi)軇?。可從溶液中獲得純?nèi)軇?界面區(qū)膜表面本體溶液相臨界孔高壓多孔膜大氣壓H2OH2OH2OH2OH2OH2OH2O H2O H2OH2OH2OH2O H2OH2O H2O H2OH2OH2OH2OH2OH2O H2O H2O H2OH2O H2O H2O H2OH2OH2O H2O H2OH2O H2O H2O H2O2tH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2O

16、H2O H2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2ONa+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+C1C1C1C1C1C1C1C1C1C1C1C1C1C1C1C1C1C1C1H2O圖1320 優(yōu)先吸附毛細(xì)管流動(dòng)機(jī)理示意圖2.3、反滲透膜及其性質(zhì)反滲透膜及其性質(zhì) 1、反滲透膜、反滲透膜反滲透膜為反滲透膜為半透膜：半透膜：即能夠讓溶液中一種或幾種即能夠讓溶液中一種或幾種組分通過而其它組分不能通過的選擇性膜。組分通過而其它組分不能通過的選擇性膜。反滲透借助反滲透借助半透膜半透膜對(duì)溶液中溶質(zhì)起截流作用，以對(duì)溶液中溶質(zhì)起截流作

17、用，以壓力差壓力差為推動(dòng)力，使溶劑透過半透膜，從而達(dá)到為推動(dòng)力，使溶劑透過半透膜，從而達(dá)到溶液脫除溶質(zhì)的目的。溶液脫除溶質(zhì)的目的。膜的特性：膜的特性：透水率、透鹽率、抗壓性等透水率、透鹽率、抗壓性等反滲透膜的結(jié)構(gòu)2、反滲透膜的反滲透膜的種類種類醋酸纖維素膜的醋酸纖維素膜的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)醋酸纖維素膜的醋酸纖維素膜的性能性能2.4、反滲透反滲透裝置裝置 1、管式裝置、管式裝置 管式裝置水力條件好，適當(dāng)調(diào)節(jié)水流狀態(tài)可防止?jié)夤苁窖b置水力條件好，適當(dāng)調(diào)節(jié)水流狀態(tài)可防止?jié)獠顦O化和膜污染，能夠處理含懸浮固體的溶液，但單位體差極化和膜污染，能夠處理含懸浮固體的溶液，但單位體積中膜面積小，制造和安裝費(fèi)用較高積中膜面積

18、小，制造和安裝費(fèi)用較高。2、螺旋卷式裝置、螺旋卷式裝置 螺旋卷式裝置單位體積的膜表面積較大，透水量大。螺旋卷式裝置單位體積的膜表面積較大，透水量大。紊流效果好，不易產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象。缺點(diǎn)是膜玷污后消紊流效果好，不易產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象。缺點(diǎn)是膜玷污后消除困難，不能處理含有懸浮物的液體。除困難，不能處理含有懸浮物的液體。3、中空纖維式裝置、中空纖維式裝置 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是單位體積的膜表面積很大，制造和安裝簡(jiǎn)單，是單位體積的膜表面積很大，制造和安裝簡(jiǎn)單，可在較低壓力下運(yùn)行，膜的壓實(shí)現(xiàn)象減緩，不需要膜制成可在較低壓力下運(yùn)行，膜的壓實(shí)現(xiàn)象減緩，不需要膜制成材料，濃差極化可忽略；材料，濃差極化可忽略； 缺點(diǎn)缺點(diǎn)是制作工藝復(fù)雜，易堵塞，不能用于處理含懸浮是制作工藝復(fù)雜