第十三章膜分離過程及應(yīng)用(一處)

1、第十三章膜分離過程及應(yīng)用（一處）第13章膜分離過程及工業(yè)應(yīng)用13.1概述膜分離技術(shù)是利用一張?zhí)厥庵圃斓?、具有選擇透過性的薄膜，在外力推動下對混合物進行分離、提純、濃縮的一種新型分離技術(shù)。人們對于膜現(xiàn)象的研究始于1748年，然而認識到膜的功能并被人們利用，卻經(jīng)歷了200多年的漫長過程。人們對膜進行系統(tǒng)的科學(xué)研究則是近幾十年發(fā)展起來的，1950年朱達（W.Juda）制備出具有選擇透過性的離子交換膜，奠定了電滲析實用化的基礎(chǔ)。1960年洛布（Loeb）和索里拉簡（Sourirajan）首次研制出具有實用價值的非對稱反滲透膜，這在膜分離技術(shù)發(fā)展中是一個重要的突破，使膜分離技術(shù)進入了大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的時

2、代。膜分離技術(shù)的發(fā)展歷程大致為20世紀(jì)30年代微孔過濾；40年代透析；50年代電滲析；60年代反滲透；70年代超濾和液膜；80年代氣體分離；90年代滲透汽化。此外，以膜為基礎(chǔ)的其它新型分離過程，以及與其它分離過程結(jié)合的集成過程（IntegratedMembraneProcess）也日益得到重視和發(fā)展。我國膜分離技術(shù)的發(fā)展是從1958年對離子交換膜的研究開始的，數(shù)十年來，取得了很大進步。目前我國研究所涉及的領(lǐng)域遍及膜科學(xué)與技術(shù)的各個方面，從材料的應(yīng)用到產(chǎn)品的開發(fā)等。經(jīng)過幾十年的努力，我國在膜分離技術(shù)的研究開發(fā)方面已開發(fā)出一批具有實用價值、接近或達到國際先進水平的成果。但從總體上講，中國的膜分離技

3、術(shù)與世界先進水平相比，還有不小的差距，有待進一步的研究發(fā)展。膜分離作為一種新型的分離方法，與傳統(tǒng)的分離方法如過濾、精餾、萃取、蒸發(fā)、重結(jié)晶、脫色、吸附等相比，具有能耗低、單級分離效率高、設(shè)備簡單、無相變、無污染等優(yōu)點。因此，膜分離技術(shù)廣泛應(yīng)用于化工、食品、醫(yī)藥醫(yī)療、生物、石油、電子、飲用水制備、三廢處理等領(lǐng)域，并對當(dāng)今社會的工業(yè)技術(shù)改造產(chǎn)生了深遠的影響。膜分離技術(shù)被認為是“21世紀(jì)最有前途、最有發(fā)展前景的重大高新技術(shù)之一，在工業(yè)技術(shù)改造中起著戰(zhàn)略性作用。許多國家都把膜分離技術(shù)及其應(yīng)用列為國家重點發(fā)展項目。13.1.1膜的分類及其制備方法膜定義為兩相之間的一個不連續(xù)區(qū)間，并以特定的形式限制和傳遞

4、各種化學(xué)物質(zhì)。膜具備下述兩個特征：有兩個界面，通過這兩個界面分別與兩側(cè)的流體相接觸；具有選擇透過性。13.1.1.1膜的分類由于膜的種類和功能繁多，分類方法有多種，比較通用的有4種方法，即按膜的結(jié)構(gòu)、膜的化學(xué)組成、膜的用途以及膜的作用機理分類。（1）按膜的結(jié)構(gòu)分類膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)決定了分離機理，也決定了其應(yīng)用按結(jié)構(gòu)不同可分為固膜和液膜。固膜又分為對稱膜柱狀孔膜、多孔膜、均質(zhì)膜）和不對稱膜（多孔膜、具有皮層的多孔膜、復(fù)合膜）；液膜又分為存在于固體多孔支撐層中的液膜和以乳液形式存在的液膜。（2）按膜的化學(xué)組成分類不同的膜材料具有不同的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、機械性能和親和性能。目前已有數(shù)十種材料用于制備

5、分離膜，分別為有機材料的纖維素類、聚酰胺類、芳香雜環(huán)類、聚砜類、聚烯烴類、硅橡膠類等；無機材料的陶瓷氧化鋁、氧化硅、氧化鋯等）、硼酸鹽玻璃、金屬（鋁、鈀、銀等）；天然物質(zhì)改性或再生而制成的天然膜。（3）按膜的用途分類按膜的用途可分為氣相系統(tǒng)用膜、氣-液系統(tǒng)用膜、液-液系統(tǒng)用膜、氣-固系統(tǒng)用膜、液-固系統(tǒng)用膜、固-固系統(tǒng)用膜。（4）按膜的作用機理分類有吸附性膜（多孔膜、反應(yīng)膜）、擴散性膜（高聚物膜、金屬膜、玻璃膜）、離子交換膜、選擇滲透膜（滲透膜、反滲透膜、電滲析膜）、非選擇性膜（加熱處理的微孔玻璃、過濾型的微孔膜）。13.1.1.2膜的制備方法制膜方理燒軸法;潘險-超投初：陽樹氧ft怯皮層由耕

6、骯鍛膠袪；燒姑法制備更合|趾的牧常制怯；稷役徐孤匣悅堅件、外ifii窠押.等藹子諛佯干霸洌中竽纖維膜：璽合腔的按離于它快總干醫(yī)或抵壓13.1.2膜分離過程及其特點工業(yè)應(yīng)用中常用的膜分離技術(shù)有電滲析（ED）、反滲透（RO）、微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）、滲透汽化（PV）、蒸汽滲透（VP）、膜蒸餾（MD）、滲透蒸餾（OD）等。膜分離與傳統(tǒng)的分離技術(shù)（蒸餾、吸收、萃取、深冷分離等）相比，具有以下特點:不發(fā)生相變化，是一種節(jié)能技術(shù)；是在壓力驅(qū)動下，在常溫下進行的分離過程，特別適合對熱敏性物質(zhì)，如酶、果汁、某些藥品的分離濃縮、精制等；是一種高效的分離過程，其適用范圍極廣，從微粒級到微生物菌體

7、，甚至離子級等，其關(guān)鍵在于選擇不同的膜類型；設(shè)備本身沒有運動部件，很少需要維護，可靠度很高，操作十分簡單；裝置簡單、分離效率高，可以直接插入已有的生產(chǎn)工藝流程，不需要對生產(chǎn)線進行大的改變。13.1.3膜組件任何一個膜分離過程，不僅需要具有良好分離特性的膜，還需要結(jié)構(gòu)合理、性能穩(wěn)定的膜分離裝置。膜分離裝置的核心是膜組件，它是將膜、固定膜的支撐材料、間隔物或管式外殼等，通過一定的粘合或組裝構(gòu)成一個單元。膜組件可以有多種型式，工業(yè)上應(yīng)用的膜組件主要有板框式、卷式、管式、中空纖維式四種型式，它們均根據(jù)膜形狀設(shè)計而成。板框式、卷式膜組件均使用平板式，板框式等動態(tài)或靜態(tài)裝置。管式和中空纖維膜組件均使用管式

8、膜，它們可以分為內(nèi)壓式和外壓式兩種。對于不同目的的膜分離過程，可釆用不同型式的組件及裝置。性能良好的膜組件應(yīng)達到的要求：對膜能提供足夠的機械支撐并可使高壓原料液（氣）和低壓透過液（氣）嚴(yán)格分開；在能耗最小的條件下，使原料液（氣）在膜面上的流動狀態(tài)均勻合理，以減少濃差極化；具有盡可能高的裝填密度，即單位體積的膜組件中填充較多的有效膜面積，并使膜的安裝和更換方便；裝置牢固、安全可靠、價格低廉和容易維護。13.1.3.1板框式膜組件板框式膜組件是最早使用的一種膜組件，其設(shè)計類似于常規(guī)的板框過濾裝置。其基本部件有平板膜、支撐盤、間隔盤三種，三種部件相互交替、重疊、壓緊，構(gòu)成板框式疊放結(jié)構(gòu)。兩張膜為一組

9、構(gòu)成夾層結(jié)構(gòu)，兩張膜的原料側(cè)相對，由此構(gòu)成原料腔室和滲透物腔室。在原料腔室和滲透腔室中安裝適當(dāng)?shù)拈g隔器，釆用密封環(huán)和兩個端板將一系列這樣的單元安裝在一起滿足對膜面積的要求，于是構(gòu)成板框式疊放結(jié)構(gòu)。板框式膜組件的組裝比較簡單，可以簡單地增加膜的層數(shù)以提高處理量，同一設(shè)備可視生產(chǎn)需要而組裝不同數(shù)量的膜。膜的清洗更換比較容易，料液流通截面較大，不易堵塞，并且操作比較方便；缺點是板框式膜組件組裝零件太多，裝填密度低，設(shè)備笨重，對膜的機械強度要求較高，非生產(chǎn)的輔助時間長，阻礙了過濾效率的提高。13.1.3.2螺旋卷式膜組件螺旋卷式膜分離裝置的基本部件有：耐壓套管、膜組件、穿孔管等，其主要元件是螺旋卷膜組

10、件，它是將膜、支撐材料、膜間隔材料依次迭好，圍繞一中心管卷緊即成一個膜組，若干膜組順次連接裝入外殼內(nèi)。當(dāng)需要增加膜組件的面積時，可以將多個膜袋同時卷在中心管上，這樣形成的單元可多個串聯(lián)于同一個壓力容器中。螺旋卷式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、裝填密度高，制作簡單，安裝操作方便，膜面積大，湍流狀況好，換膜容易，適合低流速、低壓下操作，適用于反滲透；缺點是流體阻力大，制作工藝復(fù)雜，清洗困難。13.1.3.3管式膜組件管式膜分離裝置的基本部件有管狀膜、圓筒形支撐體、管束板、不銹鋼外殼、端部密封等。管的流動方式又有單管及管束，液流的流動方式有管內(nèi)流和管外流式。由于單管式和管外流式的湍動性能較差，目前主要釆用管內(nèi)流

11、管束式裝置，其外形類似于列管式換熱器。管式膜組件有外壓式和內(nèi)壓式兩種。對內(nèi)壓式膜組件，膜被直接澆鑄在多孔紙上，然后外面再用管子來支撐。對內(nèi)壓式膜組件，加壓的料液流從管內(nèi)流過，透過膜所得的滲透溶液在管外側(cè)被收集。對外壓式膜組件，膜則被澆鑄在多孔支撐管外側(cè)面，加壓的料液流從管外側(cè)流過，滲透溶液則由管外側(cè)滲透通過膜進入多孔支撐管內(nèi)，無論是內(nèi)壓式還是外壓式，都可以根據(jù)需要設(shè)計成串聯(lián)或并聯(lián)。管式膜分離裝置結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強，裝填密度較小，單位體積內(nèi)有效膜面積小，清洗安裝方便，單根管子可以更換，耐高壓，無死角，適用于處理高粘度及固體含量較高的料液；不足之處是體積大，壓力降大，單位體積所含的過濾面積小。13

12、.1.3.4中空纖維膜組件中空纖維膜組件是裝填密度最高的一種膜組件型式，其單位體積的膜面積大，中空纖維膜的內(nèi)徑通常在10100ym,外徑80400ym。將大量的中空纖維一端封死，另一端用環(huán)氧樹脂將許多中空纖維的兩端膠合在一起，形似管板，然后裝入圓筒形壓力容器中，就構(gòu)成了中空纖維膜組件。中空纖維膜組件在結(jié)構(gòu)上是非對稱的，其抗壓強度靠膜自身的非對稱結(jié)構(gòu)支撐，故可承受6MPa的靜壓力而不致壓實。中空纖維膜組件具有裝填密度大、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等特點，其單位體積內(nèi)提供的膜面積大，液流流程短，分布均勻，且可反向清洗，可用雙氧水、次氯酸鈉、氫氧化鈉等水溶液滅菌消毒。并且中空纖維膜組件必須在濕態(tài)下使用和保存

13、。缺點是單根纖維管損壞時需要更換整個膜組件，并且清洗困難，液體在管內(nèi)流動時阻力很大，易堵塞，若用于處理含有懸浮物的廢水，必須預(yù)先經(jīng)過過濾處理，另外損壞的膜難以發(fā)現(xiàn)，維護管理不便。優(yōu)點魏進成術(shù)臥細蘇適I小棄刖欖；已商不撾，尿珪樋此嚴(yán)覓；業(yè)化易堵曜，不品腐洸.業(yè)膜孫品淸沈和世懊；監(jiān)磁動壯態(tài)妤壓力損夬校小，耐較咼壓力；能處埋靜有證釋櫥的、祐度高的,或音館礎(chǔ)固依等掃堵塞疣水通道膜堆積密度大.結(jié)構(gòu)梟埶旬便甬強度麝#平O匸藝和技術(shù)校復(fù)朵.率封謖曲徘；易壻駄亜易清軌:不直在W.F撓作適于大容量捉模；已商業(yè)北膜的堆積密匱尢;茶需制作工莒和技笨復(fù)雜F13.1.4膜性能的表示方:外加支撐帖料；敢進樣粛堵進.木易隋

14、注化可息略：愉格怔廉去膜的性能包括物化穩(wěn)定性和膜的分離透過性兩個方面。膜的物化穩(wěn)定性指膜的強度、允許使用壓力、溫度、pH值以及對有機溶劑和各種化學(xué)藥品的抵抗性，它是決定膜壽命的主要因素。膜的分離特性主要包括分離效率、滲透通量和通量衰減系數(shù)三個方面。13.1.4.1分離效率對于不同的膜分離過程和分離對象可以有不同的表示方去。在超濾、納濾等過程中，其分離的目的是去除溶液中的微粒、鹽類等，使用脫除率或截留率R表示分離程度%1001-=mpccR（13-1）式中，cm，cp分別為高壓側(cè)膜表面處溶液的濃度和膜的透過液濃度。而通常實際測定的是溶質(zhì)的表觀分離率，定義為%1001-=bpobsccR（13-2

15、）式中cb高壓側(cè)主體溶液濃度，cb和cm的差別取決于濃差極化的程度。對于由兩個或多個組分構(gòu)成的混合物的膜分離過程，其分離程度釆用通用的表示方法，即使用分離系數(shù)(分離因子)a或BAAAAxxyy-=11a(13-3)AAxy=B(13-4)式中xA、xB表示原料液(氣)與透過液(氣)中組分A的摩爾分數(shù)。13.1.4.2滲透通量單位時間內(nèi)通過單位膜面積的透過物量用J表示StVJ=(13-5)式中V透過液的容積或質(zhì)量；S膜的有效面積；t運轉(zhuǎn)時間。13.1.4.3通量衰減系數(shù)膜的滲透通量由于過程的濃差極化、膜的壓密以及膜堵塞等原因?qū)㈦S時間而衰減，可用下式表示mttJJ1(13-6)式中Jt,J1膜運轉(zhuǎn)

16、th和1h后的滲透通量；m通量衰減系數(shù)，將式兩邊取對數(shù)，得到線性方程，再對對數(shù)坐標(biāo)系上畫直線，其直線斜率即為m。對于任意一種膜分離過程，總是希望分離效率高，滲透通量大；而實際情況是，滲透通量大的膜，分離效率低，而分離效率高的膜滲透通量小。13.2電滲析電滲析(ED)是在直流電場作用下，利用離子交換膜的選擇透過性，帶電離子透過離子交換膜定向遷移，從水溶液和其他不帶電組分中分離出來，從而實現(xiàn)對溶液的濃縮、淡化、精制和提純的目的。主要用于溶液脫除離子、電解質(zhì)溶液的濃縮和離子的分級等。離子交換膜的特征是在直流電場作用下，依靠離子交換膜對不同電性離子的選擇透過性來達到電解質(zhì)溶液的除鹽和濃縮目的。電滲析技

17、術(shù)的研究開始于20世紀(jì)初的德國，1903年，Morse和Pierce把兩根電極分別置于透析袋內(nèi)部和外部的溶液中發(fā)現(xiàn)帶電雜質(zhì)能迅速地從凝膠中除去；1924年，Pauli釆用化工設(shè)計的原理，改進了Morse的試驗裝置，力圖減輕極化，增加傳質(zhì)速率，直至50年代離子交換膜的制造進入工業(yè)化生產(chǎn)后，電滲析技術(shù)才進入實用階段。其中經(jīng)歷了三大革新具有選擇性離子交換膜的應(yīng)用；設(shè)計出許多層電滲析組件；釆用倒換電極的操作式。目前電滲析技術(shù)已發(fā)展成一個大規(guī)模的化工單元過程，在膜分離領(lǐng)域占有重要地位。其廣泛用于苦咸水脫鹽領(lǐng)域，在某些地區(qū)已成為飲用水的主要生產(chǎn)方法。圖13-1是除去水中NaCI的電滲析器示意圖。在正負兩電

18、極之間交替地平行放置陽離子交換膜和陰離子交換膜，并依次構(gòu)成濃縮室與淡化室。+-圖13-1電滲析過程示意圖陽膜由帶負電荷的陽離子交換樹脂構(gòu)成，能夠選擇性地使陽離子透過，而陰離子不能通過。陰膜由帶正電荷的陰離子交換樹脂構(gòu)成，能選擇性地使陰離子通過，而陽離子不能通過。在淡化室中通入鹽水，溶液中帶正電荷的陽離子在電場作用下，向陰極方向移動到陽膜，受到膜上帶負電荷的基團的異性相吸作用而穿過膜，進入右側(cè)的濃縮室；帶負電荷的陰離子，向陽極方向移動到陰膜，受到膜上帶正電荷的基團的吸引作用穿過膜，進入左側(cè)的濃縮室，這樣，鹽水中的Cl-、Na+被除去而得到淡水。在濃縮室中，陰離子Cl-向陽極移動，碰到陽膜，由于受

19、到膜上帶負電荷基團的同性相斥作用而不能通過膜；陽離子Na+向陰極移動，碰到陰膜，受到膜上帶正電荷基團的相斥作用，受阻而不能通過膜，而濃縮室兩側(cè)淡化室中的正負離子則可以分別通過陽膜和陰膜而進入濃縮室，因而NaCI在濃縮室中濃集。綜上所述，在電滲析過程中，由于與離子交換膜所帶電荷相反的離子穿過膜的遷移（稱為反離子遷移），NaCI從淡化室進入濃縮室，使淡化室中的鹽水淡化，并在濃縮室中得到濃縮的鹽水。電滲析技術(shù)的優(yōu)點是:能量消耗低；藥劑耗量少，環(huán)境污染??；對原水含鹽量變化適應(yīng)性強；操作簡單易于實現(xiàn)機械化、自動化；設(shè)備緊湊耐用，預(yù)處理簡單；水的利用率高。電滲析以其能量消耗低，裝置設(shè)計與系統(tǒng)應(yīng)用靈活，操作

20、維修方便，工藝過程潔凈、無污染，原水回收率高，裝置使用壽命長等明顯優(yōu)勢而被越來越廣泛地用于食品、醫(yī)藥、化工、工業(yè)及城市廢水處理等領(lǐng)域。13.3反滲透反滲透（RO）是利用反滲透膜選擇性地透過溶劑而截留離子的特點，以膜兩側(cè)的壓差為推動力，克服溶劑的滲透壓，實現(xiàn)離子與溶劑分離的過程。反滲透過程必須使用具有高選擇性和高滲透性的半透膜，且操作壓力必須高于溶液的滲透壓。膜兩側(cè)壓力差為0.110MPa，截留組分為0.11nm的小分子溶質(zhì)。13.3.1基本原理與過程簡述滲透是水從稀溶液一側(cè)通過半透膜向濃溶液一側(cè)自發(fā)流動的過程（如圖a）。半透膜只允許水通過，而阻止溶解的固體物質(zhì)的通過。濃溶液隨著水的流入而不斷被

21、稀釋。當(dāng)水向濃溶液流動而產(chǎn)生的壓力足夠用以阻止水繼續(xù)凈流入時，滲透處于平衡狀態(tài)（如圖b）。平衡時，水從任一邊通過半透膜向另一邊流入的數(shù)量相等，即處于動態(tài)平衡狀態(tài)，而此時壓力稱為溶液的滲透壓。當(dāng)在濃溶液上有外加壓力，而且壓力大于滲透壓時，濃溶液中的水就會通過半透膜流向稀溶液，使得濃溶液的濃度更大，這一過程就是滲透的相反過程，稱為反滲透（如圖c）。（c）P2P1滲透平衡圖13-2反滲透過程原理示意圖反滲透是滲透作用的逆過程，實現(xiàn)反滲透有兩個條件：一是外加壓力必須大于溶液的滲透壓；二是必須有一種高選擇性、高透水性的半透膜。用于反滲透的半透膜表面微孔尺寸一般在Inm左右，能去除絕大部分離子、質(zhì)量分數(shù)9

22、0%95%的溶解固形物、95%以上的溶解有機物、生物和膠體以及80%90%的硅酸。利用反滲透原理就可將溶液中的不同組分分離。反滲透過程的操作壓差一般為.510.5MPa，截留0.11nm的小分子溶質(zhì)，還可以從液體混合物中除去懸浮物、溶解物和膠體。反滲透膜分離過程可在常溫下進行，無相變、能耗低，可用于熱敏性物質(zhì)的分離、濃縮；有效地去除無機鹽和有機小分子雜質(zhì)；具有較高的脫鹽率和水回用率；裝置簡單，便于實現(xiàn)自動化。反滲透過程由于沒有相變，不需要像蒸發(fā)法、冷凍法等過程中相變所要求的潛熱，因此分離單位質(zhì)量的水所需的能量最低，反滲透技術(shù)廣泛應(yīng)用于海水淡化、純水生產(chǎn)、廢水處理等領(lǐng)域。13.3.2影響滲透通量

23、的操作因素影響滲透通量的操作因素有：操作溫度。溫度升高，純水透過常數(shù)增大，同時濃差極化比減小，膜表面處溶液滲透壓降低，有效壓差增大，故滲透通量增大；操作壓差。壓差是反滲透過程的推動力，滲透通量應(yīng)與操作壓差成正比，但隨著壓差增加，濃差極化增大，膜表面處溶液滲透壓增高，降低了有效壓差的增長率，并且易使某些鹽類沉淀。另外，隨著壓差增加，能耗增大，增加了操作費用，所以應(yīng)該權(quán)衡利弊確定操作壓力；料液流速。流速大，傳質(zhì)系數(shù)大，濃差極化比小，滲透通量大；料液的濃縮程度。對于鹽水淡化，濃縮程度高表示水的回收率高，然而料液濃度高，滲透壓高，降低了有效壓差，滲透通量減小。此外料液濃度高還會引起膜污染等問題。所以需

24、要合理確定水的回收率。13.4納濾20世紀(jì)80年代末期，隨著新的制膜方法的出現(xiàn)和制膜工藝的不斷改進，研制成功了納濾膜，開發(fā)形成了納濾NF）新型分離技術(shù)，用于脫除溶劑中的有機組分、高價離子、實現(xiàn)軟化、脫色、濃縮等目的。壓力差為151.5MPa。納濾具有兩個顯著特征:一個是因為納濾膜表面分離層由聚電解質(zhì)所構(gòu)成，對離子有靜電作用，所以對無機鹽有一定的截留率，對不同價態(tài)的離子具有不同的截留率；另一個是其截留分子量為2002000,介于反滲透膜和超濾膜之間，納濾膜的表層孔徑處于納米級范圍，在滲透過程中截留率大于90%的最小分子約為1nm，因而稱為納濾膜。納濾膜材料基本上和反滲透膜材料相同，主要有醋酸纖維

25、素、磺化聚砜、磺化聚醚砜和芳族聚酰胺復(fù)合材料以及無機材料等。目前，應(yīng)用最廣泛的納濾膜為具有荷電或非荷電薄層的復(fù)合膜。13.4.1基本原理與過程簡述由于納濾膜孔徑約為1nm，并且對構(gòu)成膜的聚合物進行過荷電處理，使納濾膜的膜表面或膜中存在有帶負電基團，它們通過靜電相互作用對離子具有選擇透過性,因此納濾膜具有特殊的分離特性,即篩分效應(yīng)和電荷效應(yīng)。對非電解質(zhì)的分離,納濾膜將截留其分子質(zhì)量大于膜的截留分子質(zhì)量的物質(zhì),反之則透過,膜僅起到篩分作用。對離子型物質(zhì)的分離主要是靠離子與膜表面或膜中帶電基團的電荷作用，這是納濾膜在較低操作壓力下仍具有較高脫鹽性能的重要原因。圖3-3是納濾法分級處理生活污水的流程圖

26、。剩余污泥堆卑生物反應(yīng)器小面廠排敢液*優(yōu)學(xué)氧化池一1圖13-3生活污水納濾法分級處理流程丄納濾技術(shù)填補了超濾和反滲透之間的空白，能截留透過超濾膜的小分子質(zhì)量有機物，透過被反滲透膜所截留的無機鹽。納濾與電滲析、離子交換及傳統(tǒng)熱蒸發(fā)技術(shù)相比，它可以同時脫鹽兼濃縮，在有機物與無機物混合液的濃縮與分離方面具有無可比擬的優(yōu)點。納濾技術(shù)無任何化學(xué)反應(yīng)，無需加熱，無相轉(zhuǎn)變，不會破壞生物活性，不改變風(fēng)味、香味，因而被越來越廣泛地應(yīng)用于食品、醫(yī)藥工業(yè)中的各種分離、精制和濃縮過程。13.4.2影響納濾膜分離性能的因素納濾膜的分離性能除與膜材料自身的性質(zhì)及制膜工藝有關(guān)外，還受操作條件、物料性質(zhì)和膜組件型式三個方面的

27、影響。操作條件主要指操作壓力、操作時間、料液流速和料液回收率。通常提高操作壓力和料液流速可以提高納濾膜的水通量和脫鹽率,由于納濾膜耐壓密封性好,隨著操作時間的延長基本不降低納濾膜的水通量和截留率,但是提高料液回收率則會降低水通量與脫率。因此,在應(yīng)用納濾技術(shù)時應(yīng)該根據(jù)具體情況合理選擇操作條件來獲得最佳分離效果。物料性質(zhì)包括待處理料液中物質(zhì)的分子質(zhì)量、離子濃度、半徑及溶液的dH等。在納濾膜截留分子質(zhì)量以下，分子質(zhì)量越小，截留率越低；截留分子質(zhì)量越小的納濾膜,對同一分子質(zhì)量物質(zhì)的截留率越高。通常情況下,提高離子的濃度會降低納濾膜的水通量與脫鹽率,而離子半徑的增大或電價的提高有利于提高納濾膜對該離子的

28、截留率。由于多數(shù)納濾膜是荷電膜,其表面總帶有一定的電荷，因而在處理那些荷電性受pH值影響的物質(zhì)時，溶液pH值的變化會改變物料與納濾膜的相互作用，從而引起截留率的變化。一般可以通過調(diào)節(jié)pH值來提高其截留率。在操作條件和物料性質(zhì)均相同的情況下,同一種納濾膜的分離性能因采用的膜組件型式不同而有較大差別,通過優(yōu)化膜組件型式與操作條件(進料壓力與流速),納濾膜的性能可大幅度提高。13.5滲透汽化和蒸汽滲透滲透汽化(PV)是分離液體混合物的一種新型膜分離技術(shù)。當(dāng)液體混合物與選擇性滲透膜的一側(cè)相接觸，而膜的另一側(cè)抽真空或通以惰性氣流把滲透組分的蒸汽壓減至很低時，以膜兩側(cè)組分的分壓差作為傳質(zhì)推動力，利用膜對液

29、體混合物中組分的溶解與擴散性能不同實現(xiàn)組分的滲透分離。蒸汽滲透(VP)和滲透汽化使用的膜材料是相同的，但滲透汽化中物料有相變而蒸汽滲透的物料均為氣相，無相變，在等溫下進行。蒸汽滲透是分離液體或蒸汽混合物的膜過程。實現(xiàn)分離的機理是膜材料對待分離的原料混合物中不同組分的化學(xué)親和力不同。滲透汽化(PV)和蒸汽滲透(VP)膜分離過程是利用高分子膜材料對混合物中不同組分的溶解度與擴散性能不同來實現(xiàn)分離的膜分離過程。兩種過程的傳質(zhì)推動力都是組分在膜中的化學(xué)位梯度。由于它們所特有的低能耗,低費用等優(yōu)點,近年來在膜內(nèi)傳質(zhì)理論、膜材料制備和膜分離工藝研究等方面受到廣泛關(guān)注。膜分離過程中滲透汽化的原料側(cè)以液體形式

30、供料,蒸汽滲透以蒸汽形式供料。滲透汽化(PV)和蒸汽滲透(VP)是性質(zhì)相近的膜過程，兩個過程使用的膜材料是相同的。在該類過程中，傳質(zhì)推動力是化學(xué)勢梯度，更具體地說，是透過組分的蒸汽分壓差。利用膜材料與不同透過組分之間的親和力的差異導(dǎo)致的組分在膜中溶解性能及擴散性能的不同而實現(xiàn)組分的分離。這兩種過程的不同之處是物料相態(tài)的差異及其不同的熱力學(xué)條件，滲透汽化中物料有相變，而蒸汽滲透的物料均為氣相、無相變發(fā)生、過程在等溫下進行。對于滲透汽化過程，液體混合物與膜的一側(cè)接觸，各組分在膜表面均具有一定蒸汽平衡分壓，通過降低下游蒸汽分壓，形成膜兩側(cè)的蒸汽分壓差，使組分滲透并以蒸汽的形式離開膜表面后冷凝，以液態(tài)

31、形式移出。滲透物蒸發(fā)所需的熱量也通過膜傳遞至下游，即滲透汽化是傳質(zhì)同時伴隨傳熱的過程。液態(tài)混合物的顯熱提供了蒸發(fā)焓，所以料液側(cè)的溫度會降低。由于滲透汽化過程存在液相和蒸汽，可以看成是一種以膜為第三組分的萃取精餾過程。精餾分離原理是基于相對揮發(fā)度，而滲透汽化中分離則是基于組分在膜中溶解度和擴散系數(shù)的差異。精餾過程特征由氣液平衡性質(zhì)決定。滲透汽化過程的性能取決于所選用的膜材料。圖13-4是蒸汽滲透流程圖，對于蒸汽滲透過程，原料混合物處于蒸汽狀態(tài)，一般接近于飽和狀態(tài)，通過降低下游蒸汽分壓，形成膜兩側(cè)的蒸汽分壓差，組分以蒸汽形式選擇性地透過膜，然后經(jīng)冷凝后以液態(tài)形式收集。13-4蒸汽滲透流程蒸發(fā)器真空

32、室滲透汽化和蒸汽滲透廣泛應(yīng)用于有機溶劑脫水、有機有機混合物的分離，作為某些精餾過程的替代和補充技術(shù)，在化工生產(chǎn)中有很大的應(yīng)用潛力。13.6膜蒸餾膜蒸餾(MD)是一種釆用疏水微孔膜以膜兩側(cè)蒸汽壓力差為傳質(zhì)驅(qū)動力的膜分離過程，例如當(dāng)不同溫度的水溶液被疏水微孔膜分隔開時，由于膜的疏水性，兩側(cè)的水溶液均不能透過膜孔進入另一側(cè)，但由于熱側(cè)水溶液與膜界面的水蒸汽壓高于冷側(cè)，水蒸汽就會透過膜孔從暖側(cè)進入冷側(cè)而冷凝，這與常規(guī)蒸餾中的蒸發(fā)、傳質(zhì)、冷凝過程十分相似，所以稱其為膜蒸餾過程(MembraneDistillation,MD)。膜蒸餾的研究在20世紀(jì)80年代趨于活躍。在海水淡化和含不揮發(fā)溶質(zhì)水溶液的濃縮研

33、究方面已有大量文獻報道。13.6.1基本原理與過程簡述膜蒸餾是膜技術(shù)與蒸發(fā)過程相結(jié)合的膜分離過程，其所用的膜為疏水微孔膜。膜的一側(cè)與熱的待處理的溶液直接接觸(稱為熱側(cè))，另一側(cè)直接或間接地與冷的水溶液接觸(稱為冷側(cè))，熱側(cè)溶液中易揮發(fā)的組分在膜面處汽化通過膜進入冷側(cè)并被冷凝成液相，其他組分則被疏水膜阻擋在熱側(cè)，從而實現(xiàn)混合物分離或提純的目的。膜蒸餾是熱量和質(zhì)量同時傳遞的過程，傳質(zhì)的推動力為膜兩側(cè)透過組分的蒸汽壓差。因此，實現(xiàn)膜蒸餾必需要有兩個條件:(1)膜蒸餾必需是疏水微孔膜；(2)膜兩側(cè)要有一定的溫度差存在，以提供傳質(zhì)所需的推動力。熱水(料液)液面冷卻水+透過水圖13-5膜蒸餾原理(直接接觸

34、式)工藝過程:膜一側(cè)通過泵不斷流過熱溶液，另一側(cè)流過冷卻水。高溫側(cè)溶液中易揮發(fā)組分一般為水)在膜表面處汽化并在膜兩側(cè)蒸汽分壓差的推動下通過膜孔進入低溫側(cè)，被直接或間接冷凝成液相，最后被收集到蒸餾液貯罐?？衫玫蜏?zé)嵩椿蚬I(yè)廢熱，操作簡單、容易放大；尤其有利于共沸物系的分離，目前膜蒸餾技術(shù)可用于海水淡化和超純水的制備。1362跨膜傳質(zhì)模型北京化工大學(xué)丁忠偉教授與澳大利亞新南威爾士大學(xué)合作研究了基于Knudsen擴散、Poiseuille流動兩參數(shù)的跨膜傳質(zhì)模型，即TPKPT模型，用這種模型參數(shù)計算膜在不同溫度下的滲透系數(shù)，其值與實驗值吻合較好，能比較好地描述膜蒸餾的跨膜傳質(zhì)過程，對滲透系數(shù)有較好

35、的計算。膜蒸餾的傳質(zhì)過程包括揮發(fā)性組分(以下均假定是水)在熱側(cè)濃度邊界層內(nèi)的傳遞及其在膜孔內(nèi)的傳遞過程。對于在膜孔內(nèi)進行的跨膜傳質(zhì)過程，鑒于其復(fù)雜性和影響因素的多樣性，眾多研究者均釆用如下簡化形式來描述跨膜通量N，即認為它與水的跨膜蒸汽壓差成正比()()(pmmtptPCN-=(13-7)式中的C為滲透系數(shù)，滲透系數(shù)可以分別表示為5.0064.1?=mRTMrCtoe(13-8)?=mRTMDCYT&ln1(13-9)?=mmRTMprC口說2125.0(13-10)可以看出上述三種滲透系數(shù)不僅與膜孔半徑r、孔隙率e、曲折因子n膜厚&有關(guān)，而且它們還均是膜內(nèi)平均溫度Tm的函數(shù)。與純Knudse

36、n擴散對應(yīng)的滲透系數(shù)隨溫度的升高而下降；由于水蒸汽分子在空氣中的擴散系數(shù)D與絕對溫度的12次方成正比，所以與純分子擴散對應(yīng)的滲透系數(shù)會隨著溫度的升高而呈現(xiàn)微弱的升高；出現(xiàn)了水的蒸汽壓Pm，它隨絕對溫度升高呈指數(shù)規(guī)律升高，所以與純Poiseuille流動對應(yīng)的滲透系數(shù)將會隨溫度的升高呈指數(shù)規(guī)律上升。膜蒸餾是熱、質(zhì)傳遞同時進行的復(fù)雜過程。熱量傳遞過程包括熱量在膜熱側(cè)熱邊界層內(nèi)的傳遞、熱量以蒸汽形式通過膜孔和以熱傳導(dǎo)方式通過膜、熱量在膜冷側(cè)熱邊界層內(nèi)的傳遞。上述各步傳熱過程的熱通量可分別用下列方程計算)(fmffftthq-=(13-11)(pmfmmmtthHNq-+?=(13-12)(ppmpp

37、tthq-=(13-13)假定膜蒸餾的傳熱過程達到穩(wěn)態(tài)，艮旳f=qm=qp，據(jù)此可以寫出流體在膜兩側(cè)表面溫度tfm(tpm的表達式)1()(fmfmffpffpmfmhhhhHNthhhttht+?-?+?+?=(13-14)1()(pmpmppfppfmpmhhhhHNthhhttht+?-?+?+?=(13-15)可見這兩個溫度與流體主體溫度tf(tp)跨膜傳質(zhì)通量N、水的汽化潛熱AH、膜的混合傳熱系數(shù)hm和熱邊界層內(nèi)的傳熱系數(shù)hf(hp)等多種因素有關(guān)。其中混合傳熱系數(shù)與膜的空隙率厚度空氣及膜材料的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)其值難以準(zhǔn)確地測定。Lawson等指出，對多孔膜而言，hm的值介于200600

38、W/m2/K。他們的模擬計算結(jié)果表明，hm取200W/m2/K和500W/m2/K兩個不同的值時，通量計算值差別很小。鑒于此，在本工作中hm取300W/m2/K。關(guān)于熱邊界層內(nèi)的傳熱系數(shù)，hf(hp)釆用的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式epfdhh入33.059.0PrRe098.0)(=(13-16)13.7滲透蒸餾滲透蒸餾(OsmoticDistillation,OD)，又稱等溫膜蒸餾，是基于滲透與蒸餾概念而開發(fā)的一種滲透過程與蒸餾過程耦合的新型膜分離技術(shù)，其驅(qū)動力是溶質(zhì)(揮發(fā)組分)在微孔疏水膜兩側(cè)的滲透壓力差。滲透蒸餾OD)是等溫膜蒸餾過程，膜的性質(zhì)與膜蒸餾用膜相同。被分離的組分一般是指水(溶劑)。膜兩側(cè)水

39、的蒸汽壓差不是產(chǎn)生于溫度差，而是產(chǎn)生于膜兩側(cè)溶液中溶質(zhì)的性質(zhì)和濃度不同引起的滲透壓差。滲透蒸餾除了具有一般膜分離技術(shù)投資省、能耗低的優(yōu)點外，它還能在常溫常壓下使被處理物料實現(xiàn)高倍濃縮。與傳統(tǒng)的蒸發(fā)法和反滲透濃縮相比，滲透蒸餾法的最大優(yōu)點是能在常溫常壓下操作，即對溶質(zhì)能以最小的熱損失和機械損失，達到分離或富集的目的。如圖13-7所示，在膜的一側(cè)是含有一種或多種揮發(fā)性組分的水溶液，稱為物料相；另一側(cè)是能吸收揮發(fā)組分的鹽水溶液，稱為提取相。微孔疏水膜的作用相當(dāng)于兩種液體中間的一個蒸發(fā)孔，任何一種可揮發(fā)組分可以以對流或擴散方式從物料相遷移到提取相，其遷移速度依賴于在疏水性微孔膜的兩側(cè)保持一定的水蒸汽壓

40、力差，即取決于膜兩側(cè)的表觀滲透壓差，只有這樣可揮發(fā)組分才能穿過膜孔從進料液一側(cè)傳遞到另一側(cè)。如果在溶液中只有一種主要的揮發(fā)組分，例如某種溶劑，那么這種溶劑從高蒸汽壓溶液中蒸出進入低蒸汽壓溶液的結(jié)果將會導(dǎo)致前者的濃縮和后者的稀釋，顯然，當(dāng)該溶劑在物料相上的蒸汽壓降低到與其在提取相上蒸汽壓相等時，這種遷移傳質(zhì)過程將停止。由以上可知，影響OD過程的主要因素有：膜兩側(cè)提取相和物料相表觀滲透壓差、溫差、進料流速、和濃縮度等，提高溫差和進料流速，透水速率提高，而隨濃縮度的提高透水速率降低。214圖13-7滲透蒸餾過程和原理1.被處理物料2微孔疏水膜3水蒸汽4脫除劑（鹽水溶液）增濃劑滲透蒸餾是被處理物料中易

41、揮發(fā)性組分選擇性透過疏水性的膜，在膜的另一側(cè)被脫除劑吸收的膜分離操作，在通常情況下，被處理物料與脫除劑均為水溶液。滲透蒸餾過程能夠順利進行是由于被處理物料中的易揮發(fā)組分在疏水膜的兩側(cè)存在滲透活度差，即被處理液中的易揮發(fā)性組分在疏水膜兩側(cè)存在蒸汽壓力差。當(dāng)易揮發(fā)性組分在疏水膜兩側(cè)的滲透活度相等，即蒸汽壓力不再存在時，則滲透蒸餾過程將停止。滲透蒸餾包括3個連續(xù)的過程被處理物料中易揮發(fā)組分的汽化；易揮發(fā)組分選擇性通過疏水性膜；透過疏水性膜的易揮發(fā)組分被脫除劑所吸收。圖13-8滲透蒸餾間歇濃縮流程1原料液（濃縮液）貯罐2滲透蒸餾膜組件3脫除劑（鹽水溶液）蒸發(fā)器泵5冷凝器圖13-9滲透蒸餾連續(xù)濃縮流程1

42、原料液貯罐；2滲透蒸餾膜組件；3脫除劑（鹽水溶液）蒸發(fā)器；4泵；(a)冷凝器；濃縮液貯罐滲透蒸餾除具備膜蒸餾的一般特點外，由于膜兩側(cè)的溫度相同，特別適合熱敏性物質(zhì)的濃縮和分離，目前在食品飲料行業(yè)中它已開始代替?zhèn)鹘y(tǒng)的濃縮技術(shù)。除了上述膜分離技術(shù)外，工業(yè)中常用的的膜分離技術(shù)還包括微濾、超濾等，微濾MF）是以靜壓差為推動力，利用膜的篩分作用截留和脫除溶液（或氣體）中的粒子來達到分離目的，分離機理類似于普通過濾，但過濾精度較高，可截留）.0314ym的微?；蛴袡C大分子，因此又稱其為精密過濾。微濾膜是多孔膜，在靜壓差的作用下，小于膜孔徑的粒子透過膜，比膜孔徑大的粒子則被截留在膜面上。操作壓力為O.IMP

43、a左右。超濾（UF）是在壓差推動力作用下的篩分過程，它介于微濾和納濾之間。超濾膜的微孔直徑在Inm0.05pm,用于溶液脫大分子、大分子溶液脫小分子、大分子分級等分離，可截留相對分子質(zhì)量大于500的大分子和膠體。所處理液體的滲透壓很小，因而釆用的操作壓力較小，一般為0.10.5MPa,膜的水透過通量為0.55.0m3/（m2d）。超濾在小孔徑范圍與反滲透相重疊，在大孔徑范圍與微濾相重疊，它可以分離溶液中的大分子、膠體、蛋白質(zhì)、微粒等。由于超濾的操作壓力低、產(chǎn)水量大，應(yīng)用范圍十分廣泛。主要膜分離過程的特點總結(jié)如下表13-3所示。椎卸力M.玉力差好維素類、齦鍛金屆尊酯醮纖就盍、楽帆，確化駝畸、聚S

44、H抵、聚軸訊乙乎樁式.f空纖雞式吐漫析肉.:交換膜対環(huán)或豐對溝瞪扎匪,1：丿電也差堿叱執(zhí)、確億聚醛血-真香聚亂胺復(fù)合村料素.腫香聚酰換鋤I：、胺、聚輩井咪購、若否聚乙烯、隸囚爆、敕乙烯-聚中空纖建式淙細龍收濾過程簡單、仿生等領(lǐng)域,人公F物質(zhì)分離、純化和銀易小井詢質(zhì)細ii于控制等特征，因此，已廣泛應(yīng)用于食產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，已成為反/hi/小脅r論杠如ti離子分離孔也可分髙空相幅醫(yī)藥、生物、環(huán)保、化工、冶金、當(dāng)今分離科學(xué)中最重要的手段之一。級過濾及過理、電了、在國民經(jīng)濟的各行各業(yè)中已經(jīng)確立了自己的地位，正向滲透海水淡化技術(shù)、正向滲透廢水處理技術(shù)是近年來發(fā)展起來的新技術(shù)，具有良好的發(fā)展

45、前景。ZI品、”入八能源、石油、水處當(dāng)前膜分離技術(shù)已經(jīng)13.8膜分離在海水淡化中的應(yīng)用滲透性膜分離技術(shù)主要包括正滲透技術(shù)（ForwardOsmosis，F(xiàn)O）和反滲透技術(shù)（ReverseOsmosis，RO）。目前，商業(yè)化的海水淡化技術(shù)是RO技術(shù)。但是，RO技術(shù)需要高壓操作，能耗較高，且對預(yù)處理要求嚴(yán)格，運行成本高，還伴有二次污染。FO技術(shù)只依靠滲透壓，無需外界壓力，具有能耗低、無二次污染等優(yōu)點，是一種新興的具有良好發(fā)展前景的海水淡化處理技術(shù)。13.8.1正滲透海水淡化原理用只能透過溶劑而不能透過溶質(zhì)分子的半透膜將海水和淡水隔開（圖a），水分子將在滲透壓的作用下，自發(fā)地從淡水側(cè)透過膜進入海水側(cè)

46、，這就是滲透現(xiàn)象，也即所謂的正向滲透”（圖b），滲透過程的驅(qū)動力是膜兩側(cè)的滲透壓差，或理解為膜兩側(cè)水的化學(xué)勢的差異。此時，在海水側(cè)施加一定的外壓p），可驅(qū)使水分子從海水側(cè)透過膜反向流回淡水側(cè)，此即一般反滲透海水淡化的基本原理（圖c）。與RO海水淡化過程不同，F(xiàn)O海水淡化技術(shù)是利用正向滲透的原理，在半透膜的一側(cè)通以海水，在另一側(cè)通以滲透壓遠大于海水的所謂提取液”（Drawsolution，DS），水將在膜兩側(cè)滲透壓的驅(qū)動下，從海水側(cè)通過半透膜，進入“提取液”側(cè)，而海水中的鹽分將被膜截留（圖d）；同時，利用其他手段將“提取液”中的水分離出來得到淡水，此即FO海水淡化的基本原理。淡水海水淡海(b)淡

47、海海(c)(d)圖13-10正向滲透與反滲透海水淡化原理示意圖正向滲透的關(guān)鍵在于合適的提取液。理想的提取液應(yīng)具備如下性質(zhì)：溶解度大、分子質(zhì)量小，可產(chǎn)生較大的滲透壓；FO產(chǎn)水中不可避免地會存在少量的提取液的溶質(zhì)，所以選擇的溶質(zhì)必須是無毒性的；同時，提取液對膜本身具有化學(xué)惰性，保證其不對膜性能產(chǎn)生影響；最重要的是，提取液的溶質(zhì)必須易于分離和循環(huán)利用。在以往的研究中，硫酸鋁、KNO3、SO2、MgSO4、葡萄糖、果糖、蔗糖等均被用來制備過提取液，而NaCI二Z1二二：溶液則是經(jīng)常被研究者選用的提取液。同時，海水、鹽湖水、死海水等也可用作提取液。由上述原理可知，F(xiàn)O膜的產(chǎn)水側(cè)需要比進水側(cè)具有更高的滲透

48、壓以保證獲得一定的水通量。因而提取液是=0工藝的關(guān)鍵所在。海水中的水分子透過膜進入提取液后，提取液將不斷被稀釋，為保持滲透過程的持續(xù)進行，需要對提取液進行再濃縮以恢復(fù)其滲透壓并進行循環(huán)利用，同時獲得潔凈的水。因而，一個完整的連續(xù)工作的FO海水淡化工藝流程可用圖13-11表示。濃鹽水正滲透膜圖13-11正滲透海水脫鹽系統(tǒng)分離過程分為正滲透和驅(qū)動液分離兩部分，正滲透部分釆用碳酸氫銨，氨水混合溶液為驅(qū)動液，將海水中的淡水從高化學(xué)勢側(cè)“吸”到低化學(xué)勢側(cè)。被稀釋的驅(qū)動液通過適度加熱(約60O)，使銨鹽分解成氨和二氧化碳，并循環(huán)使用，剩下的稀鹽水通過蒸餾的方法得到純水。13.8.2正滲透海水淡化機理模型常

49、利用復(fù)合膜進行海水淡化，將致密分離層朝向海水，多孔支撐層朝向驅(qū)動液。在正滲透過程中，海水側(cè)的鹽分不斷地在致密分離層表面聚集，形成濃縮型外濃差極化(ExternalConcentrationPolarization,ECP)，而透過膜的淡水稀釋了多孔支撐層中驅(qū)動液的濃度，形成稀釋型內(nèi)濃差極化(InternalConcentrationPolarization,ICP),如圖13-12所示。爭TLQf刃近/K_nnD,b圖13-12正滲透海水淡化過程濃差極化示意圖忽略鹽的滲透，由濃差極化原理知2maxn?-=AW(13-17)kJwbFmFexp,nn=(13-18)exp(”KJwbDiD-=n

50、n(13-19)其中k為傳質(zhì)系數(shù)，k=shD/d其中sh為Sherwood數(shù),D為溶質(zhì)擴散系數(shù)，d為水力學(xué)半徑。K為膜多空支撐層中溶質(zhì)擴散阻力系數(shù),K=tn/(DS與t為多孔支撐層厚度，n為孔隙率，Ds為溶質(zhì)擴散系數(shù),幼孔的彎曲程度。正滲透(FO)模式的通量模型為-=)exp()exp(”kJKJAJwbFwbDwnn(13-20)由式(13-20)可知，正滲透過程的水通量受到內(nèi)、外濃差極化的影響，在系統(tǒng)運行操作時可以通過增大膜表面流速等方法來降低外濃差極化的影響。由溶質(zhì)擴散阻力系數(shù)K可知，內(nèi)濃差極化與正滲透膜多孔支撐層的結(jié)構(gòu)有關(guān)，合適的多孔支撐層結(jié)構(gòu)將會有效地降低內(nèi)濃差極化的影響。當(dāng)前，高效

51、能的正滲透膜和容易分離的驅(qū)動液仍是制約正滲透海水淡化發(fā)展的主要因素。13.9在污水處理中的應(yīng)用與海水相比較，污水的特性通常是滲透壓較低但污染性嚴(yán)重。因此在污水處理方面，正滲透技術(shù)因其低污染的特性也具有較好的應(yīng)用前景。Cath等提出用FO/RO聯(lián)用技術(shù)，釆用海水作為正滲透過程驅(qū)動液對污水進行處理，稀釋的海水經(jīng)過反滲透進行濃縮并制備出純水；反滲透產(chǎn)生的濃水繼續(xù)作為驅(qū)動液通過二次FO過程對濃縮的污水進行再次濃縮。通過這個系統(tǒng)的處理，同時達到了污水處理和海水淡化的目的，所制備的純水經(jīng)過多層屏障的保護，純度也相對較高。需要指出的是，F(xiàn)O在廢水處理中的應(yīng)用，大多是起著濃縮污染物的作用，它雖然不是終端水處理

52、過程，但卻是一個高效率、低能耗的前處理過程。13.9.1正滲透污水處理工藝過程由于執(zhí)行了更嚴(yán)格的水處理標(biāo)準(zhǔn)，廢水的深度處理越來越受到人們的重視。目前釆用的膜生物反應(yīng)器MBR)以及較傳統(tǒng)的廢水處理技術(shù)，其生物濃度高，水通量穩(wěn)定，占地面積小，淤泥排放量小，可完全過濾除去懸浮固體。然而MBR過程膜污染嚴(yán)重，導(dǎo)致水通量和透質(zhì)量降低，膜材料需要經(jīng)常清洗和更換，另外MBR的能耗也較傳統(tǒng)的廢水處理技術(shù)高。為克服這些缺點，Cornelissen等將正滲透技術(shù)引入MBR，將活性污泥處理和FO膜分離以及RO后處理結(jié)合起來，稱為滲透膜生物反應(yīng)器(OSMBR)。如圖所示，OSMBR利用正滲透過程的抗污染性能，使用FO

53、膜取代微濾/超濾膜進行污染物的分離，水透過膜稀釋驅(qū)動溶液，稀釋的驅(qū)動溶液通過RO單元進行濃縮并循環(huán)使用。最新的數(shù)據(jù)顯示，使用HTI公司的FO膜直接對廢水進行過濾，穩(wěn)定的水通量可達9L/m2/h，溫度231C，驅(qū)動溶液為50g/L的NaCI，PRO操作)。FO膜對有機碳的截留率達到98%，對銨氮的截留率達至到90%；而整體的OSMBR系統(tǒng)對有機碳的截留率可達到99%，對銨氮的截留率達到98%。由于膜對溶質(zhì)不可能完全截留，實驗中發(fā)現(xiàn)，長時間運行后生物反應(yīng)器中的鹽濃度保持不變(膜的污染有可能提高了鹽的截留率)，通過膜材料進入到生物反應(yīng)器中鹽份對生物過程并沒有阻礙或毒性作用oOSMBR系統(tǒng)有很好的抗污

54、染性，因此需要較少的清洗過程，其凈通量(netflux)可達到8.9L/m2/h，非常接近其初始通量。如果膜材料的性能和過程進一步優(yōu)化，正滲透技術(shù)很可能成為一種新型的污水處理技術(shù)，得到廣泛應(yīng)用。圖13-13滲透膜生物反應(yīng)器(OMBR)的流程圖13.9.2正滲透過程的濃差極化濃差極化在正滲透和反滲透過程中都對膜通量的降低產(chǎn)生著重要影響，但是在正滲透過程中的濃差極化與反滲透過程中的濃差極化又存在著一些顯著不同點。圖13-14是正滲透過程中的濃差極化示意圖。在正滲透過程中，按照濃差極化發(fā)生的位置分類，可分為外部濃差極化和內(nèi)部濃差極化，按照溶質(zhì)濃度極化程度的不同，可分為濃縮濃差極化和稀釋濃差極化。CiC51LL心rr1AFTef|1IIfI1AnsIfJiHH-K：I1M朝：R(a)膜的活性層朝向驅(qū)動液1丸聽皚JvKJiJnbulk:驅(qū)動液和原料液之間的滲透壓差nm:正滲透膜兩側(cè)表面處的滲透壓差neff:作為驅(qū)動力的有效滲透壓差(b)膜的活性層朝向原料液圖13-14正滲透過程中的濃差極化示意圖外部濃差極化現(xiàn)象發(fā)生在膜表面的外部，而內(nèi)部濃差極化是指發(fā)生在非對稱性膜的多孔支撐層空隙內(nèi)部的濃差極化現(xiàn)象，而在對稱性均質(zhì)膜中，通常不存在內(nèi)部濃差極化現(xiàn)象，內(nèi)部濃差極化是正滲透過