膜法水處理技術(shù)

第第頁膜法水處理技術(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)力來分類。在解決水資源缺乏的問題上，膜分別過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，膜分別過程可以用于回收工業(yè)上有用的物質(zhì)；當(dāng)然膜分別過程也可以用于生產(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.膜過程可通過模擬裝置加以實(shí)現(xiàn)，而且可以連續(xù)操作；3.對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，尤其是微濾/超濾、微濾/反滲透、微濾/超濾/反滲透或鈉濾結(jié)合的膜處理過程。增長的領(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，是由于膜分別對混合物中各組分的選擇性很高，在分別過程中混合物主體沒有相變，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二價(jià)離子，特別是二價(jià)陰離子的高脫除性而開發(fā)新型的膜分別過程，膜軟化工藝在美國應(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)。近年來浸沒式膜生物反應(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；膜傳遞過程可以是自動(dòng)傳遞過程，也可以是被動(dòng)傳遞過程。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)分類可分為對稱膜和不對稱膜。按化學(xué)構(gòu)成分類可分為有機(jī)材料類和無機(jī)材料類。按分別機(jī)理分類，膜大致可分為多孔膜、無孔膜和載體膜。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、蒸汽滲透等過程。載體膜是通過載體分子對某一組分高度專一的親和性來實(shí)現(xiàn)不同組分間的分別的，通過膜的組分可以是氣體、液體、離子或非離子。按幾何形狀分類，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全部分別過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。膜分別過程是以選擇性透過膜為分別介質(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。由于濃溶液中溶劑的化學(xué)勢低于它在稀溶液中的化學(xué)勢，稀溶液中的溶劑分子自發(fā)地透過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，重要有平板不對稱膜、不對稱平板復(fù)合膜、管式不對稱膜、中空纖維不對稱膜、中空纖維復(fù)合膜等。目前平板不對稱膜和中空纖維膜占據(jù)了市場絕大部分的份額。d.反滲透膜與納濾膜組件反滲透過程的經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用性決議于組見的價(jià)格和性能。它對組件的機(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程中對膜的污染和化學(xué)損傷，必需對料液進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理。在實(shí)際生產(chǎn)中對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：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)能的過程。此外納濾在有機(jī)小分子與鹽的分別與濃縮、去除無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稱結(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)用于各種分別過程中。超濾已成為蛋白和酶純化和濃縮的高效過程。超濾濃縮的優(yōu)點(diǎn)是無相變、一般不需加熱、工序簡單、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，使過濾從一般只有比較粗造的相對性質(zhì)過度到精密的**性質(zhì)，重要用于對懸浮液和乳液進(jìn)行截留。a.微濾原理微濾又稱為精過濾，其基本原理屬于篩網(wǎng)狀過濾，在靜壓差作用下，小于膜孔的粒子通過濾膜，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：死端過濾在死端過濾時(shí)，溶劑和小于膜孔的溶質(zhì)在壓力驅(qū)動(dòng)下透過膜，大于膜孔的顆粒被截留，通常聚積在膜表面上。死端過濾是間隙式的，必需周期性地停下來清洗膜表面的污染層或更換膜。錯(cuò)流過濾在泵的推動(dòng)下料液平行于膜面流動(dòng)，與死端過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。目前市場上的微孔濾膜的材質(zhì)可分為有機(jī)和無機(jī)兩大類。有機(jī)材質(zhì)重要是聚合物，常通過相轉(zhuǎn)化、拉伸、燒結(jié)、徑跡刻蝕等方法制備。d.微濾膜的應(yīng)用微濾是全部膜過程中應(yīng)用*普遍、銷售額*大的一項(xiàng)技術(shù)。工業(yè)上，微濾重要用于將大于0.1um的粒子與溶液分開的場合，它的*大市場是制藥行業(yè)的**過濾和電子工業(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作用下，以電位差為推動(dòng)力，利用離子交換膜的選擇透過性，把電解質(zhì)從溶液中分別出來，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極之間交替排列一系列陰離子交換膜和陽離子交換膜。陰離子交換膜能使陰離子透過，陽離子交換膜能使陽離子透過。b.離子交換膜目前離子交換膜的種類很多，常用的膜按功能分有陰離子交換膜和陽離子交換膜。強(qiáng)酸性陽膜陽離子交換膜中等酸性陽膜弱酸性陽膜強(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）組裝簡單、堅(jiān)固，對壓力變動(dòng)和現(xiàn)場作業(yè)的牢靠性較大；2）可以簡單的加添膜的層數(shù)實(shí)現(xiàn)增大處理量；3）每兩片膜之間的滲透物都是被單獨(dú)引出來的，可以通過關(guān)閉個(gè)別膜來除去操作中的故障，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、超濾和滲透汽化過程。在不同的過程中，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、超濾及氣體分別過程中*緊要的膜組件形式，也有少量用于滲透汽化過程。對于不同的處理對象，可對卷式膜組件的結(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