第十章+膜分离

第十章 膜分离

10-1 概述

10.1.1 膜分离（Membrane Separation）的基本概念

1、半透膜

溶液中一种或几种成份不能透过而其他成份能透过之膜。

选择性透过膜。

凡是使溶液中一种或几种成分不能透过，而其它成分能透过的膜都叫着半透膜。膜分离法就是用一种特殊的半透膜将溶液隔开，使溶液中的某种溶质或溶剂（水）渗透出来，从而达到分离溶质的目的。半透膜最大的特点是选择透过性。

2、膜分离

以半透膜（选择性透过膜）分离溶液中某些物质以达到富集目标物或制备纯水的过程；

需要外界施加推动力。

10.1.2 去除对象及功能

1、膜分离的去除对象

水或废水中的盐分离子等溶解性物质；

工业废水中的酸、碱；

大分子、微生物、粘土、植物质、胶体及SS等。

2、主要功能

海水淡化；

酸、碱回收；

纯水制备；

深度处理（精处理）。

10.1.3 膜的类型

1、按膜的来源分

天然生物膜；

人工合成膜—有机膜（聚合物）、无机膜（陶瓷等）；

2、按膜的组件分

管式膜—膜管直径＞10mm，处理量较小；

毛细管膜—膜管直径0.5~10mm；

中空纤维膜—膜管直径＜0.5mm ，处理量较大；

板框膜—处理量较小；

卷式膜—处理量较大。

3、按分离机理分

多孔膜—根据颗粒大小进行分离（超滤、微滤）；

无孔膜—利用分离体系组分的溶解度和扩散性差异分离；

载体膜—利用载体分子对溶液中某成分的高度亲和性分离。

根据采用的膜的种类不同和分离的推动力不同，膜分离法可区别如下：

分离过程推动力膜用途

扩散渗析浓度差渗析膜分离溶质，回收酸、碱等

电渗析电位差离子交换膜分离离子，用于回收酸、碱，苦咸水淡化

反渗透压力差反渗透膜分离小分子溶质，用于海水淡化、去除无机离子或有机物

超滤压力差超过滤膜截留分子量大于500的大分子，去除粘土、植物质、油漆、微生物等

10.1.4 膜分离方法及其特点

1、膜分离的方法

依据去除的对象，采用不同种类的膜，组成各种组件。

方法有：电渗析、扩散渗析（渗析）、反渗透、微滤、超滤、纳滤等。

2、不同方法的主要处理对象

3、主要特点

膜分离技术的共同优点是：常温下操作，不消耗热能，无相变化，无相变能耗，设备简单，易操作，无化学药剂消耗，分离与浓缩同时进行，有利回收；缺点是处理能力小，需消耗相当的能量。

4、膜析法的作用途径

（1）依靠薄膜中孔道的大小分离不同尺度的分子或粒子；

（2）依靠薄膜的离子结构分离性质不同的离子；

（3）依靠薄膜有选择的透过性分离某些物质。

10-2 渗析与电渗析（Dialysis and Electro-Dialysis）

10.2.1 扩散渗析(Dialysis)的原理

1、工作原理

利用渗析膜（膀胱膜、羊皮纸等）将浓度不同（浓度差）的溶液隔开，溶质即从浓度高的一侧透过膜而扩散至浓度低的一侧，当膜两侧的浓度达到平衡时，渗析过程即停止进行。

主要用于酸、碱的回收，回收率可达70~90%，但不能进行浓缩。其特点是不消耗能量。2、应用举例

例：扩散渗析法从含H2SO4、FeSO4的废水中回收酸（如图所示）。

扩散渗析原理图

如图，渗析膜采用阴离子膜，废酸进入1、3、5隔室，清水进入2、4隔室，由于阴膜只允许阴离子通过，则1、3、5室的SO42-离子透过阴膜进入2、4室（浓度差）；又由于2、4室的OH-离子浓度高于1、3、5室，故OH-通过膜进入1、3、5室并与H+结合生成水。于是，2、4室回收HCl，1、3、5室回收FeCl2。

10.2.3 电渗析的原理

1、工作原理

在直流电场（电位差）的作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阳、阴离子的选择性透过特性，使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。

电渗析系统由一系列阴、阳膜放置在两电极之间组成。离子减少的隔室称淡室（出淡水），离子增多的隔室称浓室（出浓水），与电极接触的隔室为极室（出极水）。

影响电渗析的因素有浓差极化、结垢、腐蚀等。

浓差极化：由于电流强度过大，使膜附近与水流主体之间产生浓度差。由于水流主体内的离子来不及补充到膜表面水层，因而膜表面水层发生电离，使阴膜浓室的Ph升高，产生结垢现象，此即浓差极化。防止浓差极化的方法有极限电流法、倒换电极法、定期酸洗法、增加水流主体紊动程度等方法。

主要用于分离离子、用于回收酸、碱、苦咸水（小于10g/L）淡化。给水处理：制淡水（浓水排出）；污水处理：浓水回收有用物质（淡水排放或回用）。

2、应用举例

（1）从酸洗废液中回收酸和铁（见图）；

（2）从芒硝废液中回收硫酸和氢氧化钠（见图）；

（3）从镀镍废液中回收镍（见图）。

3、电渗析器装置

由电渗析器本体和辅助设备两部分组成。

本体：由压板、电极托板、电极、板框、阴膜、阳膜、浓水隔板、淡水隔板按一定顺序组装并压紧。包括三个部分：膜堆、极区、紧固装置。

辅助设备：整流器、水泵、流量计。

膜堆：阴、阳膜和一对浓、淡水隔板组成最基本的单元，称膜对；电极间的若干组膜对堆叠在一起组成膜堆。隔板常与隔网（鱼鳞网、编织网等）粘合。以聚氯乙烯、聚丙烯等为材料。隔网其搅拌作用，以增加水水流的紊动度（降低液膜厚度）。回路式隔板：流程长、流速高，电流效率高，一次性除盐效果好。适用于流量小而除盐要求较高的场合。无回路式隔板：流程短、流速低，要求隔网搅动作用强，水流分布均匀，适用于流量较大场合的处理。

极区：位于电渗析器两端，通以直流电源。设有原水进口、浓淡水出口及极室水通路。由电极、极框、电极托板及橡胶垫等组成。常用的电极有石墨和不锈钢等。

紧固装置：用钢板将整个极区与膜堆均匀夹紧，使电渗析器在压力条件下工作不致漏水。

电渗析的工艺装置

4、电渗析器的组装

级：一对电极之间的膜对为一级。

段：具有同向水流的的并联膜堆为一段。

增加段数，即延长流程，提高处理效率。增加膜对数，可增加处理能力。

组装方式：串联、并联、串联-并联组合。

多台并联——增加处理能力和产水量；

数台串联——提高处理效率和出水质量；

增设中间电极——降低操作电压和电耗。

10.2.4 电渗析的工艺设计

1、膜及其特性

离子交换膜：ED的关键部件；

种类：异相膜、均相膜。

基本要求：

（1）高的离子选择性；

（2）低渗水性；

（3）高导电性（膜电阻低）；

（4）良好的化学稳定：耐酸碱、抗氧化；

（5）足够的机械强度、低的收缩和溶涨性。

2、膜的作用原理

阴膜通过阴离子、阳膜通过阳离子（反离子定义）；

膜孔作用、静电作用、扩散作用、电位作用；

无需再生！

3、极化及其防治

（1）极化的概念

电流密度（i，I/A）过大，导致淡水室膜侧（液膜）处离子浓度几乎降为零时，迫使水分子大量离解，利用H+和OH-离子承担传递电流之功能的现象。

（2）极化的危害

导致结垢，缩短膜寿命；降低电流效率，影响运行效能。

（3）解决的途径

倒换电极、定期酸洗、极限电流。

4、离子的迁移与极限电流密度（i lim）

5、电流效率（η）

6、电渗析器隔板总流程长度（L）

7、电渗析器并联膜对数（n p）

10-3 反渗透与纳滤（Reverse Osmosis and Nanofiltration）10.3.1 渗透与反渗透

1、基本概念

（1）渗透

一种膜只允许溶剂通过而不允许溶质通过，用这种膜将盐和水、淡水或两种浓度不同的溶液隔开，则可发现水将从淡水侧或浓度低的一侧通过膜自动渗透到盐水或浓度高的一侧，直至达到平衡时为止，这种现象为渗透作用。渗透平衡时，溶液两侧液面的静水压差称为渗透压。（见图

所示）

（2）反渗透

若在盐水一侧施加大于渗透压的压力，则盐水中的水就会流向淡水侧，此种现象称为反渗透。

渗透与反渗透

2、反渗透膜

常用的反渗透膜有两种——CA膜和中空纤维膜；

CA膜——成膜材料为醋酸纤维素；

中空纤维膜——以醋酸纤维素、脂肪族聚酰胺和芳香族聚酰胺为材料制成。

板框式——主要用于超滤；

管式——用于超滤或反渗透；

螺卷式——用于反渗透；

中空纤维膜——用于超滤和反渗透。

3、功能

获得淡水，浓缩原水，回收溶质。

10.3.2 反渗透膜及分离机理

1、反渗透(RO)膜

醋酸纤维素（CA）膜：成膜性能好、便宜、耐污染；pH适用范围窄（4~6.5）、不抗压、易水解。

芳香族聚酰胺膜：脱盐率高、通量大、pH适用范围广、耐生物降解，抗氧化性较差、易污染和结垢。

2、分离机理

未有公认之解释。

优先吸附—毛细孔流模型：以Gibbs吸附式为依据。膜表面优先吸附水分子而排斥盐分子，在固—液界面形成厚度为1~2个水分子，即（5~10）×10-10m的纯水层。在压力作用下，纯水层中的水分子不断通过毛细管流过RO膜，形成脱盐过程。

当毛细孔径为纯水层的两倍时，可达到最大的纯水通过量。此时的毛细孔径为临界孔径。

毛细孔径大于临界孔径时，透水性增大，但盐分子易通过，而导致脱盐率的下降；当毛细孔径小于临界孔径时，脱盐率增大，但透水性下降。

10.3.3 反渗透装置

管式：将膜浇铸在直径为0.32~2.54cm的多孔支称管上制成。支撑管由玻璃纤维、陶瓷、炭、多孔塑料及不锈钢制成。

螺卷式：由片状膜围绕一个开孔的聚氯乙烯或聚丙烯中心管卷绕制成。把导流隔网、膜和多孔支撑材料依此叠合，用粘合剂沿三边把两层膜粘结密实，另一开放边与中间淡水管连接，再卷绕一起构成膜组件。

中空纤维式：把纤维定向平行放置于开孔的中心管上而成。

板框式：由隔板、膜、支撑板、膜的排列顺序多层交替重叠压紧制成。隔板上有许多沟槽，在压力作用下，透过膜的淡水在隔板内汇集并引出。操作较方便，但机械强度要求较高。

10.3.4 反渗透系统及工艺流程

1、系统布置

合理布置很重要。否则将影响膜的寿命，引起严重的膜污染，清洗频繁。

形式有三种：单程式、循环式、多段式。

单程式回收率（所产淡水量与进水量之比）低；循环式回收率较高，但淡水质量下降；多段式则可在保证淡水质量的同时，提高回收率，因而多采用。

2、工艺流程

由三部分组成：前（预处理）→反渗透→后处理。

10.3.5 反渗透的工艺设计

1、膜的选择

（1）选择原则

透水量大，脱盐率高；机械强度好，被压密、压实作用小；稳定性好，抗水解，耐酸碱，抗微生物侵袭；使用寿命长，性能衰减小；价格便宜，原料易得。

（2）主要类型

醋酸纤维素（CA）膜；芳香族聚酰胺膜。

2、膜通量（J，透水量）

单位膜面积在单位时间内的透过水量。

3、截留率（R，R E）等

表示膜脱除溶质或盐的性能指标。

截留率（R）和表观截留率（R E）。

10-4 微滤与超滤（Microfiltration and Ultrafiltration）

10.4.1 微滤（MF）与超滤（UF）的概念

1、去除对象

微滤亦称为精密过滤，去除粒径为0.01~10μm的微粒。超滤分离水中分子级物质（截留分子量MWCO为500~ 500000）。

2、作用原理

均以外加压力为其分离（截留）分子的动力。

采用不同孔径的膜。

在一定压力差的作用下，原料液中的水和小的溶质粒子或分子透过膜至低压侧，而大粒子或大分子组分被膜截留。

10.4.2 微滤与超滤的运行

1、操作模式

死端过滤：无流动过滤。阻力增大快，膜通量下降显著。仅以间歇方式运行，以周期性地对膜进行清晰或更换。

错流过滤：高剪切力可防止颗粒在膜表面的沉积，膜通量较为稳定，可有效防止膜污染。可