第10章 膜分离

10.1 概述
共同的缺点：
▲处理能力小； ▲大部分需要消耗相当的能量；
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10.2 渗析与电渗析（Dialysis and Electro-Dialysis）
10.2.1 10.2.2 10.2.3 10.2.4 10.2.5 10.2.6 扩散渗析(Dialysis)的原理 扩散渗析的应用 电渗析(Electro-Dialysis)的原理 电渗析的应用 电渗析的工艺装置 电渗析的工艺设计
dbv q ( L / s) 1000
隔板总流程长度（L）
vd (C1 C 2 ) F L 1000 i
平均电流密度时 2014-7-11
Llim
2.3Fdv1n C1 lg 1000 K C2
极限电流密度时 35
10.2.6 电渗析的工艺设计
电渗析器并联膜对数（np）
np 278Q 3 ( m / h) dbv
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渗透液相
膜
原料液相
5
10.1.2 去除对象及功能
膜分离的去除对象
10.1 概述
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
主要功能

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海水淡化 酸、碱回收 纯水制备 深度处理（精处理）
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10.2.6 电渗析的工艺设计
电流效率（η）
10.2 扩散渗析与电渗析
膜对（单位面积）的理论离子渗出量（G）（法拉第定律）
G
ItM B (g) F
膜对（单位面积）的实际离子渗出量（G1）
q(C1 C 2 )tM B G1 (g) 1000
电流效率（η ）
Selective ion exchange membrane
选择性离子交换膜
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10.2.6 电渗析的工艺设计
极化及其防治
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。 ■
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。
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10.2.5 电渗析的工艺装置
10.2 扩散渗析与电渗析
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10.2.6 电渗析的工艺设计
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： 粘合剂
10.2 扩散渗析与电渗析
（1）高的离子选择性； 离子 （2）低渗水性； 交换 树脂 （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。
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10.2.6 电渗析的工艺设计
膜的作用原理
10.2 扩散渗析与电渗析
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！
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10.2.5 电渗析的工艺装置
电渗析器的组装
10.2 扩散渗析与电渗析
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；
10.2 扩散渗析与电渗析
278—单位换算系数。
电流（I）、电压（U）及电耗（W）
电流
I 1000 iA （A）
U U j U m (V )
W
Uj—极区电压降（15~20V）； Um—膜堆电压降（膜对电压降约 为2~4V）。 实际电耗应考虑整流 器的效率。
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电压
电耗
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10.2 扩散渗析与电渗析
极化的危害
□
导致结苟，缩短膜寿命；降低电流效 率，影响运行效能。 倒换电极、定期酸洗、极限电流。
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■
解决的途径
□
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10.2.6 电渗析的工艺设计
离子的迁移与扩散
离子的迁移 根据法拉第定律：
i 离子在膜内的迁移量为： n F i 在溶液中的迁移量为： F n
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10.2 扩散渗析与电渗析
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10.2.2 扩散渗析的应用
应用举例
10.2 扩散渗析与电渗析
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10.2.3 电渗析的原理
工作原理
10.2 扩散渗析与电渗析
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、阳膜放臵在两电极之间组成。 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）。 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）。
UI 103 (kW h / m 3 ) Q
G1 q(C1 C 2 ) F 100% G 1000I
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10.2.6 电渗析的工艺设计
膜对的平均电流密度（i）
10.2 扩散渗析与电渗析
电渗析器隔板总流程长度（L）
i 1000 I (mA / cm 2 ) bL
一个淡室的流量（q）
d—隔板后（即流 水槽深度）cm； b—隔板流水槽宽 度，cm；
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10.2.5 电渗析的工艺装置
10.2 扩散渗析与电渗析
电渗析器（ED）的组成
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10.2.5 电渗析的工艺装置
膜堆
10.2 扩散渗析与电渗析
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。
由于， F n ＞ F n ，使液膜两 侧出现浓度差而产生扩散推动 力。
迁移量：单位时间、单位膜面 积所迁移的物质的量。
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i i
10.2 扩散渗析与电渗析
离子的迁移与极限电流密度（ilim）
□
离子的扩散
根据Fick定律： 扩散物质的通量可表示为：

D (C C ) 1000
膜分离(Membrane Separation)的基本概念 去除对象及功能 膜的类型 膜分离方法及其特点
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10.1.1 膜分离的基本概念
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。
10.1 概述
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。
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10.2.1 扩散渗析的原理
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。
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。
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10.2.5 电渗析的工艺装置
10.2 扩散渗析与电渗析
崔玉川等，城市污水回用深度处理设施设计计算，北京：化学 工业出版社，2003 许振良编著，膜法水处理技术，北京：化学工业出版社，2001 许保玖，给水处理理论，北京：中国建筑工业出版社，2000 刘茉娥等，膜分离技术，北京：化学工业出版社，1998
许保玖等，当代给水与废水处理原理，北京：高等教学出版社， 2000
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10.1.3 膜的类型
10.1 概述
卷式中空纤维膜组件 （外置）
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板式中空纤维膜组件 （内置）
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10.1.4 膜分离方法及其特点
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。
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
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10.1.3 膜的类型
10.1 概述
膜的类型
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10.1.3 膜的类型
10.1 概述
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张自杰主编，排水工程（下册），第四版，北京：中国建筑工 业出版社，2000
沈耀良编著，废水生物处理新技术—理论与应用（第二版）， 北京：中国环境科学出版社，2006
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10.1 概述（Brief
10.1.1 10.1.2 10.1.3 10.1.4
Introduction）
k m v
ilim KCv m
K——水力特性参数，与膜的性 能、隔板形式、离子组成及温 度等有关。可通过实验测定。
ilim
FD Cv m 1000 ( n n) k
C1 C 2 C 2.3 lg 1 C2
离子浓度沿隔板流道呈指 数下降。C为进、出水离 子浓度的对数平均值。
C
膜
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10.1.2 去除对象及功能
10.1 概述
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10.1.3 膜的类型
按膜的来源分
按膜的组件分

10.1 概述
天然生物膜 人工合成膜——有机膜（聚合物）、无机膜（陶瓷等）
按分离机理分
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
10.2 扩散渗析与电渗析
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10.2.4 电渗析的应用
应用举例
10.2 扩散渗析与电渗析
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10.2.5 电渗析的工艺装置
电渗析器装置
10.2 扩散渗析与电渗析
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、紧固装臵。 辅助设备 整流器、水泵、流量计。
稳态运行时，应有：
i C C ( n n) D F 1000
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10.2.6 电渗析的工艺设计
极限电流密度（ilim）
ilim FD C n n 1000
m—0.3~0.9。水流紊动度 越高，其值越接近于1。
10.2 扩散渗析与电渗析
离子的迁移与极限电流密度（ilim）
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10.2.3 电渗析的原理
工作原理
10.2 扩散渗析与电渗析
源自文库2014-7-11
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10.2.3 电渗析的原理
工作原理
10.2 扩散渗析与电渗析
双 膜
单 膜
Principles of electrolysis
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三 膜
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10.2.4 电渗析的应用
应用举例
10.1 概述
不同膜分离方法及其推动力
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10.1.4 膜分离方法及其特点
不同方法的主要处理对象
分离 方法 反渗透 纳滤 超滤 微滤 传统过滤
10.1 概述
不同物 质的相 对尺寸
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10.1.4 膜分离方法及其特点
主要特点
共同的优点：
▲可在一般温度下操作； ▲不消耗热能； ▲无相的变化； ▲设备可工业（定型化）生产； ▲易操作。
《水污染控制工程》
第2篇
物理、化学及物理化学处 理工艺原理
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第10章 膜分离
主要内容
10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 概述 渗析与电渗析 反渗透与纳滤 微滤与超滤 膜分离工艺的运行控制
《水污染控制工程》
2014-7-11
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