第3章-压差膜分离

渗透压与最大溶质重量分数的关系
13.8MPa 溶 质 重 量 分 率
6.9MPa
3.5MPa
0.69MPa
溶质分子量
几种化合物在水溶液中的浓度与 渗透压的关系
35
渗 透 压
MPa
28 21 14 7 0
各化合物在水中的浓度,%(w/w)
1, , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 , , , , , , 氯化锂,氯化钠,乙醇,乙二醇,硫酸镁,硫酸锌,果糖, 氯化锂,氯化钠,乙醇,乙二醇,硫酸镁,硫酸锌,果糖,蔗糖
有机离子在25℃的自由能参数
有机离子种类
HCOO– HC6H4(COO–)2 C2O42– t–C4H9COO– i–C3H7COO– 环–C6H11COO– n–C4H9COO– n–C3H7COO– C2H5COO– CH3COO– C6H5(CH2)3COO– C6H5(CH2)2COO– C6H5(CH2)COO– C6H5COO– P–CH3OC6H4COO–
解:第一步 求出四种盐的自由能参数:
ln(
ln(
δ DamK
D am K
* ) NaCl = ln C NaCl + 1 . 37
δ
)KNO3 = ln C
* NaCl
+ 2.25
Dam K * ln( )MgCl2 = ln C NaCl - 0.12 d Dam K * ln( )MgSO 4 = ln C NaCl - 4.48 d
反渗透过程的溶质损失率 与回收率,截留率的关系 与回收率,截留率的关系
δ = 1 (1 η)
1R
反渗透膜的溶质截留率大多在 ～0.95 反渗透膜的溶质截留率大多在0.9～ 之间; 之间; 回收率不高; 回收率不高; 为提高料液的利用,必须采用多段或多 为提高料液的利用, 级工艺过程. 级工艺过程.
反渗透工艺流程
一级一段连续式反渗透流程
一级一段循环式反渗透流程
反渗透工艺流程
一级三段连续式
二级一段循环式
反渗透系统的设计
反渗透系统设计的总体要求
1. 2. 3. 4. 5. 6. 达到所需的产水率; 达到所需的产水率; 达到最高的脱盐率; 达到最高的脱盐率; 提高水的回收率; 提高水的回收率; 减轻膜元件的污染和结垢,使系统运行稳定; 减轻膜元件的污染和结垢,使系统运行稳定; 减少膜元件和压力容器的数量,降低造价; 减少膜元件和压力容器的数量,降低造价; 降低系统运行压力,节约能量. 降低系统运行压力,节约能量.
J W = A( P π )
DW CW VW A= RT l
For RO A=3×10-3 ～6×10-5 m3/m2h.bar × × For NF A= 2×10-2 ～3×10-3 m3/m2h.bar × ×
The solute flux equation
J S = PS (C f Cp ) DS KS PS = l
膜元件的种类
公司膜元件) (Filmtec/Dow公司膜元件) 公司膜元件 膜元件种类: 海水高脱盐 SW30HR 海 水 SW30 苦盐水 BW30 自来水 TW30 膜元件的直径与长度 标准直径(in):2.5,4.0,8.0等 标准长度(in):40,80等 新产品: 采用有效表面积替代直径与长度表示法.
获得: 种水溶液的溶质渗透系数大小 获得:4种水溶液的溶质渗透系数大小
DAmKA DAmKA < DAmKA < DAmKA < δ MgSO δ MgCl δ NaCI δ KNO 2 3 4
当所使用的膜相同, DAmKA δ 数值较小,表示 溶质透过量较少,而溶质的截留率较高. 该膜对KNO3截留率最低,而渗透通量最高.
i
完全离解的无机电解质或有机溶 质的膜渗透系数
以NaCl为参考溶质,由实验测得溶质渗透系数,
G G * DAM ln = ln C NaCl + + Kδ NaCl RT Na + RT Cl
再由下式经线性回归求出常数
G DAm K A G * ln + na = ln CNaCl + nC δ 溶质 RT 阳离子 RT 阴离子
DAmKA
渗透系数的物理意义
是三个具有重要意义的物 δ 理量的组合, 理量的组合, 在反渗透设计中,不必知道其中每 在反渗透设计中, 个数值,只需知道其总值即可. 个数值,只需知道其总值即可.
DAmKA
的值可通过选择适当的 δ 参考溶质来预测. 如:氯化钠是醋酸纤维膜的参 考溶质;甘油,葡萄糖可作为 芳香聚酰胺膜的参考溶质.
反渗透过程的渗透系数
若膜已确定,则在一定的压力下, δ 若膜已确定,则在一定的压力下, 与料液的浓度和流速无关, 与料液的浓度和流速无关,随温度升高 而增加; 而增加; 当膜的平均孔径很小时,在很宽的压力 当膜的平均孔径很小时, 范围内,几乎是个常量, 范围内,几乎是个常量, 当膜的孔径较大时,则随压力增加而趋 当膜的孔径较大时, 于降低. 于降低.
(G / RT )i
–4.78 –4.63 –14.06 –6.90 –6.11 –6.24 –6.11 –6.06 –6.14 –5.95 –5.93 –5.86 –5.69 –5.66 –5.74
有机离子种类
m–CH3C6H4COO– m–OHC6H4COO– p–ClC6H4COO– m–NO2C6H4COO– p–NO2C6H4COO– o–ClC6H4COO– o–NO2C6H4COO– HOOCCOO– HOOC(CH2)2COO–s CH3CHOOHCOO– HOOCCH2COO– HOOCCH(OH)CH2COO– HOOCCH(OH)CH(OH)COO– HOOCCH2C(OH)— (COOH)CH2COO–
对于离解度为60%的MgSO4溶液
ln(
D am K
δ
) MgSO 4
(α D = 0 . 6 )
= ln C
* NaCl
* NaCl
1 .308
ln(
DamK
δ
)MgSO4 = ln C
4.48
D K DAm K A < Am A δ MgSO δ MgSO α =0.6 4 4 D
分离技术——压力 差推动力膜过程
浙江大学材料与化工学院
陈欢林教授,张林博士 chenhl@zju.edu.cn linzhang@zju.edu.cn
第3章 章 反渗透,纳滤, 反渗透,纳滤,超滤与微滤
反渗透,纳滤,超滤,微滤, 反渗透,纳滤,超滤,微滤,过滤范围
m(对数 ) (对数) 常 见 尺 寸 的 相 对 质 物
式中,aD为离解度.
对于不离解的极性有机溶质的渗透系数推算, 对于不离解的极性有机溶质的渗透系数推算,必须 在上式中引入有机溶质的极性参数和位阻参数, 在上式中引入有机溶质的极性参数和位阻参数,推 算比较复杂. 算比较复杂.
碱金属阳离子和卤族阴离子的自由 能参数
离子种类 芳香聚酰胺 Li+ Na+ K+ Rb+ Cs+ F– Cl– Br– I– –1.77 –2.08 –2.11 –2.08 –2.04 1.03 1.35 1.35 1.33 (G/RT)i 25℃ 芳香聚酰胺酰肼 醋酸丙酸纤维素a –1.20 –1.35 –1.28 –1.27 –1.23 1.03 1.35 1.35 1.33 –1.25 –1.30 –1.27 –1.23 –1.18 0.42 1.10 1.15 1.20
其中 nc ,na 分别为从每摩尔溶质中离解出的阳离子和 阴离子的摩尔数.
部分离解并形成离子对的无机溶质 渗透系数
G G DAm K A G * = ln C NaCl + aD nC + na + (1 aD )( ln ) RT RT 阴离子 δ 溶质 RT 阳离子
(G / RT )i
–5.67 –5.64 –5.63 –5.92 –5.93 –6.41 –6.61 –6.60 –5.65 –6.30 –6.46 –5.97 –6.40
–6.24
计算4种无机物的溶质渗透系 例题 计算 种无机物的溶质渗透系 数
[例3-1] 利用附录A的排斥自由能参数,推测 例 出醋酸纤维素膜分别用于分离MgSO4, MgCl2,NaCl,KNO3水溶液时的溶质渗透 系数,排出溶质截留率的次序;求离解度为 60%的MgSO4溶液的值,并与完全离解的 MgSO4溶液的溶质渗透系数值比较.
Kimura-Sourirajan优先吸附-毛细 优先吸附- 优先吸附 管流动机理模型
J A = A{P [π ( x AR ) π ( x AP )]}
JS =
Am A
DAm K A
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δ
(C R x AR C P x AP )
式中,A为水的渗透系数; D K 为溶质的渗透系数, 其与溶质性质, δ 膜材料性质以及膜表面平均孔径有关.
The limiting case Rmin is reached as P tend to infinity. The constant A must be as high as possible whereas the constant B must be as low as possible to be obtain an efficient separation. That means: R tend to 1.
同一种溶液,离子对的存在会使溶质渗透系数在数值 上增加,因此,降低了该膜对溶质的截留率.
反渗透过程的回收率
VP η = Vf
式中,VP ,Vf分别为透过液液和原料液的 浓度.
原料液浓度,回收率和截留率的关系
CR = C f (1 η )
R
R
C P = C f (1 R)(1 η)
当反渗透过程中溶质是所需要的组分时, 当反渗透过程中溶质是所需要的组分时,如果膜不 能完全截留溶质,有部分溶质被损失掉. 能完全截留溶质,有部分溶质被损失掉.
The solute permeability coefficient is a function of the diffusivity and the distribution coefficient
R=
C f Cp Cf
= 1
Cp Cf
A( P π ) R= A( P π ) + B
DAmKA
G
溶质渗透系数推算式
ln( DAm K A G ) S = ln C + [∑ ( )i ] RT
*
δ
式中: G为把一种离子从本体溶液相迁移到膜界 面所需要的自由能; G ( ∑ RT ) 为料液中各种离子的排斥自由能参数之 和; * ln C 为与膜有关的常数,与溶质浓度无关.
各种渗透压计算方程
π = RT ∑ Ci
π = Φ i Ci RT
RT 2 π= C + BC + M π = aC n
i =1 n
π = Bxs
式中, B为常数, Xs 为溶质摩尔分数;
各种溶质-水体系的反渗透 值 各种溶质 水体系的反渗透B值 水体系的反渗透
反渗透
The water flux equation
膜元件选择基本原则
1. 按脱盐率 >92% TW30; >98% BW30; >99% SW30,SW30HR 2. 按进水含量TDS <1000 mg/L XLE <2000 mg/L TW / BWLE <10000 mg/L BW30 <10000-15000 mg/L SW30 <10000-50000 mg/L SW30HR
10.0
反渗透
1.0
纳 滤 超 滤
0.1
微 滤 过 滤
MPa
0.01
压差推动力膜的分子渗透示意
小分子 中分子 大分子
原料
膜
透过侧
该示意图表示的是: 反渗透,纳滤,超滤,微滤 ? 反渗透,纳滤,超滤,
渗透与反渗透
(a) C1=C2, p1=p2 π1=π2,1=2 (b) C1>C2, p1=p2 π1>π2,1<2 (c) C1>C2 , p1>p2 π1>π2,1=2 ,p=π (d)C1>C2 , p1>p2 π1>π2,1>2, p>π
膜元件选择基本原则
3. 按进水水源 一般水源 地表水,满足高脱盐率: BW30-365 地下水,满足高脱盐率: BW30-400 TDS<2000,满足高通量:BW30LE-440 4. 高污染水源 预处理采用传统过滤器: BW30-365FR 预处理采用超滤,微滤: BW30-365FR