水质工程学(1)--膜滤技术
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浓度差：扩散渗析
工
电位差：电渗析
程 学
压力差：反渗透(RO, reverse osmosis)：MW<100, 0.2-0.3nm, 2 – 3 A 纳滤(NF, nanofiltration)：MW: 100-1000, 0.5-5 nm 超滤(UF, ultrafiltration)：MW: 1000—百万, 5 nm-0.2m
环 境
B、与离子交换联用，制取超纯水
工 C、才处理重金属废水，回收重金属：如处理
程 学
镀镍废水，镍回收率可达99％。
院 D、废水脱盐深度处理
给 排 水
美国加州21世纪水处理回用厂，就是将二级 生物处理出水，经一定的预处理后经反渗透
教 处理后回灌地下水。
研
室
11
反渗透装置
土
木
板框式
与 环 境
装置管式内外压压管管式式
境 从而形成浓度差Cm-Cb，并促 Cb
工 使溶质的反向扩散。这种现象 程 称为浓差极化。
学
m
院
给
排 水
当Cm增加到Cg时，膜面大分子物质生成凝胶层。一旦凝胶层形成，透 水量并不因压力的增加而增加。
教 研
减缓浓差极化现象的措施：（1）提高料液流速，增加膜面的紊动程度； （2）对膜面不断清洗；（3）控制料液浓度
境 均相膜：离子及交换树脂的母体材料制成连续的膜状物，作为底膜，
工
然后在上面嵌接上活性基团。
程 学
★按离子选择性分： 阳呈离 负子 电交 性换膜（一般为聚苯乙烯磺酸型）：R－SO3H，在水中电离后，
院 给
阴呈离 正子 电交 性换膜（聚苯乙烯季胺型）：R－CH2 N（CH3）3OH，电离后， 离子交换膜选择透过性主要是由于：
工 程 学
u——咸水中水的化学位
u0--指定温度压力下的
纯水化学位反渗透
院
给
icRT 排
水 教
C——溶液的物质的量的浓度 mol/m3
研
i——系数 海水i=1.8
室
9
土 反渗透膜及其透过机理：选择性吸着——毛细管流机理。
木
膜表面优先吸附水分子，排斥盐分，在膜面形成纯水
与
层，0.5-1nm，在压力的作用下，水不断通过反渗透膜。
微滤与超滤都是在压差推动力作用下的筛孔分离过程。一般用 来分离分子量大于500的溶质、胶体、悬浮物和高分子物质。
环 一、微滤的原理与装置
境 工
1）原理：
程
筛孔分离过程，压力差的作用下，小分子和水通过膜到达低
学
压侧，大分子被截留。
院 给 排
2）操作： A）死端过滤：间歇式，需周期性清洗，小规模，固含量低
3
土 木
三、性能参数（p270）
与 四、膜污染和膜劣化
环 境 工
膜污染：由于吸附、沉积、阻塞使膜通量和分离特性发生不可
逆的变化。通过清洗可以恢复
程
膜劣化：膜自身结构发生不可逆的变化
学 院 给
预防措施：进水预处理、膜组件合理设计、操作方式优化、
及时清洗、膜面改性
排
水
教
研
室
4
9.2微滤与超滤
土 木 与
院
微滤(MF, microfiltration)：0.2-1 m
给 (1A=10-8 cm, 1 =10-4cm, 1nm=10-7cm) 膜分离的特点：
排
可在一般温度下操作，没ห้องสมุดไป่ตู้相变；
水 教
浓缩分离同时进行； 不需投加其他物质，不改变分离物质的性质； 适应性强，运行稳定。
研
室
2
土 木 与 环 境 工 程 学 院 给 排 水 教 研 室
境
淡水隔板交替排列，组成的最基本脱盐单元
工 膜堆：若干膜对的集合体
程 一级：一对正、负极之间的膜堆 学 一段：具有同一水流方向的并联膜堆
增加段数：加长水的流程长度，增加脱盐效率。
院 增加膜对数：提高水处理量
给 增加级数：降低两个电极之间的电压
排 四、极化与结垢：
水 教
极化现象主要发生在阳膜的淡室一侧，沉淀主要发生在阴膜浓室一侧。 防止措施：1）极限电流法，在极限电流的70－90％下运行；
工 程
卷式
学
中空纤维式
院
给
排
水
教
研
室
12
9.4电渗析
土 木
一、原理
与 环 境
在直流电场作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中的阴、阳离子的选 择透过性，分离溶质和水。阴膜只让阴离子通过；阳膜只让阳离 子通过。
工
程
学
院
给
排
水
教
研
室
13
土 木
阴极：
与 环 境
还原反应：2H＋ ＋2e → H2↑ 阴极室溶液呈碱性，结垢
水 B）错流过滤：原料液、浓缩液沿膜面平行流出，渗透液垂
教
直膜面流出
研
室
5
土
木 原料液
与
环
境
工
渗透液
程
学
无流动操作
院
给
排
原料液
浓缩液
水
教
研
渗透液
室 错流操作
6
土 超滤过程中的浓差极化
木
在膜分离过程中，大分子溶
Cm
与 环
质被膜所截留并不断累积在膜 表面上，使溶质在膜面处的浓 度Cm高于主体溶液中的浓度Cb，
水质工程学（1）
土土 木 木与
与环
环境 境 学工 程 学
第9章 膜滤技术
院院
给给
排排
水 教水 教 研
研室
室
1
9.1 概述
土 一、定义
木
在某种推动力的作用下，利用某种隔膜特定的透过性能，使溶质或溶剂分 离的方法称为膜分离。
与
分离溶质时一般叫渗析；分离溶剂时一般叫渗透。
环 境
二、分类与特点 根据推动力的不同，膜分离有下列几种：
排
水
1）膜的孔隙结构；2）活性交换基团的作用。
教
离子交换膜是电渗析的关键部分，良好的电渗析应：1）高的离子选择 性；2）渗水性差；3）导电性好；4〕化学稳定性和机械强度
研
室
15
土 三、设备
木 电渗析可分为三部分：
与 环
极区、膜堆和紧固部分 极区：常用的电极有不锈钢、石墨等 膜对：一对阴、阳膜和一对浓、
室
7
土 木
三、应用
与 1．给水
环 去除细菌、胶体等物质。家庭用膜式净水器
境 工
与反渗透联合制备纯水
程 2．废水
学 院 给
回收分离有用物：涂料、羊毛脂、染料、纸浆等 废水深度处理
排 膜－生物反应器
水
教
研
室
8
9.3反渗透
土 一、反渗透的原理
木 渗透现象与渗透压
与 （原理如图所示）
环 渗透
境
u=u0+RTlnx
工 阳极：
程 学
氧化反应：4OH－ → O2↑＋2H2O ＋4e
院 给 排
或
2Cl-→Cl2↑+2e
阳极室溶液呈酸性，腐蚀
水 特点：只能将电解质从溶液中分离出去。不能
教 研
去除有机物等。
室
14
土 二、离子交换膜
木 离子交换树脂：树脂与离子之间发生交换反应
与 环
离子交换膜：对溶液中的离子具有选择透过的特性 按其结构分为：异相膜、均相膜。 异相膜：离子交换树脂磨成粉末，加入粘合剂，滚压在纤维网上。
2）倒换电极；
研
3）定期酸洗
室
16
土 木
五、应用
与 1）海水或苦咸水（小于10克/L）淡化；
环 境
2）自来水脱盐制取初级纯水；
工 3）电渗析与离子交换组合制取高纯水；
程 学
4）废液的处理回收
院 （可以与电极反应联合进行）
给 排
如酸洗废水回收硫酸和铁
水
教
研
室
17
环
当毛细孔径为纯水城厚度2倍时，有最大通水量，临界孔
境 二、反渗透膜
工 ★性能指标
程
脱盐率＝（C0－C）/C0×100％，一般高达90％以上。
学
透水率（L/m2.d）
院 膜种类：
给 醋酸纤维素膜（CA）
排 芳香族聚酰胺膜
水 结构：
教 表皮层、过渡层、多孔支撑层 研
室
10
土 木
三、应用
与 A、苦咸水、海水淡化
工
电位差：电渗析
程 学
压力差：反渗透(RO, reverse osmosis)：MW<100, 0.2-0.3nm, 2 – 3 A 纳滤(NF, nanofiltration)：MW: 100-1000, 0.5-5 nm 超滤(UF, ultrafiltration)：MW: 1000—百万, 5 nm-0.2m
环 境
B、与离子交换联用，制取超纯水
工 C、才处理重金属废水，回收重金属：如处理
程 学
镀镍废水，镍回收率可达99％。
院 D、废水脱盐深度处理
给 排 水
美国加州21世纪水处理回用厂，就是将二级 生物处理出水，经一定的预处理后经反渗透
教 处理后回灌地下水。
研
室
11
反渗透装置
土
木
板框式
与 环 境
装置管式内外压压管管式式
境 从而形成浓度差Cm-Cb，并促 Cb
工 使溶质的反向扩散。这种现象 程 称为浓差极化。
学
m
院
给
排 水
当Cm增加到Cg时，膜面大分子物质生成凝胶层。一旦凝胶层形成，透 水量并不因压力的增加而增加。
教 研
减缓浓差极化现象的措施：（1）提高料液流速，增加膜面的紊动程度； （2）对膜面不断清洗；（3）控制料液浓度
境 均相膜：离子及交换树脂的母体材料制成连续的膜状物，作为底膜，
工
然后在上面嵌接上活性基团。
程 学
★按离子选择性分： 阳呈离 负子 电交 性换膜（一般为聚苯乙烯磺酸型）：R－SO3H，在水中电离后，
院 给
阴呈离 正子 电交 性换膜（聚苯乙烯季胺型）：R－CH2 N（CH3）3OH，电离后， 离子交换膜选择透过性主要是由于：
工 程 学
u——咸水中水的化学位
u0--指定温度压力下的
纯水化学位反渗透
院
给
icRT 排
水 教
C——溶液的物质的量的浓度 mol/m3
研
i——系数 海水i=1.8
室
9
土 反渗透膜及其透过机理：选择性吸着——毛细管流机理。
木
膜表面优先吸附水分子，排斥盐分，在膜面形成纯水
与
层，0.5-1nm，在压力的作用下，水不断通过反渗透膜。
微滤与超滤都是在压差推动力作用下的筛孔分离过程。一般用 来分离分子量大于500的溶质、胶体、悬浮物和高分子物质。
环 一、微滤的原理与装置
境 工
1）原理：
程
筛孔分离过程，压力差的作用下，小分子和水通过膜到达低
学
压侧，大分子被截留。
院 给 排
2）操作： A）死端过滤：间歇式，需周期性清洗，小规模，固含量低
3
土 木
三、性能参数（p270）
与 四、膜污染和膜劣化
环 境 工
膜污染：由于吸附、沉积、阻塞使膜通量和分离特性发生不可
逆的变化。通过清洗可以恢复
程
膜劣化：膜自身结构发生不可逆的变化
学 院 给
预防措施：进水预处理、膜组件合理设计、操作方式优化、
及时清洗、膜面改性
排
水
教
研
室
4
9.2微滤与超滤
土 木 与
院
微滤(MF, microfiltration)：0.2-1 m
给 (1A=10-8 cm, 1 =10-4cm, 1nm=10-7cm) 膜分离的特点：
排
可在一般温度下操作，没ห้องสมุดไป่ตู้相变；
水 教
浓缩分离同时进行； 不需投加其他物质，不改变分离物质的性质； 适应性强，运行稳定。
研
室
2
土 木 与 环 境 工 程 学 院 给 排 水 教 研 室
境
淡水隔板交替排列，组成的最基本脱盐单元
工 膜堆：若干膜对的集合体
程 一级：一对正、负极之间的膜堆 学 一段：具有同一水流方向的并联膜堆
增加段数：加长水的流程长度，增加脱盐效率。
院 增加膜对数：提高水处理量
给 增加级数：降低两个电极之间的电压
排 四、极化与结垢：
水 教
极化现象主要发生在阳膜的淡室一侧，沉淀主要发生在阴膜浓室一侧。 防止措施：1）极限电流法，在极限电流的70－90％下运行；
工 程
卷式
学
中空纤维式
院
给
排
水
教
研
室
12
9.4电渗析
土 木
一、原理
与 环 境
在直流电场作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中的阴、阳离子的选 择透过性，分离溶质和水。阴膜只让阴离子通过；阳膜只让阳离 子通过。
工
程
学
院
给
排
水
教
研
室
13
土 木
阴极：
与 环 境
还原反应：2H＋ ＋2e → H2↑ 阴极室溶液呈碱性，结垢
水 B）错流过滤：原料液、浓缩液沿膜面平行流出，渗透液垂
教
直膜面流出
研
室
5
土
木 原料液
与
环
境
工
渗透液
程
学
无流动操作
院
给
排
原料液
浓缩液
水
教
研
渗透液
室 错流操作
6
土 超滤过程中的浓差极化
木
在膜分离过程中，大分子溶
Cm
与 环
质被膜所截留并不断累积在膜 表面上，使溶质在膜面处的浓 度Cm高于主体溶液中的浓度Cb，
水质工程学（1）
土土 木 木与
与环
环境 境 学工 程 学
第9章 膜滤技术
院院
给给
排排
水 教水 教 研
研室
室
1
9.1 概述
土 一、定义
木
在某种推动力的作用下，利用某种隔膜特定的透过性能，使溶质或溶剂分 离的方法称为膜分离。
与
分离溶质时一般叫渗析；分离溶剂时一般叫渗透。
环 境
二、分类与特点 根据推动力的不同，膜分离有下列几种：
排
水
1）膜的孔隙结构；2）活性交换基团的作用。
教
离子交换膜是电渗析的关键部分，良好的电渗析应：1）高的离子选择 性；2）渗水性差；3）导电性好；4〕化学稳定性和机械强度
研
室
15
土 三、设备
木 电渗析可分为三部分：
与 环
极区、膜堆和紧固部分 极区：常用的电极有不锈钢、石墨等 膜对：一对阴、阳膜和一对浓、
室
7
土 木
三、应用
与 1．给水
环 去除细菌、胶体等物质。家庭用膜式净水器
境 工
与反渗透联合制备纯水
程 2．废水
学 院 给
回收分离有用物：涂料、羊毛脂、染料、纸浆等 废水深度处理
排 膜－生物反应器
水
教
研
室
8
9.3反渗透
土 一、反渗透的原理
木 渗透现象与渗透压
与 （原理如图所示）
环 渗透
境
u=u0+RTlnx
工 阳极：
程 学
氧化反应：4OH－ → O2↑＋2H2O ＋4e
院 给 排
或
2Cl-→Cl2↑+2e
阳极室溶液呈酸性，腐蚀
水 特点：只能将电解质从溶液中分离出去。不能
教 研
去除有机物等。
室
14
土 二、离子交换膜
木 离子交换树脂：树脂与离子之间发生交换反应
与 环
离子交换膜：对溶液中的离子具有选择透过的特性 按其结构分为：异相膜、均相膜。 异相膜：离子交换树脂磨成粉末，加入粘合剂，滚压在纤维网上。
2）倒换电极；
研
3）定期酸洗
室
16
土 木
五、应用
与 1）海水或苦咸水（小于10克/L）淡化；
环 境
2）自来水脱盐制取初级纯水；
工 3）电渗析与离子交换组合制取高纯水；
程 学
4）废液的处理回收
院 （可以与电极反应联合进行）
给 排
如酸洗废水回收硫酸和铁
水
教
研
室
17
环
当毛细孔径为纯水城厚度2倍时，有最大通水量，临界孔
境 二、反渗透膜
工 ★性能指标
程
脱盐率＝（C0－C）/C0×100％，一般高达90％以上。
学
透水率（L/m2.d）
院 膜种类：
给 醋酸纤维素膜（CA）
排 芳香族聚酰胺膜
水 结构：
教 表皮层、过渡层、多孔支撑层 研
室
10
土 木
三、应用
与 A、苦咸水、海水淡化