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。