第五章 膜分离法

饮用纯水（太空水）的制备 医药工业中注射用水/洗瓶水及其他无菌水的制备 电子工业中超纯水的制备 火力发电厂锅炉补给水的制备 饮料与化妆品工业中产品配方用水的制备 制造业中终端洗涤水的制备 饮用水纯化/苦碱水脱盐/海水淡化 废水循环与再生利用（零排放） 纸浆与造纸废水的处理及木素磺酸盐的回收 金属、食品、皮革、农药和除草剂废水的处理 纺织印染废水的处理及丝光废水的回收利用
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醋酸纤维素膜的结构示意图
1% 表皮层，孔径 （8－10）×10－10m 过渡层，孔径 200×10－10m 99％ 多孔层，孔径 （1000－4000） ×10－10m
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反渗透装置
• 工业生产中使用的膜分离设备是由多个构造相同 的单个装置组合而成的，一般把构成设备的相同 的装置称为膜组件（membrane module）。 • 反渗透膜组件有板框式（plate and frame)、管式 (tubular modules)、螺旋卷式(spirals wound)和中 空纤维式(hollow fiber)等四种。
第五章
膜技术处理工业给水
膜分离法：是指在某种推动力作用下,利用特定膜的透过性能, 达到分离水中离子或分子以及某些微粒的方法的统称。 溶剂透过膜的过程称为渗透，溶质透过膜的过程称为渗析。
1.电渗析（ED）：在外加电场的作用下，利用阴、阳离子交 换膜对阴、阳的选择透性，把电解质从水溶液中分离出来的 膜分离技术。 2. 渗析（D）：是由于膜两侧有浓度差，使水中的溶质透过 膜分离的技术。
反 渗 透 渗透蒸发
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各种膜分离法的原理和应用范围
膜 分 离 法 微 滤 （MF） 超 反 渗 电 渗 渗 滤 透 析 析 传质推动 力 压差 0.05～0.5 压差0.1～ 1.0 压差1.0～ 10 浓 电 差 渗透气 化 压差、温 差 差 位
分
筛
离 理
原
分
应
用 例
举
除菌，回收菌，分离病 毒 蛋白质、多肽和多糖的 回收和浓缩 盐、氨基酸、糖的浓 缩、淡水制造 脱盐，除变性剂 脱盐，氨基酸和有机酸 分离 有机溶剂与水的分离， 共沸物的分离
水分子
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离子
大分子
颗 粒 与 胶体
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电渗析分离原理
料 液
阴极
阳极
阴离子交换膜
盐水
淡水
盐水
阳离子交换膜
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膜分离技术应用中需注意的几个问题
膜材料的选择 膜孔径或截留分子量的选择□ 膜结构选择 组件结构选择 溶液 pH 控制□ 溶液温度影响□ 溶质浓度，料液流速与压力的控制
制定工艺流程应考虑的因素：
对溶液的分离有不同的质量要求。 膜元件的使用寿命。
反渗透工艺中的级与段：
段（concentrate staging)：指
膜组件的浓缩液(浓水)流到下一组膜组件处 理。流经n组膜组件，即称为n段。
级(permeate staging)：指膜组件
的产品水再经下一组膜组件处理。透过液产 品水经n次膜组件处理，称为n级。
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膜材料和膜组件
• 1、膜（分离膜）的定义
分离膜可看作是分离两相和作为选择性传递物质的屏障。它可以是固 态、液态或气态的，目前使用的分离膜绝大多数是固膜。膜可以存在于两流 体之间或附着于支撑体或载体的微孔隙上，膜厚度要远小于其比表面积。
• 2、膜的分类
按膜结构分：有对称膜和不对称膜 按膜材料分：有机膜：纤维素膜、聚酰胺膜、聚砜膜、聚四氟 乙烯膜、聚乙烯膜等 无机膜：玻璃膜、陶瓷膜、氧化铝膜等 按分离机理分：多孔膜、无孔膜和载体膜 按几何形状分：平板式、管式、毛细管式和中空纤维式膜
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中空纤维反渗透组件简图
密封 中空纤维膜 外径50－200μ 内径25－42μ 密封 进水 多孔进水管 浓水 浓水出口 耐压容器 透过水 淡水出口
中空纤维为U形的膜组件
5．反渗透工艺流程
反渗透工艺一般包括预处理和膜分 离两部分。 预处理可以用物理化学法，也可以 用化学法。 所采取的预处理方法与原水的物 理、化学性质及生物学特性有关， 还与膜装置的结构有关。
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筛 筛 筛
分 分 分
电荷、筛分 溶质与膜的亲 和作用
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膜分离技术的特点
①膜分离过程不发生相变，因此能量转化的效率高。例如在 现在的各种海水淡化方法中，反渗透法能耗最低。 ②膜分离过程在常温下进行，因而特别适于对热敏性物料， 如对果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩。 ③装置简单，操作容易，易控制、维修，且分离效率高。 作为一种新型的水处理方法，与常规水处理方法相比，具 有占地面积小、适用范围广、处理效率高等特点。
• 按成膜材料可分为有机膜和无机高聚物 膜； • 按膜的形状可分为平板状、管状、中空纤 维状膜； • 按膜结构可分为多孔性和致密性膜，或对 称牲(均匀性)和不对称性(各向异性)结构 膜； • 按应用对象可分为海水淡化用的海水膜、 咸水淡化用的咸水膜及用于废水处理、分 离提纯等的膜。 2011-11-15 23
各种膜分离技术分离范围
膜 过 程 粒子过滤 微 超 滤 滤 分离机理 体积大小 分离对象 固体粒子 孔径（nm） >10000
体积大小 0.05~10μm的固体粒子 50~10000 体积大小 1000~1000000 道尔顿 的大分子，胶体 2~50
纳
滤
溶解扩散 离子、分子量<100的有机物 <2 溶解扩散 离子、分子量<100的有机物 <0.5 溶解扩散 离子、分子量<100的有机物 <0.5
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（1）板框式反渗透膜组件
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装配图
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板框式膜组件工作 过程示意图
进水 耐压容器
半透膜 透水板 缺点：
装卸复 杂，单 位体积 膜表面 积小。
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透过水
浓缩水
特点：结构简单，体积 比管式的小。
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（2）管式反渗透膜组件
管式膜组件又分为内压式和外压式
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膜的结构多为海绵状，如图5.7b所示。高分子微滤膜 以对称膜为主，即示于图5.6的弯曲孔道膜。新型无 机陶瓷微滤膜多为不对称膜。另一种微滤膜是采用电 子技术制造的核孔微滤膜(nuclepore membrane)， 孔形规整、孔道直通并呈圆柱形构，孔径分布范围 小，在透过通量、分离性能及耐污染方面均优于弯曲 孔道型微滤膜，但造价较高。
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反渗透膜
（1）对反渗透膜的性能要求 • 选择性好，单位膜面积上透水量大，脱盐率高； • 机械强度好，能抗压、抗拉、耐磨； • 热和化学的稳定性好，能耐酸、碱腐蚀和微生物 侵蚀，耐水解、辐射和氧化； • 结构均匀一致，尽可能地薄，寿命长，成本低。
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（2）反渗透膜的分类
水分子
离子
大分子
颗 粒 与 胶体
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反渗透分离原理
在高于溶液渗透压的压力作用下，只有溶液中的水透过膜，而 所有溶液中大分子、小分子有机物及无机盐全被截留住。理想的 反渗透膜应被认为是无孔的，它分离的基本原理是溶解扩散（也 有毛细孔流学说）。 “膜孔径”为 1 到 10埃。采用压力为 1～10 MPa.
膜分离的原理
膜分离技术是用半透膜作为选择障碍层，允许某些组份透过 而保留混和物中其他组份，从而达到分离目的的技术总称。 压力
微滤分离原理
利用筛分原理，分离、截留直径为 0.05 μm 到 10 μm 大小的粒 子，即微滤膜的孔径为 0.05 μm 到 10 μm。采用压力为 0.05～ 0.5MPa。
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反渗透的原理
由于浓度差存在，半透膜 又不允许溶质通过，所以 水透过膜，使浓水一边液 面升高，产生渗透压
在浓水边加压，当压 力超过渗透压时，则 水透过半透膜，即反 渗透，实现净化过 程。
开始时两边液 面相同
半透膜
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渗透和反渗透原理示意图
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常见溶液的渗透压力值 1000mg/LNaCl水溶液的渗透压为77KPa； 1000mg/L蔗糖溶液的渗透压为7Kpa； 1000mg/LNaHCO3溶液的渗透压91KPa； 1000mg/LMgCl2溶液的渗透压为70KPa； 1000mg/LCaCl2溶液的渗透压为56KPa 1000mg/LNa2SO4溶液的渗透压为42KPa。 对于海水和苦咸水，反渗透系统采用的压力为平衡渗透 压的4～20倍，对海水操作压力可达10MPa，对苦咸水的操作 压力约4MPa。
渗透：由于膜两侧有浓度差，使溶剂（如水）透过膜分离的技 术。(溶质不发生迁移) 1 反渗透（RO）：膜两侧有浓度差，在浓度高的一侧施加一 定的压力，使溶剂（如水）透过膜而纯化或浓缩的膜分离技 术。 2. 微滤（MF）：膜两侧有浓度差，在浓度高的一侧施加一定 压力，截留水中的细菌、粘土等微粒的技术。 3. 超滤（UF）：膜两侧有浓度差，在浓度高的一侧施加一定 压力，截留水中的大分子以及细菌、病毒、胶体等微粒的技 术。 分离粒径范围：微滤>超滤>纳滤>反渗透
水分子
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离子
大分子Байду номын сангаас
颗 粒 与 胶体
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超滤分离原理
超滤的分离原理也可基本理解为筛分原理，但在有些情况下受到粒 子荷电性及其与荷电膜相互作用的影响。它可分离分子量从1000 到1000000 道尔顿的可溶性大分子物质，对应孔径为 20 ~500 埃 （0.002μm 到 0.05μm）。采用压力为0.1~1MPa。
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内压式管式膜组件的内部结构示意图
膜表皮层 进 水 玻璃纤维管 特点: 水力条件好，安 装、清洗、维修比 较方便。 能耐高压，可以 处理高粘度的原 水。 缺点是膜的有效 面积小，装置体积 大，而且两端要较 31 多的联结装置。
淡 水
淡 水
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（3）螺旋卷式反渗透膜组件
耐压 容器
透 过 液
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工 业 应 用 的 反 渗 透 装 置
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工业 应用 的反 渗透 装置 的膜 组件 之间 的连 接
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（4）中空纤维式反渗透膜组件
• 中空纤维膜组件是由中空纤维膜制成的。 • 中空纤维外径50―200μm，内径25−42μm。 • 将数万至数十万根中空纤维制成膜束，膜束外侧 覆以保护性格网，内部中间放置供分配原水用的 多孔管，膜束两端用环氧树脂加固。 • 将其一端切断，使纤维膜呈开口状，并在这一侧 放置多孔支撑板。将整个膜束装在耐压筒内。
醋酸纤维素膜的结构及性能
① 膜的结构 • 醋酸纤维素是没有强烈氢键的无定形链状高分子化 合物。 • 制膜过程是将其溶解在丙酮中并加入甲酰胺作添加 剂，经混合调制、过滤、铸塑成型，然后再经蒸 发、冷水浸渍、热处理，即可得到醋酸纤维素 (cellulose acetate,CA)膜。 • 外观为乳白色、半透明，有一定的韧性，膜厚l00－ 250μm。
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螺旋卷式膜组件一个膜叶结构示意图 密封 膜，上下两层 多孔透水材料
密封
密封
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螺旋卷式膜组件组合示意图
膜叶
进 水
浓 水
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透过水
透水 网状 材料
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膜组件的组装示意图
端 盖 密 封 圈 膜 组 件 连 接 器 浓 缩 液
进 水 口
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图5.6 对称膜的弯 曲孔道结构示意图
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图5.7 不对称膜的截面结构示意图
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中空纤维超滤膜组件
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中空纤维超滤膜结构
示
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意
图
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外压式膜组件结构
内压式膜组件结构
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微滤、超滤和反渗透
RO膜，超滤(UF)和微滤(MF)都是利用膜的筛分性质，以压差为传质推动 力。 UF膜和MF膜具有明显的孔道结构，主要用于截留高分子溶质或固体微粒。 UF膜的孔径较MF膜小，主要用于处理不含固形成分的料液，超滤是根据高 分子溶质之间或高分子与小分子溶质之间相对分子质量的差别进行分离的方 法。 超滤过程中，膜两侧渗透压差较小，所以操作压力比反渗透操作低，一般为 0.1～1.0MPa。 微滤一般用于悬浮液(粒子粒径为0.1～数微米)的过滤。微滤过程中膜两侧的 渗透压差可忽略不计，由于膜孔径较大，操作压力比超滤更小，一般为 0.05～0.5MPa。