第9章-膜技术

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中空纤维式
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三、应用 1.苦咸水、海水淡化： 世界上最大的海水反渗透淡化装置为20万吨/ 日，能耗比电渗析低，为1.45 kwh/t， 电渗 析为5kwh/t
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2.饮用水处理新工艺: MF---UF---NF 家用净水器（活性炭－MF） 3.纯水制备: UF-RO
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4.废水深度处理： •二级生物处理出水--MF--RO •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 渗透处理后回灌地下水。 •膜-生物反应器
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膜 对
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隔板甲和隔板乙连接的配水孔与流水道的布 水槽位置不同。
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一级：一对正、负极之间的膜堆 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。 增加膜对数：提高水处理量 增加级数：降低两个电极之间的电压
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基本组装方式
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四、电流效率与极限电流密度 1．电流效率 η＝实际去除的盐量m1/理论去除量m2 ×100％ m1＝q(C1-C2) t MB /1000 q：一个淡室的出水量, L/s C1，C2：进出水含盐量, mmol/L t：通电时间, s MB：物质的摩尔质量, g/mol 依据法拉第定律：m2=I t MB/F F：法拉第常数；I：电流强度，A
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处理生活污水出水水质
50 Concentration (mg/L) 40 30 20 10 0 COD BOD SS NH3-N E.Coli Membrane effluent Standard
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5.工业废水处理： •回收有用物质：涂料、羊毛脂、染料、 纸浆等——UF •处理重金属废水，回收重金属：如处理 镀镍废水，镍回收率可达99％——RO
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截留分子量：截留率达到90％的分子量
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浓差极化现象
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∆P Jw = Rm + Rg
Rm：膜阻力 Rg：凝胶层阻力 ＝αV ∆P
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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
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二、膜组件型式
板框式
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管式
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卷式
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J w = WP ( ∆P − ∆π )
J S = K P ∆C
Jw——膜的水通量，cm3/(cm2 s) WP——水的透过系数，cm3/(cm2 s Pa) ∆P——膜两侧压力差，Pa ∆π——膜两侧渗透压差，Pa JS——溶质透过膜的通量，mg/(cm2 s) KP——溶质的透过系数，cm/s ∆C——膜两侧浓度差，mg/cm3
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第2节 电渗析(Electrodialysis)
一、原理 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。
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•阴极： 还原反应：2H＋ ＋2e → H2↑ 阴极室溶液呈碱性，结垢 •阳极： 氧化反应：4OH－ → O2↑＋2H2O ＋4e 或 2Cl-→Cl2↑+2e 阳极室溶液呈酸性，腐蚀
1 ）极限电流法，在极限电流 70 － 90 ％下运行； 2）倒换电极； 3）定期酸洗
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五．应用 • 海水或苦咸水（小于10克/L）淡化； • 自来水脱盐制取初级纯水； • 电渗析与离子交换组合制取高纯水；
• 废液的处理回收（可以与电极反应联合进行） 如酸洗废水回收硫酸和铁， 芒硝（Na2SO4）回收硫酸和碱
操作压力、进水浓度如何影响Jw和Js?
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2. UF和MF： •溶质可以透过，无渗透压现象。 •可在较低压力下工作，一般几公斤。 •小孔筛分作用。一般以截留分子量来表示 孔径特征，此外也与物质形状和性质有关。 •分离对象：大分子物质、胶体、悬浮物， 如蛋白质、细菌、颜料、油类等 •存在浓差极化现象
•反渗透(RO, reverse osmosis) •纳滤(NF, nanofiltration) •超滤(UF, ultrafiltration) •微滤(MF, microfiltration)
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一、分离特性 1. RO和NF： •高于溶液渗透压的压差为推动力，工作压 力几十公斤。 •分离对象：溶质、小分子物质 •NF的脱盐率低于RO
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2. 离子交换膜的选择透过性
t+ − t+ P+ = × 100% 1 − t+
−
P+——阳膜对阳离子的选择透过率(%) t+——阳离子在溶液中迁移数
t+——阳离子在阳膜内迁移数，对理想的膜，应等于1。 阳离子交换膜应对阳离子具有较高的选择透过性， 即对阳离子的选择性迁移数一般应大于0.9，对阴 离子迁移数则应小于0.1。
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极限电流密度确定： 电压-电流法 逐次提高操作电压， 测定与其相应的电 流值。 点C的电流密度为 极限电流密度ilim ilim＝Kcvn
v: 淡水隔板流水道中的水流速度 c: 淡室中水的对数平均离子浓度 K: 水力特征系数
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极化与结垢： 极化现象主要发生在阳、阴膜的淡室一侧，沉 淀主要发生在阴膜浓室一侧。 防止措施：
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第3节 扩散渗析
高浓度溶液中的溶质透过隔膜向低浓度溶液中 迁移的过程，浓度差为推动力。 采用离子交换膜：阴膜。主要用于回收酸，碱。 但不能将它们浓缩。其特点是不消耗能量。 回收硫酸时，只有原废水硫酸浓度大于10％时， 才有实用价值。
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采用扩散渗析法从酸洗钢材废液中回收硫酸
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第4节 压力驱动膜分离 (pressure driven membrane separation)
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2．极限电流密度 单位面积膜通过的电流称为电流密度i（安培 /cm2）。 如果电流密度过大――发生浓差极化现象 电流传导靠Na＋ 和Cl－ 电流总量＝Cl－电量＋Na+电量
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Cl－电迁移数（总电量 中所占比例）＝0.5 Na+电迁移数（总电量 中所占比例）＝0.5 但在阴膜中，由于Na+不能通过，Cl-迁移数为1， 为此补充此差需要动用边界层中的Cl-，致使边界 层与主流层之间存在浓度差。 当i过大时，C’趋于0，水分子开始电离，参加迁 移，此时发生浓差极化现象 ―――――极限电流密度
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(2) 按膜的结构分类 异相膜：由离子交换剂的细粉末和粘合剂混合、加工制 成的薄膜。膜化学结构是不连续的。这类膜制造容易、 价格便宜，但一般选择性较差，膜电阻也大。 均相膜：由具有离子交换基团的高分子材料直接制成， 或者直接接上活性基团而制成的膜。组成均匀，这类膜 具有优良的电化学性能和物理性能，是近年来离子交换 膜的主要发展方向。 (3) 按材料性质分类 有机离子交换膜和无机离子交换膜
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Conventional Process
S
GC
PC
AT
SS
FS
Raw wastewater
Effluent
Membrane bioreactor
MT
MT
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膜－生物反应器的特点
•污染物去除效率高，处理出水水质良好； •反应器内微生物浓度高，装置处理容积 负荷大，占地省； •有利于增殖缓慢的微生物的截留和生长； •剩余污泥产生量低； •易于实现自动控制，操作管理方便。
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反渗透法处理电镀废水工艺流程
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Байду номын сангаас
膜 渗 透 物
过滤 原料
∆x
∆X (∆C, ∆P, ∆T, ∆E)
位差主要有： 压力差（∆P） 浓度差（∆C） 温度差（∆T） 电位差（∆E） 化学位差 电化学位差
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常规过滤
反渗透
10 10
-5 -4
纳滤
10
-3
超滤
微滤
10
-2
10
-1
1
10
1
10
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颗粒大小（um）
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膜分离的特点： •可在一般温度下操作，没有相变； •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。
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二、离子交换膜 1.离子交换膜的种类 (1) 按活性基团分类 离子交换膜与离子交换树脂具有相同的化学结构，可 分为基膜和活性基团两大部分： 基膜即具有立体网状结构的高分子化合物； 活性基团是由具有交换作用的阳（或阴）离子和 与基膜相连的固定阴（或阳）离子所组成。 按活性基团的带电情况分：阳离子交换膜（简称阳膜） 和阴离子交换膜（简称阴膜）。
第九章 膜技术
Membrane technologies
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第1节 概
述
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一、定义 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。 分离溶质时一般叫渗析； 分离溶剂时一般叫渗透。
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二、分类与特点 根据推动力的不同，膜分离有下列几种： •浓度差：扩散渗析（分离离子、小分子） •电位差：电渗析（分离离子） •压力差：反渗透(RO, reverse osmosis) 纳滤(NF, nanofiltration) 超滤(UF, ultrafiltration) 微滤(MF, microfiltration)
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阳膜：阳膜中含有带负电的酸性活性基团，它能选择性 透过阳离子而不让阴离子透过。 活性基团主要有：磺酸基（—SO3H）、磷酸基（— PO3H2）、膦酸基（—OPO3H）、羧酸基（— COOH）等。 阴膜：阴膜中含有带正电的碱性活性基团，它能选择性 透过阴离子而不让阳离子透过。 活性基团主要有：季胺基（—N(CH3)3OH）、伯胺 基（—NH2）、仲胺基（—NHR）、叔胺基（— NR2）等。
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3.离子交换膜的选择性透过机理
阳离子交换膜中含有很高浓度的带负电荷的固定离子。 由于静电相斥的作用，膜中的固定离子将阻止其他相 同电荷的离子进入膜内。因此，在电渗析过程中，只 有反离子才可能在电场的作用下渗透通过膜。 15
三、关键设备 电渗析可分为三部分：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、淡水隔板交替 排列，组成的最基本脱盐单元 •膜堆：若干膜对的集合体