南华大学：《水质工程学》课程教学资源（PPT课件讲稿）第十四章 膜法

第14章膜法 微滤与超滤 电渗析 反渗透 其他膜技术

第14章 膜法 微滤与超滤 电渗析 反渗透 其他膜技术

14.1微滤与超滤 141.1微孔过滤原理与装置 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。 超滤、微滤与反渗透膜及过程特性比较 膜特性 过程特征 过程 结构孔隙率孔径孔密度截流分操作压力 /mm cm 子量 MMPa pH 反渗透不对称 淡水28 200 海水56 超滤不对称|≈6020-10010 103~1060.3-~1051.5~13 微滤对称73~84102~105107109很高 0.2

14.1微滤与超滤 14.1.1微孔过滤原理与装置 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。 超滤、微滤与反渗透膜及过程特性比较 过程 膜特性 过程特征 结构 孔隙率 /% 孔径 /mm 孔密度/ cm-2 截流分 子量 操作压力 /MPa pH 反渗透 不对称 100 200 淡水2.8 海水5.6 4~11 超滤 不对称 ≈60 20~100 1011 103~106 0.3~1.05 1.5~13 微滤 对称 73~84 102~105 107~109 很高 0.2

1、微滤的原理与装置 原料液 1)原理 sO O 2)装置 (1)无流动操作 渗透液 无流动操作 (2)错流操作 原料液 浓缩液 差孕经经经经 渗透液 错流操作

1、微滤的原理与装置 1）原理 2）装置 （1）无流动操作 （2）错流操作 无流动操作 渗透液 原料液 原料液 浓缩液 渗透液 错流操作

14.12微孔过滤膜 结构:微滤膜多数为对称结构,厚度10~150um不等,其中最常见的 是曲孔型,类似于内有相连空隙的网状海绵;另一种是毛细管型,膜孔 呈圆筒状垂直贯通膜面,该类膜孔隙率<5%,但厚度仅为曲孔型1/15 也有不对称的微孔膜,膜孔呈截头圆锥体状贯通膜面,过滤时原水在孔 径小的膜面流过。微滤膜材料:CNCA、PAN、 CA-CTA、PSA、尼龙 等,商品约十几种,400多个规格。 1413超过滤的特点 超滤膜与微滤膜同是多孔膜,虽然前者孔径较小,后者较大,但前 者的工作周期比后者长得多。 原因:微滤是一种静态过滤,随过滤时间延长,膜面上截流沉积不 溶物,引起水流阻力增大,透水速率下降,直至微孔全被堵塞;超滤过 程是一种动态过程,在超滤进行时,由泵提供推动力,在膜表面产生两 个分力:一个是垂直于膜面的法向分力,使水分子透过膜面,另一个是 于膜面平行的切向力,把膜面截流物冲掉。因此,在超滤膜表面不易产 生浓差极化和结垢,透水速率衰减较慢,运行周期相对较长 14.14超过滤装置 超滤装置有板框式,管式,卷式和中空纤维式

14.1.2微孔过滤膜 结构：微滤膜多数为对称结构，厚度10~150um不等，其中最常见的 是曲孔型，类似于内有相连空隙的网状海绵；另一种是毛细管型，膜孔 呈圆筒状垂直贯通膜面，该类膜孔隙率<5%，但厚度仅为曲孔型1/15。 也有不对称的微孔膜，膜孔呈截头圆锥体状贯通膜面，过滤时原水在孔 径小的膜面流过。微滤膜材料：CN-CA、PAN、CA-CTA、PSA、尼龙 等，商品约十几种，400多个规格。 14.1.3超过滤的特点 超滤膜与微滤膜同是多孔膜，虽然前者孔径较小，后者较大，但前 者的工作周期比后者长得多。 原因：微滤是一种静态过滤，随过滤时间延长，膜面上截流沉积不 溶物，引起水流阻力增大，透水速率下降，直至微孔全被堵塞；超滤过 程是一种动态过程，在超滤进行时，由泵提供推动力，在膜表面产生两 个分力：一个是垂直于膜面的法向分力，使水分子透过膜面，另一个是 于膜面平行的切向力，把膜面截流物冲掉。因此，在超滤膜表面不易产 生浓差极化和结垢，透水速率衰减较慢，运行周期相对较长。 14.1.4超过滤装置 超滤装置有板框式，管式，卷式和中空纤维式

14.1.5超过滤膜及作用机理 超滤过程的一般表达式:JRs△P R f=Cb(l-r)J 注:1)对于高浓度大分子溶质,由于浓差极化现象的产生, 上述关系不复存在。 2)对于高浓度大分子溶质,浓差极化后: r=Ch2-g)2-(-q)yp-2104+209q3-0 q 141.6超过滤过程的影响因素 1.膜材料2运行条件

14.1.5超过滤膜及作用机理 超滤过程的一般表达式： ( ) s w f b w b b f b f m s s m w w J J C C (1 R)J C C C R C C P J P P J =  = − − = −  =   = 注：1）对于高浓度大分子溶质，由于浓差极化现象的产生， 上述关系不复存在。 2）对于高浓度大分子溶质，浓差极化后：  ( ) ( )    v 5 2 4 3 5 f b r r q C C 2 1 q 1 q 1 2.104q 2.09q 0.95q = = − − −  − + − 14.1.6超过滤过程的影响因素 1.膜材料 2.运行条件

142电渗析 1421原理和工作过程 阳膜A阴膜 阳极 c-→ch?↑+2e 阴极:2H++2e→H↑ 氧化反应):Ho→H+OH(还原反应):40H-02个+2Ho+4 负极 「e,A,k,A,k+A,eA c:+正极 Na 呈碱性极 呈酸性极室 淡水 浓水 图14-1电渗析原理图

14.2电渗析 14.2.1原理和工作过程 C——阳膜 A——阴膜 阳极： Cl- →Cl2↑ +2e 阴极 ： 2H++2e →H2↑ （氧化反应）： H2O →H+ +OH- （还原反应）： 4OH- →O2↑+2H2O+4e 呈 酸 性 极 室 呈 碱 性 极 室 浓水 淡水 c A c A c A c A O2 Cl2 负极 2 正极 图14－1 电渗析原理图

14.2.2电渗析装置 1.构造 膜堆:一对阴阳膜和一对浓淡水隔板交替排列,组成最基本的脱 盐单元,称为膜对。 对电极之间若干膜对组成膜堆 极区:电极、极框、电极托板、橡胶垫板。 紧固装置:压杆、螺杆紧固。 配套设备:整流器、水泵、转子流量计等。 2.组装: 级:一对电极之间 段:同向水流之间并联膜 此段强调隔板构造 有回路:流程长,脱盐效率高,流量小但要求高 无回路:流程短,流速低,水流分布均匀,要求隔网搅动作用强, 使用于流量大场合

14.2.2 电渗析装置 1. 构造 膜堆：一对阴阳膜和一对浓淡水隔板交替排列，组成最基本的脱 盐单元，称为膜对。 一对电极之间若干膜对组成膜堆。 极区：电极、极框、电极托板、橡胶垫板。 紧固装置：压杆、螺杆紧固。 配套设备：整流器、水泵、转子流量计等。 2．组装： 级：一对电极之间 段：同向水流之间并联膜。 此段强调隔板构造 有回路： 流程长，脱盐效率高，流量小但要求高 无回路： 流程短，流速低，水流分布均匀，要求隔网搅动作用强， 使用于流量大场合

1422离子交换膜 阳膜对阳离子的选择透过率pt-×100 t -t 阴膜对阴离子的选择透过率P 阳迁移离子 迁移数=(阳+阴)总电量 尸+或P-越大,则选择透过性越好。 2.膜电阻:Ωcm2=电阻率×膜厚度 膜电阻越小,则所需电压越小,膜电阻在0.1mol的NaC|(250C)溶液中测得

14.2.2 离子交换膜 100% 1 t t t P  − − = + + + 阳膜对阳离子的选择透过率 + − − − − − = 1 t t t 阴膜对阴离子的选择透过率P （阳 阴）总电量 阳迁移离子 迁移数 + = P+或P-越大，则选择透过性越好。 2. 膜电阻：Ω·cm2=电阻率×膜厚度 膜电阻越小，则所需电压越小，膜电阻在0.1mol/l的NaCl（250C）溶液中测得

1423电渗析的工艺参数 1.电流效率:一个淡室m1=q(C1C2)MB1000(g) 时间为t内,应析出的盐量 MItE F→>95600C/mol m, Q(C,-CF 电流效率:n m10001 2.极限电流密度 阳膜 溶液 itF D(C-C′)/10008 C 界面层 水流 图14-2

14.2.3 电渗析的工艺参数 1．电流效率：一个淡室 m1=q（C1-C2）MBvt/1000（g） 时间为t内，应析出的盐量 F 95600C/mol F ItM M = B → 1000l q(C C )F m m ： 1 1 − 2 电流效率  = = 2. 极限电流密度： D(C-C′)/1000δ δ 溶液 阳膜 水流 it/F C′ C 界面层 图14－2

it+/F——单位时间,单间面积通过的阳离子的物质的量 F F 如:增大计,则C↓,当C=0,则会产生电解出H+透过,此时电流 密度称为极限电流密度im。 FD k li × t,-t,1000δ V——水流速度 N—与水流紊乱有关,效果好n越接近于1,n=03~0.9 K—与隔板形式及厚度等因素有关。 FDCV C-C lim t,1000k 23gC1/C2 ilim=KCVn K——水力特性系数:①.与膜性能②.隔板形式与厚③.隔网形式、水的 离子组成、水温 测量法: 电压——电流法

it + / F — —单位时间， 单间面积通过的阳离子的物质的量  − − =  + + 1000 C C D F it F it 如：增大i↑，则C′↓，当C′=0，则会产生电解出H+透过，此时电流 密度称为极限电流密度ilim。   − = + + 1000 C t t FD i lim V n k  = V——水流速度 N——与水流紊乱有关，效果好n越接近于1，n=0.3～0.9 K——与隔板形式及厚度等因素有关。 t t 1000k FDCV i n lim （ + − + ） = 1 2 1 2 2.3lg C / C C C C − = ilim=KCVn K——水力特性系数：①.与膜性能②.隔板形式与厚③.隔网形式、水的 离子组成、水温 测量法： 电压——电流法