油田污水处理第8章-膜分离技术-B.ppt
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1、,第8章 膜 分 离 法 Membrane Separation Processes,膜分离法电渗析的原理反渗透的原理离子交换膜的选择透过性反渗透膜的透过机理,通过本章学习应掌握的知识点:,8.1 概述8.2 电渗析(Electrodialysis-ED)L 8.3 反渗透(Reverse Osmosis-RO)L8.4 超过滤(Ultrafiltration-UF)L8.5 微滤(Microfiltration-MF)L,教 学 内 容,8.1 概述,人类对于膜现象的研究源于1748年,然而认识到膜的功能并用于为人类服务,却经历了200多年的漫长过程。人们对膜进行科学研究则是近几十年来的事。
2、1950年W.Juda试制出选择透过性能的离子交换膜,奠定了电渗析的实用化基础。1960年洛布(Loeb)和索里拉简(Souriringan)首次研制成世界上具有历史意义的非对称反渗透膜,这在膜分离技术发展中是一个重要的突破,使膜分离技术进入了大规模工业化应用的时代。,膜分离技术的发展简史,膜分离技术的发展简史,8.1 概述,其发展的历史大致为:30年代微孔过滤,40年代透析;50年代电渗析;60年代反渗透;70年代超滤和液膜;80年代气体分离;90年代渗透汽化。此外以膜为基础的其它新型分离过程,以及膜分离与其它分离过程结合的集成过程(Integrated Membrane Process)也
3、日益得到重视和发展。,膜分离技术的发展简史,我国1958年开始研究离子交换膜和电渗析,1966年开始研究RO、UF、MF、液膜、气体分离等膜分离过程应用与开发研究。80年代后期又陆续开展了渗透汽化、膜萃取、膜蒸馏和膜反应等新膜过程的研究,并着手进行膜技术的推广应用工作。国内主要的膜研究和推广单位:1)气体分离:大连化学物理研究所(天邦膜公司)2)液体分离:杭州水处理技术中心(西斗门公司)天津纺织工学院(膜天公司)3)无机膜:南京工业大学(久吾高科)中国科技大学,膜分离技术的发展简史,膜元件,膜元件,从20世纪初到20世纪90年代,膜技术基本已经从实验室步入工业化,并在水处理、食品工业、环境保护
4、、化工与石油化工、电子、冶金、国防等领域得到成功的应用。目前全球膜产业的规模超过百亿美元,正以年30的速度递增着。,膜的应用,膜的应用,膜,海水淡化,工业废水处理,城市废水资源化,天然气,生物质利用,能源,水资源,传统工业,生态环境,除尘,CO2 控制,制 药,食 品,化工与石化,电 子,冶 金,燃料电池,洁净燃烧,膜技术的工业应用,膜技术用于生物质资源开发,膜生物反应器技术取得间歇发酵可提高反应器效率1580倍渗透汽化膜分离技术比传统共沸蒸馏节能60生产装置总投资为传统分离方法总投资的4080%,膜法海水淡化,反渗透淡化厂的能耗及产水成本,膜法海水淡化,嵊泗1000吨/日反渗透海水淡化装置,
5、膜法自来水厂,巴黎瓦兹河梅里市14万立方米/天的纳滤厂,每天为巴黎附近50万居民提供14万吨饮用水,膜技术作为最有发展前景的高新技术之一,已受到全球范围的高度重视,各发达国家,各大化工公司均斥巨资进行膜技术的开发研究与推广应用。目前世界上膜的年销售额约为100120亿美元,年增长率25%30%,膜技术应用遍及化工、石油与石油化工、电子、纺织、冶金、环保、生物、医疗、轻工等技术等领域,特别是近年来膜分离技术在水处理领域的大规模应用,展示了广阔的发展前景。,膜分离技术的前景,大多数膜分离过程中,物质不发生质的变化,可以在温室下操作,所以膜分离一般被认为是高效节能的新型分离技术,膜技术与相关技术的集
6、成应用已对传统产业产生重大影响,并有可能改变有关行业的面貌。“21世纪的多数工业中,膜技术扮演着战略的角色”“谁掌握了膜技术,谁将主宰21世纪”,膜分离技术的前景,膜分离法是利用特殊的薄膜对液体中的某些成分进行选择性透过的方法的统称。膜(分离膜)分离两相和作为选择性传递物质的屏障。液态膜、气态膜和固态膜。膜可以存在于两种液体之间或附着于支撑体或载体的微孔隙上。膜的厚度远小于其表面积。溶剂透过膜的过程称为渗透(osmosis)。溶质透过膜的过程称为渗析(dialysis)。,膜分离法,用一张特殊制造的、具有选择透过性能的薄膜(分离膜),在外力推动下对双组分或多组分溶质和溶剂进行分离、提纯、浓缩的
7、方法。膜分离可用于液相和气相,对液相分离,可以用于水溶液体系、非水溶液体系、水溶胶体系以及含有其他微粒的水溶液体系等。,一些主要的膜分离过程的推动力,膜分离过程的推动力有两类:借助外界能量,物质发生由低位向高位的流动;以化学位差为推动力,物质发生由高位向低位的流动。,(a)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;(b)膜分离过程在常温下进行,因而特别适于对热敏性物料,如果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩;(c)装置简单,操作简单,控制、维修容易,且分离效率高。与其它水处理方法相比,具有占地面积小、适用范围广、处理效率高等特点;(d)由于目前膜
8、的成本较高,所以膜分离法投资较高,有些膜对酸或碱的耐受能力较差。所以目前膜分离法在水处理中一般用于回收废水中的有用成分或水的回用处理。,膜分离技术的特点,膜分离法的种类很多,现已应用的膜过程有反渗透、纳滤、超滤、微滤、扩散渗析、电渗析、气体分离、渗透蒸发、控制释放、液膜、膜蒸馏等。目前,在废水处理中常用的有扩散渗析、电渗析、反渗透、超滤等四种膜分离技术。,膜分离法的分类,用特制的半透膜(semi-permeable membrane)将浓度不同的溶液隔开,溶质即从浓度高的一侧透过膜而扩散(diffusion)到浓度低的一侧,这种现象称为渗析作用(dialysis),也称扩散渗析、浓差渗析。,8
9、.2 电渗析(Electrodialysis),8.2.1 渗析,其推动力是膜两侧的浓度差。A 溶质通过膜 扩散原理迁移B 溶剂通过膜 渗透原理迁移溶质的扩散速度不同分离,渗析原理,e.g.血液渗析,8.2.2 电渗析原理和工作过程 电渗析的原理是在直流电场的作用下,依靠对水中离子有选择透过性的离子交换膜(ion exchange membrane),使离子从一种溶液透过离子交换膜进入另一种溶液,以达到分离、提纯、浓缩、回收的目的。,电渗析过程示意图,浓水,电极,进水时,进水,浓水室,淡水室,淡水,FLASH,8.2.3 离子交换膜,离子交换膜具有与离子交换树脂相同的组成,含有活性基团和能使离
10、子透过的细孔。常用的离子交换膜按其选择透过性可分为阳膜、阴膜、复合膜等数种。,阳膜(cation exchange membrane)含有阳离子交换基团,在水中交换基团发生离解,使膜上带有负电,能排斥水中的阴离子,吸引水中的阳离子并使其通过。,阴膜(anion exchange membrane)含有阴离子交换基团,在水中离解出阴离子,使膜上带正电,吸引阴离子并使其通过。复合膜 复合膜由一面阳膜和一面阴膜其间夹一层极薄的网布做成,具有方向性的电阻。当阳膜面朝向阴极,阴膜面朝向阳极时,正、负离子都不能透过膜,显示出很高的电阻。当膜的朝向与上述相反时,膜电阻降低,膜两侧相应的离子进入膜中。,8.2
11、.3 离子交换膜,离子交换膜是一种由高分子材料制成的具有离子交换基团的薄膜,其所以具有选择透过性主要是由于膜上孔隙和膜上离子基团的作用。膜上孔隙的作用:在膜的高分子键之间有一足够大的孔隙,以容纳离子的进出和通过,是离子通过膜的大门和通道。膜上离子基团的作用:在膜的高分子链上,连接着一些可以发生解离作用的活性基团。在水溶液中,膜上的活性基因会发生解离作用,解离所产生的离子(或称反离子)进入溶液。于是,在膜上就留下了带有一定电荷的固定基团。存在于膜微孔中的带一定电荷的固定基团,好比在一条狭长的通道中设立的一个个关卡或“警卫”,以鉴别和选择通过的离子。,离子交换膜为什么具有选择透过性呢?,注意:离子
12、交换膜的作用并不是起离子交换的作用,而是起离子选择透过性作用。,双电层理论 Donnan膜平衡理论 离子交换膜是一种聚电解质,在高分子骨架上带有若干可交换活性基团,它们在水中电离成固定离子和解离离子。Donnan膜平衡理论是解释离子交换树脂与电解质溶液间的平衡问题。离子交换膜是一种特殊的离子交换树脂。当离子交换树脂浸入电解质溶液中,溶液中离子与膜内离子发生交换作用,最终达到动态平衡。,离子交换膜选择性透过原理,以Na+型强酸性离子交换膜(I)浸入NaCl溶液()中为例。Na+ICl-I=Na+Cl-,Na+=Cl-Na+I=Cl-I+RSO3-I,电中性,Cl-II2=Cl-I2+Cl-I R
13、SO3-I Na+II2=Na+I2-Na+I RSO3-I,离子交换膜选择性透过原理,平衡时 Na+Cl-I,阳膜内阳离子浓度大于溶液中的阳离子浓度,而阳膜内阴离子浓度小于溶液中阴离子浓度,说明阳离子容易浸入阳膜,阴离子受到排斥,也即膜具有选择透过性。,离子交换膜选择性透过原理,8.2.4 电渗析器,电渗析器的组装示意图,由膜堆、极区和夹紧装置组成。膜堆包括若干个膜对,膜对是电渗析器的基本单元。膜对:1阳膜+1浓(淡)室隔板+1阴膜+1淡(浓)室隔板极区:电极、极水室和保护室夹紧装置:盖板和螺杆,电渗析器的组装依其应用不同而有所不同。其组装的情况是用级和段来表示的。级:一对正、负电极之间的膜
14、堆称为一级。段:具有同一水流方向的并联膜堆称为一段。电渗析法可以有效地回收废水中的无机酸、碱、金属盐及有机电解质等,使废水净化。,电渗析器的组装,36,开始时两边液面相同,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。,半透膜,8.3.1 反渗透(RO)原理,FLASH,反渗透膜的透过机理,8.3.1 反渗透(RO)原理,实现反渗透过程具备两个条件:高选择性和高渗透性的半透膜;操作压力必须高于溶液的渗透压 渗透压是区分溶液与纯水性质之间差别的标志,它以压力来表示,与溶质的性质无关,
15、RTCi 范特霍夫常数,它表示溶质的离解状态;对于电解质溶液,当它完全离解时,离子的阴、阳离子总数;对于非电解质溶液,1,反渗透膜应具有多种性能: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。,8.3.2 反渗透膜及作用机理,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
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