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膜分離

大綱要求：熟悉膜分離的技術(shù)和方法，了解膜及膜組件的分類和性能

1.9.1膜分離法的原理及分類

⑴膜：能夠把流體相分隔為互不相通的兩部分，這兩部分之間能存在“傳質(zhì)”的薄的物質(zhì)。

⑵膜的特征：一是無論厚度多少都必須有兩個界面，兩個界面分別與兩側(cè)流體相接觸，二是要具有選擇透過性，可允許一側(cè)流體中一種或幾種物質(zhì)通過，而不允許其他物質(zhì)通過。

⑶膜分離：利用膜的選擇透過性能將離子或分子或某些微粒從水中分離出來的過程。用膜分離溶液時，使溶質(zhì)通過膜的方法稱為滲析，使溶劑通過膜的方法稱為滲透。

⑷膜分離的特點：

⑸根據(jù)溶質(zhì)或溶劑透過膜的推動力和膜種類不同，水處理中膜分離法通常可以分為：電滲析、反滲透、超濾、微濾。

1.9.2電滲析

⑴原理：

在外加直流電場作用下，利用離子交換膜的透過性(即陽膜只允許陽離子透過，陰膜只允許陰離子透過)，使水中的陰、陽離子作定向遷移，從而達到水中的離子與水分離的一種物理化學(xué)過程。

原理是：在陰極與陽極之間，放置著若干交替排列的陽膜與陰膜，讓水通過兩膜及兩膜與兩極之間所形成的隔室，在兩端電極接通直通電源后，水中陰、陽離子分別向陽極、陰極方向遷移，由于陽膜、陰膜的選擇透過性，就形成了交替排列的離子濃度減少的淡室和離子濃度增加的濃室。與此同時，在兩電極上也發(fā)生著氧化還原反應(yīng)，即電極反應(yīng)，其結(jié)果是使陰極室因溶液呈堿性而結(jié)垢，陽極室因溶液呈酸性而腐蝕。因此，在電滲析過程中，電能的消耗主要用來克服電流通過溶液、膜時所受到的阻力及電極反應(yīng)。

例如，用電滲析方法處理含鎳廢水，在直流電場作用下，廢水中的硫酸根離子向正極遷移，由于離子交換膜具有選擇透過性，淡水室的硫酸根離子透過陰膜進入濃水室，但濃水室內(nèi)的硫酸根離子不能透過陽膜而留在濃水室內(nèi);鎳離子向負極遷移，并通過陽膜進入濃水室，濃水室內(nèi)的鎳離子不能透過陰膜而留在濃水室中。這樣濃水室因硫酸根離子、鎳離子不斷進入而使這兩種離子的濃度不斷增高;淡水室由于這兩種離子不斷向外遷移，濃度降低。離子遷移的結(jié)果是把電滲析器的兩個電極之間隔室變成了溶液濃度不同的濃室和淡室。濃水系統(tǒng)是一個溶液濃縮系統(tǒng)，而淡水系統(tǒng)是一個凈化系統(tǒng)。用電滲析法回收鎳時，以硫酸鈉溶液作為電極液，硫酸鈉可減輕鉛電極的腐蝕，濃水回用于鍍槽，淡水用于清洗鍍件。

⑵離子交換膜和電滲析裝置

①離子交換膜是電滲析的關(guān)鍵部件，其性能影響電滲析器的離子遷移效率、能耗、抗污染能力和使用期限等。)

②電滲析離子交換膜的分類：

按膜結(jié)構(gòu)分為：異相膜、均相膜和半均相膜。按膜上活性基團不同分為：陽膜、陰膜和特種膜。按膜材料不同分為：有機膜和無機膜。

③電滲析裝置

電滲析器的構(gòu)造包括壓板、電極托板、電極、極框、陰膜、濃水隔板、淡水隔板等部件。將這些部件按一定順序組裝并壓緊，組成一定形式的電滲析器。電滲析器的輔助設(shè)備還包括水泵、整流器等，組成了電滲析裝置。

⑶電滲析器運行的工藝參數(shù)

①電流效率

電滲析析器運行時實際除鹽量與理論除鹽量之比稱為電滲析器的電流效率。

②電流密度與極化現(xiàn)象

電滲析器工作時，單位膜面積上通過的電流稱為電流密度。運行時，當(dāng)電流密度達到一定值時，界面層離子的遷移速度遠低于膜內(nèi)離子遷移速度，迫使膜界面處水分子發(fā)生電離，依靠氫離子和氫氧根離子來傳遞電流，這種膜界面現(xiàn)象稱為濃差極化，此時的電流密度稱為極限電流密度。極化包括濃差極化和電極極化。極化發(fā)生后在陽膜淡室的一側(cè)富集著過量的氫氧根離子，陽膜濃室的一側(cè)富集著過量的氫離子;而在陰膜淡室的一側(cè)富集著過量的氫離子，陰膜濃室的一側(cè)富集著過量的氫氧根離子。由于濃室中離子濃度高，則在濃室陰膜的一側(cè)發(fā)生碳酸鈣等沉淀，從而增加膜電阻，加大電能消耗，減小膜的有效面積，降低出水水質(zhì)，影響正常運行。

⑷處理廢水的電滲析器的特點

目前電滲析在海水或苦咸水淡化和某些工業(yè)用水的精制等應(yīng)用中都已有大型裝置投入生產(chǎn)性運行，而在廢水處理中的應(yīng)用還相對較少，應(yīng)注意以下三點：

①在給水處理中應(yīng)用的電滲析器，只回收淡水和只關(guān)注淡水水質(zhì)，水的回收率一般為50%～70%;而應(yīng)用電滲析處理廢水時，有時淡水和濃水均可回收利用，水的回收率高，有時濃水的利用價值高于淡水。

②在給水處理中應(yīng)用的電滲析器只含有陽膜和陰膜，并以膜對的形式存在，而在廢水處理中，電滲透析器用膜的種類較多，有陽膜、陽膜、中性膜和復(fù)合膜等，根據(jù)處理對象組成和處理目的的不同而有不同的膜組合形式。

③在給水處理中，關(guān)注電滲析電極反應(yīng)多半是為了防止電極反應(yīng)的負面影響，而在廢水處理中，有時是利用電極反應(yīng)來達到處理廢水和回收有用物質(zhì)的目的。

⑸電滲析在廢水處理中的應(yīng)用

電鍍廢水中含有銅、鋅、鎳等重金屬和氰化物，未經(jīng)處理而直接排放，會污染環(huán)境，目前已經(jīng)許多電鍍車間應(yīng)用電滲析處理電鍍廢水取得了較好的效果，既回收了重金屬，又使水的重復(fù)利用率有較大的提高。

⑹電滲析器工藝設(shè)計

目前，電滲析器有系列產(chǎn)品規(guī)格，可根據(jù)淡水產(chǎn)量與處理要求確定合理的設(shè)計參數(shù)，選用所需電滲析器的臺數(shù)以及并聯(lián)或串聯(lián)的組裝方式。

1.9.3反滲透

⑴原理

用膜法分離溶液時，使溶劑通過膜的方法稱為滲透。水通過膜由稀溶液進入濃溶液的過程稱為自然滲透。在濃溶液一側(cè)施加壓力，使?jié)馊芤褐械乃ㄟ^膜進入稱溶液的過程稱為反滲透。目前的反滲透膜的傳質(zhì)機理有：溶解擴散理論、優(yōu)先吸附——毛細孔流理論和氫鍵理論。

⑵反滲透膜及反滲透裝置

①反滲透膜

ⅰ結(jié)構(gòu)：是一種只允許水分子通過的半透膜，厚度一般為100～200鈉米，具有不對稱的斷面結(jié)構(gòu)，主要包括三層：表面致密層，孔徑約8～10埃，厚度約為1～10微米，脫鹽主要在這一層，另一面為多孔支撐層，結(jié)構(gòu)疏松，孔徑約1000～4000埃，兩者之間為中間過渡層，孔徑約200埃。

ⅱ性能：反滲透分離的關(guān)鍵是要求反滲透膜具有較高的透水速度和脫鹽性能，則反滲透膜所應(yīng)具有的性能為：單位膜面積的透水速度快，脫鹽率高;機械強度好;化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸堿、耐高溫和微生物的侵蝕，耐污染;使用壽命長，性能衰降小，原料充沛，價格低，制膜工藝較簡單。

ⅲ分類：

按材料分為：纖維素膜和非纖維素膜。

按結(jié)構(gòu)分為：不對稱膜和復(fù)合膜。

按外形分為：膜片和中空纖維。水處理中常用以下膜：

②反滲透裝置：有板框式、管式、卷式、中空纖維式、盤式或碟式等。

ⅰ板框式反滲透器

優(yōu)點：裝置牢固，能承受高壓。缺點：液流狀態(tài)差，易形成濃差極化，設(shè)備費用及占地面積大。

ⅱ管式反滲透器

優(yōu)點：進水流動狀態(tài)好，易安裝，易清洗，易拆換。缺點：單位面積內(nèi)的體積很小，占地面積較大。

ⅲ卷式反滲透器

優(yōu)點：單位體積內(nèi)的膜裝載面積大，進水流動狀態(tài)好，結(jié)構(gòu)緊湊。缺點：進水預(yù)處理要求嚴格，否則易堵塞。

ⅳ中空纖維式反滲透器：

優(yōu)點：在單位體積內(nèi)的膜裝載面積大，無須承壓材料，結(jié)構(gòu)緊湊。缺點：容易堵塞，清洗困難，對進水的預(yù)處理要求最嚴，污染指數(shù)要求≤3。

⑶反滲透處理的工藝參數(shù)

①原液狀態(tài)參數(shù)：包括總含鹽量、各組分含量、pH值、溫度、懸浮物、黏度和微生物量等。

②膜性能參數(shù)：包括膜的脫鹽性能、機械強度、pH值穩(wěn)定范圍和耐熱性等。

③化學(xué)工程參數(shù)：包括產(chǎn)水量、產(chǎn)水水質(zhì)、操作壓力、原液流速、膜清洗、膜更換和能耗等。

⑷反滲透在廢水處理中的應(yīng)用

目前反滲透已應(yīng)用在處理電鍍廢水(鍍鎳、鍍鉻廢水)、食品加工廢水、制糖廢水、水產(chǎn)品加工廢水以及某些污水的深度處理等。

反滲透法對高價重金屬離子有良好的脫除效果，可以回收廢液中幾乎全部的重金屬，而且還可將水回收利用。

⑸反滲透法處理工藝的特點

優(yōu)點：分離過程不需加熱、無相變、耗能較少，設(shè)備體積少，操作簡單，適用性強等。

缺點：需在高壓下運行，需配備高壓泵和耐高壓的管路;反滲透膜分離裝置對進水指標有較高的要求，易產(chǎn)生膜污染，需定期對膜進行清洗。

1.9.4超濾

⑴原理

超濾又稱超過濾，用于截留水中膠體大小的顆粒，而水和低分子量溶質(zhì)則允許透過膜。超濾的機理是：由膜表面機械篩分、膜孔阻滯和膜表面及膜孔吸附的綜合效應(yīng)，以篩濾為主。

⑵超濾膜與超濾裝置

①超濾膜的種類：

常用的超濾膜有：醋酸纖維素膜，聚砜膜，聚酰胺膜

②超濾裝置：主要有板框式、管式、卷式和中空纖維式等，與反滲透裝置類似。

ⅰ板框式超濾裝置

優(yōu)點：裝置牢固，適合在廣泛的壓力范圍內(nèi)工作;流道間隙大小可調(diào)，原水流道不易被雜物堵塞;具有可拆性，清洗方便;通過增

減膜及支撐板的數(shù)量可處理不同水量。

缺點：裝置較笨重;單位體積內(nèi)的有效膜面積較小;膜的強度要求較高，一般做在無紡布上，以增強膜的機械性能。

ⅱ管式超濾裝置

優(yōu)點：原液流道截留面積較大，不易堵塞;膜面的清洗比較容易，可化學(xué)清洗或擦洗。

缺點：單位體積內(nèi)膜的充填密度較低，占地面積大;膜管的彎頭及連接件多，設(shè)備安裝費時。

ⅲ卷式超濾裝置

優(yōu)點：單位體積內(nèi)的有效膜面積較大，水在膜表面流動狀態(tài)比較好，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積較小。缺點：進水預(yù)處理要求嚴格，對所

用的膜強度要求較高，使用過程中，一旦發(fā)現(xiàn)膜破損須更換新的膜元件。

ⅳ中空纖維式超濾裝置：

優(yōu)點：單位體積內(nèi)有效膜面積最大，工作效率最高，占地面積小。中空纖維無須支撐物。缺點：膜的清洗較困難，只能用水力沖洗

或化學(xué)清洗，不能用機械清洗，另外，中空纖維膜損壞后要更換整個組件。

③超濾工藝參數(shù)

主要參數(shù)有膜通量、膜清洗和膜壽命。

在操作壓力為0.11～0.6Mpa，溫度小于60℃時，超濾膜的膜通量以1～500L/m2h為宜。影響膜通量的因素有：進水流速、操作壓力、溫度、進水濃度和原水預(yù)處理等。膜必須定期清洗，以延長膜的壽命，正常使用的膜的壽命為12～18個月。

④超濾在廢水處理中的應(yīng)用

目前已應(yīng)用在汽車制造行業(yè)噴漆廢水、金屬加工廢水以及食品工業(yè)廢水的處理及有用物質(zhì)的回收。

1.9.5微濾

⑴原理

是一種以壓力為推動力，以膜的截留作用為機理的過濾技術(shù)，可以阻止水中的懸浮物、微粒和細菌等大于膜孔徑的雜質(zhì)。其作用屬于篩分過程。

⑵微濾膜和微濾裝置

①微濾膜

微濾膜有多種類型，按膜表面的化學(xué)特性可分為疏水膜和親水膜，按結(jié)構(gòu)可分為對稱膜和非對稱膜，按材料可分為有機高分子膜和無機膜，根據(jù)膜孔的結(jié)構(gòu)，可分為篩網(wǎng)型微孔濾膜和深度型微孔濾膜。

②微孔濾膜過濾器

主要有平板式和折疊式。平板式常用于中等液量的過濾，以去除微粒和細菌等雜質(zhì)。折疊式適合大、中型水處理工程使用。

③微濾的應(yīng)用

可用于以下的水處理

電子行業(yè)：在電子工業(yè)純水制備中主要的作用有兩方面：一是在反滲透或電滲析前作為前置過濾器，用以去除細小的懸浮物，二是在陰、陽或混合交換柱后作為最后一級終端過濾裝置，以濾除樹脂碎片或細菌等雜質(zhì)。

醫(yī)藥衛(wèi)生行業(yè)：可以經(jīng)濟方便地去除水中的細菌微生物和懸浮物，分離病毒、細菌、膠體及懸浮微粒，以得到無菌液體。

水處理：處理城市污水和工業(yè)廢水，可產(chǎn)出不同用途的再生水，若用于食品、釀酒業(yè)及軟飲料工業(yè)中可有效地脫除水中的酵母、霉菌以及其他微生物。

海水淡化：可用于海水的預(yù)處理，去除海水中的懸浮物、顆粒以及大分子有機物，為反滲透提供原料水。

油田采出水處理：采用聚丙烯中空纖維微濾裝置可以去除油田采出水中的雜質(zhì)，以達到回灌水的要求。

④微濾法的特性：

具有以下特性：孔徑較均勻，過濾精度高;孔隙率高，過濾速度快;膜很薄，吸附容量小;無介質(zhì)脫落，保證濾液潔凈;濾膜的品種多，應(yīng)用面廣;過濾過程中無濃縮水排放

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（責(zé)任編輯：昆凌）

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