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膜技术概述,哈尔滨纯水机,哈尔滨水处理设备

2010-08-05 13:44:39

膜技术概述,哈尔滨纯水机,哈尔滨水处理设备

  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。
    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
    电位差:电渗析
    压力差:反渗透(RO, reverse osmosis):MW<100, 0.2-0.3nm, 2 – 3 A0
    纳滤(NF, nanofiltration):MW: 100-1000, 0.5-5 nm
    超滤(UF, ultrafiltration):MW: 1000—百万, 5 nm-0.2mm
    微滤(MF, microfiltration):0.2-1 mm
    (1A0=10-8 cm, 1m =10-4cm, 1nm=10-7cm)
    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。
    电渗析
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    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。
    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
    特点:只能将电解质从溶液中分离出去。不能去除有机物等。
    二、离子交换膜
    离子交换树脂:树脂与离子之间发生交换反应
    离子交换膜:对溶液中的离子具有选择透过的特性
    ★按其结构分为:异相膜、均相膜。
    异相膜:离子交换树脂磨成粉末,加入粘合剂,滚压在纤维网上。
    均相膜:离子及交换树脂的母体材料制成连续的膜状物,作为底膜,然后在上面嵌接上活性基团。
    ★按离子选择性分:
    阳离子交换膜(一般为聚苯乙烯磺酸型):R-SO3H,在水中电离后,呈负电性
    阴离子交换膜(聚苯乙烯季胺型):R-CH2 N(CH3)3OH,电离后,呈正电性
    ★离子交换膜选择透过性主要是由于:
    1)膜的孔隙结构;2)活性交换基团的作用。
    离子交换膜是电渗析的关键部分,良好的电渗析应:1)高的离子选择性;2)渗水性差;3)导电性好;4〕化学稳定性和机械强度
    三、关键设备
    如图
    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
    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
    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
    依据法拉第定律:m2=I t MB/F
    F:法拉第常数 I:电流强度,A
    2.极限电流密度
    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
    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,由于钠离子不能通过,氯离子的迁移数为1,为此补充此差需要动用边界层中的氯离子,致使边界层与主流层之间存在浓度差。
    当电流密度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
    极限电流密度的确定:电压-电流法
    极化与结垢:
    极化现象主要发生在阳膜的淡室一侧,沉淀主要发生在阴膜浓室一侧。
    防止措施:1)极限电流法,在极限电流的70-90%下运行;2)倒换电极;3)定期酸洗
    五、应用
    1) 海水或苦咸水(小于10克/L)淡化;
    2)自来水脱盐制取初级纯水;
    3)电渗析与离子交换组合制取高纯水;
    4)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,芒硝回收硫酸和碱
   
    扩散渗析技术
    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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    反渗透技术
    一、渗透压和反渗透原理
    渗透压:
    当用一张半透膜将纯水和盐水分开,纯水会透过半透膜向盐水扩散,使盐水侧溶液水面升高,直到动态平衡。渗透的推动力就是渗透压,这是正渗透。
    任何溶液都存在渗透压 π,只是一般没表现出来。
    π= i R T C
    i:范特霍尔系数
    C:溶液的浓度
    当在盐水侧施加压力P>π,反渗透。一般压力在几十公斤。
    二、反渗透膜
    ★性能指标
    脱盐率=(C0-C)/C0×100%,一般高达90%以上。
    透水率(L/m2.d)
    ★膜种类:
    1)醋酸纤维素膜(CA)
    2)芳香族聚酰胺膜
    ★结构:
    表皮层、过渡层、多孔支撑层
    ★反渗透机理:
    尚不十分清楚。
    选择性吸附-毛细管流机理:由于膜表面的亲水性,优先吸附水分子而排斥盐分子,因此在膜表皮层形成两个水分子(1nm)的纯水层,施加压力,纯水层的分子不断通过毛细管流过反渗透膜。控制表皮层的孔径非常重要,影响脱盐效果和透水性,一般为纯水层厚度的一倍时,称为膜的临界孔径,可达到理想的脱盐和透水效果。
    ★膜组件:
    板框式、管式(有内压和外压两种)、卷式:膜表面积大、透水量大、紊流效果好、中空纤维
    三、应用
    1)苦咸水、海水淡化
    2)与离子交换联用,制取超纯水
    3)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%。
    4)废水脱盐深度处理
    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。
   
    超滤技术
    一、原理
    与反渗透一样是在压力差下工作,但由于膜孔较大,无渗透压,可在较低压力下工作。一般几公斤。
    分离机理: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。
    分离范围:截留分子量1000-1000000的物质,如细菌、蛋白质、颜料、油类等
   
    膜组件形式与反渗透类似。但既有有机膜,也有无机膜。
   
    二、 超滤过程中的浓差极化
    dm
    Cb
    Cm
    在膜分离过程中,大分子溶质被膜所截留并不断累积在膜表面上,使溶质在膜面处的浓度Cm高于主体溶液中的浓度Cb,从而形成浓度差Cm-Cb,并促使溶质的反向扩散。这种现象称为浓差极化。
       
    Jw:水通量 K:传质系数 =D/dm
   
    当Cm增加到Cg时,膜面大分子物质生成凝胶层。一旦凝胶层形成,透水量并不因压力的增加而增加。
    Rm:膜阻力; Rg:凝胶层阻力
   
    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
    三、应用
    1.给水
    1)去除细菌、胶体等物质。家庭用膜式净水器
    2)与反渗透联合制备纯水
    2.废水
    1)回收分离有用物:涂料、羊毛脂、染料、纸浆等
    2)废水深度处理
    3)膜-生物反应器

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