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1、第十章第十章膜分离膜分离第十章第十章膜分离膜分离10概述概述10概述概述一、膜技术的发展及应用现状一、膜技术的发展及应用现状膜技术被誉为21世纪水处理的“希望之星”。膜分离现象早在18世纪就已被发现，1784年Abble Nelkt第一个使用了Osmosis一词来描述水通过半透膜的现象。但当时的膜一般均为天然膜。如：猪或牛的膀胱及动物的肠衣等。直到20世纪50年代Juda试制成功了具有高选择透过性直到20世纪50年代，Juda试制成功了具有高选择透过性的阳、阴离子交换膜，才使膜技术真正进入工业化应用时代。我国在膜技术方面所取得的成果及存在的差距我国在膜技术方面所取得的成果及存在的差距我国从年代
2、初即开始对反渗透及电渗析进行了研究我国从60年代初即开始对反渗透及电渗析进行了研究应用，但总体上未形成规模上的生产与研发体系。虽然在部分产品上已能达到国际水平，如：部分微滤及超滤膜等，但产品单一、性能不稳定。并且在膜的高技术产品和先进技术上仍存在较大差距。目前，我国已加大在膜技术领域的投入，据资料统计，我国膜工业产值1998年为12亿人民币，1999年为20亿，2000年达到28亿，发展速度已超过发达国家10%的平均增长2000年达到28亿，发展速度已超过发达国家10%的平均增长率。预计2010年，我国膜工业的总产值将达到80亿人民币。二二、膜分离膜分离二二、膜分离膜分离膜的定义膜的定义膜的定
3、义膜的定义广义上讲，膜为两相之间的一个不连续区间，因广义上讲，膜为两相之间的一个不连续区间，因而膜可为气相、液相和固相，或是它们的组合。而膜可为气相、液相和固相，或是它们的组合。在相同条件下在相同条件下假如种膜以不同速率传递不同假如种膜以不同速率传递不同在相同条件下在相同条件下，假如假如一一种膜以不同速率传递不同种膜以不同速率传递不同的分子样品，则这种膜就是半透膜。的分子样品，则这种膜就是半透膜。2膜分离膜分离是分离液体或气体混合物的一种操作。是分离液体或气体混合物的一种操作。固膜分离是利用一张具有选择性的膜，以膜两固膜分离是利用一张具有选择性的膜，以膜两侧存在的能量差作为推动力侧存在的能量差
4、作为推动力当混合物透过膜时当混合物透过膜时侧存在的能量差作为推动力侧存在的能量差作为推动力，当混合物透过膜时当混合物透过膜时，因各组分迁移速率的不同而达到分离效果。，因各组分迁移速率的不同而达到分离效果。此类操作属于速率控制的传质过程。此类操作属于速率控制的传质过程。三膜分离特点三膜分离特点适应性广，可在室温、无相变条件下进行。适应性广，可在室温、无相变条件下进行。被处理溶液没有物相的变化，因而能量转被处理溶液没有物相的变化，因而能量转化的效率高化的效率高大多不消耗化学药剂大多不消耗化学药剂可在室温可在室温化的效率高化的效率高；大多不消耗化学药剂大多不消耗化学药剂；可在室温可在室温下操作，不消
5、耗热能；设备可用于生产。下操作，不消耗热能；设备可用于生产。缺点：浓差极化和膜污染；膜寿命有限。缺点：浓差极化和膜污染；膜寿命有限。四、分类四、分类按推动力不同，分为：按推动力不同，分为：推动力为压力差：微孔过滤、超滤、反渗透推动力为压力差：微孔过滤、超滤、反渗透间格间格之之间间无严无严格格界界限限；推动力为电压差推动力为电压差：电渗析电渗析推动力为电压差推动力为电压差：电渗析电渗析直流电场作用下，阳离子通过阳膜，阴离子通过阴膜。直流电场作用下，阳离子通过阳膜，阴离子通过阴膜。推动力为浓度差：扩散渗析推动力为浓度差：扩散渗析几种膜技术的分离原理示意几种膜技术的分离原理示意几种膜技术的分离原理示
6、意几种膜技术的分离原理示意五五几种膜分离技术的比较几种膜分离技术的比较五五、几种膜分离技术的比较几种膜分离技术的比较六六、常见的膜分类方式常见的膜分类方式：六六、常见的膜分类方式常见的膜分类方式：分类依据分类依据分分类类分类依据分类依据分分类类来源天然膜、来源天然膜、合成膜合成膜状态状态固体膜固体膜、液膜、气膜、液膜、气膜材料有机膜、无机膜结构对称膜（微孔膜、均质膜）、非对称膜、复合膜材料有机膜、无机膜结构对称膜（微孔膜、均质膜）、非对称膜、复合膜电性非荷电膜、荷电膜形状平板膜、电性非荷电膜、荷电膜形状平板膜、管式膜管式膜、中空纤维膜中空纤维膜制备方法烧结膜、延展膜、径迹刻蚀膜、相转换膜、动力
7、形成膜分离体系制备方法烧结膜、延展膜、径迹刻蚀膜、相转换膜、动力形成膜分离体系气-气气-气、气-液、气-固、液-液、气-液、气-固、液-液、液-固分离膜液-固分离膜分离机理分离机理吸附性膜吸附性膜扩散性膜扩散性膜离子交换膜离子交换膜选择性膜选择性膜非选择性膜非选择性膜分离机理分离机理吸附性膜吸附性膜、扩散性膜扩散性膜、离子交换膜离子交换膜、选择性膜选择性膜、非选择性膜非选择性膜分离过程反渗透膜、渗透膜、气体分离膜、电渗析膜、渗析膜、渗透蒸发分离过程反渗透膜、渗透膜、气体分离膜、电渗析膜、渗析膜、渗透蒸发膜膜膜膜膜的种类膜的种类膜的种类膜的种类根据根据根据根据根据膜的材质根据材料来源根据膜的结构
8、根据膜的功能固体液体天然人工多孔致密离子渗析微超反渗渗透气体渗气体膜体膜体膜然膜工膜孔膜密膜交换膜析膜微滤膜超滤膜渗透膜汽化膜渗透膜膜无机材料膜有机高分子膜固体膜固体膜对称膜根据膜断面的物理形态一体化不对称膜形态不对称膜复合膜对称膜平板膜根据固体膜的管式膜体膜的形态中空纤维膜径迹刻蚀膜七七分离膜性能分离膜性能七七分离膜性能分离膜性能1透过性能：透过性能：能够使被分离的混合物有选择的能够使被分离的混合物有选择的透过是分离膜的最基本条件透过是分离膜的最基本条件。透过是分离膜的最基本条件透过是分离膜的最基本条件表征膜透过性能的数是表征膜透过性能的数是透过速率，透过速率，是指是指单位时间、单位时间、单
9、位膜面积透过组分的量单位膜面积透过组分的量，对于水溶液体系对于水溶液体系，又称又称单位膜面积透过组分的量单位膜面积透过组分的量，对于水溶液体系对于水溶液体系，又称又称透水率或水通量透水率或水通量，以，以J表示。表示。J传质系数传质系数 X传质推动力传质推动力传质阻力传质推动力传质推动力传质阻力2分离性能分离性能反映膜的分离效果反映膜的分离效果不同膜分离不同膜分离2分离性能分离性能：反映膜的分离效果反映膜的分离效果。不同膜分离不同膜分离过程中膜的分离性能有不同的表示方法，如截留率、过程中膜的分离性能有不同的表示方法，如截留率、截留分子量等截留分子量等截留分子量等截留分子量等。（1）截留率：）截留
10、率：对于对于反渗透过程反渗透过程，通常用截留率表，通常用截留率表示其分离性能示其分离性能截留率反映膜对溶质的截留程度截留率反映膜对溶质的截留程度示其分离性能示其分离性能。截留率反映膜对溶质的截留程度截留率反映膜对溶质的截留程度，对盐溶液又称为，对盐溶液又称为脱盐率，脱盐率，以以Rm表示，定义为表示，定义为cc%100221cccRm2式中式中 C1原料中溶质的浓度，原料中溶质的浓度，kg/m3；C 渗透物中溶质的浓度渗透物中溶质的浓度kg/m3C2渗透物中溶质的浓度渗透物中溶质的浓度，kg/m。100截留率表示溶质全部被膜截留截留率表示溶质全部被膜截留此为理此为理100截留率表示溶质全部被膜截
11、留截留率表示溶质全部被膜截留，此为理此为理想的半渗透膜；想的半渗透膜；0截留率则表示全部溶质透过膜截留率则表示全部溶质透过膜，无分离作无分离作0截留率则表示全部溶质透过膜截留率则表示全部溶质透过膜，无分离作无分离作用。用。通常截留率在通常截留率在0100之间之间。通常截留率在通常截留率在0100之间之间。（2）截留分子量：）截留分子量：在在超滤和纳滤超滤和纳滤中，通常用截留分子量表示其分离性能。中，通常用截留分子量表示其分离性能。截留分子量是指截留分子量是指截留率为截留率为90%时所对应的分子量。时所对应的分子量。截留分子量的高低，在一定程度上反映了膜孔径的大小，通常可用一系列不同分子量的标准
12、物截留分子量的高低，在一定程度上反映了膜孔径的大小，通常可用一系列不同分子量的标准物质进行测定。质进行测定。10反渗透反渗透10反渗透反渗透一一渗透和反渗透渗透和反渗透、渗透和反渗透渗透和反渗透 渗透渗透P1P2P1P212定义定义：渗透是指在压力相同（：渗透是指在压力相同（P1=P2）的条件下，水或溶剂分子通过）的条件下，水或溶剂分子通过半透膜半透膜从稀溶液（或从稀溶液（或纯溶剂）进入浓溶液的纯溶剂）进入浓溶液的扩散扩散现象。现象。由于存在化学位梯度而引起的自发扩散。由于存在化学位梯度而引起的自发扩散。如图，在溶液和纯溶剂之间放一半透膜，在一定的温度和压力下，如图，在溶液和纯溶剂之间放一半透
13、膜，在一定的温度和压力下，设纯水的化学位为 设纯水的化学位为（T，P），溶液中水的化学位，溶液中水的化学位为为为为（，）（，），则由热力学推导则由热力学推导有有则由热力学推导则由热力学推导，有有：（，）（，）（，）（，）为溶液中水的活度，为溶液中水的活度，一般液体的一般液体的其中，为一定温度下溶液的水蒸气分压，其中，为一定温度下溶液的水蒸气分压，为定温度下纯水的水蒸气分压为定温度下纯水的水蒸气分压为为一一定温度下纯水的水蒸气分压定温度下纯水的水蒸气分压。可见，纯水活度，溶液的，可见，纯水活度，溶液的，即，所以：即，所以：（，）（，）（，）（，）即在一定的温度和压力下，纯水的化学位高于溶液中水的
14、化学位，因此，发生纯水侧向即在一定的温度和压力下，纯水的化学位高于溶液中水的化学位，因此，发生纯水侧向溶液侧渗透，使溶液侧液位升高。溶液侧渗透，使溶液侧液位升高。2渗透压渗透压（osmotic press re）2、渗透压渗透压（osmotic pressure）为渗透达到平衡时两溶液的液位差为渗透达到平衡时两溶液的液位差说明存在说明存在 为渗透达到平衡时两溶液的液位差为渗透达到平衡时两溶液的液位差。说明存在说明存在静压差（静压差（differential static pressure）分析表明）分析表明溶剂的渗透作用及所形成的静压差的大小与溶液溶剂的渗透作用及所形成的静压差的大小与溶液溶剂
15、的渗透作用及所形成的静压差的大小与溶液溶剂的渗透作用及所形成的静压差的大小与溶液的组成及浓度有关。将溶液的这一性质通常用渗的组成及浓度有关。将溶液的这一性质通常用渗透压表示透压表示则则为两溶液的渗透压差为两溶液的渗透压差透压表示透压表示。则则为两溶液的渗透压差为两溶液的渗透压差。PPP1P2P1P2范特霍夫范特霍夫（V H ff1860）总结出溶液渗透总结出溶液渗透范特霍夫范特霍夫（Vant Hoff，1860）总结出溶液渗透总结出溶液渗透压计算方程，即范特霍夫渗透压方程：压计算方程，即范特霍夫渗透压方程：nRTc1iiRTc式中式中ci溶液中溶质溶液中溶质i的（离子）摩尔的（离子）摩尔浓度浓
16、度；浓度浓度；n溶液中的组分数。溶液中的组分数。对于实际溶液，可在对于实际溶液，可在Vant Hoff方程中引入渗透系数方程中引入渗透系数以修正其非理想性以修正其非理想性以修正其非理想性以修正其非理想性：incBx在等温条件下，许多物质的水溶液的渗透压近似的与其溶在等温条件下，许多物质的水溶液的渗透压近似的与其溶质的摩尔分数质的摩尔分数x 成正比成正比：1isBx质的摩尔分数质的摩尔分数xs成正比成正比：结论：结论：溶液摩尔浓度越高，其渗透压越大。溶液摩尔浓度越高，其渗透压越大。24 3反渗透反渗透 3、反渗透反渗透（1）定义定义：当浓溶液当浓溶液一一侧的压力侧的压力P2大于稀溶液大于稀溶液（
17、1）定义定义：当浓溶液侧的压力当浓溶液侧的压力P2大于稀溶液大于稀溶液或纯溶剂一侧的压力或纯溶剂一侧的压力P1时，溶剂则透过半透膜时，溶剂则透过半透膜从浓溶液侧进从浓溶液侧进入入稀溶液或纯溶剂侧稀溶液或纯溶剂侧。其结果使其结果使从浓溶液侧进稀溶液或纯溶剂侧从浓溶液侧进稀溶液或纯溶剂侧。其结果使其结果使浓溶液脱去溶剂变得更浓。称其为反渗透。浓溶液脱去溶剂变得更浓。称其为反渗透。即反渗透是借助半透即反渗透是借助半透膜对溶液中溶质的膜对溶液中溶质的P1P2P1P2膜对溶液中溶质的膜对溶液中溶质的截流作用，以压差为推截流作用，以压差为推动力动力，使使溶溶剂剂透过透过12动力动力使剂使剂半透膜，从而达到
18、溶液脱去溶剂的目的半透膜，从而达到溶液脱去溶剂的目的。（2）反渗透的推动力反渗透的推动力P（2）反渗透的推动力反渗透的推动力P式中式中1与与2分别为原液侧与透出液侧溶液的渗透压。分别为原液侧与透出液侧溶液的渗透压。12由以上分析可知，由以上分析可知，为了实现反渗透过程，在膜两侧的压差必须大于两侧溶液的渗透压差，即为了实现反渗透过程，在膜两侧的压差必须大于两侧溶液的渗透压差，即p。一般。一般反渗透过程的操作压差反渗透过程的操作压差 为为2 10MPP1P2P1P2反渗透过程的操作压差反渗透过程的操作压差p为为210MPa。21（3）反渗透膜基本原理和传递机理）反渗透膜基本原理和传递机理溶液溶剂溶
19、液溶剂溶液H溶剂溶液溶液p溶剂膜溶剂=gH溶剂溶液溶液p 膜：透过溶剂不透过溶质溶液的渗透压渗透 g平衡反渗透膜：透过溶剂、不透过溶质溶液的渗透压二、反渗透膜二、反渗透膜对膜性能的要求对膜性能的要求）分离效率高，单位膜面积的透水量大）分离效率高，单位膜面积的透水量大）化学稳定性好，不受料液和微生物的侵蚀）化学稳定性好，不受料液和微生物的侵蚀）有足够的机械强度，在一定的压力和拉）有足够的机械强度，在一定的压力和拉力下不发生变形或裂纹力下不发生变形或裂纹）膜的压实性尽可能小，使用寿命长，长）膜的压实性尽可能小，使用寿命长，长期运转后性能降低小期运转后性能降低小期运转后性能降低小期运转后性能降低小）
20、价廉价廉制造方便等制造方便等）价廉价廉，制造方便等制造方便等。反渗透膜反渗透膜：反渗透膜反渗透膜：常用的膜材料有常用的膜材料有常用的膜材料有常用的膜材料有：醋酸纤维膜（：醋酸纤维膜（CA膜）膜）聚酰胺膜（聚酰胺膜（PA膜）膜）复合膜复合膜复合膜复合膜最常用：醋酸纤维素膜（）膜最常用：醋酸纤维素膜（）膜断面可分为表皮层、过渡层和支撑层三部分。断面可分为表皮层、过渡层和支撑层三部分。表皮层结构致密，孔径表皮层结构致密，孔径.，厚，厚.，起脱盐的关键作用。，起脱盐的关键作用。其下为过渡层，孔径其下为过渡层，孔径再下为多孔支撑层，孔径，再下为多孔支撑层，孔径，结构疏松结构疏松结构疏松结构疏松；膜总厚为
21、膜总厚为 含水量含水量左右左右膜总厚为膜总厚为，含水量含水量左右左右。此外还有复合膜此外，还有复合膜复合膜与CA膜相比的两大优点：复合膜与CA膜相比的两大优点：1）压力低1）压力低2 2）透盐量稳定透盐量稳定2 2）透盐量稳定透盐量稳定复合膜的结构复合膜的结构复合膜的结构复合膜的结构3.反渗透过程机理反渗透过程机理 p3733.反渗透过程机理反渗透过程机理 p373（1）氢键理论(2)优先吸附-毛细管流理论当膜毛细孔孔径接近或等当膜毛细孔孔径接近或等当膜毛细孔孔径接近或等当膜毛细孔孔径接近或等于纯水层厚度于纯水层厚度t 两倍时，两倍时，渗透通量最高渗透通量最高渗透通量最高渗透通量最高；2t称为
22、膜的“临界孔径”称为膜的“临界孔径”当水溶液与多孔膜接触时，如果膜的物化性质使膜对水具有当水溶液与多孔膜接触时，如果膜的物化性质使膜对水具有选择选择性吸水斥盐性吸水斥盐的作用的作用则在膜与溶液界面附近的溶质浓度就会急剧则在膜与溶液界面附近的溶质浓度就会急剧性吸水斥盐性吸水斥盐的作用的作用，则在膜与溶液界面附近的溶质浓度就会急剧则在膜与溶液界面附近的溶质浓度就会急剧下降，而在膜界面上形成一层下降，而在膜界面上形成一层吸附的纯水层吸附的纯水层。在压力作用下，优选吸附的水就会渗透通过膜表面的毛细孔，从而获得纯水。在压力作用下，优选吸附的水就会渗透通过膜表面的毛细孔，从而获得纯水。4浓差极化浓差极化（
23、Concentration Polarization）4、浓差极化浓差极化（Concentration Polarization）概念概念在操作过程中在操作过程中1）、概念概念：在操作过程中在操作过程中，由于膜的选择透过性，被截留，由于膜的选择透过性，被截留组分在膜料液侧表面都会积组分在膜料液侧表面都会积polarization polarization layer layer 组分在膜料液侧表面都会积组分在膜料液侧表面都会积累形成浓度边界层，其浓度大大累形成浓度边界层，其浓度大大高于料液的主体浓度高于料液的主体浓度在膜表在膜表高于料液的主体浓度高于料液的主体浓度，在膜表在膜表面与主体料液之间
24、浓度差的作面与主体料液之间浓度差的作用下用下将导致溶质从膜表面向将导致溶质从膜表面向用下用下，将导致溶质从膜表面向将导致溶质从膜表面向主体的反向扩散，这种现象称主体的反向扩散，这种现象称为浓差极化为浓差极化透过物透过物为浓差极化为浓差极化。浓差极化度：。浓差极化度：M=cw/cb1浓差极化模型2）浓差极化对反渗透的影响浓差极化对反渗透的影响2）、浓差极化对反渗透的影响浓差极化对反渗透的影响：（1）水渗透通量下降水渗透通量下降生产能力降低生产能力降低（1）水渗透通量下降水渗透通量下降，生产能力降低生产能力降低。（2）溶质渗透量增大，分离效率降低，产）溶质渗透量增大，分离效率降低，产品质量下降品质
25、量下降品质量下降品质量下降。（3）溶质在膜表面析出结晶或形成）溶质在膜表面析出结晶或形成凝胶层凝胶层，堵塞膜，堵塞膜孔孔使膜有效面积减小使膜有效面积减小甚至完全丧失渗透通量甚至完全丧失渗透通量孔孔，使膜有效面积减小使膜有效面积减小，甚至完全丧失渗透通量甚至完全丧失渗透通量。（4)导致膜污染：料液中的某些组分在膜表面或膜孔中沉积导致膜透过速率下降的现象。导致膜污染：料液中的某些组分在膜表面或膜孔中沉积导致膜透过速率下降的现象。3）、减轻浓差极化和膜污染的方法）、减轻浓差极化和膜污染的方法（1）控制回收率）控制回收率（2）提高原料液流动湍流程度。如提高流速、加强搅拌、安装湍流促进器、脉冲发生装）提
26、高原料液流动湍流程度。如提高流速、加强搅拌、安装湍流促进器、脉冲发生装置等。（置等。（3）缩短流程）缩短流程（4）加填料。即在原料液中添加）加填料。即在原料液中添加29100m的的小球小球小球小球。（。（5）提高操作温度）提高操作温度（6）对原料液进行预处理对原料液进行预处理除去料液中的大颗除去料液中的大颗（6）对原料液进行预处理对原料液进行预处理，除去料液中的大颗除去料液中的大颗粒粒（7）定期对膜进行反冲和清洗定期对膜进行反冲和清洗（7）定期对膜进行反冲和清洗定期对膜进行反冲和清洗。5、影响反渗透的因素、影响反渗透的因素1）浓差极化）浓差极化2）膜的压密效应）膜的压密效应在压力作用下膜的厚度
27、减少，透水性和溶质的脱除率降在压力作用下膜的厚度减少，透水性和溶质的脱除率降低低。低低。3）水解作用和生物分解作用）水解作用和生物分解作用三、反渗透操作的流程与装置三、反渗透操作的流程与装置流程流程）单级并联操作，如图。）单级并联操作，如图。反渗透器反渗透器泵泵过滤器过滤器泵泵渗透液渗透液浓缩液浓缩液渗透液渗透液浓缩液浓缩液单级并联操作单级并联操作）浓缩液两级串联操作，如图。）浓缩液两级串联操作，如图。反渗透器反渗透器过滤器泵过滤器泵浓缩液浓缩液渗透液渗透液浓缩液浓缩液浓缩液浓缩液渗透液渗透液浓缩液浓缩液浓缩液两级串联操作浓缩液两级串联操作基本设备：基本设备：过滤器、高压泵和反渗透器。过滤器、
28、高压泵和反渗透器。反渗透装置反渗透装置反渗透装置反渗透装置）板式）板式图图10-14）管式管式图图10 16）管式管式图图10-16）卷式卷式图图10-15）卷式卷式图图10-15）空心纤维式空心纤维式图图）空心纤维式空心纤维式图图10-17四、反渗透过程的迁移方程四、反渗透过程的迁移方程推动力：压力差与浓度差推动力：压力差与浓度差对溶剂水，主要是在压力差作用下扩散透过膜；对溶剂水，主要是在压力差作用下扩散透过膜；溶质盐，主要存在浓度差作用。溶质盐，主要存在浓度差作用。如图如图在半透膜两侧分别为浓度在半透膜两侧分别为浓度 和和 两种溶液两种溶液如图如图，在半透膜两侧分别为浓度在半透膜两侧分别为
29、浓度和和两种溶液两种溶液，且，且。两侧的压力分别为两侧的压力分别为和和，P1且且。这样这样将产生水与溶质的迁移将产生水与溶质的迁移半透膜半透膜C1，1这样这样，将产生水与溶质的迁移将产生水与溶质的迁移。C2，2P2设水的迁移通量为设水的迁移通量为溶质的迁移通量为溶质的迁移通量为设水的迁移通量为设水的迁移通量为，溶质的迁移通量为溶质的迁移通量为，对理想半透膜对理想半透膜，有有：，对理想半透膜对理想半透膜，有有：Kw（）（）（10-13）A（10-15）式中，式中，Kw 膜的水透过系数；膜的水透过系数；废水侧与净水侧压力之差废水侧与净水侧压力之差 溶质渗透系数溶质渗透系数（膜的透盐常数膜的透盐常数
30、）溶质渗透系数溶质渗透系数（膜的透盐常数膜的透盐常数）废水侧与净水侧溶质浓度之差废水侧与净水侧溶质浓度之差由上式可知，提高反渗透的操作压力，水通量线由上式可知，提高反渗透的操作压力，水通量线性增加性增加而溶质通量式几乎不受压差的影响而溶质通量式几乎不受压差的影响只取决只取决性增加性增加；而溶质通量式几乎不受压差的影响而溶质通量式几乎不受压差的影响，只取决只取决于膜两侧浓度差。于膜两侧浓度差。因此，压力增大，渗透物中溶质浓度下降，选择因此，压力增大，渗透物中溶质浓度下降，选择性提高。性提高。另一方面，在操作压力不变的情况下，增大废水另一方面，在操作压力不变的情况下，增大废水侧溶质浓度将使溶剂水的
31、通量减少，溶质通量增加。侧溶质浓度将使溶剂水的通量减少，溶质通量增加。这是由于废水侧渗透压增高及浓度差增大所造成这是由于废水侧渗透压增高及浓度差增大所造成这是由于废水侧渗透压增高及浓度差增大所造成这是由于废水侧渗透压增高及浓度差增大所造成的结果。的结果。10超滤和纳滤超滤和纳滤一、超滤超滤超滤：依靠压力和膜进行工作依靠压力和膜进行工作制膜材料制膜材料超滤超滤超滤：依靠压力和膜进行工作依靠压力和膜进行工作，制膜材料制膜材料也是醋酸纤维素等。但删去热处理工序，使制也是醋酸纤维素等。但删去热处理工序，使制成的超滤膜的孔较大成的超滤膜的孔较大能在较小的压力下工作能在较小的压力下工作成的超滤膜的孔较大成
32、的超滤膜的孔较大，能在较小的压力下工作能在较小的压力下工作，且有较大的通水量。，且有较大的通水量。一般用来分离分子量大于的物质，一般用来分离分子量大于的物质，如细菌如细菌蛋白质蛋白质颜料颜料油类等油类等如细菌如细菌，蛋白质蛋白质，颜料颜料，油类等油类等。1 超滤膜超滤膜1.超滤膜超滤膜 非对称膜非对称膜非对称膜非对称膜 醋酸纤维醋酸纤维，聚砜聚砜，聚丙烯腈聚丙烯腈，醋酸纤维醋酸纤维，聚砜聚砜，聚丙烯腈聚丙烯腈，聚酰胺。聚酰胺。2、超滤原理超滤原理超滤原理超滤原理原料液浓缩液超滤液3、超滤的影响因素、超滤的影响因素 浓差极化浓差极化 溶质聚集形成凝胶层，导致阻力增大，溶质截留率溶质聚集形成凝胶层
33、，导致阻力增大，溶质截留率增大增大。增大增大解决办法：解决办法：P375采取错流采取错流提高流速提高流速脉冲及机械刮除脉冲及机械刮除提高操作温度提高操作温度二、纳滤二、纳滤介于反渗透和超滤之间的一种新型的分子级膜介于反渗透和超滤之间的一种新型的分子级膜分离技术分离技术。分离分子量在分离分子量在300300以上以上，大小大小1 1nmnm的溶的溶分离技术分离技术。分离分子量在分离分子量在300300以上以上，大小大小1 1nmnm的溶的溶质。质。有离选择性有离选择性具具有离有离子子选择性选择性，单价离子单价离子分子量小于分子量小于300300截留率低截留率低单价离子单价离子，分子量小于分子量小于
34、300300，截留率低截留率低；多价离子多价离子分子量大于分子量大于300300截留率高截留率高多价离子多价离子，分子量大于分子量大于300300，截留率高截留率高。纳滤膜对阴离子的截留率纳滤膜对阴离子的截留率：纳滤膜对阴离子的截留率纳滤膜对阴离子的截留率：NO3-Cl-OH-SO42-CO32-NO3ClOHSO4CO3纳滤膜对阳离子的截留率：纳滤膜对阳离子的截留率：H+Na+K+Ca2+Mg2+Cu2+应用应用脱除水溶液中的杂质和有机物脱除水溶液中的杂质和有机物如印染水如印染水应用应用：脱除水溶液中的杂质和有机物脱除水溶液中的杂质和有机物，如印染水如印染水的脱色、饮用水的预处理等。的脱色、
35、饮用水的预处理等。反渗透超滤纳滤操作压力大于1MPa(1小于1MPa小于1MPa操作压力大于1MPa(110)小于1MPa(0.10.5)小于1MPa(0.51)渗透压重要可忽略可忽略渗透压重要可忽略可忽略分离分子量00以下大于500大于300分离分子量范围500以下大于500(1000几万)大于300膜孔径较小(0 1 1)较大(1 20)较大(1)膜孔径较小(0.11nm)较大(120nm)较大(1nm)分子量差异工业应用小分子溶液分离大分子溶液分离分子量差异小的物质；不同价态的离子10电渗析电渗析萌芽于世纪初。萌芽于世纪初。年，试制出具有选择透过性的阳离子交换膜和年，试制出具有选择透过性
36、的阳离子交换膜和阴离子交换膜阴离子交换膜才奠定了电渗析技术的实用基础才奠定了电渗析技术的实用基础阴离子交换膜阴离子交换膜，才奠定了电渗析技术的实用基础才奠定了电渗析技术的实用基础。年月，首次展出电渗析咸水淡化器的样机；。年月，首次展出电渗析咸水淡化器的样机；年正式用于生产实践。年正式用于生产实践。当前技术领先的是日本和美国。当前技术领先的是日本和美国。中国进展较快中国进展较快中国进展较快中国进展较快。一、电渗析一、电渗析在直流电场作用下，以电位差为推动力，当离子迁在直流电场作用下，以电位差为推动力，当离子迁移时，具有选择性的阳离子或阴离子交换膜分别只移时，具有选择性的阳离子或阴离子交换膜分别只
37、允许阳离子或阴离子通过允许阳离子或阴离子通过从而使电解质中各组分从而使电解质中各组分允许阳离子或阴离子通过允许阳离子或阴离子通过，从而使电解质中各组分从而使电解质中各组分得以分离。得以分离。二、电渗析除盐原理二、电渗析除盐原理主要过程主要过程以脱盐为例，原理如图所示。以脱盐为例，原理如图所示。以代表以代表+代表代表N+ClNa+Cl-正极正极负极负极阴阴阴阴膜膜阴阴膜膜阴阴膜膜阳阳膜膜阳阳膜膜阳阳膜膜阳阳膜膜正极正极负极负极膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜+-电流未接通电流未接通Na+Cl-Na+Cl正极正极负极负极阴阴阴阴膜膜阴阴膜膜阴阴膜膜阳阳膜膜阳阳膜膜阳阳膜膜阳阳膜膜正极正极负极负极膜
38、膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜+-极室极室极室极室接通电流接通电流极室极室极室极室Na+Cl-Na+Cl正极正极负极负极阴阴阴阴膜膜阴阴膜膜阴阴膜膜阳阳膜膜阳阳膜膜阳阳膜膜阳阳膜膜正极正极负极负极膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜+-极室极室极室极室接通电流接通电流极室极室极室极室Na+Cl-Na+Cl正极正极阴阴阴阴膜膜阴阴膜膜阴阴膜膜阳阳膜膜阳阳膜膜阳阳膜膜阳阳膜膜正极正极膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜+极室极室极室极室电流通过后电流通过后极室极室极室极室水流系统水流系统）淡水室系统）淡水室系统原水进原水进淡水室淡水室流出的是除盐水流出的是除盐水原水进原水进，淡水室淡水室，流出的是除盐水流
39、出的是除盐水）浓水室系统浓水室系统）浓水室系统浓水室系统原水进，浓水室，排出浓盐水原水进，浓水室，排出浓盐水）极水室系统）极水室系统原水进极室，不断排出原水进极室，不断排出，和酸碱沉淀物等。和酸碱沉淀物等。极室反应极室反应正极室：正极室：22+极水呈酸性，易腐蚀电极。极水呈酸性，易腐蚀电极。负极室负极室2+2负极室负极室：2+2=+极水极水呈呈碱性碱性，易与易与、极水碱性极水碱性易与易与生成水垢结在阴极上。生成水垢结在阴极上。两个极室要不断排水，洗掉不断产生的两个极室要不断排水，洗掉不断产生的，和酸碱等，以保证电极的正常导电，和酸碱等，以保证电极的正常导电，这样就得到连续的生产过程这样就得到连
40、续的生产过程这样就得到连续的生产过程这样就得到连续的生产过程。其它次要过程（简）其它次要过程（简）同离子迁移）同离子迁移指与膜的固定基团电荷符号相同的离子迁移。指与膜的固定基团电荷符号相同的离子迁移。如如与阳膜的固定基团的负电荷同号；浓室中由于与阳膜的固定基团的负电荷同号；浓室中由于浓度大，会闯入阳膜进入淡化室，抵浓度大，会闯入阳膜进入淡化室，抵消淡化作用消淡化作用消淡化作用消淡化作用。）浓差扩散浓差扩散）浓差扩散浓差扩散由于浓室中浓度高于淡室，在浓度差的由于浓室中浓度高于淡室，在浓度差的作用下，由浓室向淡室扩散。作用下，由浓室向淡室扩散。）水的渗透）水的渗透水由淡室透过膜向浓室迁移水由淡室透
41、过膜向浓室迁移水由淡室透过膜向浓室迁移水由淡室透过膜向浓室迁移。）水的电渗透水的电渗透）水的电渗透水的电渗透离子与水分子结合成水合离离子与水分子结合成水合离子子。）水的分解）水的分解膜水界面上的水分子离解成膜水界面上的水分子离解成、，并参，并参与传导电流与传导电流与传导电流与传导电流。）压差渗漏）压差渗漏膜两侧产生压力差时，溶液由压力大的一侧向膜两侧产生压力差时，溶液由压力大的一侧向压力小的侧渗漏压力小的侧渗漏压力小的压力小的一一侧渗漏侧渗漏。反离子迁移是电渗析操作的基本过程反离子迁移是电渗析操作的基本过程反离子迁移是电渗析操作的基本过程反离子迁移是电渗析操作的基本过程。电渗析的极化现象电渗析
42、的极化现象）极化极化电渗析的极化现象电渗析的极化现象）极化极化电渗析器运转过程中在阴膜及阳膜的两边出电渗析器运转过程中在阴膜及阳膜的两边出现浓度差的现象称为极化现浓度差的现象称为极化极化临界点所施极化临界点所施现浓度差的现象称为极化现浓度差的现象称为极化。极化临界点所施极化临界点所施加的电流成为极限电流。加的电流成为极限电流。）控制方法）控制方法在极限电流以下运行，一般取操作电流为极在极限电流以下运行，一般取操作电流为极限电流的限电流的限电流的限电流的80%。）其它措施）其它措施a.增大水流湍动，减小界面层，加快离子扩散增大水流湍动，减小界面层，加快离子扩散速度速度促使浓度均匀促使浓度均匀速度
43、速度，促使浓度均匀促使浓度均匀b 定期用盐酸清洗膜堆定期用盐酸清洗膜堆使使b.定期用盐酸清洗膜堆定期用盐酸清洗膜堆，使使，沉淀溶解沉淀溶解c.定期倒换正负极，使浓淡室互换，发生定期倒换正负极，使浓淡室互换，发生交替变化，沉淀不易生成。交替变化，沉淀不易生成。6.离子交换膜离子交换膜离子交换膜是电渗析装置的关键构成部分。是电渗析装置的关键构成部分。它是一种由高它是一种由高分子材料制成的具有离子交换功能的薄膜分子材料制成的具有离子交换功能的薄膜分子材料制成的具有离子交换功能的薄膜分子材料制成的具有离子交换功能的薄膜。(1)离子交换膜的种类离子交换膜的种类：根据膜上可解离的活性基团不同根据膜上可解离
44、的活性基团不同(1)、离子交换膜的种类离子交换膜的种类：根据膜上可解离的活性基团不同根据膜上可解离的活性基团不同，可分为：，可分为：阳离子交换膜即阳离子交换膜即带有可解离出阳离子活性基团带有可解离出阳离子活性基团（如磺酸基（如磺酸基-SO3H）的膜的膜。工作时膜上带有阴离子基团，能使阳离子通过膜，而不能使阴离子通过膜。工作时膜上带有阴离子基团，能使阳离子通过膜，而不能使阴离子通过膜。阴离子交换膜阴离子交换膜即带有可解离出阴离子活性基团即带有可解离出阴离子活性基团如季胺基如季胺基-N（CH）3OH 的膜的膜工作时膜上带有阳离子基团工作时膜上带有阳离子基团，能使阴离子能使阴离子（CH）OH 的膜的
45、膜。工作时膜上带有阳离子基团工作时膜上带有阳离子基团，能使阴离子能使阴离子通过膜，而不能使阳离子通过膜。通过膜，而不能使阳离子通过膜。(2)、离子交换膜的性能：、离子交换膜的性能：交换容量交换容量13 mmol/g交换容量交换容量：13 mmol/g 含水量含水量:30%50%含水量含水量:30%50%破裂强度：垂直方向的最大压力。破裂强度：垂直方向的最大压力。0.31 MPa厚度厚度:越薄越好越薄越好导电性：导电性：选择透过性选择透过性膜电位膜电位膜电位膜电位(3)、选择透过性机理选择透过性机理(3)、选择透过性机理选择透过性机理双电层理论双电层理论：在固定基团和进入溶液的解离离子之双电层理
46、论双电层理论：在固定基团和进入溶液的解离离子之间，由于存在着静电引力，固定基团吸引溶液中的解离离子，使离子向膜 运动。但热运动又使解离离子均离离子，使离子向膜 运动。但热运动又使解离离子均匀分布到整个溶液中去，这种互相矛盾的力的作用结果是在膜溶液界面上形成带相反电荷的双电层。果是在膜溶液界面上形成带相反电荷的双电层。此时带电的固定基团吸引膜外溶液中带相反电荷的此时带电的固定基团吸引膜外溶液中带相反电荷的离子并使之向膜运动，在外加电场力的作用下继续运动直至穿过膜。动直至穿过膜。溶液中与固定基团电荷相同的离子因为同性相斥不能溶液中与固定基团电荷相同的离子因为同性相斥不能靠近和穿过膜，从而实现了离子
47、的选择性透过。Donnan膜平衡理论膜平衡理论：膜平衡理论膜平衡理论：解释离子交换树脂与电解质溶液间的平衡问题。对离子交换膜来说，只是离子交换树脂的一种特殊应用。当离子交换浸入电解质溶液时，电解质溶液中的离子和膜内的离子发生交换作用，最终达到动态平衡。聚苯乙烯型磺酸基聚苯乙烯型磺酸基N 型阳离子交换膜浸入型阳离子交换膜浸入N Cl溶液中溶液中离离聚苯乙烯型磺酸基聚苯乙烯型磺酸基Na型阳离子交换膜浸入型阳离子交换膜浸入NaCl溶液中溶液中，离离子在膜和溶液中发生交换，达到平衡时：子在膜和溶液中发生交换，达到平衡时：Na+内内Cl-内内Na+外外Cl-外外 Na+Cl-Na+外外 Cl-外外Na+
48、内内 Cl-内内+R-内内 代入代入得得：代入代入得得：Cl-外外2 Cl-内内2+Cl-内内R-内内 Cl-外外 Cl-内内Na+内内 Na+外外即阳离子容易进入阳膜中进行交换,阴离子则不能,即膜对离即阳离子容易进入阳膜中进行交换,阴离子则不能,即膜对离子具有选择透过性子具有选择透过性子具有选择透过性子具有选择透过性。三、电渗析应用：三、电渗析应用：分离氨基酸分离氨基酸氨基酸同时具有酸性和碱性基团，具有两性。氨基酸同时具有酸性和碱性基团，具有两性。所以根据溶液的值，分子可以带正电，所以根据溶液的值，分子可以带正电，也可能带负电也可能带负电。也可能带负电也可能带负电。因不同蛋白质有不同的等电点
49、，可通过调节因不同蛋白质有不同的等电点，可通过调节值使不同的氨基酸得到分离。值使不同的氨基酸得到分离。+coo-低低pH值值，带正电带正电coo低低pH值值，带正电带正电高高pH值，带负电值，带负电如下图如下图。如下图如下图。H1+COOH2coo-+pH=I.P.pHI.P.分为分为三三个个室，室，中中间室间室值值调至调至待分待分分为个分为个中中值待分值待分离蛋白质的等电点（离蛋白质的等电点（.），两侧分别大于（小于），两侧分别大于（小于）.。加入不同。加入不同蛋蛋白质白质蛋蛋混合溶液于中室内，则蛋白质留在中间，混合溶液于中室内，则蛋白质留在中间，其其余余蛋蛋白质由于白质由于.不同，分别带不
50、同，分别带其蛋其蛋正、负电，因而向阴、阳极扩散。正、负电，因而向阴、阳极扩散。用此方法通过调节可使各种蛋白质完全得到分离。用此方法通过调节可使各种蛋白质完全得到分离。10-5气体膜分离气体膜分离10-5 气体膜分离气体膜分离气体膜分离气体膜分离一、一、气体膜分离气体膜分离:气体混合物在膜两侧分压差的作用下，各组分以不同渗透速率透过膜使混合气体分离或浓缩过膜，使混合气体分离或浓缩。描述气体通过高分子膜的主要参数：渗透率渗透率P描述膜的气体透过性渗透率渗透率P：描述膜的气体透过性渗透系数渗透系数J：单位时间、单位膜面积、单位推动力作用下所透过气体的量作用下所透过气体的量。分离系数分离系数：描述气体