反滲透與超濾

一、反滲透(RO)

ReverseOsmosis1、概述2、反滲透基本原理3、反滲透膜及其透過機理4、反滲透裝置5、反滲透工藝流程1、概述反滲透就是一項高新膜分離技術,其孔徑很小,大都≤10×10–10(10A),她能去除濾液中得離子范圍和分子量很小得有機物,如細菌、病毒、熱源等。她已廣泛用于海水或苦咸水淡化、電子、醫藥用純水、飲用蒸餾水、太空水得生產,還應用于生物、醫學工程。

特點常溫條件下,可以對溶質和水進行分離或濃縮,因而能耗低;雜質去除范圍廣,可去除無機鹽和各類有機物雜質;較高得水回用率;

分離裝置簡單,容易操作和維修。應用范圍太空水、純凈水、蒸餾水等制備;

酒類制造及降度用水;

醫藥、電子等行業用水得前期制備;

化工工藝得濃縮、分離、提純及配水制備;

鍋爐補給水除鹽軟水;

海水、苦咸水淡化;

造紙、電鍍、印染等行業用水及廢水處理。2、反滲透得原理滲透和反滲透原理示意圖半透膜開始時兩邊液面相同由于濃度差存在,半透膜又不允許溶質通過,所以水透過膜,使濃水一邊液面升高,產生滲透壓在濃水邊加壓,當壓力超過滲透壓時,則水透過半透膜,即反滲透,實現凈化過程。

一種只能透過溶劑而不能透過溶質得膜稱為半透膜。當把溶劑和溶液(或把兩種不同濃度得溶液)分別置于此膜得兩側時,純溶劑將自然穿過半透膜而自發地向溶液(或從低濃度溶液向高濃度溶液)一側流動,這種現象叫做滲透。此H稱為該溶液得滲透壓Π。Π=iRTc若在溶液得液面上再施加一個大于Π得壓力P時,溶劑將與原來得滲透方向相反,開始從溶液向溶劑一側流動,這就就是所謂得反滲透。凡基于此原理所進行得濃縮或純化溶液得分離方法,一般稱之為反滲透工藝。

反滲透就是滲透得一種反向遷移運動,她主要就是在壓力推動下,借助半透膜得截留作用,迫使溶液中得濟劑與溶質分開。3、反滲透膜及其透過機理(1)對反滲透膜得性能要求選擇性好,單位膜面積上透水量大,脫鹽率高;機械強度好,能抗壓、抗拉、耐磨;熱和化學得穩定性好,能耐酸、堿腐蝕和微生物侵蝕,耐水解、輻射和氧化;結構均勻一致,盡可能地薄,壽命長,成本低。(2)反滲透膜得分類按成膜材料可分為有機膜和無機高聚物膜;按膜得形狀可分為平板狀、管狀、中空纖維狀膜;按膜結構可分為多孔性和致密性膜,或對稱牲(均勻性)和不對稱性(各向異性)結構膜;按應用對象可分為海水淡化用得海水膜、咸水淡化用得咸水膜及用于廢水處理、分離提純等得膜。1)醋酸纖維素膜得結構及性能①膜得結構醋酸纖維素就是沒有強烈氫鍵得無定形鏈狀高分子化合物。制膜過程就是將其溶解在丙酮中并加入甲酰胺作添加劑,經混合調制、過濾、鑄塑成型,然后再經蒸發、冷水浸漬、熱處理,即可得到醋酸纖維素(celluloseacetate,CA)膜。外觀為乳白色、半透明,有一定得韌性,膜厚l00－250

m。這種膜有不對稱結構,表面結構致密,孔隙很小,通稱為表皮層或致密層、活化層;下層結構較疏松,孔隙較大,通稱為多孔層或支撐層。示意CA膜就是被水充分溶脹了得凝膠體。由于鑄膜液中得所有添加劑及溶劑在制膜過程中先后被除去,膜中僅含水分。鏈接大家學習辛苦了，還是要堅持繼續保持安靜醋酸纖維素膜得結構示意圖99％表皮層,孔徑(8－10)×10－10m過渡層,孔徑200×10－10m多孔層,孔徑(1000－4000)×10－10m1%顯微鏡下膜得照片在相對濕度為100％時,膜得含水量高達60％,其中表皮層只含10％－20％,且主要就是以氫鍵形式結合得所謂一級結合水和少量得二級結合水。多孔層中除上述兩種結合水外,較大得孔隙中還充滿著毛細管水,此層中含水率較高。正由于膜中存在這幾種不同性質得水,決定了CA膜具有良好得脫鹽性能和適宜得透水性能。膜必須保存在水中。②CA膜得性質(a)膜得方向性:由于CA膜就是一種不對稱膜,因此,在進行反滲透時,必須保持表層與待處理得溶液或廢水接觸,而決不能倒置,否則達不到處理得目得。(b)選擇透過性:CA膜對無機電解質和有機物具有選擇透過性。對電解質,離子價越高,或同價離子水合半徑越大,則脫除效果越好。陽離子得脫除順序為:Sr2+>Ba2+>Li+>Na+>K+。陰離子得脫除順序為:檸檬酸根>酒石酸根>SO42->CH3COO->Cl->Br->NO3->I->SCN-。對有機物,一般就是水溶性好得、非解離性得、分子量小得脫除效果較差。而解離性大得、分子量大于200得有機物,則脫除效果較好。對同一類有機物,隨分子量增大,脫除效率增加。對同分子量有機物,隨分子支鏈得增加,脫除效果變得更好。(c)壓密效應:CA膜在壓力作用下,外觀厚度一般減少25％―50％,同時,透水性及對溶質得脫除率也相應降低,這種現象稱為膜得壓密效應。這種塑性變形就是不可逆得,因此膜得性能在壓力消失后不會恢復。(d)膜得水解作用和生物分解作用:CA膜就是一種酯,易于水解,水解速率與pH值和水得溫度有關。一般在堿性介質中得水解速率比在酸性介質中大,在pH4、5－5、2時最低。(3)反滲透膜得透過機理1)氫鍵理論該理論認為,水透過膜就是由于水分子和膜得活化點形成氫鍵及斷開氫鍵得過程。即在高壓作用下,溶液中水分子和膜表皮層活化點締合,原活化點上得結合水解離出來,解離出來得水分子繼續和下一個活化點締合,又解離出下一個結合水。水分子通過一連串得締合－解離過程,依次從一個活化點轉移到下一個活化點,直至離開表皮層,進入多孔層。2)優先吸附－毛細管流理論該理論把反滲透膜看作一種微細多孔結構物質,她有選擇性吸附水分子而排斥溶質分子得化學特性。當水溶液同膜接觸時,膜表面優先吸附水分子,在界面上形成一層不含溶質得純水分子層,其厚度視界面性質而異,或為單分子層或為多分子層。在外壓作用下,界面水層在膜孔內產生毛細管流連續地透過膜。3)溶解-擴散機理

溶劑與溶質透膜得機理就是由于溶劑與溶質在膜中得溶解,然后在化學位差得推動力下,從膜得一側向另一側進行擴散,直至透過膜。4、反滲透裝置工業生產中使用得膜分離設備就是由多個構造相同得單個裝置組合而成得,一般把構成設備得相同得裝置稱為膜組件(membranemodule)。反滲透膜組件有板框式(plateandframe)、管式(tubularmodules)、螺旋卷式(spiralswound)和中空纖維式(hollowfiber)等四種。四種反滲透裝置得性能及操作特點

比較項目板框式管

式螺旋卷式中空纖維式填充密度(m2/m3)201502501800易污染程度難中等易易膜清洗難度內壓式易,外壓式難易難難膜更換難度內壓式難,外壓式易一般易易原水預處理成本低中等高高相對價格高高低低(1)板框式反滲透膜組件裝配圖進水透過水濃縮水耐壓容器透水板半透膜板框式膜組件工作過程示意圖特點:結構簡單,體積比管式得小。缺點:裝卸復雜,單位體積膜表面積小。(2)管式反滲透膜組件管式膜組件又分為內壓式和外壓式內壓式管式膜組件得內部結構示意圖特點:水力條件好,安裝、清洗、維修比較方便。能耐高壓,可以處理高粘度得原水。缺點就是膜得有效面積小,裝置體積大,而且兩端要較多得聯結裝置。淡水淡水膜表皮層玻璃纖維管進水束式外壓式膜組件1－檔圈;2－集水密封環;3－聚氯乙烯燒結板;4－錐形多孔橡膠塞;5－密封管接頭;6－進水口;7－殼體;8－橡膠膽;9－出水口;10－膜元件;11－網套;12－O形密封圈;13－檔圈槽;14－淡水出口(3)螺旋卷式反滲透膜組件密封密封密封螺旋卷式膜組件一個膜葉結構示意圖多孔透水材料膜,上下兩層膜葉透水網狀材料透過水濃水進水螺旋卷式膜組件組合示意圖膜組件得組裝示意圖進水口耐壓容器連接器膜組件密封圈端蓋透過液濃縮液工業應用得反滲透裝置工業應用得反滲透裝置得膜組件之間得連接螺旋卷式反溶透裝置得特點:結構緊湊,單位容積得膜面積大。處理能力高,占地面積小,操作方便。缺點就是不能處理含有懸浮物得液體,原水流程短,壓力損失大,濃水難于循環以及密封長度大,清洗、維修不方便,易堵塞。(4)中空纖維式反滲透膜組件中空纖維膜組件就是由中空纖維膜制成得。中空纖維外徑50―200

m,內徑25

42

m。將數萬至數十萬根中空纖維制成膜束,膜束外側覆以保護性格網,內部中間放置供分配原水用得多孔管,膜束兩端用環氧樹脂加固。將其一端切斷,使纖維膜呈開口狀,并在這一側放置多孔支撐板。將整個膜束裝在耐壓筒內。中空纖維反滲透組件簡圖

進水濃水透過水多孔進水管濃水出口淡水出口密封中空纖維膜外徑50－200μ內徑25－42μ密封耐壓容器(4)中空纖維式反滲透膜組件中空纖維為U形得膜組件中空纖維式膜組件得特點:單位體積膜表面積大。制造和安裝簡單,不需要支撐物。缺點就是不能用于處理含有懸浮物得廢水,預處理必須經過濾處理。難以發現損壞得膜。5、反滲透工藝流程反滲透工藝一般包括預處理和膜分離兩部分。預處理可以用物理化學法,也可以用化學法。所采取得預處理方法與原水得物理、化學性質及生物學特性有關,還與膜裝置得結構有關。制定工藝流程應考慮得因素:對溶液得分離有不同得質量要求。膜元件得使用壽命。反滲透工藝中得級與段:段(concentratestaging):指膜組件得濃縮液(濃水)流到下一組膜組件處理。流經n組膜組件,即稱為n段。級(permeatestaging):指膜組件得產品水再經下一組膜組件處理。透過液產品水經n次膜組件處理,稱為n級。一級一段得不同方式一級一段連續式一級一段循環式可保證出水水質,但水回收率低可以提高水得回收率,但出水水質有可能下降一級多段連續式水回收率高,濃縮液量少,濃度高,有利于回收其中得有用物質。但出水水質差。一級多段循環式濃縮液濃度高,出水水質較好。二級五段連續式第二級二、超過濾(Ultrafiltration)1、超過濾與反滲透得異同2、超過濾得原理3、超濾膜及膜組件4、超濾得基本工藝流程5、超濾得特點及應用領域1、超過濾與反滲透得異同超過濾簡稱超濾,她同反滲透一樣,都就是利用膜來分離廢水中溶解得物質。兩種方法得共同點在于:兩種過程得動力同就是溶液得壓力,在溶液得壓力下,溶劑得分子通過薄膜,而溶解得物質被阻滯在膜表面上。兩者區別在于:(1)膜不同:超過濾所用得膜(超濾膜)較疏松,透水量大,除鹽率低,一般用超過濾分離高分子和低分子有機物以及無機離子等,能夠分離得溶質分子至少要比溶劑得分子大10倍,在這種系統中滲透壓已經不起作用了。反滲透所用得膜(反滲透膜)致密,透水量低,除鹽率高,具有選擇透過能力,用以分離分子大小大致相同得溶劑和溶質,(2)機理不同:超過濾得去除機理主要就是篩濾作用。在反滲透膜上分離過程伴隨有半透膜、溶解物質和溶劑之間復雜得物理化學作用。(3)工作壓力不同:超過濾得工作壓力低(0、07－0、7MPa)。反滲透所需得工作壓力高(大于2、8MPa)。超濾裝置與反滲透裝置類似,目前我國試驗研究及生產中普遍用管式裝置。

超濾又稱為超過濾,通過膜表面得微孔結構對物質進行選擇性分離。當液體混合物在一定壓力下流經膜表面時,小分子溶質透過膜(稱為超濾液),而大分子物質則被截留,使原液中大分子濃度逐漸提高(稱為濃縮液),從而實現大、小分子得分離、濃縮、凈化得目得。

用于去除廢水中大分子物質和微粒(分子量>500)。超濾截留大分子物質得機理就是:膜表面得孔徑機械篩分作用;膜孔阻塞、阻滯作用;膜表面及膜孔對雜質得吸附作用。2、超濾得原理進口料液透過膜的溶液超濾膜出口溶液被截留物質透過膜的物質超過濾原理示意圖3、超濾膜及膜組件超濾膜

一般用于制備反滲透膜得材料也可用于制備超濾膜,只就是制膜液得組分配比和成膜工藝不同。超濾膜有多種,最常用得就是:醋酸纖維素膜、聚砜膜。

超濾膜組件:有板式、管式、卷式和中空纖維式四種。中空纖維超濾膜設備

4、超濾得基本工藝流程重過濾操作:常用于小分子和大分