2008年環保工程師知識講座一講義精選(八)
發布時間：2010-01-14 共1頁
1.9膜分離
大綱要求：熟悉膜分離的技術和方法，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”的薄的物質。
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流體相接觸，二是要具有選擇透過性，可允許一側流體中一種或幾種物質通過，而不允許其他物質通過。
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根據溶質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，在兩電極上也發生著氧化還原反應，即電極反應，其結果是使陰極室因溶液呈堿性而結垢，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。
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，但濃水室內的硫酸根離子不能透過陽膜而留在濃水室內;鎳離子向負極遷移，并通過陽膜進入濃水室，濃水室內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。濃水系統是一個溶液濃縮系統，而淡水系統是一個凈化系統。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：
按膜結構分為：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
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離子遷移速度，迫使膜界面處水分子發生電離，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。極化發生后在陽膜淡室的一側富集著過量的氫氧根離子，陽膜濃室的一側富集著過量的氫離子;而在陰膜淡室的一側富集著過量的氫離子，陰膜濃室的一側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發生碳酸鈣等沉淀，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，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用水的精制等應用中都已有大型裝置投入生產性運行，而在廢水處理中的應用還相對較少，應注意以下三點：
①在給水處理中應用的電滲析器，只回收淡水和只關注淡水水質，水的回收率一般為50%～70%;而應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、中性膜和復合膜等，根據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，關注電滲析電極反應多半是為了防止電極反應的負面影響，而在廢水處理中，有時是利用電極反應來達到處理廢水和回收有用物質的目的。
⑸電滲析在廢水處理中的應用
電鍍廢水中含有銅、鋅、鎳等重金屬和氰化物，未經處理而直接排放，會污染環境，目前已經許多電鍍車間應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，又使水的重復利用率有較大的提高。
⑹電滲析器工藝設計
目前，電滲析器有系列產品規格，可根據淡水產量與處理要求確定合理的設計參數，選用所需電滲析器的臺數以及并聯或串聯的組裝方式。
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。在濃溶液一側施加壓力，使濃溶液中的水通過膜進入稱溶液的過程稱為反滲透。
目前的反滲透膜的傳質機理有：溶解擴散理論、優先吸附――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
?〗峁梗菏且恢種輝市硭?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構，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，結構疏松，孔徑約1000～4000埃，兩者之間為中間過渡層，孔徑約200埃。
?⑿閱埽悍瓷?透分離的關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;化學穩定性好，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。
?７擲啵?
按材料分為：纖維素膜和非纖維素膜。
按結構分為：不對稱膜和復合膜。
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。
?“蹇蚴椒瓷?透器
優點：裝置牢固，能承受高壓。缺點：液流狀態差，易形成濃差極化，設備費用及占地面積大。
?⒐蓯椒瓷?透器
優點：進水流動狀態好，易安裝，易清洗，易拆換。缺點：單位面積內的體積很小，占地面積較大。
?＞硎椒瓷?透器
優點：單位體積內的膜裝載面積大，進水流動狀態好，結構緊湊。缺點：進水預處理要求嚴格，否則易堵塞。
?ぶ鋅障宋?式反滲透器：
優點：在單位體積內的膜裝載面積大，無須承壓材料，結構緊湊。缺點：容易堵塞，清洗困難，對進水的預處理要求最嚴，污染指數要求≤3。
⑶反滲透處理的工藝參數
①原液狀態參數：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：包括膜的脫鹽性能、機械強度、pH值穩定范圍和耐熱性等。
③化學工程參數：包括產水量、產水水質、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用
目前反滲透已應用在處理電鍍廢水(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
優點：分離過程不需加熱、無相變、耗能較少，設備體積少，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，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。
?“蹇蚴匠?濾裝置
優點：裝置牢固，適合在廣泛的壓力范圍內工作;流道間隙大小可調，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量可處理不同水量。
缺點：裝置較笨重;單位體積內的有效膜面積較小;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。
?⒐蓯匠?濾裝置
優點：原液流道截留面積較大，不易堵塞;膜面的清洗比較容易，可化學清洗或擦洗。
缺點：單位體積內膜的充填密度較低，占地面積大;膜管的彎頭及連接件多，設備安裝費時。
?＞硎匠?濾裝置
優點：單位體積內的有效膜面積較大，水在膜表面流動狀態比較好，結構緊湊，占地面積較小。缺點：進水預處理要求嚴格，對所用的膜強度要求較高，使用過程中，一旦發現膜破損須更換新的膜元件。
?ぶ鋅障宋?式超濾裝置：
優點：單位體積內有效膜面積最大，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
主要參數有膜通量、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用
目前已應用在汽車制造行業噴漆廢水、金屬加工廢水以及食品工業廢水的處理及有用物質的回收。
