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1.9膜分离
大纲要求：熟悉膜分离的技术和方法，了解膜及膜组件的分类和性能
1.9.1膜分离法的原理及分类
⑴膜：能够把流体相分隔为互不相通的两部分，这两部分之间能存在“传质”的薄的物质。
⑵膜的特征：一是无论厚度多少都必须有两个界面，两个界面分别与两侧流体相接触，二是要具有选择透过性，可允许一侧流体中一种或几种物质通过，而不允许其他物质通过。
⑶膜分离：利用膜的选择透过性能将离子或分子或某些微粒从水中分离出来的过程。用膜分离溶液时，使溶质通过膜的方法称为渗析，使溶剂通过膜的方法称为渗透。
⑷膜分离的特点：
⑸根据溶质或溶剂透过膜的推动力和膜种类不同，水处理中膜分离法通常可以分为：电渗析、反渗透、超滤、微滤。
1.9.2电渗析
⑴原理：
在外加直流电场作用下，利用离子交换膜的透过性(即阳膜只允许阳离子透过，阴膜只允许阴离子透过)，使水中的阴、阳离子作定向迁移，从而达到水中的离子与水分离的一种物理化学过程。
原理是：在阴极与阳极之间，放置着若干交替排列的阳膜与阴膜，让水通过两膜及两膜与两极之间所形成的隔室，在两端电极接通直通电源后，水中阴、阳离子分别向阳极、阴极方向迁移，由于阳膜、阴膜的选择透过性，就形成了交替排列的离子浓度减少的淡室和离子浓度增加的浓室。与此同时，在两电极上也发生着氧化还原反应，即电极反应，其结果是使阴极室因溶液呈碱性而结垢，阳极室因溶液呈酸性而腐蚀。因此，在电渗析过程中，电能的消耗主要用来克服电流通过溶液、膜时所受到的阻力及电极反应。
例如，用电渗析方法处理含镍废水，在直流电场作用下，废水中的硫酸根离子向正极迁移，由于离子交换膜具有选择透过性，淡水室的硫酸根离子透过阴膜进入浓水室，但浓水室内的硫酸根离子不能透过阳膜而留在浓水室内;镍离子向负极迁移，并通过阳膜进入浓水室，浓水室内的镍离子不能透过阴膜而留在浓水室中。这样浓水室因硫酸根离子、镍离子不断进入而使这两种离子的浓度不断增高;淡水室由于这两种离子不断向外迁移，浓度降低。离子迁移的结果是把电渗析器的两个电极之间隔室变成了溶液浓度不同的浓室和淡室。浓水系统是一个溶液浓缩系统，而淡水系统是一个净化系统。用电渗析法回收镍时，以硫酸钠溶液作为电极液，硫酸钠可减轻铅电极的腐蚀，浓水回用于镀槽，淡水用于清洗镀件。
⑵离子交换膜和电渗析装置
①离子交换膜
(是电渗析的关键部件，其性能影响电渗析器的离子迁移效率、能耗、抗污染能力和使用期限等。)
②电渗析离子交换膜的分类：
按膜结构分为：异相膜、均相膜和半均相膜。
按膜上活性基团不同分为：阳膜、阴膜和特种膜。
按膜材料不同分为：有机膜和无机膜。
③电渗析装置
电渗析器的构造包括压板、电极托板、电极、极框、阴膜、浓水隔板、淡水隔板等部件。将这些部件按一定顺序组装并压紧，组成一定形式的电渗析器。电渗析器的辅助设备还包括水泵、整流器等，组成了电渗析装置。
⑶电渗析器运行的工艺参数
①电流效率
电渗析析器运行时实际除盐量与理论除盐量之比称为电渗析器的电流效率。
②电流密度与极化现象
电渗析器工作时，单位膜面积上通过的电流称为电流密度。运行时，当电流密度达到一定值时，界面层离子的迁移速度远低于膜内离子迁移速度，迫使膜界面处水分子发生电离，依靠氢离子和氢氧根离子来传递电流，这种膜界面现象称为浓差极化，此时的电流密度称为极限电流密度。
极化包括浓差极化和电极极化。极化发生后在阳膜淡室的一侧富集着过量的氢氧根离子，阳膜浓室的一侧富集着过量的氢离子;而在阴膜淡室的一侧富集着过量的氢离子，阴膜浓室的一侧富集着过量的氢氧根离子。由于浓室中离子浓度高，则在浓室阴膜的一侧发生碳酸钙等沉淀，从而增加膜电阻，加大电能消耗，减小膜的有效面积，降低出水水质，影响正常运行。
⑷处理废水的电渗析器的特点
目前电渗析在海水或苦咸水淡化和某些工业用水的精制等应用中都已有大型装置投入生产性运行，而在废水处理中的应用还相对较少，应注意以下三点：
①在给水处理中应用的电渗析器，只回收淡水和只关注淡水水质，水的回收率一般为50%～70%;而应用电渗析处理废水时，有时淡水和浓水均可回收利用，水的回收率高，有时浓水的利用价值高于淡水。
②在给水处理中应用的电渗析器只含有阳膜和阴膜，并以膜对的形式存在，而在废水处理中，电渗透析器用膜的种类较多，有阳膜、阳膜、中性膜和复合膜等，根据处理对象组成和处理目的的不同而有不同的膜组合形式。
③在给水处理中，关注电渗析电极反应多半是为了防止电极反应的负面影响，而在废水处理中，有时是利用电极反应来达到处理废水和回收有用物质的目的。
⑸电渗析在废水处理中的应用
电镀废水中含有铜、锌、镍等重金属和氰化物，未经处理而直接排放，会污染环境，目前已经许多电镀车间应用电渗析处理电镀废水取得了较好的效果，既回收了重金属，又使水的重复利用率有较大的提高。
⑹电渗析器工艺设计
目前，电渗析器有系列产品规格，可根据淡水产量与处理要求确定合理的设计参数，选用所需电渗析器的台数以及并联或串联的组装方式。
1.9.3反渗透
⑴原理
用膜法分离溶液时，使溶剂通过膜的方法称为渗透。水通过膜由稀溶液进入浓溶液的过程称为自然渗透。在浓溶液一侧施加压力，使浓溶液中的水通过膜进入称溶液的过程称为反渗透。
目前的反渗透膜的传质机理有：溶解扩散理论、优先吸附――毛细孔流理论和氢键理论。
⑵反渗透膜及反渗透装置
①反渗透膜
?结构：是一种只允许水分子通过的半透膜，厚度一般为100～200钠米，具有不对称的断面结构，主要包括三层：表面致密层，孔径约8～10埃，厚度约为1～10微米，脱盐主要在这一层，另一面为多孔支撑层，结构疏松，孔径约1000～4000埃，两者之间为中间过渡层，孔径约200埃。
?性能：反渗透分离的关键是要求反渗透膜具有较高的透水速度和脱盐性能，则反渗透膜所应具有的性能为：单位膜面积的透水速度快，脱盐率高;机械强度好;化学稳定性好，耐酸碱、耐高温和微生物的侵蚀，耐污染;使用寿命长，性能衰降小，原料充沛，价格低，制膜工艺较简单。
?分类：
按材料分为：纤维素膜和非纤维素膜。
按结构分为：不对称膜和复合膜。
按外形分为：膜片和中空纤维。水处理中常用以下膜：
②反渗透装置：有板框式、管式、卷式、中空纤维式、盘式或碟式等。
?板框式反渗透器
优点：装置牢固，能承受高压。缺点：液流状态差，易形成浓差极化，设备费用及占地面积大。
?管式反渗透器
优点：进水流动状态好，易安装，易清洗，易拆换。缺点：单位面积内的体积很小，占地面积较大。
?卷式反渗透器
优点：单位体积内的膜装载面积大，进水流动状态好，结构紧凑。缺点：进水预处理要求严格，否则易堵塞。
?中空纤维式反渗透器：
优点：在单位体积内的膜装载面积大，无须承压材料，结构紧凑。缺点：容易堵塞，清洗困难，对进水的预处理要求最严，污染指数要求≤3。
⑶反渗透处理的工艺参数
①原液状态参数：包括总含盐量、各组分含量、pH值、温度、悬浮物、黏度和微生物量等。
②膜性能参数：包括膜的脱盐性能、机械强度、pH值稳定范围和耐热性等。
③化学工程参数：包括产水量、产水水质、操作压力、原液流速、膜清洗、膜更换和能耗等。
⑷反渗透在废水处理中的应用
目前反渗透已应用在处理电镀废水(镀镍、镀铬废水)、食品加工废水、制糖废水、水产品加工废水以及某些污水的深度处理等。
反渗透法对高价重金属离子有良好的脱除效果，可以回收废液中几乎全部的重金属，而且还可将水回收利用。
⑸反渗透法处理工艺的特点
优点：分离过程不需加热、无相变、耗能较少，设备体积少，操作简单，适用性强等。
缺点：需在高压下运行，需配备高压泵和耐高压的管路;反渗透膜分离装置对进水指标有较高的要求，易产生膜污染，需定期对膜进行清洗。
1.9.4超滤
⑴原理
超滤又称超过滤，用于截留水中胶体大小的颗粒，而水和低分子量溶质则允许透过膜。
超滤的机理是：由膜表面机械筛分、膜孔阻滞和膜表面及膜孔吸附的综合效应，以筛滤为主。
⑵超滤膜与超滤装置
①超滤膜的种类：
常用的超滤膜有：醋酸纤维素膜，聚砜膜，聚酰胺膜
②超滤装置：主要有板框式、管式、卷式和中空纤维式等，与反渗透装置类似。
?板框式超滤装置
优点：装置牢固，适合在广泛的压力范围内工作;流道间隙大小可调，原水流道不易被杂物堵塞;具有可拆性，清洗方便;通过增减膜及支撑板的数量可处理不同水量。
缺点：装置较笨重;单位体积内的有效膜面积较小;膜的强度要求较高，一般做在无纺布上，以增强膜的机械性能。
?管式超滤装置
优点：原液流道截留面积较大，不易堵塞;膜面的清洗比较容易，可化学清洗或擦洗。
缺点：单位体积内膜的充填密度较低，占地面积大;膜管的弯头及连接件多，设备安装费时。
?卷式超滤装置
优点：单位体积内的有效膜面积较大，水在膜表面流动状态比较好，结构紧凑，占地面积较小。缺点：进水预处理要求严格，对所用的膜强度要求较高，使用过程中，一旦发现膜破损须更换新的膜元件。
?中空纤维式超滤装置：
优点：单位体积内有效膜面积最大，工作效率最高，占地面积小。中空纤维无须支撑物。缺点：膜的清洗较困难，只能用水力冲洗或化学清洗，不能用机械清洗，另外，中空纤维膜损坏后要更换整个组件。
③超滤工艺参数
主要参数有膜通量、膜清洗和膜寿命。
在操作压力为0.11～0.6Mpa，温度小于60℃时，超滤膜的膜通量以1～500L/m2h为宜。影响膜通量的因素有：进水流速、操作压力、温度、进水浓度和原水预处理等。
膜必须定期清洗，以延长膜的寿命，正常使用的膜的寿命为12～18个月。
④超滤在废水处理中的应用
目前已应用在汽车制造行业喷漆废水、金属加工废水以及食品工业废水的处理及有用物质的回收。
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