第17章膜分离优秀课件.ppt

1、第17章膜分离 第二节第二节 电渗析电渗析 1.1.原理原理 C C阳膜阳膜 A A阴膜阴膜 阳极：阳极：ClCl-Cl Cl2 2+2e +2e 阴极阴极 ：2H2H+2e H+2e H2 2 （氧化反应）：（氧化反应）：H H2 2O HO H+OH +OH-（还原反应）：（还原反应）：4OH4OH-O O2 2+2H+2H2 2O+4eO+4e呈酸性极室呈碱性极室浓水淡水AAAAccccO2Cl2正极负极2图141 电渗析原理图图15-1电渗析工作原理图 2.2.工作过程工作过程 离子交换膜离子交换膜 离子交换膜的分类离子交换膜的分类 离子交换膜性能离子交换膜性能 离子交换膜选择透过性机

2、理离子交换膜选择透过性机理%100t1ttP 过率阳膜对阳离子的选择透t1ttP过率阴膜对阴离子的选择透阴）总电量（阳阳迁移离子迁移数 1.1.双电层理论双电层理论 Donnan膜平衡理论是解释离子交换树脂与电解质溶液间的平衡问题的。对离子交换膜来说。它只是离子交换树脂的一种特殊应用。当离子交换膜浸入电解质溶液时，电解质溶液中的离子和膜内的离子会发生交换作用，最终达到动态平衡。1.1.构造构造 膜堆：一对阴阳膜和一对浓淡水隔板交替排列，组成最基本的脱盐单元，称为膜对。一对电极之间若干膜对组成膜堆。极区：电极、极框、电极托板、橡胶垫板。紧固装置：压杆、螺杆紧固。配套设备：整流器、水泵、转子流量计

3、等。(1)(1)离子交换膜离子交换膜 有关膜的内容前面已有介绍，这里只强调组装前对膜的处理。首先将膜放在操作溶液中浸泡2448小时，使之与膜外溶液平衡，然后剪裁打孔。膜的尺寸大小比隔板周边小1 mm，应比隔板水孔大1 mm。电渗析停运时，应在电渗析器中充满溶液，以防膜发霉变质，或膜因干燥收缩变形甚至破裂。电能消耗分析电能消耗分析电流密度控制电流密度控制 1.1.浓差极化浓差极化 2.2.极限电流密度极限电流密度流速与压力确定流速与压力确定 电能消耗分析电能消耗分析dQVIW310(kWh/m3)(9-3)smjmdIRIRIREEV cDFitFitlimlimttFDcilim (96)cv

4、KilimdvK(9-7)KttFDdK 电渗析器都有自身的额定流量，流量过大进水压力过高，设备容易产生漏水和变形。流量过小时，达不到正常流速，水流不均匀，容易极化结垢，都会影响电渗析器的正常运行。目前一般水流速度控制在525 cm/s，进水压力一般不超过O.3 MPa。return(1)电流效率 通过一张隔板的电流，就是隔板上平均电流密度与隔板有效面积的乘积，将通过一张隔板的电流除以法拉第常数F就得到水流经过一张隔板时每秒的理论脱盐量。%100理论脱盐量实际脱盐量电流效率AiQFcciLdFvccFLBiQcciii000iccQFAi0iccFvdLi001000limlg3.2lg3.2

5、ccKdFvccccKvccFvdLimiimi 25/10cmkgaLvpb (5)(5)进口与出口的含盐量进口与出口的含盐量(6)(6)电流、电压及电耗电流、电压及电耗 电渗析工作电流为有效膜面积与平均电流密度的乘积，即 (920)AiI 电渗析法用于废水处理的典型实例有：电渗析法用于废水处理的典型实例有：(1)(1)处理碱法造纸废液，从浓液中回收碱，从淡液中回收木处理碱法造纸废液，从浓液中回收碱，从淡液中回收木 质素；质素；(2)(2)从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化钠；从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化钠；(3)(3)从酸洗废液中制取硫酸和沉积重金属离子；从酸洗废液中制取硫酸和沉积重金属离子；(

6、4)(4)从放射性废水中分离放射性元素，然后将其浓缩液掩埋；从放射性废水中分离放射性元素，然后将其浓缩液掩埋；(5)(5)处理电镀废水和废液，含处理电镀废水和废液，含CuCu2+2+、NiNi2+2+、ZnZn2+2+、CrCr6+6+等金属离等金属离子的废水都适宜用电渗析处理，其中含铁废水处理技术最子的废水都适宜用电渗析处理，其中含铁废水处理技术最为成熟，回收的为成熟，回收的NiSO4NiSO4浓液可返回电镀槽。设备投资可在浓液可返回电镀槽。设备投资可在2 2年内收回。年内收回。反渗透原理反渗透原理 反渗透膜及其传质机理反渗透膜及其传质机理 反渗透装置反渗透装置 反渗透工艺流程及操作控制反渗

7、透工艺流程及操作控制 反渗透法在废水处理中的应用举例反渗透法在废水处理中的应用举例反渗透原理反渗透原理 反渗透膜反渗透膜是一类具有不带电荷的亲水性基团的膜，是实现反渗透分离的关键，其种类很多。目前研究得比较多和应用比较广的是醋酸纤维素膜(简称CA膜)和芳香族聚酰胺膜两种。1 1醋酸纤维素膜的结构及性能醋酸纤维素膜的结构及性能 (1)(1)膜的方向性膜的方向性 由于CA膜是种不对称膜，因此，在进行反渗透时，必须保持表皮层与待处理的溶液或废水接触，而决不能倒置，否则达不到处理的目的。(2)(2)选择透过性选择透过性 CA膜对无机电解质和有机构具有选择透过性。(3)(3)压密效率压密效率 CA膜在压

8、力作用下，外观厚度一般减少1/41/2，同时，透水性反对溶质的脱除率也相应降低，这种现象称为膜的压密效应。(4)(4)膜的水解作用和生物分解作用膜的水解作用和生物分解作用 CA膜是一种酯，易于水解，水解速率与PH值、水温有关。(1)这是最早提出的反渗透膜透过理论。该理论认为，水透过膜是由于水分子和膜的活化点(或极性基团，如CA膜的羟基和酰基)形成氢键及断开氢键之故。即在高压作用下，溶液中水分子和膜表皮层活化点缔合，原活化点上的结合水解离出来，解离出来的水分子继续和下一个活化点缔合，又解离出下一个结合水。这样，水分子通过一连串的缔合-解离过程(即氢键形成-断开过程)，依次从一个活化点转移到下一个

9、活化点，直至离开表皮层，进入多孔层。由于膜的多孔层含大量的毛细管水，水分子便能畅通流出膜外。由上可知，溶质能否透过膜与表皮层厚度关系不大。换言之，只要表皮层仅含一级结合水，而又无缺陷和破洞，不管其厚薄如何，溶质均不能透过。根据氢键理论，只有适当极性的高聚物才能作为反渗透膜材料，许多实验也说明了这一结论。图14-5 毛细管流机理2nm时，临界孔径2t亲水性tt 毛细管流理论优先吸附-毛细管流理论把反渗透膜看作一种微细多孔结构物质，它有选择吸附水分子而排斥溶质分子的化学特性。当水溶液同膜接触时，膜表面优先吸附水分子，在界面上形成一层不含溶质的纯水分于层，其厚度视界面性质而异，或为单分子层或为多分子

10、层。在外压作用下，界面水层在膜孔内产生毛细管流，连续地透过膜，溶质则被膜截留下来。毛细管流机理中空纤维式卷式外压管式内压管式管式板框式装置2.2.管式装置管式装置3 3螺旋卷式装置螺旋卷式装置 中空纤维膜是一种细如头发的空心管，由制膜液空心纺丝而成。纤维外经为50100m，内径为2542m。将数十万根中空纤维膜捆成膜束，弯成U字形装入耐压圆筒容器中，并将纤维膜开口端固定在环氧树脂管板上，即可组成反渗透器。如图9-12所示。ppccffcQcQcQcfccffmQQcQcQcmmpRcc1 按上面的公式用试算法可以简便地求出净化水质。由于cp很小，故先假定cp0，则有 式中Y为水的回收率，YQp

11、Qf。由此得 在已知Q、cf、Rm及取定Y值的条件下，将按公式(938)算得的cp初步值代入公式(9-33)至公式(9-35)，求得cp的新值。重复计算几次就可获得较精确的cp值。ccffcQcQYcQQcQQcQcffcfcfffm22/122mfPRYcc122 pKFWscccPFPfyy3 3浓差极化浓差极化 在反渗透过程中，由于水不断地透过膜，引起膜表面附近的溶液浓度升高，从而在膜的高压一侧溶液中，从膜表面到主体溶液之间形成一个浓度梯度，引起溶质从浓的部分向淡的部分扩散，这一现象即为浓差极化。膜模型分析浓差极化现象，参见图9-14。根据膜模型。当主体溶液处于湍流状态时，在膜和溶液界面

12、处有一滞流层，在该层中，质量传递仅由分子扩散实现。湍流主体可以认为其浓度均匀一致，浓度梯度只存在于滞流层中。又假设滞流层中溶质沿水流方向无扩散，溶质只在垂直于膜面的方向上传递。在稳态时，溶质传递的微分方程如下：(9-41)式中cW近似为浓水相中水的浓度，认为滞流层溶质扩散系数。式(9-41)中右面第一项代表浓水主体向膜输送的溶质通量，第二项代表浓差极化向浓水输回的溶质通量。若将方程中质量通量用透过膜的水的体积通量Jv(cm3/cm2s)表示，上式变为 (9-42)dcdyDccFFsWsydydcDcJcJsVPV/lnsVptpMDJcccckJRRkJccVVfMexp1exp4.4.膜的

13、污染与清洗膜的污染与清洗 化学法海绵球清洗逆流清洗水气混合清洗水力清洗物理法清洗工艺 超滤与反渗透一样也依靠压力推动力和半透膜实现分离。超滤过程在本质上是一种筛滤过程，膜表面的孔隙大小是主要的控制因素，溶质能否被膜孔截留取决于溶质粒子的大小、形状、柔韧性以及操作条件等，而与膜的化学性质关系不大。微孔模型将膜孔隙当作垂直于膜表面的圆柱体来处理，水在孔隙中的流动可看作层流，其通量与压力差P成正比并与膜的阻力m成反比，即 (945)mimsPaPF228 式中a为小孔的半径;为小孔的弯曲系数；为水的粘度；为膜的孔隙率，由膜的含水量算得；i为水的密度；m为膜厚。当考虑了包括位阻和分子与孔壁之间摩擦等影响在内的各项因素以后，溶质通过膜的通量可用下述公式表达：(946)5342295.0209.22104.2121212adadadadadcFFfsy式中d为溶质分子直径。上式右面第一个括号项代表溶质分子进入小孔的概率；第二个括号项代表孔壁拖曳力对溶质流动的阻滞作用。