1、第第5 5章章 过滤及膜技术过滤及膜技术l分类（按过滤介质）过滤：常规水处理中，过滤一般指以石英砂等粒状滤料层截 留水中悬浮杂质，从而使水获得澄清的工艺过程。格筛过滤：栅条或栅网微孔过滤：成型滤材（滤布、滤管、滤芯等）深层过滤：采用粒状滤料（石英砂、无烟煤等）膜过滤：半透膜作为过滤介质（反渗透、超滤、纳滤等）l应用：（1）吸附、离子交换、膜分离法的预处理手段；（2）生化处理后的典型深度处理，使滤后水达到回用标准。膜技术：以高分子功能膜为代表，利用特殊薄膜对液体中 的某些成分进行选择性透过的方法。l以高分功能膜为代表 1953年首次提出反渗透技术淡化海水构想；1960年加利福尼亚大学研制出第一张
2、可实用的反渗透膜，标志着膜科学技术诞生。l渗透和渗析 渗透：溶剂透过膜的过程。渗析：溶质透过膜的过程。l常规膜技术：反渗透、纳滤、超滤、微滤（、电渗析、自然渗析、液膜技术）等。l应用（1）海水和苦咸水脱盐；（2）废水回用和循环；处理市政污水用于间接饮用与直接工业回用，工业用水循环再利用，甚至饮用水直接回用，以二级市政污水生产高质量饮用水。（3）拓展：前景广阔 饮用水处理、工业废水脱色、垃圾填埋场渗滤液处 理、膜生物反应器、水的回收循环利用等。l特点（P126）（1）不发生相变，能量转化率高；（2）分离与浓缩同时进行，可回收有价值的物质；（3）根据膜特性将不同物质分开；（4）膜分离过程不会破坏对
3、热不稳定性的物质，常温下即可 分离；（5）不需投加药剂、可节省原材料和化学药品；（6）适应性强，操作及维护方便，易于实现自控。1 1 过滤过滤 一、机理一、机理（1）截留：）截留：大的颗粒难以通过滤料的小孔被直接去除，小的颗粒撞到滤料正面被截留。（2）沉降：）沉降：颗粒直接沉降到滤料上。（3）撞击：）撞击：颗粒偏离水流流线而撞击到滤料上。（4）拦截：）拦截：当颗粒随水流流线迁移时碰到滤料而被去除。（5）吸附：）吸附：颗粒受到滤料的某种物化作用，被吸附到滤料表面。（6）凝聚：）凝聚：未被截留的颗粒碰到已被截留的颗粒表面，凝聚在上面，同时被去除。二、滤池的形式及构造二、滤池的形式及构造1、普通快滤
4、池、普通快滤池1、滤池的分类、滤池的分类l按水流方向下向流上向流：P120图5-6（DYNASAND过滤器）双向流辐射流：P121图5-7l按滤料组成单层砂滤双层滤料(P121)多层滤料l从药剂投量 和加注点沉淀后过滤直接过滤微絮凝过滤(接触)凝聚过滤微絮凝过滤：滤池前设一简易微絮凝池，原水加药混合 后先经微絮凝池，形成粒径相近的微絮粒 （4060m），即刻进入滤池过滤。微絮凝：要求形成絮体尺寸较小，便于深入滤层深处以提高滤层含 污能力。絮凝：要求絮凝体尺寸愈大愈好，以便在沉淀池内下沉。接触过滤：原水经加药后直接进入滤池过滤，滤前不设 任何絮凝设备，进入滤池后滤料也是接触凝 聚介质。接触过滤工
5、艺流程图l按阀门配置四阀滤池双阀滤池无阀滤池l按冲洗方式小阻力中阻力大阻力l按运行方式间歇过滤滤池移动冲洗罩滤池连续过滤滤池l按滤速慢速滤池(V=0.040.4m/h)快速滤池(V=410m/h)高速滤池(V=1060m/h)三、双层滤料过滤三、双层滤料过滤 滤层含污量：单位体积滤料中的平均含污量（滤层含污能力）反冲洗前后实践证明：双层滤料含污能力较单层滤料含污能力高1倍以上。2 2 反渗透（反渗透（RO）一、膜分离法概述一、膜分离法概述1kg/cm2=98.067KPa=0.98bar；1bar=0.1MPa=1.02kg/cm2v评价膜性能主要考虑的几个因素（1）截留分子量和截留率（2）水
6、通量：单位时间内通过单位面积上的流量（m3/(m2s)）截留率一定时水通量越大越好。（3）平均孔径和孔径分布（4）膜表面的物理化学性能（5）其他（耐热性、耐酸性、强度、寿命等）v膜分离过程多数膜有三股液流：进水、浓水、渗透液（P127图5-10）死端过滤（静态死端式、全流过滤）：进料液体垂直流过 膜，无截留液；交叉流过滤：进水流向与膜面平行（水力冲刷，沉积微粒返 回流体主体，有效减轻膜面有机物积累），在高 通量下运行更持久。%100QQmf回收率：截留率：%100CCCRf二、反渗透机理1、渗透现象与渗透压恰能阻止渗透现象继续发生而达到动态平衡时的压力恰能阻止渗透现象继续发生而达到动态平衡时的
7、压力称为称为渗透压力，渗透压力，用符号用符号表示，单位表示，单位KPa或或Pa。（1）定义）定义渗透（2）渗透压力与浓度、温度的关系）渗透压力与浓度、温度的关系 溶液的渗透压与温度、浓度的关系：溶液的渗透压与温度、浓度的关系：范特荷甫公式：范特荷甫公式：cRT 式中式中 溶液的渗透压溶液的渗透压kPa c溶液浓度溶液浓度mol/L T绝对温度绝对温度K(273.15t0C)R气体常数气体常数 8.31kPaLmol-1K-1a.在一定温度下，溶液的渗透压与它的浓度在一定温度下，溶液的渗透压与它的浓度 成正比。成正比。Cb.在一定浓度下，溶液的渗透压与绝对温度在一定浓度下，溶液的渗透压与绝对温度
8、 成正比。成正比。T由上式可知：由上式可知：稀溶液的渗透压与溶液的物质的量浓度及绝对温度稀溶液的渗透压与溶液的物质的量浓度及绝对温度成正比，而与溶质及溶剂的种类无关。成正比，而与溶质及溶剂的种类无关。cRT的意义的意义在一定温度下，溶液的渗透压与溶液的浓度成正比在一定温度下，溶液的渗透压与溶液的浓度成正比即即 与溶液中溶质的数目成正比，而与溶质的本性无关与溶液中溶质的数目成正比，而与溶质的本性无关不论溶质微粒是小分子或大分子，只要溶液中溶质粒子的数目不论溶质微粒是小分子或大分子，只要溶液中溶质粒子的数目相等，则渗透压就相同相等，则渗透压就相同cRT适用范围适用范围 cRT只适用于非电解质稀溶液
9、只适用于非电解质稀溶液 如：如：0.3mol/L葡萄糖溶液与葡萄糖溶液与0.3mol/L蔗糖蔗糖 溶液，其溶液，其相同；相同；当两种非电解质溶液的当两种非电解质溶液的c不同时，不同时，c大，它的大，它的就大就大 由于电解质分子在溶液中发生电离产生离子，使溶液中由于电解质分子在溶液中发生电离产生离子，使溶液中粒子的数目成倍增加，用粒子的数目成倍增加，用cRT计算电解质溶液的渗透压计算电解质溶液的渗透压将会产生较大的误差。将会产生较大的误差。为了消除误差，引入一个校正系数为了消除误差，引入一个校正系数i 渗透压公式改写为渗透压公式改写为 icRT计算电解质溶液的渗透压计算电解质溶液的渗透压 式中式
10、中i校正因子，指溶质的一个分子在溶液中能产校正因子，指溶质的一个分子在溶液中能产生的粒子数。生的粒子数。例如：例如：0.3mol/LNaCl 1(i=2)0.3mol/LC6H12O6 2(i=1)则则 12 2 例：例：1L溶液中含溶液中含5.0g马的血红素，在马的血红素，在298K时测得溶液的时测得溶液的 渗透压为渗透压为1.8 102Pa，求马血红素的相对分子量，求马血红素的相对分子量。解：解：RTMmnRTV)mol(g1099.611080.129810314.80.51-423VmRTM定义：在咸水一侧施加压力P大于溶液渗透压，则渗透反向。2、反渗透单位体积海水理论耗能量（P128
11、）：)/(7.03limmhkwVARTSW36106.31mPahkwMPammPamhkwW52.2/106.37.0)/(7.03363lim 海水淡化过程，盐度不断提高，渗透压随之升高，实际所耗能量比理论值大得多。反渗透分离物质反渗透在纯净水制备中的作用3、反渗透机理一级反渗透二级反渗透三、工艺1、膜及膜组件醋酸纤维素（CA）膜芳香族聚酰胺膜膜 平板膜：板框式、卷式 管式膜：管式、中空纤维膜膜组件（1）板框式：书P129图5-13（a），由一定数量的多孔隔板组合，每块隔板两面装有反渗透膜；（2）卷式：板框式卷绕；（3）管式：内压式、外压式（4）中空纤维膜组件：外径50-100m，壁厚1
12、2-25 m板框式膜组件卷式膜组件管式膜组件中空纤维膜组件2、预处理（1）pH值调整（5.5-6.2，弱酸，防沉淀堵塞）；（2）去悬浮固体及胶体（混凝、精密过滤）；（3）去除可溶性有机物及残留胶体、悬浮性有机物（化学氧化，氯或次氯酸盐）（4）水的回收率控制：越高则有机物越浓缩（多级串联）（5）细菌、藻类、微生物的去除；（6）超滤去除油、胶体、微生物等。SDI：污染指数（淤泥密度指数,FI）,表征水中颗粒、胶体和其他能阻塞各种水纯化设备的物质含量，是测定反渗透系统进水的重要指标之一。SDI的测量是通过47mm直径，0.45m孔径的膜的流速的衰减，转换为1-100,反渗透进水应不高于5。3、工艺
13、P132图5-7：单程式、循环式、多段式4、膜清洗 物理法：水力清洗、水气混合冲洗、逆流清洗 化学法：根据污染物性质选择清洗药剂（与污染物反应；溶解污染物）P133表5-6、5-7，清洗配方的配制及选用。四、计算：略五、反渗透的应用 海水淡化：34300mg/L（3.5%），5-7MPa 苦咸水淡化（1000-5000mg/L），2-3MPa 城市污水深度处理（二级处理水）电镀废水 反渗透技术还应用于水果和蔬菜汁的浓缩等过程。3 3 纳滤（纳滤（NF）p分离压力：分离压力：0.5-2.0MPa(反渗透反渗透2-7MPa)；p膜孔径：膜孔径：3-60nm(纳米级纳米级)；p截留分子量：截留分子量
14、：100-1000（200-500），可截留一部分无机盐；），可截留一部分无机盐；p对单价离子和分子量小于对单价离子和分子量小于300的小分子截留率较低；的小分子截留率较低；p对二价离子和分子量大于对二价离子和分子量大于300的有机小分子截留率较高；的有机小分子截留率较高；p应 用 广 泛：在 饮 用 水 领 域 用 于 脱 除 三 卤 甲 烷 中 间 体应 用 广 泛：在 饮 用 水 领 域 用 于 脱 除 三 卤 甲 烷 中 间 体（THMFP）、异味、色度、农药、合成洗涤剂、可溶性有机）、异味、色度、农药、合成洗涤剂、可溶性有机物、物、Ca、Mg、铊等硬度。、铊等硬度。一、分离机理一、分
15、离机理传统理论：纳滤膜传质机理与反渗透膜相似，通过溶解扩传统理论：纳滤膜传质机理与反渗透膜相似，通过溶解扩散传递（纳滤有时亦称散传递（纳滤有时亦称“低压反渗透低压反渗透”、混合过滤、杂化、混合过滤、杂化过滤）；纳滤膜：疏松的反渗透膜。过滤）；纳滤膜：疏松的反渗透膜。后研究发现不能很好解释纳滤膜特征。后研究发现不能很好解释纳滤膜特征。立体阻碍-细孔模型电荷模型空间电荷模型固定电荷模型二、纳滤的分离特性纳滤的分离特性材料：醋酸纤维素（CA）、醋酸纤维素-三醋酸纤维素、磺化聚砜等，一 般为复合型膜(即膜的表面分离层和它的支撑层的化学组成不同)膜组件：板框式、卷式、管式、中空纤维式1、分离规律（1）阴
16、离子 截留率从小到大：NO3-F-Cl-HCO3-SO32-SO42-CO32-（2）阳离子 截留率从小到大：H+Na+K+Ca 2+Mg 2+Cu2+（3）有机物：疏水性有机物截留效果好；亲水性有机物截留率较低（4）截留分子量：100-1000。2、工作压力：0.5-2MPa规律：操作压力越高，料液通过膜的通量越大；高压下导致膜的致密 化会使通量降低。操作方式：恒定压力操作法；恒定通量操作法。（1）恒定压力：保持操作压力一定，随膜污染通量逐渐下降 （2）恒定通量：保持通量一定，随膜污染不断升高压力3、操作温度温度上升，溶质和溶剂扩散系数变大，粘度下降，膜通量提高；温度过高，膜致密化，破坏膜的
17、化学结构，改变膜性能。4、流速高流速可减少浓差极化或沉积层，提高渗透通量；流速的选择主要考虑物质对剪切力的敏感、能耗等因素。5、应用染料废水处理及染料回收；中药提取液回收；处理含铬废水4 4 超滤超滤 （UF）p分离压力：分离压力：0.1-0.6MPa(纳滤纳滤1-2MPa反渗透反渗透2-7MPa)；p膜孔径：膜孔径：60-1000nm(纳滤纳滤3-60nm)；p截留分子量：截留分子量：1000-30000纳滤纳滤100-1000（200-500），可截），可截留一部分无机盐留一部分无机盐；p去除对象去除对象:高分子化合物、蛋白质、大多数细菌、病毒等。高分子化合物、蛋白质、大多数细菌、病毒等。
18、一、超滤原理超滤膜：醋酸纤维素膜、聚砜膜，等。膜组件：同反渗透、纳滤，板式、管式、卷式、中空纤维。常见的间歇式流程见图。图中(a)为间歇操作开式回路流程,将一批料液加入贮槽,用泵加压后送往膜组件,使之连续排出透过液,浓缩液则返回槽中与贮槽中原料液混合后送往膜组件。如此循环操作,直到浓缩液浓度达到预定值为止。这种流程操作简单,浓缩速度快,所需膜面积小,但全循环时泵的能耗高。为了降低能耗,可采用部分循环操作,如图(b)所示为间歇操作闭式回路流程。间歇操作通常在实验室中和小型中试厂使用。1、间歇式二、超滤的操作方式2、连续式 连续式超滤过程是指料液连续不断加人贮槽和产品的不断产出。可分为单级和多级。
19、单级连续式操作过程的效率较低,一般采用多级连续式操作。特点：每一级都在一个固定的浓度下操作,最后一级的浓度是最大的,即为浓缩产品；只有最后一级在高浓度下操作,渗透通量低,其他级操作浓度均较低,渗透通量相应也较大,因此级效率高。应用：大规模生产,特别适用于食品工业领域。3、重过滤操作 应用于大分子和小分子的分离，流程见P143图5-26。原理：料液中含有各种大小分子溶质，若不断加入纯溶剂（水）以补充滤出液体积，低分子组分被逐渐清洗出去，实现大小分子的分离。1、料液流速 V，减少浓差极化；能耗。2、操作压力 在压差较小的范围内,渗透通量随压差增长较快;当压差较大时,随压差的增加渗透通量增长逐渐减慢
20、,且当膜表面形成凝胶层时,渗透量趋于定值不再随压差而变化,此时的渗透通量称为临界渗透通量。实际超滤操作压力应接近临界渗透通量时的压差,若压差过高不仅无益而且有害。三、影响因素3、温度 温度，提高通透量；温度，某些组分溶解度，膜污染（乳清中的钙盐）；大多数超滤应用的温度范围为3060；牛奶、大豆体系的料液,最高超滤温度不超过5560。4、运行周期 周期性操作：超滤凝胶层通量下降清洗5、进料浓度 最高允许浓度：P144表5-12。6、料液的预处理 沉淀、混凝、过滤、吸附等。7、膜清洗 先水力清洗，再采用化学洗涤剂清洗。（P144表5-13：各种清洗方法）定义：在超滤分离过程中,膜截留下来的溶质粒子
21、在膜前积累,使膜表面溶质浓度逐渐高于原料液主体溶质浓度,在此浓度差为推动力的作用下,溶质便从膜表面向料液主体扩散,形成具有浓度梯度的边界层,这就是超滤过程的浓差极化。四、浓差极化问题：由于浓差极化,膜表面处溶质浓度高,会导致溶质截留率的下降和渗透通量的下降。当膜表面处溶质浓度达到饱和时,在膜表面形成凝胶层,使溶质截留率增大,但渗透率显著减小。计算：略。五、应用 饮用水处理、纯水制备、生活污水处理、电泳涂漆废水处理、乳化油废水处理，等。矿泉水的制造矿泉水的制造矿泉水的水源必须是地下水,而这种水在地下流动时会溶入某些无机盐。采用超滤和微滤组合工艺可制造合乎饮用水标准的矿泉水。5 5 微滤微滤（MF
22、）p分离压力：分离压力：0.1-0.2MPa（超滤：（超滤：0.1-0.6MPa、纳滤、纳滤1-2MPa、反渗透反渗透2-7MPa）；）；p膜孔径：膜孔径：250-90000nm(超滤超滤60-1000nm、纳滤、纳滤3-60nm)；p截留分子量：截留分子量：0.025-10m(粒径粒径)纳滤纳滤100-1000（200-500），），可截留一部分无机盐可截留一部分无机盐；p去除对象去除对象:固体悬浮物、浊度、原生动物、细菌、病毒等（超固体悬浮物、浊度、原生动物、细菌、病毒等（超滤：高分子化合物、蛋白质、大多数细菌、病毒等）。滤：高分子化合物、蛋白质、大多数细菌、病毒等）。p工艺：与超滤大同小异，略。工艺：与超滤大同小异，略。微滤与超滤的比较1、滤膜 超滤：非对称膜，活性分离层有无数不规则小孔，大小不一，难以确 定孔径，常用截留分子量表述（能截留90%的物质的分子量）微滤：多孔膜，孔径较大、均匀，可测，可直接用测得的孔径来表示 膜孔大小。2、操作压力 超滤：0.1-0.6MPa（一般0.4-0.6MPa）微滤：0.1-0.2MPa微滤与超滤的比较3、过滤操作 超滤：错流，料液与膜面平行流动，流速影响边界层厚度；微滤：并流过滤（死端过滤），应用于小水量、固体含量低时 错流过滤：应用较多4、浓差极化 超滤、微滤均较严重（与反渗透相比，膜通量高，浓差极化明显，形成凝胶层）
