膜技術(shù)的概述

　　 一、定義
    在某種推動(dòng)力的作用下，利用某種隔膜特定的透過性能，使溶質(zhì)或溶劑分離的方法稱為膜分離。
    分離溶質(zhì)時(shí)一般叫滲析；分離溶劑時(shí)一般叫滲透。
    二、分類與特點(diǎn)
    根據(jù)推動(dòng)力的不同，膜分離有下列幾種：
    濃度差：擴(kuò)散滲析
    電位差：電滲析
    壓力差：反滲透(RO, reverse osmosis)：MW<100, 0.2-0.3nm, 2 – 3 A0
    納濾(NF, nanofiltration)：MW: 100-1000, 0.5-5 nm
    超濾(UF, ultrafiltration)：MW: 1000—百萬, 5 nm-0.2mm
    微濾(MF, microfiltration)：0.2-1 mm
    (1A0=10-8 cm, 1m =10-4cm, 1nm=10-7cm)
    膜分離的特點(diǎn)：
    可在一般溫度下操作，沒有相變；
    濃縮分離同時(shí)進(jìn)行；
    不需投加其他物質(zhì)，不改變分離物質(zhì)的性質(zhì)；
    適應(yīng)性強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定。
    電滲析
   
    一、 原理
    在直流電場作用下，利用陰、陽離子交換膜對(duì)溶液中的陰、陽離子的選擇透過性，分離溶質(zhì)和水。
    陰膜只讓陰離子通過；陽膜只讓陽離子通過。
    陰極：
    還原反應(yīng)：2H＋ ＋2e → H2↑
    陰極室溶液呈堿性，結(jié)垢
    陽極：
    氧化反應(yīng)：4OH－ → O2↑＋2H2O ＋4e
    或 2Cl-→Cl2↑+2e
    陽極室溶液呈酸性，腐蝕
    特點(diǎn)：只能將電解質(zhì)從溶液中分離出去。不能去除有機(jī)物等。
    二、離子交換膜
    離子交換樹脂：樹脂與離子之間發(fā)生交換反應(yīng)
    離子交換膜：對(duì)溶液中的離子具有選擇透過的特性
    ★按其結(jié)構(gòu)分為：異相膜、均相膜。
    異相膜：離子交換樹脂磨成粉末，加入粘合劑，滾壓在纖維網(wǎng)上。
    均相膜：離子及交換樹脂的母體材料制成連續(xù)的膜狀物，作為底膜，然后在上面嵌接上活性基團(tuán)。
    ★按離子選擇性分：
    陽離子交換膜（一般為聚苯乙烯磺酸型）：R－SO3H，在水中電離后，呈負(fù)電性
    陰離子交換膜（聚苯乙烯季胺型）：R－CH2 N（CH3）3OH，電離后，呈正電性
    ★離子交換膜選擇透過性主要是由于：
    1）膜的孔隙結(jié)構(gòu)；2）活性交換基團(tuán)的作用。
    離子交換膜是電滲析的關(guān)鍵部分，良好的電滲析應(yīng)：1）高的離子選擇性；2）滲水性差；3）導(dǎo)電性好；4〕化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度
    三、關(guān)鍵設(shè)備
    如圖
    電滲析可分為三部分：極區(qū)、膜堆和緊固部分
    極區(qū)：常用的電極有不銹鋼、石墨等
    膜對(duì)：一對(duì)陰、陽膜和一對(duì)濃、淡水隔板交替排列，組成的最基本脫鹽單元
    膜堆：若干膜對(duì)的集合體
    一級(jí)：一對(duì)正、負(fù)極之間的膜堆
    一段：具有同一水流方向的并聯(lián)膜堆
    增加段數(shù)：加長水的流程長度，增加脫鹽效率。
    增加膜對(duì)數(shù)：提高水處理量
    增加級(jí)數(shù)：降低兩個(gè)電極之間的電壓
    四、電流效率與極限電流密度
    1．電流效率
    η＝實(shí)際去除的鹽量m1/理論去除量m2 ´100%
    m1＝q(C1-C2) t MB /1000
    q：一個(gè)淡室的出水量, L/s
    C1，C2：進(jìn)出水含鹽量, mmol/L
    t：通電時(shí)間, s
    MB：物質(zhì)的摩爾質(zhì)量
    依據(jù)法拉第定律：m2=I t MB/F
    F：法拉第常數(shù) I：電流強(qiáng)度，A
    2．極限電流密度
    如果電流密度過大――發(fā)生濃差極化現(xiàn)象
    電流傳導(dǎo)靠Na＋ 和Cl－
    電流總量＝Cl－電量＋Na+電量
    Cl－電遷移數(shù)（總電量中所占比例）＝0.5
    Na+電遷移數(shù)（總電量中所占比例）＝0.5
    但在陰膜中，由于鈉離子不能通過，氯離子的遷移數(shù)為1，為此補(bǔ)充此差需要?jiǎng)佑眠吔鐚又械穆入x子，致使邊界層與主流層之間存在濃度差。
    當(dāng)電流密度i過大時(shí)，C’趨于0，水分子開始電離，參加遷移，此時(shí)發(fā)生濃差極化現(xiàn)象
    ―――――極限電流密度
    極限電流密度的確定：電壓-電流法
    極化與結(jié)垢：
    極化現(xiàn)象主要發(fā)生在陽膜的淡室一側(cè)，沉淀主要發(fā)生在陰膜濃室一側(cè)。
    防止措施：1）極限電流法，在極限電流的70－90％下運(yùn)行；2）倒換電極；3）定期酸洗
    五、應(yīng)用
    1） 海水或苦咸水（小于10克/L）淡化；
    2）自來水脫鹽制取初級(jí)純水；
    3）電滲析與離子交換組合制取高純水；
    4）廢液的處理回收（可以與電極反應(yīng)聯(lián)合進(jìn)行）
    如酸洗廢水回收硫酸和鐵，芒硝回收硫酸和堿
   
    擴(kuò)散滲析技術(shù)
    高濃度溶液中的溶質(zhì)透過隔膜向低濃度溶液中遷移的過程，濃度差為推動(dòng)力。
    采用離子交換膜：陰膜。主要用于回收酸，堿。但不能將它們濃縮。其特點(diǎn)是不消耗能量。
   
    回收硫酸時(shí)，只有原廢水硫酸濃度大于10％時(shí)，才有實(shí)用價(jià)值。
   
    反滲透技術(shù)
    一、滲透壓和反滲透原理
    滲透壓：
    當(dāng)用一張半透膜將純水和鹽水分開，純水會(huì)透過半透膜向鹽水?dāng)U散，使鹽水側(cè)溶液水面升高，直到動(dòng)態(tài)平衡。滲透的推動(dòng)力就是滲透壓，這是正滲透。
    任何溶液都存在滲透壓 π，只是一般沒表現(xiàn)出來。
    π= i R T C
    i：范特霍爾系數(shù)
    C：溶液的濃度
    當(dāng)在鹽水側(cè)施加壓力P>π，反滲透。一般壓力在幾十公斤。
    二、反滲透膜
    ★性能指標(biāo)
    脫鹽率＝（C0－C）/C0×100％，一般高達(dá)90％以上。
    透水率（L/m2.d）
    ★膜種類：
    1）醋酸纖維素膜（CA）
    2）芳香族聚酰胺膜
    ★結(jié)構(gòu)：
    表皮層、過渡層、多孔支撐層
    ★反滲透機(jī)理：
    尚不十分清楚。
    選擇性吸附－毛細(xì)管流機(jī)理：由于膜表面的親水性，優(yōu)先吸附水分子而排斥鹽分子，因此在膜表皮層形成兩個(gè)水分子（1nm）的純水層，施加壓力，純水層的分子不斷通過毛細(xì)管流過反滲透膜?？刂票砥拥目讖椒浅Ｖ匾绊懨擕}效果和透水性，一般為純水層厚度的一倍時(shí)，稱為膜的臨界孔徑，可達(dá)到理想的脫鹽和透水效果。
    ★膜組件：
    板框式、管式（有內(nèi)壓和外壓兩種）、卷式：膜表面積大、透水量大、紊流效果好、中空纖維
    三、應(yīng)用
    1）苦咸水、海水淡化
    2）與離子交換聯(lián)用，制取超純水
    3）處理重金屬廢水，回收重金屬：如處理鍍鎳廢水，鎳回收率可達(dá)99％。
    4）廢水脫鹽深度處理
    美國加州21世紀(jì)水處理回用廠，就是將二級(jí)生物處理出水，經(jīng)一定的預(yù)處理后經(jīng)反滲透處理后回灌地下水。
   
    超濾技術(shù)
    一、原理
    與反滲透一樣是在壓力差下工作，但由于膜孔較大，無滲透壓，可在較低壓力下工作。一般幾公斤。
    分離機(jī)理：小孔篩分作用。一般以截留分子量來表示孔徑特征，此外也與物質(zhì)形狀和性質(zhì)有關(guān)。
    分離范圍：截留分子量1000－1000000的物質(zhì)，如細(xì)菌、蛋白質(zhì)、顏料、油類等
   
    膜組件形式與反滲透類似。但既有有機(jī)膜，也有無機(jī)膜。
   
    二、 超濾過程中的濃差極化
    dm
    Cb
    Cm
    在膜分離過程中，大分子溶質(zhì)被膜所截留并不斷累積在膜表面上，使溶質(zhì)在膜面處的濃度Cm高于主體溶液中的濃度Cb，從而形成濃度差Cm-Cb，并促使溶質(zhì)的反向擴(kuò)散。這種現(xiàn)象稱為濃差極化。
   
   
    Jw：水通量 K：傳質(zhì)系數(shù) ＝D/dm
   
    當(dāng)Cm增加到Cg時(shí)，膜面大分子物質(zhì)生成凝膠層。一旦凝膠層形成，透水量并不因壓力的增加而增加。
    Rm:膜阻力； Rg：凝膠層阻力
   
    減緩濃差極化現(xiàn)象的措施：（1）提高料液流速，增加膜面的紊動(dòng)程度；（2）對(duì)膜面不斷清洗；（3）控制料液濃度
    三、應(yīng)用
    1．給水
    1）去除細(xì)菌、膠體等物質(zhì)。家庭用膜式凈水器
    2）與反滲透聯(lián)合制備純水
    2．廢水
    1）回收分離有用物：涂料、羊毛脂、染料、紙漿等
    2）廢水深度處理
    3）膜－生物反應(yīng)器