2014年環(huán)保工程師考試《專業(yè)知識》精講講義:膜分離

　　膜分離

　　大綱要求：熟悉膜分離的技術(shù)和方法，了解膜及膜組件的分類和性能

　　膜分離法的原理及分類

　?、拍ぃ耗軌虬蚜黧w相分隔為互不相通的兩部分，這兩部分之間能存在“傳質(zhì)”的薄的物質(zhì)。

　?、颇さ奶卣鳎阂皇菬o論厚度多少都必須有兩個(gè)界面，兩個(gè)界面分別與兩側(cè)流體相接觸，二是要具有選擇透過性，可允許一側(cè)流體中一種或幾種物質(zhì)通過，而不允許其他物質(zhì)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(shí)，使溶質(zhì)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(diǎn)：

　?、筛鶕?jù)溶質(zhì)或溶劑透過膜的推動(dòng)力和膜種類不同，水處理中膜分離法通?？梢苑譃椋弘姖B析、反滲透、超濾、微濾。

　　電滲析

　?、旁恚?/P>

　　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(dá)到水中的離子與水分離的一種物理化學(xué)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(shí)，在兩電極上也發(fā)生著氧化還原反應(yīng)，即電極反應(yīng)，其結(jié)果是使陰極室因溶液呈堿性而結(jié)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(shí)所受到的阻力及電極反應(yīng)。

　　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(jìn)入濃水室，但濃水室內(nèi)的硫酸根離子不能透過陽膜而留在濃水室內(nèi);鎳離子向負(fù)極遷移，并通過陽膜進(jìn)入濃水室，濃水室內(nèi)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(jìn)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(jié)果是把電滲析器的兩個(gè)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(tǒng)是一個(gè)溶液濃縮系統(tǒng)，而淡水系統(tǒng)是一個(gè)凈化系統(tǒng)。用電滲析法回收鎳時(shí)，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。

　?、齐x子交換膜和電滲析裝置

　　①離子交換膜是電滲析的關(guān)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(jié)構(gòu)分為：異相膜、均相膜和半均相膜。按膜上活性基團(tuán)不同分為：陽膜、陰膜和特種膜。按膜材料不同分為：有機(jī)膜和無機(jī)膜。

　?、垭姖B析裝置

　　電滲析器的構(gòu)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(shè)備還包括水泵、整流器等，組成了電滲析裝置。

　?、请姖B析器運(yùn)行的工藝參數(shù)

　　①電流效率

　　電滲析析器運(yùn)行時(shí)實(shí)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(xiàn)象

　　電滲析器工作時(shí)，單位膜面積上通過的電流稱為電流密度。運(yùn)行時(shí)，當(dāng)電流密度達(dá)到一定值時(shí)，界面層離子的遷移速度遠(yuǎn)低于膜內(nèi)離子遷移速度，迫使膜界面處水分子發(fā)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(xiàn)象稱為濃差極化，此時(shí)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(fā)生后在陽膜淡室的一側(cè)富集著過量的氫氧根離子，陽膜濃室的一側(cè)富集著過量的氫離子;而在陰膜淡室的一側(cè)富集著過量的氫離子，陰膜濃室的一側(cè)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(cè)發(fā)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(zhì)，影響正常運(yùn)行。

　?、忍幚韽U水的電滲析器的特點(diǎn)

　　目前電滲析在海水或苦咸水淡化和某些工業(yè)用水的精制等應(yīng)用中都已有大型裝置投入生產(chǎn)性運(yùn)行，而在廢水處理中的應(yīng)用還相對較少，應(yīng)注意以下三點(diǎn)：

　　①在給水處理中應(yīng)用的電滲析器，只回收淡水和只關(guān)注淡水水質(zhì)，水的回收率一般為50%～70%;而應(yīng)用電滲析處理廢水時(shí)，有時(shí)淡水和濃水均可回收利用，水的回收率高，有時(shí)濃水的利用價(jià)值高于淡水。

　　②在給水處理中應(yīng)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(fù)合膜等，根據(jù)處理對象組成和處理目的的不同而有不同的膜組合形式。

　?、墼诮o水處理中，關(guān)注電滲析電極反應(yīng)多半是為了防止電極反應(yīng)的負(fù)面影響，而在廢水處理中，有時(shí)是利用電極反應(yīng)來達(dá)到處理廢水和回收有用物質(zhì)的目的。

　?、呻姖B析在廢水處理中的應(yīng)用

　　電鍍廢水中含有銅、鋅、鎳等重金屬和氰化物，未經(jīng)處理而直接排放，會(huì)污染環(huán)境，目前已經(jīng)許多電鍍車間應(yīng)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(fù)利用率有較大的提高。

　?、孰姖B析器工藝設(shè)計(jì)

　　目前，電滲析器有系列產(chǎn)品規(guī)格，可根據(jù)淡水產(chǎn)量與處理要求確定合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，選用所需電滲析器的臺數(shù)以及并聯(lián)或串聯(lián)的組裝方式。

　　反滲透

　　⑴原理

　　用膜法分離溶液時(shí)，使溶劑通過膜的方法稱為滲透。水通過膜由稀溶液進(jìn)入濃溶液的過程稱為自然滲透。在濃溶液一側(cè)施加壓力，使?jié)馊芤褐械乃ㄟ^膜進(jìn)入稱溶液的過程稱為反滲透。目前的反滲透膜的傳質(zhì)機(jī)理有：溶解擴(kuò)散理論、優(yōu)先吸附――毛細(xì)孔流理論和氫鍵理論。

　　⑵反滲透膜及反滲透裝置

　?、俜礉B透膜

　　?結(jié)構(gòu)：是一種只允許水分子通過的半透膜，厚度一般為100～200鈉米，具有不對稱的斷面結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)疏松，孔徑約1000～4000埃，兩者之間為中間過渡層，孔徑約200埃。

　　?性能：反滲透分離的關(guān)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(yīng)具有的性能為：單位膜面積的透水速度快，脫鹽率高;機(jī)械強(qiáng)度好;化學(xué)穩(wěn)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(jià)格低，制膜工藝較簡單。

　　?分類：

　　按材料分為：纖維素膜和非纖維素膜。

　　按結(jié)構(gòu)分為：不對稱膜和復(fù)合膜。

　　按外形分為：膜片和中空纖維。水處理中常用以下膜：

　?、诜礉B透裝置：有板框式、管式、卷式、中空纖維式、盤式或碟式等。

　　?板框式反滲透器

　　優(yōu)點(diǎn)：裝置牢固，能承受高壓。缺點(diǎn)：液流狀態(tài)差，易形成濃差極化，設(shè)備費(fèi)用及占地面積大。

　　?管式反滲透器

　　優(yōu)點(diǎn)：進(jìn)水流動(dòng)狀態(tài)好，易安裝，易清洗，易拆換。缺點(diǎn)：單位面積內(nèi)的體積很小，占地面積較大。

　　?卷式反滲透器

　　優(yōu)點(diǎn)：單位體積內(nèi)的膜裝載面積大，進(jìn)水流動(dòng)狀態(tài)好，結(jié)構(gòu)緊湊。缺點(diǎn)：進(jìn)水預(yù)處理要求嚴(yán)格，否則易堵塞。

　　?中空纖維式反滲透器：

　　優(yōu)點(diǎn)：在單位體積內(nèi)的膜裝載面積大，無須承壓材料，結(jié)構(gòu)緊湊。缺點(diǎn)：容易堵塞，清洗困難，對進(jìn)水的預(yù)處理要求最嚴(yán)，污染指數(shù)要求≤3。

　　⑶反滲透處理的工藝參數(shù)

　?、僭籂顟B(tài)參數(shù)：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。

　?、谀ば阅軈?shù)：包括膜的脫鹽性能、機(jī)械強(qiáng)度、pH值穩(wěn)定范圍和耐熱性等。

　　③化學(xué)工程參數(shù)：包括產(chǎn)水量、產(chǎn)水水質(zhì)、操作壓力、原液流速、膜清洗、膜更換和能耗等。

　?、确礉B透在廢水處理中的應(yīng)用

　　目前反滲透已應(yīng)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(chǎn)品加工廢水以及某些污水的深度處理等。

　　反滲透法對高價(jià)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。

　?、煞礉B透法處理工藝的特點(diǎn)

　　優(yōu)點(diǎn)：分離過程不需加熱、無相變、耗能較少，設(shè)備體積少，操作簡單，適用性強(qiáng)等。

　　缺點(diǎn)：需在高壓下運(yùn)行，需配備高壓泵和耐高壓的管路;反滲透膜分離裝置對進(jìn)水指標(biāo)有較高的要求，易產(chǎn)生膜污染，需定期對膜進(jìn)行清洗。