1、2022-2-6水質工程學1工業給水處理1 2 2、膜分離技術的特點（a）膜分離過程不發生相變，因此能量轉化的效率高，例如在現在的各種海水淡化方法中反滲透法能耗最低；（b）膜分離過程在常溫下進行，因而特別適于對熱敏性物料，如果汁、酶、藥物等的分離、分級和濃縮；（c）裝置簡單，操作簡單，控制、維修容易，且分離效率高。與其它水處理方法相比，具有占地面積小、適用范圍廣、處理效率高等特點；（d）由于目前膜的成本較高，所以膜分離法投資較高，有些膜對酸或堿的耐受能力較差。 總之，膜分離具有高效、能耗低、常溫運行、適應范圍廣、裝置簡單、單元化設計的優點。第1頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水

2、處理2 3 3膜分離法的分類 按膜結構分：有對稱膜和不對稱膜；按膜材料分：有機膜：纖維素膜、聚酰胺膜、聚砜膜、 聚乙烯膜等； 無機膜：玻璃膜、陶瓷膜、氧化鋁膜等； 按分離機理分：反應膜、離子交換膜和滲透膜；按幾何形狀分：平板式、管式、卷式和中空纖維式膜； 膜分離法的種類很多，現已應用的膜過程有反滲透、納濾、超濾、微濾、擴散滲析、電滲析、氣體分離、滲透蒸發、控制釋放、液膜、膜蒸餾等。目前，在水處理中常用的有電滲析、反滲透、納濾、超濾、微濾等膜分離技術。 第2頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理3水處理中幾種常用膜分離法的特點膜過程膜過程推動力推動力傳質機理傳質機理透過物及其尺寸

3、透過物及其尺寸截留物截留物膜類型膜類型電滲析電滲析電位差電位差離子選擇性離子選擇性透過透過陰、陽離子陰、陽離子非電解質大非電解質大分子分子離子交換離子交換膜膜反滲透反滲透壓力差壓力差1-1-5MPa5MPa溶劑的擴散溶劑的擴散水或溶劑水或溶劑溶質、鹽、溶質、鹽、SSSS非對稱膜非對稱膜超濾壓力差0.1-1MPa篩濾及表面作用水、鹽及低分子有機物膠體大分子、SS非對稱膜滲析滲析濃度差濃度差溶質的擴散溶質的擴散低分子物質、離低分子物質、離子子溶劑溶劑非對稱膜非對稱膜液膜液膜化學反應和化學反應和濃度差濃度差反應促進和反應促進和擴散擴散電解質離子電解質離子溶劑（非電溶劑（非電解質解質液膜液膜第3頁/共

4、119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理4第4頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理54 4、膜分離的應用領域 （1）化學/染料工業活性染料的脫鹽、純化、濃縮與回收催化劑與貴金屬的回收利用脫氧、氧化、酯化、皂化、磺化、硝化、脫氫反應中液體的分離、純化甘油/己內酰胺/苯/染料活性劑等有機化工原料的回收汽車/儀表及其它工業涂漆的濃縮回收（2）食品/飲料工業啤酒/果酒/黃酒/葡萄酒的澄清除菌過濾蘋果、梨、草莓、橙、芒果、桃、檸檬等果汁的澄清除菌過濾、脫水濃縮葡萄酒/果酒/茶/咖啡芬香氣味的濃縮保留豆蛋白/乳清蛋白/白蛋白/單糖/多糖溶液的澄清與濃縮乳清、奶酶及其他乳品的澄清、

5、脫鹽與濃縮第5頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理6（3）制藥/生物工程抗生素、維生素、有機酸、氨基酸、酶等發酵液的澄清除菌過濾抗生素、維生素、有機酸、氨基酸等發酵液的蛋白剔除酶、蛋白質、多糖制備過程中細胞碎片的剔除抗生素、氨基酸、維生素、有機酸、酶、多糖、蛋白質的純化與濃縮中成藥、保健品口服液的澄清除菌過濾動物血漿、血清的濃縮精制其他相關的脫鹽濃縮、澄清除菌、蛋白剔除、細胞收集等分離過程（4）空氣過濾噴霧干燥過程中染料、抗生素、奶粉等的回收電池廠金屬鎘、氧化鉛粉塵的收集粉碎過程中磷酸鹽、氧化鎂、二氧化鈦、碳粉、水泥、碳酸鈣的回收包裝過程中砂糖、染料、奶粉、味精等的回收干燥過

6、程中PVC、二氧化硅、活性碳、肥料等的回收合成氨尾氣中氫氣的回收利用第6頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理7（5）水處理 提高飲用水水質：飲用純水的制備 工業純水制備：醫藥工業中注射用水/洗瓶水及其他無菌水的制備電子工業中超純水的制備火力發電廠鍋爐補給水的制備制造業中終端洗滌水的制備 苦堿水脫鹽、海水淡化 水污染控制、水再生利用：生活污水處理與再生利用工業廢水循環與再生利用（零排放）垃圾填埋場滲出水的濃縮處理紡織印染廢水、油漆、含油廢水的處理紙漿與造紙廢水的處理及木素磺酸鹽的回收金屬、食品、皮革、農藥和除草劑廢水的處理第7頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處

7、理8 二、離子交換膜及其作用機理 離子交換膜是電滲析器的重要組成部分，具有與離子交換樹脂相同的組成，含有活性基團和能使離子透過的細孔。常用的離子交換膜按其選擇透過性可分為陽膜、陰膜、復合膜。 陽膜(cation exchange membrane)含有陽離子交換基團，在水中交換基團發生離解，使膜上帶有負電，能排斥水中的陰離子，吸引水中的陽離子并使其通過。 陰膜(anion exchange membrane)含有陰離子交換基團，在水中離解出陰離子，使膜上帶正電，吸引陰離子并使其通過。第8頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理9 復合膜（雙極膜）由一面陽膜和一面陰膜復合而成，具有

8、方向性的電阻。當陽膜面朝向陰極，陰膜面朝向陽極時，正、負離子都不能透過膜，顯示出很高的電阻，但可以使膜界面處的水發生解離，產生氫離子和氫氧根離子。當膜的朝向與上述相反時，膜電阻降低，膜兩側相應的離子進入膜中。離子交換膜是一種由高分子材料制成的具有離子交換基團的薄膜，其所以具有選擇透過性主要是由于膜上孔隙和膜上離子基團的靜電作用。膜上孔隙的作用是，在膜的高分子鍵之間有一足夠大的孔隙，以容納離子的進出和通過。是離子通過膜的大門和通道。第9頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理10膜上離子基團的作用是，在膜的高分子鏈上，連接著一些可以發生解離作用的活性基團。在水溶液中，膜上的活性基因

9、會發生解離作用，解離所產生的離子(或稱反離子）進入溶液。于是，在膜上就留下了帶有一定電荷的固定基團。存在于膜微孔中的帶一定電荷的固定基團，好比在一條狹長的通道中設立的一個個關卡或“警衛”，以鑒別和選擇通過的離子。外力作用：外加電場，形成電勢、電位差，使離子遷移，在膜內擴散、傳遞。注意：樹脂的作用機理是與溶液中的離子之間發生交換反應；離子交換膜的作用并不是起離子交換的作用，而是起離子選擇透過性作用。第10頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理11離子交換膜功能示意圖第11頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理12三、電滲析（electrodialysiselect

10、rodialysis，簡稱ED ED ）原理 電滲析是在直流電場的作用下，以電位差為推動力，利用陰、陽離子交換膜對溶液中陰、陽離子的選擇透過性(即陽膜只允許陽離子通過，陰膜只允許陰離子通過），而使溶液中的溶質與水分離的一種物理化學過程。從而實現溶液的濃縮、淡化、精制和提純的一種膜過程。 電滲析出水分為：淡水、濃水、極水，極水的作用是不斷排除電極反應物，以保證電滲析正常運行。 陽極室呈酸性，易腐蝕，一般用惰性電極，如鈦涂釕； 陰極室呈堿性，易結垢，一般用不銹鋼電極。第12頁/共119頁+陽極陰極Cl-Na陽膜陽極室Cl-Cl-Cl-NaNaCl-NaNaCl-Cl-NaNa濃縮室淡化室濃縮室陰極

11、室陰膜陽膜陰膜v 電滲析過程原理圖第13頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理14C：陽膜A：陰膜電滲析除鹽原理圖第14頁/共119頁222CleClHOHOH22OHOeOH22244HClOHClOHCl22OHHeOH22222NaOHOHNa第15頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理16四、電滲析器的構造與組裝 1.電滲析器的構造 電滲析器由膜堆、極區和夾緊裝置三部分組成。膜堆位于電滲析器的中部，由陽膜、濃（或淡）水室隔板、陰膜、淡（濃）水室隔板交替排列成濃水室和淡水室。極區位于膜堆兩側，包括電極、極水框和保護室，其作用是供給電滲析器直流電，將原水導入

12、膜堆的配水孔，將淡水和濃水排出電滲析器，并通入和排出極水。壓緊裝置由蓋板和螺桿組成，其作用是將極區和膜堆組成不漏水的電滲析器整體，可采用壓板和螺栓拉緊，也可采用液壓壓緊。第16頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理17第17頁/共119頁2.2.電滲析器的組裝 電滲析器的組裝依其應用不同而有所不同。其組裝的情況是用級和段來表示的。 級：一對正、負電極之間的膜堆稱為一級。增加級數可降低操作電壓。 段：具有同一水流方向的并聯膜堆稱為一段。增加段數就等于增加脫鹽流程，即提高除鹽率。電滲析器的組裝示意圖電滲析器的組裝示意圖第18頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理19

13、電滲析器的級與段電滲析器的級與段一級一段一級一段一級兩段一級兩段兩級一段兩級一段兩級兩段兩級兩段一對正、負電極之間的膜堆稱為一級一對正、負電極之間的膜堆稱為一級第19頁/共119頁3、實際應用的、實際應用的電滲析器電滲析器第20頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理21 五、電流效率與極限電流 1.1.電流效率： 一個淡室（一對膜）實際去除的鹽量等于m1=q(c1-c2)tMB/1000 (g) q 一個淡室的出水量，L/s c1、c2 分別表示進出水含鹽量,mmol/L t 通電時間,s MB 物質的摩爾質量,g/mol 依據法拉第定律，應析出的鹽量為 m =ItMB (g)

14、 I 電流,(A) F 法拉第常數，96500 C/mol第21頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理22電滲析電流效率等于淡室實際去除的鹽量與應析出的鹽量之比，即m1/m=q(c1-c2)F/1000I = 電流效率與膜對數無關，電壓隨膜對數增加而加大，而電流則保持不變。 電滲析的電能效率是理論耗電量與實際耗電量之比，電滲析實際耗電量比理論耗電量大得多，因而電能效率較低。第22頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理23 2.2.極限電流密度 電滲析器運行過程中，單位面積膜通過的電流稱為電流密度i。由于膜界面現象的產生，使工作電流密度受到一定的限制。 由于離子在

15、膜內的遷移數大于其在溶液中的遷移數，造成膜面處離子虧空，使界面層兩側出現濃度差，從而產生了離子擴散的推動力，此時離子遷移的虧空量有離子擴散來補充。根據菲克定律，擴散物質的通量表示為： D(c-c1)/1000 (mmol/cm2.s) D擴散系數，cm2/s c、c1膜兩側溶液的物質量濃度，mmol/L 邊界層厚度，cm第23頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理24濃差極化示意第24頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理25當處于穩定狀態時，離子遷移與擴散達到平衡: 當i增大， c1降低，i達到等一數值時， c1 0，如果再提高i值，由于離子擴散不及，在膜界面

16、處引起水的離解，產生氫離子和氫氧根離子，來傳遞電流，這種現象稱為濃差極化。此時的電流密度稱為極限電流密度。第25頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理26 3.3.極限電流的測定 電滲析在現場組裝好后首先要進行極限電流的測定。測定的方法如下：在設計流量下，同時濃水和極水的進口壓力應與淡化水進口壓力一致，調整流器從零開始對電滲析器供電，電壓以膜堆電壓計，每次升高10V，每次升高電壓后其電壓要恒定，然后記錄電流數值。當膜堆電壓達到單級膜對數13 V（以膜面積大小選取）時作為測試終點，繪制電滲析器的電壓電流曲線圖，并將各點連成近似的曲線（如圖所示），由曲線作切線，AP、DP相交P點，

17、并由P點作水平線和垂線，交曲線于B、C，所得A、B、C、D曲線就是該機在此流量情況下的極限電流范圍，而C點為標準極化點IC，其電流為極限電流。第26頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理27極限電流的確定第27頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理28 4.4.極化與沉淀 在電滲析的膜界面現象中，極化主要發生在陽膜淡室一側，而沉淀現象主要發生在陰膜的濃水一側。 極化就會產生水解離，產生的HO-氫氧根離子遷移通過陰膜進入濃室，使濃水的pH 值上升，出現CaCO3及Mg(OH)2的沉淀，這些沉淀附著于膜表面，增加膜電阻、加大電能消耗、降低出水水質。防止和消除結垢的措

18、施有： 控制操作電流，小于極限電流； 定時倒電極，每小時23次頻繁倒電極（EDR）； 定期酸洗,1-1.5%鹽酸循環清洗。第28頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理29 六、電滲析特點及在水處理中的應用 1.電滲析特點 在一定除鹽范圍內，能量消耗低；應用靈活，操作簡單，維修方便 ；環境友好；預處理簡單，使用壽命長。 但是，電滲析也有它自身的缺點，如電滲析只能除去水中的鹽分，而對水中有機物不能去除，某些高價離子和有機物還會污染膜。電滲析運行過程中易發生濃差極化而產生結垢，與反滲透相比，由于它的脫鹽率較低，裝置比較龐大且組裝要求高，對原水含鹽量的適應范圍小，原水利用率較反滲透低。

19、第29頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理302.電滲析處理不同水質的除鹽效果及能耗第30頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理313.電滲析的應用 電滲析已是一種相當成熟的膜分離技術，主要用途是苦咸水淡化、生產飲用水、濃縮海水制鹽以及從體系中脫除電解質。從20世紀80年代至今，電滲析技術在我國已有大量的應用實例，但80年代至90年代初是電滲析技術應用的黃金時期。進入21世紀后電滲析技術的許多領域被反滲透所取代，在除鹽領域也一樣，逐漸被反滲透所取代。 七、電滲析技術的新發展 1.高溫電滲析，7075 2.填充床電滲析，電去離子（EDI），下學期新技術中講 3.

20、雙極膜電滲析（BPM） 第31頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理32 電去離子（electrodeionization，簡稱EDI）技術是20世紀80年代在電滲析技術基礎上研究發展起來的一種新型除鹽技術，主要應用于深度除鹽，替代離子交換混床制取高純水。在我國又叫填充床電滲析，它將電滲析技術和離子交換技術有機結合，無需酸堿再生，而能連續制取高品質的純水，既利用了電滲析可以連續除鹽和離子交換樹脂可以深度除鹽的優點，又克服了電滲析濃差極化的負面影響及離子交換樹脂需要酸堿再生、不能連續工作的缺陷，它被認為是水處理技術領域具有革命性創新的技術之一。第32頁/共119頁2022-2-6

21、水質工程學1工業給水處理33 其作用原理分三部分： (1) 電滲析過程：在外加電場作用下，水中電解質通過離子交換膜進行選擇性遷移，從而達到去除離子的作用。 (2) 離子交換過程：此過程靠離子交換樹脂對水中的電解質交換作用，達到去除水中的離子。 (3) 電化學再生過程：利用電滲析的極化過程產生的H+ 和OH- 及樹脂本身的水解作用對樹脂進行電化學再生。第33頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理341-陽膜2-陰膜3-陰樹脂4-陽樹脂EDI基本原理圖第34頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理35加拿大ECELL公司生產的MK系列模塊美國Electropure公司

22、生產的XL系列模塊第35頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理36卷式EDI模塊結構圖OMEXELL公司生產的卷式EDI模塊外觀第36頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理37 第四節 反滲透（RORO）1 1、概述、概述2 2、反滲透膜及其透過機、反滲透膜及其透過機理理3 3、反滲透裝置及系統、反滲透裝置及系統4 4、反滲透主要參數、反滲透主要參數5 5、反滲透運行的影響因、反滲透運行的影響因素素6 6、反滲透裝置的清洗、反滲透裝置的清洗第37頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理381、概述 反滲透（Reverse Osmosis, RO)是

23、一項高新膜分離技術，其孔徑很小，大都101010（10A），它能去除水中的離子和分子量很小的有機物，如細菌、病毒、熱源等。它已廣泛用于海水或苦咸水淡化、電子、醫藥用純水、飲用純凈水、太空水的生產，還應用于生物、醫學工程。 特點常溫條件下，因而能耗低；雜質去除范圍廣，可去除無機鹽和各類有機物雜質；較高的水回用率；分離裝置簡單，容易操作和維修。第38頁/共119頁 滲透和反滲透示意圖半透膜開始時兩邊液面相同由于濃度差存在，半透膜又不允許溶質通過，所以水透過膜，使濃水一邊液面升高，產生滲透壓第39頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理40第40頁/共119頁2022-2-6水質工程學

24、1工業給水處理41 一種只能透過溶劑而不能透過溶質的膜稱為半透膜。當把溶劑和溶液(或把兩種不同濃度的溶液)分別置于此膜的兩側時，純溶劑將自然穿過半透膜而自發地向溶液(或從低濃度溶液向高濃度溶液)一側流動，這種現象叫做滲透。此H稱為該溶液的滲透壓 。=iRTc c溶液的物質量濃度，i滲透系數，對于海水：1.8若在溶液的液面上再施加一個大于 的壓力P時，溶劑將與原來的滲透方向相反，開始從溶液向溶劑一側流動，這就是所謂的反滲透。而只允許溶質通過的膜分離過程為滲析。第41頁/共119頁2 2反滲透膜及其透過機理反滲透膜及其透過機理（1 1）對反滲透膜的性能要求 選擇性好，單位膜面積上透水量大，脫鹽率高

25、； 機械強度好，能抗壓、抗拉、耐磨； 熱和化學的穩定性好，能耐酸、堿腐蝕和微生物侵蝕，耐水解、輻射和氧化； 結構均勻一致，盡可能地薄，壽命長，成本低。（2 2）反滲透膜從化學組成上主要有三種 醋酸纖維素（CA）膜:1960美國，95%，易水解 芳香族聚酰（PA）胺膜：70年以后，95-99% 復合膜:90年代后期，99.5%，低壓，性能優良第42頁/共119頁 膜的結構 醋酸纖維素是沒有強烈氫鍵的無定形鏈狀高分子化合物。 制膜過程是將其溶解在丙酮中并加入甲酰胺作添加劑，經混合調制、過濾、鑄塑成型，然后再經蒸發、冷水浸漬、熱處理，即可得到醋酸纖維素 (cellulose acetate,CA)膜

26、。 外觀為乳白色、半透明，有一定的韌性，膜厚l00250m。 這種膜有不對稱結構，表面結構致密，孔隙很小，通稱為表皮層或致密層、活化層；下層結構較疏松，孔隙較大，通稱為多孔層或支撐層。第43頁/共119頁醋酸纖維素膜的結構示意圖醋酸纖維素膜的結構示意圖99表皮層，孔徑（810）1010m第44頁/共119頁顯微鏡下膜的照片第45頁/共119頁 CACA膜的性質（a）膜的方向性： 由于CA膜是一種不對稱膜，因此，在進行反滲透時，必須保持表層與待處理的溶液或廢水接觸，而決不能倒置，否則達不到處理的目的。（b）選擇透過性： CA膜對無機電解質和有機物具有選擇透過性。 對電解質，離子價越高，或同價離子

27、水合半徑越大，則脫除效果越好。 陽離子的脫除順序為：Sr2+Ba2+Li+Na+ K+。陰離子的脫除順序為：檸檬酸根酒石酸根SO42-CH3COO-Cl-Br-NO3-I-SCN-。第46頁/共119頁（c）壓密效應： CA膜在壓力作用下，外觀厚度一般減少2550，同時，透水性及對溶質的脫除率也相應降低，這種現象稱為膜的壓密效應。這種塑性變形是不可逆的，因此膜的性能在壓力消失后不會恢復。（d）膜的水解作用和生物分解作用： CA膜是一種酯，易于水解，水解速率與pH值和水的溫度有關。一般在堿性介質中的水解速率比在酸性介質中大，在pH4.55.2時最低。第47頁/共119頁2022-2-6水質工程學

28、1工業給水處理48 (4)(4)復合膜結構 復合膜結構一般是指在多孔支撐膜上復合一層很薄的、致密的、有特種功能的另一種材料的薄膜。 例如陶氏FILMTEC反滲透膜片復合結構： 陶氏膜片為復合結構，它由三層組成，參見圖32。 1）聚酯材料增強無紡布，約120m厚； 2）聚砜材料多孔中間支撐層，約40m厚； 3）聚酰胺材料超薄分離層，約0.2m厚。 每一層均根據其功能要求分別優化設計與制造。第48頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理49陶氏FILMTEC反滲透膜片復合結構示意圖第49頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理50 復合膜的主要結構強度是由無紡布提供的，

29、它具有堅硬、無松散纖維的光滑表面。 設計多孔中間支撐結構的原因是如超薄分離層直接復合在無紡布上時，表面太不規則，且孔隙太大，因此需要在無紡布上預先涂布一層高透水性微孔聚砜作為支撐層，其孔徑約為150埃左右。 超薄分離層是反滲透和納濾過程中真正具有分離作用的功能層，陶氏FILMTEC膜片與其它任何品牌的產品相比，交聯度高，功能分離層更厚，且厚度更均勻，決無針孔。它的高交聯度性質決定了其具有極高的物理強度和抗化學生物降解的性能。第50頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理51（5 5）反滲透膜的透過機理1 1）氫鍵理論）氫鍵理論 該理論認為，水透過膜是由于水分子和膜的活化點形成氫鍵

30、及斷開氫鍵的過程。 即在高壓作用下，溶液中水分子和膜表皮層活化點締合，原活化點上的結合水解離出來，解離出來的水分子繼續和下一個活化點締合，又解離出下一個結合水。 水分子通過一連串的締合解離過程，依次從一個活化點轉移到下一個活化點，直至離開表皮層，進入多孔層。第51頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理522)2)優先吸附毛細管流理論 該理論把反滲透膜看作一種微細多孔結構物質，它有選擇性吸附水分子而排斥溶質分子的化學特性。 當水溶液同膜接觸時，膜表面優先吸附水分子，在界面上形成一層不含溶質的純水分子層，其厚度視界面性質而異，或為單分子層或為多分子層。 在外壓作用下，界面水層在膜孔

31、內產生毛細管流連續地透過膜。3）溶解-擴散機理溶劑與溶質透膜的機理是由于溶劑與溶質在膜中的溶解，然后在化學位差的推動力下，從膜的一側向另一側進行擴散，直至透過膜。第52頁/共119頁 工業生產中使用的膜分離設備是由多個構造相同的單個裝置組合而成的，一般把構成設備的相同的裝置稱為膜組件（膜元件、壓力容器）。 反滲透膜組件有板框式、管式、螺旋卷式和中空纖維式等四種。這里我們主要掌握卷式。 反滲透系統的組成：膜元件、壓力容器、保安過濾器、高壓泵、壓力管路、本體框架、檢測儀表、系統電器及控制、清洗系統。通常還有必要的預處理系統。第53頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理54反滲透系統

32、的組成PI壓力表；PS壓力控制器；FI流量表；T溫度表；CE，CI電導（電阻）儀；IH加熱器第54頁/共119頁螺旋卷式反滲透膜組件第55頁/共119頁密封密封密封螺旋卷式膜組件一個膜葉結構示意圖多孔透水材料膜，上下兩層第56頁/共119頁膜葉透水網狀材料透過水透過水濃濃水水進進水水螺旋卷式膜組件組合示意圖螺旋卷式膜組件組合示意圖第57頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理58Permeate carrier滲透液流向滲透液流向Feed water原原 水水Tricot導導 布布Mesh spacer導導 網網第58頁/共119頁膜組件的組裝示意圖膜組件的組裝示意圖進水口耐壓容

33、器連接器膜組件密封圈端蓋透過液濃縮液第59頁/共119頁工業應用的反滲透裝置第60頁/共119頁工業應用的反滲透裝置的膜組件之間的連接第61頁/共119頁螺旋卷式反溶透裝置的特點：結構緊湊，單位容積的膜面積大。處理能力高，占地面積小，操作方便。缺點是不能處理含有懸浮物的液體，原水流程短，壓力損失大，濃水難于循環以及密封長度大，清洗、維修不方便，易堵塞。第62頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理63 4.反滲透裝置主要參數 （1）水與溶質的通量()wJAp 12()ssDJccKlA為溶劑的滲透系數，DS溶質擴散系數，K平衡分配系數，L有效膜厚度。 由上式可知，在給定條件下，水

34、通量與壓力成正比，而溶質通量則主要與分子擴散有關，因而只與濃度差成正比。所以，提高RO操作壓力不僅使淡水產量增加，而且可降低淡水中的溶質濃度，即除鹽率提高。第63頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理64 （2）回收率（Y） Y=QP/Q1100=QP/（QP+Qm）100(%) 通常回收率設計為：除鹽75%，海水淡化30-40%。 （3）濃縮倍率（CF） CF=Q1/Qm=100/(100-Y) 回收率為75%時，濃縮倍數為4。 （4）除鹽率（R） R=(C1-CP)/C1（%） 式中： Q1、Qm、Qp分別為進水、濃水和產水的流量； C1、Cm、Cp分別為進水、濃水和產水的

35、含鹽量。第64頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理65 除鹽率隨溫度變化不大，隨著壓力增加，半透膜受壓縮而除鹽率上升，當壓力上升至一定值時，除鹽率保持不變。除鹽率隨進水濃度的增加和回收率的增加而下降。兩者使膜表面濃度增加，而使鹽透過率增大。 在反滲透系統設計中必須遵循設計導則，盡可能地提高預處理水平，足夠數量的膜元件，并合理排列。（5）反滲透工藝中的級與段： 段：指膜組件的濃縮液(濃水)流到下一組膜組件處理。流經n組膜組件，即稱為n段。 級：指膜組件的產品水再經下一組膜組件處理。透過液產品水經n次膜組件處理，稱為n級。第65頁/共119頁一級一段的不同方式一級一段的不同方式一

36、級一段連續式一級一段循環式可保證出水水質，但水回收率低可以提高水的回收率，但出水水質有可能下降第66頁/共119頁一級多段連續式一級多段連續式水回收率高，濃縮液量少，濃度高，有利于回收其中的有用物質。但出水水質差。第67頁/共119頁一級多段循環式一級多段循環式濃縮液濃度高，出水水質較好。濃縮液濃度高，出水水質較好。第68頁/共119頁二級五段連續式二級五段連續式第二級第69頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理70供給水 Feed water透過水 Permeate濃縮水 Concentrate回收率Total systemrecovery ratio回收率 50% reco

37、very ratio回收率 7580% recovery ratio回收率 8590% recovery ratio1 set Bank2 set Bank3 set Bank第70頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理71 5.5. 反滲透運行的影響因素 （1）原水水質：pH值、含鹽量 （2）溫度：當T小于20時，溫度升高1度，透水量約增加3%。 （3）運行壓力 （4）濃差極化第71頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理72反滲透過程，其中溶質被具有高脫除系數的膜所截留，靠近膜表面邊界層中溶質濃度增加，而溶劑（水）的濃度降低；膜表面相鄰邊界層中的阻力形成濃度梯

38、度，即濃度極化，降低了優先滲透組分的推動力，增加了難滲透組分的濃度，使總的分離效果下降。 （5）膜污染：表面結垢、金屬污染、污堵、膠體污染、微生物污染等。 控制結垢的方法有：控制回收率、預處理軟化、加阻垢劑，保證濃水流速。第72頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理73 6.反滲透裝置的清洗膜化學清洗的標準：當出現以下情況之一時，需要進行化學清洗。 1)產水量降低10%15% 2)鹽透過率增加50% 3)進水壓力增加10%15% 4)各段壓力差增加15% 5)系統運行34個月 6)長期停運時用甲醛溶液保護前進行清洗第73頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理74

39、 一般清洗系統由清洗泵、清洗箱、5m保安過濾器、所需的管道、閥門、清洗軟管和控制儀表（如pH表、溫度計、流量表）等組成，如下圖。清洗系統流程示意圖1清洗箱；2清洗泵；3保安過濾器；4RO裝置第74頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理75根據陶氏膜產品與技術手冊整理污染物特征與清洗選擇原則第75頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理76 太鋼生產廢水回用工程RORO系統 每小時3000m33000m3，反滲透裝置設計回收率75%75%，除鹽率大于97%97%。 第76頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理77 新加坡裕廊島廢水回用反滲透系統 總產

40、水量30000 m3/d30000 m3/d。六列，每列分三段，按2828：1616：8 8排列，配置BW30-365FRBW30-365FR元件364364支。設計原水TDSTDS為1300mg/L1300mg/L，系統回收率為85%85%。 第77頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理78遼河石化公司污水深度處理回用工程RORO系統 200t/h200t/h的污水RORO法深度處理裝置，該裝置由中國藍星工程有限公司設計，于20042004年6 6月破土動工，于20052005年1111月份投入生產使用。 第78頁/共119頁第五節 超濾（Ultrafiltration)Ul

41、trafiltration) 5.1、超濾與反滲透的異同 5.2、超濾的原理 5.3、超濾膜及膜組件 5.4、超濾過程的濃差極化 5.5、 超濾的基本工藝流程 5.6、 超濾的特點及應用領域第79頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理805.1、超濾與反滲透的異同、超濾與反滲透的異同 超過濾簡稱超濾，它同反滲透一樣，都是利用膜來分離水和廢水中的物質。兩種方法的共同點在于： 兩種過程的動力同是溶液的壓力，在溶液的壓力下，溶劑的分子通過薄膜，而溶解的或非溶解的物質被阻滯在膜表面上。第80頁/共119頁（1）膜不同：超濾所用的膜超濾所用的膜( (超濾膜超濾膜) )較疏松，透較疏松，透

42、水量大，除鹽率幾乎為零，一般用超過濾分離水量大，除鹽率幾乎為零，一般用超過濾分離大分子有機物以及懸浮顆粒等，能夠分離的溶大分子有機物以及懸浮顆粒等，能夠分離的溶質分子至少要比溶劑的分子大質分子至少要比溶劑的分子大1010倍，在這種系倍，在這種系統中滲透壓已經不起作用了。統中滲透壓已經不起作用了。 反滲透所用的膜反滲透所用的膜 ( (反滲透膜反滲透膜) )致密，透水量低，致密，透水量低，除鹽率高，具有很強的選擇透過能力，用以分除鹽率高，具有很強的選擇透過能力，用以分離分子大小大致相同的溶劑和溶質。離分子大小大致相同的溶劑和溶質。第81頁/共119頁（2）機理不同：超濾的去除機理主要是篩濾作用。超

43、濾的去除機理主要是篩濾作用。在反滲透膜上分離過程伴隨有半透膜、溶解物在反滲透膜上分離過程伴隨有半透膜、溶解物質和溶劑之間復雜的物理化學作用。質和溶劑之間復雜的物理化學作用。（3）工作壓力不同：超過濾的工作壓力低超過濾的工作壓力低(0.07(0.070.7 0.7 MPa)MPa)。反滲透反滲透所需的工作壓力高所需的工作壓力高( (大于大于1.0 MPa)1.0 MPa)。（4 4）目前，實際生產中的）目前，實際生產中的膜組件膜組件，超濾一般為中，超濾一般為中空纖維式，反滲透常用卷式膜。空纖維式，反滲透常用卷式膜。第82頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理83 超濾通過膜表面的

44、微孔結構對物質進行選擇性分離。當液體混合物在一定壓力下流經膜表面時，小分子溶質透過膜（稱為超濾液），而大分子物質則被截留，使原液中大分子濃度逐漸提高（稱為濃縮液），從而實現大、小分子的分離、濃縮、凈化的目的。 用于去除廢水中大分子物質和微粒（分子量500500）。 超濾截留大分子物質的機理是： 膜表面的孔徑機械篩分作用（主要）； 膜孔阻塞、阻滯作用； 膜表面及膜孔對雜質的吸附作用。第83頁/共119頁進口料液透過膜的溶液超濾膜出口溶液被截留物質透過膜的物質超過濾原理示意圖第84頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理85超濾的截留范圍超濾的截留范圍截留率=0%水鹽可溶性固體截留率

45、=部分BODCOD小分子原料液滲透液非對稱膜懸浮固體膠體大分子物質截留率=100%原料流量壓力第85頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理86 超濾的截留分子量是指截留率達到90%的分子量，大于該值的分子量物質則幾乎全部截留。第86頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理87 超濾膜切割分子量與平均孔徑的關系切割分子量平均孔徑/nm5002.120002.450003.0100003.8300004.7500006.610000011.030000048.0第87頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理885.3超濾膜及膜組件 超濾膜一般用于制備反滲

46、透膜的材料也可用于制備超濾膜，只是制膜液的組分配比和成膜工藝不同。超濾膜有多種，最常用的是：醋酸纖維素膜、聚砜膜、聚偏氟乙烯膜。 超濾膜組件：有板式、管式、卷式和中空纖維式四種，目前常用的是中空纖維式。第88頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理89 5.4.超濾過程的濃差極化超濾膜表面大分子物質濃度增加到一定值時，在膜面上形成一層凝膠層，對膜的水通量有很大的阻力。一旦生成凝膠層，透水量并不因壓力增加而增加。第89頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理90第90頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理91超濾膜組件超濾膜組件第91頁/共119頁中空

47、纖維超濾膜設備 第92頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理93馬頭電廠超濾系統第93頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理945.5超濾的基本工藝流程 重過濾操作：常用于小分子和大分子的分離。 間歇操作：常用于小規模生產。從保證膜透過通量來看，這種方式效率最高，因為膜始終可保證在最佳濃度范圍內進行操作。在低濃度時，可得到很高的膜透過通量。 連續操作：常用于大規模生產。由于需要分離物料的生產量常比控制濃差極化所需的最小流量還小，因此運行時采用部分循環方式，而且循環量常比料液量大得多。第94頁/共119頁典型工藝流程圖典型工藝流程圖成品水箱NaClO加藥泵反洗泵原

48、水泵原水供水箱循環水反洗排污水恒流控制反洗排污水第95頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理96第96頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理975.6、超濾的特點及應用領域 特 點 分離過程在常溫和較低壓力的條件下進行，能耗低，不需加熱，不需加藥即可達到分離、濃縮、分離、純化分級的目的。 裝置結構簡單，占地面積小，附屬設備少，易于擴容和增加組件。 裝置操作簡單，啟動快，易于維護，容易控制。第97頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理98 影響超濾過程的因素 （1）料液速度 （2）操作壓力 （3）溫度 （4）操作時間 （5）進料濃度 （6）料液預處

49、理 （7）運行方式 （8）清洗與消毒第98頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理99 （1）生活飲用水處理（城市給水、優質水處理、礦泉水處理、純凈水處理） （2）工業給水處理（預處理、終端處理） （3）工業廢水處理（石油、化工、電力、鋼鐵等等） （4）生活污水處理（MBR、深度處理） （5）其它方面：醫藥、制藥、食品、飲料 例如：蛋白質的過濾、回收、果汁的澄清、食用油精練、醫藥產品的除菌、激素的提取、酒類釀制、電泳涂漆廢水中涂料的回收第99頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理100（補充）納濾法除鹽 一、納濾概念和原理 納濾是介于反滲透和超濾之間的一種以壓力差

50、為驅動力的膜分離過程，由于其膜表面孔徑處在納米級，能去除尺寸約1nm的分子，因而將“納”和“濾”直接連在一起，簡稱納濾膜。 傳質機理與超濾和反滲透不同。超濾傳質主要為孔流形式的篩分效應；反滲透傳質為溶解-擴散過程的靜電效應；而納濾是介于兩者之間的一種過渡形式，既其傳質機理為孔流機理和溶解-擴散之間的過渡態。第100頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理101 二、納濾的特點幾種主要膜技術的分離特性第101頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理102（1）對不同價態的離子截留效果不同，對二價和高價離子的截留率明顯高于單價離子。（2）截留相對分子質量在2001000

51、之間，適用于分子大小為1nm的溶解組分的分離。（3）隨著溶質濃度的增加，膜的截留率下降。（4）對疏水型膠體油、蛋白質和其他有機物具有較強的抗污染性，與反滲透膜相比，納濾膜具有操作壓力低、水通量大的特點。（5）與超濾膜相比，納濾膜又具有截留低分子量物質能力強的特點，對許多中等分子量的溶質，如消毒副產物的前驅物、農藥等微量有機物、致突變物等雜質能有效去除，從而確立了納濾在水處理中的地位。第102頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理103 納濾和反滲透的截留特性比較第103頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理104三、納濾系統的組成、運行和維護 納濾系統的組成和反

52、滲透系統一樣，由預處理裝置、保安過濾器、高壓泵、納濾膜組件、計量控制設備和清洗系統組成。裝置的核心部分是納濾膜元件、組件，其系統參照反滲透系統。第104頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理105四、納濾的應用 在水處理中納濾首先應用于軟化，其次在苦咸水淡化為飲用水、廢水回用等領域具有突出的優勢。 隨著膜技術的進步，納濾膜軟化工藝倍受人們的重視，在國外某些地區和領域，納濾膜軟化已成為主要的軟化工藝。與藥劑軟化和離子交換法相比，納濾膜軟化有其特有的優點，如在除去水中硬度離子（Ca，Mg）的同時不換入另外化學物質，不需用酸堿再生，無污泥產生，完全除去懸浮物，同時除去有機物，操作簡便

53、，占地面積省等，所以納濾膜軟化是有競爭潛力的。第105頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理106（補充）全膜法水處理系統 一、概念以膜技術為主要水處理手段，應用兩種或以上的膜分離裝置的水處理系統。絕對的全膜法水處理系統在生產中很難實現，水處理工藝發展的趨勢是新老技術的較差、融合，揚長避短，效率最大化。第106頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理107 二、典型工藝流程預處理+MF/UF+RO+RO+EDI預處理+UF+RO+EDI預處理+UF+RO（又稱雙膜法）（1）清華大學微電子所VLSI高純水站工藝流程第107頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理108 （2）晉州秸桿熱電廠2 12MW機組鍋爐補給水處理系統兩套最終出力為22m3/h硬度0mol/L二氧化硅20g/L電導率(25)0.1S/cm再生回用水自動反洗過濾器超濾裝置超濾水箱超濾輸送泵保安過濾器RO高壓泵反滲透裝置中間水箱二級RO高壓泵二級反滲透裝置中間水箱電除鹽（EDI）給水泵EDI裝置除鹽水箱除鹽水泵主廠房。第108頁/共119頁2022-2-6水質工程學1工業給水處理109（3）濟南市南郊熱電廠化水處理 除鹽水處理能力為160m3/h，電阻率5Mcm，硬度=0mg/L，SiO220g/L。 原水原水池原水泵換熱器管道混合器多介質過