1、第七章第七章 反滲透和納濾脫鹽反滲透和納濾脫鹽第一節 膜法分離1.1、膜分離法簡介、膜分離法簡介 膜的概念膜的概念 膜膜具有選擇透過性的一層薄薄的凝聚物質。具有選擇透過性的一層薄薄的凝聚物質。 薄膜分離系統用于去除小顆粒及溶解鹽。膜分離（Membrane Separation）是以選擇性透過膜為分離介質，在膜兩側一定推動力的作用下，使混合物中的某些組分選擇性地透過膜，從而使混合物得以分離，以達到濃縮、提純等目的的分離過程。 加壓的供水流平行通過薄膜表面，部分水流通過薄膜，被排除的顆粒在剩余的水流中濃度會越來越高。由于溶液是連續性的流過，被排除的顆粒不會沉積，反而會被濃縮液帶走。因此，進水流在通

2、過薄膜后便分為通過薄膜的溶液（滲透液）和殘留的濃縮液。1.2、膜分離過程的特點、膜分離過程的特點膜分離過程均需要一定能量膜分離過程均需要一定能量物質選擇透過膜的能量可分為兩類：物質選擇透過膜的能量可分為兩類：借助借助外界能量外界能量，物質由低位到高位流動；，物質由低位到高位流動；借助借助本身的本身的化學位差，物質由高位到低位流動化學位差，物質由高位到低位流動推動力：推動力：壓力差、濃度差、電位差、溫度差壓力差、濃度差、電位差、溫度差1.3、膜分離法的分類、膜分離法的分類一般可分為：微濾（microfiltration ）、超濾（ultrafiltration;hyperfiltratio）、納

3、濾（nanofiltration;NF）和薄膜過濾反滲透（reverse osmosis，RO;reverse osmosis;RO ）微濾、超濾、納濾和反滲透均為微濾、超濾、納濾和反滲透均為壓力推動壓力推動的分離過程，即在壓力差的作用下，溶劑的分離過程，即在壓力差的作用下，溶劑及小分子能通過膜，而鹽、大分子、微粒及小分子能通過膜，而鹽、大分子、微粒等被截留，其截留程度取決于膜結構。等被截留，其截留程度取決于膜結構。微濾 微濾能截留0.11微米之間的顆粒，微濾膜允許大分子有機物和溶解性固體（無機鹽）等通過，但能阻擋住懸浮物、細菌、部分病毒及大尺度的膠體的透過，微濾膜兩側的運行壓差（有效推動力）

4、一般為0.7bar。超濾 超濾利用一種壓力活性膜，在外界推動力(壓力)作用下截留水中膠體、顆粒和分子量相對較高的物質,而水和小的溶質顆粒透過膜的分離過程。通過膜表面的微孔篩選可截留分子量為1000100000的物質。水分子和分子量小于300500的溶質透過膜，可將水中含有的大部分膠體硅除去，同時可去除大量的有機物等。透膜壓一般為17bar。 納濾納濾膜的一個很大特性是膜本體帶有電荷，這是它在很低壓力下具有較高除鹽性能和截留相對分子質量為數百的物質，也可脫除無機鹽的重要原因。主要去除直徑為1nm左右的溶質粒子，故被命名為“納濾膜”，二價或高價離子，特別是陰離子的截留率比較高，可大于90%，而對一

5、價離子的截留率一般低于90%。截留物相對分子質量為200-1000 。透膜壓一般為3.516bar。反滲透 反滲透是目前最微細的過濾系統。反滲透膜可阻擋所有溶解的無極分子以及任何相對分子質量大于100的有機物。操作壓力較高，一般為210 Mpa。1.4、膜分離技術的優點、膜分離技術的優點（1）膜分離是一個高效分離過程，可以實現高）膜分離是一個高效分離過程，可以實現高純度的分離；純度的分離；（2）大多數膜分離過程不發生相變化，因此能）大多數膜分離過程不發生相變化，因此能耗較低；耗較低；（3）膜分離通常在常溫下進行，特別適合處理）膜分離通常在常溫下進行，特別適合處理熱敏性物料；熱敏性物料；（4）膜

6、分離設備本身沒有運動的部件，可靠性）膜分離設備本身沒有運動的部件，可靠性高，操作、維高，操作、維 護都十分方便。護都十分方便。1.5、分離膜性能、分離膜性能 分離膜（分離膜（Membrane）是膜分離過程的）是膜分離過程的核心部件，其性能直接影響著分離效果、核心部件，其性能直接影響著分離效果、操作能耗以及設備的大小。分離膜的性能操作能耗以及設備的大小。分離膜的性能主要包括兩個方面：主要包括兩個方面：透過性能透過性能 與與分離性能分離性能 1透過性能透過性能能使待分離的混合物有選擇的透過是分離膜的最能使待分離的混合物有選擇的透過是分離膜的最基本條件。表征膜透過性能的參數是基本條件。表征膜透過性能

7、的參數是透過速率透過速率。透過速率透過速率指單位時間、單位膜面積透過組分的通過指單位時間、單位膜面積透過組分的通過量，對于水溶液體系，又稱透水率或水通量，量，對于水溶液體系，又稱透水率或水通量，以以J表示表示。 式中：式中： J 透過速率，透過速率，m3/(m2h)或或 kg/(m2h)； V透過組分的體積或質量，透過組分的體積或質量，m3或或kg； A膜有效面積，膜有效面積，m2； t 操作時間，操作時間，h。膜的膜的透過速率透過速率與膜材料的化學特性和分離膜的與膜材料的化學特性和分離膜的形態結構有關，且隨操作推動力的增加而增大。形態結構有關，且隨操作推動力的增加而增大。此參數直接決定分離設

8、備的大小此參數直接決定分離設備的大小。2分離性分離性能能分離膜分離膜必須對被分離混合物中各組分具有必須對被分離混合物中各組分具有選擇透過選擇透過的能力，即具有分離能力，這是膜分的能力，即具有分離能力，這是膜分離過程得以實現的前提。離過程得以實現的前提。 不同分離過程中膜的分離性能有不同的表不同分離過程中膜的分離性能有不同的表示方法，如截留率、截留分子量、分離因數等。示方法，如截留率、截留分子量、分離因數等。（1）截留率）截留率對于反滲透過程，通常用截留率表示其分離性對于反滲透過程，通常用截留率表示其分離性能。能。截留率截留率反映膜對溶質的截留程度，對鹽溶反映膜對溶質的截留程度，對鹽溶液又稱為脫

9、鹽率，以液又稱為脫鹽率，以R表示，定義為表示，定義為 式中式中CF 原料中溶質的濃度，原料中溶質的濃度，kg/m3；CP滲透物液中溶質的濃度，滲透物液中溶質的濃度，kg/m3。100截留率表示溶質全部被膜截留截留率表示溶質全部被膜截留,此為理想的半滲此為理想的半滲透膜；透膜；0 截留率則表示全部溶質透過膜，無分離作用。截留率則表示全部溶質透過膜，無分離作用。（2）截留分子量）截留分子量在超濾和納濾中，通常用在超濾和納濾中，通常用截留分子量截留分子量表示表示其分離性能。其分離性能。截留分子量是指截留率為截留分子量是指截留率為90%時時所對應的最小分子量。所對應的最小分子量。截留分子量的高低，在截

10、留分子量的高低，在一定程度上反映了膜孔徑的大小，通常可一定程度上反映了膜孔徑的大小，通常可用一系列不同分子量的標準物質進行測定。用一系列不同分子量的標準物質進行測定。（3）分離因數）分離因數對于氣體分離和滲透汽化過程，通常用對于氣體分離和滲透汽化過程，通常用分離因數分離因數表示各組分透過的選擇性。對于含有表示各組分透過的選擇性。對于含有A、B兩組分兩組分的混合物，分離因數定義為的混合物，分離因數定義為 式中式中 xA,xB原料中原料中組分組分A與組分與組分B的摩爾分率；的摩爾分率；yA,yB 透過物中組分透過物中組分A與組分與組分B的的摩爾分率。摩爾分率。1.6、膜的分類、膜的分類按按結構結構

11、分：分： 對稱膜對稱膜（無孔膜、多孔膜）（無孔膜、多孔膜） 非對稱膜非對稱膜（一體化非對稱膜、復合膜）（一體化非對稱膜、復合膜）對稱膜對稱膜是一種均勻的薄膜，又稱均質膜。膜的橫是一種均勻的薄膜，又稱均質膜。膜的橫截面結構及形態是均勻的，厚度一般在截面結構及形態是均勻的，厚度一般在10200 m之間，傳質阻力由膜的總厚度決定，降低膜的之間，傳質阻力由膜的總厚度決定，降低膜的厚度可以提高透過速率。厚度可以提高透過速率。（2）非對稱膜）非對稱膜 非對稱膜非對稱膜的橫斷面是不對稱結構，由一薄薄的皮層和多孔的橫斷面是不對稱結構，由一薄薄的皮層和多孔亞層構成。包括亞層構成。包括一體化非對稱膜一體化非對稱膜

12、復合膜復合膜 。一體化非對稱膜一體化非對稱膜是用同種材料制備、由厚度是用同種材料制備、由厚度為為0.10.5m的致密皮層和的致密皮層和50150 m的多孔支撐層構成，的多孔支撐層構成，其支撐層結構具有一定的強度，在較高的壓力下也不其支撐層結構具有一定的強度，在較高的壓力下也不會引起很大的形變。會引起很大的形變。復合膜：復合膜：致密皮層與多孔亞層由不同材料構成，使每致密皮層與多孔亞層由不同材料構成，使每一層獨立發揮最大作用。一層獨立發揮最大作用。非對稱膜非對稱膜的作用主要由很薄的的作用主要由很薄的致密皮層致密皮層決定，傳質阻力小，決定，傳質阻力小，其透過速率較對稱膜高得多，因此非對稱膜在工業上應

13、用其透過速率較對稱膜高得多，因此非對稱膜在工業上應用十分廣泛。十分廣泛。第二節 反滲透2.1、定義、定義反滲透反滲透借助于半透膜對溶液中溶質的截借助于半透膜對溶液中溶質的截留作用，在高于溶液滲透壓的壓差推動力下使留作用，在高于溶液滲透壓的壓差推動力下使溶劑滲透通過膜，達到溶液脫鹽的目的。溶劑滲透通過膜，達到溶液脫鹽的目的。在膜的兩側造成一個壓力差，并使其大于溶液在膜的兩側造成一個壓力差，并使其大于溶液的滲透壓，溶劑就會滲透到膜的另一側，使濃的滲透壓，溶劑就會滲透到膜的另一側，使濃度較高的溶液得到濃縮度較高的溶液得到濃縮2.2、反滲透機理、反滲透機理把溶劑和溶液（或兩種不同濃度的溶液）分別置于把

14、溶劑和溶液（或兩種不同濃度的溶液）分別置于半透膜的兩側，純溶劑將透過膜而自發地向溶液半透膜的兩側，純溶劑將透過膜而自發地向溶液（或從低濃度溶液向高濃度溶液）一側流動，這種（或從低濃度溶液向高濃度溶液）一側流動，這種現象現象稱為稱為滲透滲透(osmosis)。當溶液的液位升高到所產生的壓差恰好抵消溶劑向當溶液的液位升高到所產生的壓差恰好抵消溶劑向溶液方向流動的趨勢，滲透過程達到平衡，此壓力溶液方向流動的趨勢，滲透過程達到平衡，此壓力差稱為該溶液的差稱為該溶液的滲透壓滲透壓，以，以表示。表示。若在溶液側施加一個大于滲透壓若在溶液側施加一個大于滲透壓的壓差時，則溶的壓差時，則溶劑將從溶液側向溶劑側劑

15、將從溶液側向溶劑側反向流動，反向流動，此過程稱為此過程稱為反滲反滲透透(reverse osmosis) 這樣，把溶液置于半透膜的一側，利用反滲透過程這樣，把溶液置于半透膜的一側，利用反滲透過程可從溶液中獲得純溶劑。可從溶液中獲得純溶劑。 界面區膜表面本體溶液相臨界孔高壓多孔膜大氣壓H2OH2OH2OH2OH2OH2OH2O H2O H2OH2OH2OH2O H2OH2O H2O H2OH2OH2OH2OH2OH2O H2O H2O H2OH2O H2O H2O H2OH2OH2O H2O H2OH2O H2O H2O H2O2tH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2

16、O H2O H2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2ONa+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+C1C1C1C1C1C1C1C1C1C1C1C1C1C1C1C1C1C1C1H2O圖1320 優先吸附毛細管流動機理示意圖2.3、反滲透膜及其性質、反滲透膜及其性質 1、反滲透膜、反滲透膜反滲透膜為反滲透膜為半透膜：半透膜：即能夠讓溶液中一種或幾種即能夠讓溶液中一種或幾種組分通過而其它組分不能通過的選擇性膜。組分通過而其它組分不能通過的選擇性膜。反滲透借助反滲透借助半透膜半透膜對溶液中溶質起截流作用，以對溶液中溶質起

17、截流作用，以壓力差壓力差為推動力，使溶劑透過半透膜，從而達到為推動力，使溶劑透過半透膜，從而達到溶液脫除溶質的目的。溶液脫除溶質的目的。膜的特性：膜的特性：透水率、透鹽率、抗壓性等透水率、透鹽率、抗壓性等反滲透膜的結構2、反滲透膜的種類、反滲透膜的種類醋酸纖維素膜的醋酸纖維素膜的結構結構醋酸纖維素膜的醋酸纖維素膜的性能性能2.4、反滲透裝置、反滲透裝置 1、管式裝置、管式裝置 管式裝置水力條件好，適當調節水流狀態可防止濃管式裝置水力條件好，適當調節水流狀態可防止濃差極化和膜污染，能夠處理含懸浮固體的溶液，但單位體差極化和膜污染，能夠處理含懸浮固體的溶液，但單位體積中膜面積小，制造和安裝費用較高

18、。積中膜面積小，制造和安裝費用較高。2、螺旋卷式裝置、螺旋卷式裝置 螺旋卷式裝置單位體積的膜表面積較大，透水量大。螺旋卷式裝置單位體積的膜表面積較大，透水量大。紊流效果好，不易產生濃差極化現象。缺點是膜玷污后消紊流效果好，不易產生濃差極化現象。缺點是膜玷污后消除困難，不能處理含有懸浮物的液體。除困難，不能處理含有懸浮物的液體。3、中空纖維式裝置、中空纖維式裝置 優點優點是單位體積的膜表面積很大，制造和安裝簡單，是單位體積的膜表面積很大，制造和安裝簡單，可在較低壓力下運行，膜的壓實現象減緩，不需要膜制成可在較低壓力下運行，膜的壓實現象減緩，不需要膜制成材料，濃差極化可忽略；材料，濃差極化可忽略； 缺點缺點是制作工藝復雜，易堵塞，不能用于處理含懸浮是制作工藝復雜