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膜分离技术


一、膜分离定义
在某种推动力的作用下,利用某种隔膜特定的透过性能,使溶质或溶剂分离的方法称为膜分离。分离溶质时一般叫渗析;分离溶剂时一般叫渗透。
1.分类
根据推动力的不同,膜分离有下列几种:
浓度差:扩散渗析
电位差:电渗析
压力差:
反渗透(RO, reverse osmosis):MW<100, 0.2-0.3nm, 2 – 3 A0
纳滤(NF, nanofiltration):MW: 100-1000, 0.5-5 nm;
超滤(UF, ultrafiltration):MW: 1000—百万, 5 nm-0.2mm
微滤(MF, microfiltration):0.2-1 mm
(1A0=10-8 cm, 1m =10-4cm, 1nm=10-7cm)
2.膜分离的特点:
可在一般温度下操作,没有相变;
浓缩分离同时进行;
不需投加其他物质,不改变分离物质的性质;
适应性强,运行稳定。
 
二、膜分离技术
1、电渗析原理
在直流电场作用下,利用阴、阳离子交换膜对溶液中的阴、阳离子的选择透过性,分离溶质和水。
阴膜只让阴离子通过;阳膜只让阳离子通过。
 
阴极:
 还原反应:2H +2e → H2
 阴极室溶液呈碱性,结垢
阳极
 氧化反应:4OH → O2↑+2H2O +4e
 或       2Cl-→Cl2↑+2e
 阳极室溶液呈酸性,腐蚀
特点:只能将电解质从溶液中分离出去。不能去除有机物等。
2、离子交换膜
离子交换树脂:树脂与离子之间发生交换反应
离子交换膜:对溶液中的离子具有选择透过的特性
按其结构分为:异相膜、均相膜。
异相膜:离子交换树脂磨成粉末,加入粘合剂,滚压在纤维网上。
均相膜:离子及交换树脂的母体材料制成连续的膜状物,作为底膜,然后在上面嵌接上活性基团。
离子交换膜分类
按离子选择性分:
阳离子交换膜(一般为聚苯乙烯磺酸型):R-SO3H,在水中电离后,呈负电性
阴离子交换膜(聚苯乙烯季胺型):R-CH2 N(CH33OH,电离后,呈正电性
离子交换膜选择的透过性
 1)膜的孔隙结构;2)活性交换基团的作用。
离子交换膜是电渗析的关键部分,良好的电渗析应:1)高的离子选择性;2)渗水性差;3)导电性好;4〕化学稳定性和机械强度。
应用
海水或苦咸水(小于10克/L)淡化;
自来水脱盐制取初级纯水;
电渗析与离子交换组合制取高纯水;
废液的处理回收(可以与电极反应联合进行),如酸洗废水回收硫酸和铁,芒硝回收硫酸和碱。
3、扩散渗析
高浓度溶液中的溶质透过隔膜向低浓度溶液中迁移的过程,浓度差为推动力。采用离子交换膜:阴膜。主要用于回收酸,碱。但不能将它们浓缩。其特点是不消耗能量。回收硫酸时,只有原废水硫酸浓度大于10%时,才有实用价值。
 

原理
当用一张半透膜将纯水和盐水分开,纯水会透过半透膜向盐水扩散,使盐水侧溶液水面升高,直到动态平衡。渗透的推动力就是渗透压,这是正渗透。
4、反渗透膜
性能指标:
脱盐率=(C0-C)/C0×100%,一般高达90%以上。
透水率(L/m2
膜种类:
1.醋酸纤维素膜(CA);
2.芳香族聚酰胺膜。
结构:
表皮层、过渡层、多孔支撑层
 
反渗透机理:
选择性吸附-毛细管流机理:由于膜表面的亲水性,优先吸附水分子而排斥盐分子,因此在膜表皮层形成两个水分子(1nm)的纯水层,施加压力,纯水层的分子不断通过毛细管流过反渗透膜。控制表皮层的孔径非常重要,影响脱盐效果和透水性,一般为纯水层厚度的一倍时,称为膜的临界孔径,可达到理想的脱盐和透水效果。
 
应用
苦咸水、海水淡化
与离子交换联用,制取超纯水
处理重金属废水,回收重金属:如处理镀镍废水,镍回收率可达99%。
废水脱盐深度处理
美国加州21世纪水处理回用厂,就是将二级生物处理出水,经一定的预处理后经反渗透处理后回灌地下水。
5、超滤
与反渗透一样是在压力差下工作,但由于膜孔较大,无渗透压,可在较低压力下工作。一般几公斤。分离机理:小孔筛分作用。一般以截留分子量来表示孔径特征,此外也与物质形状和性质有关。分离范围:截留分子量1000-1000000的物质,如细菌、蛋白质、颜料、油类等
应 用
★给水:去除细菌、胶体等物质。家庭用膜式净水器;与反渗透联合制备纯水。
★废水:回收分离有用物:涂料、羊毛脂、染料、纸浆等;废水
深度处理;膜-生物反应器。

 

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