膜技术的概述

　　 一、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。
    二、分类与特点
    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)
    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。
    电渗析
   
    一、 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。
    二、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。
    ★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（CH3）3OH，电离后，呈正电性
    ★离子交换膜选择透过性主要是由于：
    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
    三、关键设备
    如图
    电渗析可分为三部分：极区、膜堆和紧固部分
    极区：常用的电极有不锈钢、石墨等
    膜对：一对阴、阳膜和一对浓、淡水隔板交替排列，组成的最基本脱盐单元
    膜堆：若干膜对的集合体
    一级：一对正、负极之间的膜堆
    一段：具有同一水流方向的并联膜堆
    增加段数：加长水的流程长度，增加脱盐效率。
    增加膜对数：提高水处理量
    增加级数：降低两个电极之间的电压
    四、电流效率与极限电流密度
    1．电流效率
    η＝实际去除的盐量m1/理论去除量m2 ´100%
    m1＝q(C1-C2) t MB /1000
    q：一个淡室的出水量, L/s
    C1，C2：进出水含盐量, mmol/L
    t：通电时间, s
    MB：物质的摩尔质量
    依据法拉第定律：m2=I t MB/F
    F：法拉第常数 I：电流强度，A
    2．极限电流密度
    如果电流密度过大――发生浓差极化现象
    电流传导靠Na＋ 和Cl－
    电流总量＝Cl－电量＋Na+电量
    Cl－电迁移数（总电量中所占比例）＝0.5
    Na+电迁移数（总电量中所占比例）＝0.5
    但在阴膜中，由于钠离子不能通过，氯离子的迁移数为1，为此补充此差需要动用边界层中的氯离子，致使边界层与主流层之间存在浓度差。
    当电流密度i过大时，C’趋于0，水分子开始电离，参加迁移，此时发生浓差极化现象
    ―――――极限电流密度
    极限电流密度的确定：电压-电流法
    极化与结垢：
    极化现象主要发生在阳膜的淡室一侧，沉淀主要发生在阴膜浓室一侧。
    防止措施：1）极限电流法，在极限电流的70－90％下运行；2）倒换电极；3）定期酸洗
    五、应用
    1） 海水或苦咸水（小于10克/L）淡化；
    2）自来水脱盐制取初级纯水；
    3）电渗析与离子交换组合制取高纯水；
    4）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
   
    扩散渗析技术
    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。
   
    反渗透技术
    一、渗透压和反渗透原理
    渗透压：
    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。
    任何溶液都存在渗透压 π，只是一般没表现出来。
    π= i R T C
    i：范特霍尔系数
    C：溶液的浓度
    当在盐水侧施加压力P>π，反渗透。一般压力在几十公斤。
    二、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.d）
    ★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：
    尚不十分清楚。
    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。
    ★膜组件：
    板框式、管式（有内压和外压两种）、卷式：膜表面积大、透水量大、紊流效果好、中空纤维
    三、应用
    1）苦咸水、海水淡化
    2）与离子交换联用，制取超纯水
    3）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％。
    4）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。
   
    超滤技术
    一、原理
    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
   
    膜组件形式与反渗透类似。但既有有机膜，也有无机膜。
   
    二、 超滤过程中的浓差极化
    dm
    Cb
    Cm
    在膜分离过程中，大分子溶质被膜所截留并不断累积在膜表面上，使溶质在膜面处的浓度Cm高于主体溶液中的浓度Cb，从而形成浓度差Cm-Cb，并促使溶质的反向扩散。这种现象称为浓差极化。
   
   
    Jw：水通量 K：传质系数 ＝D/dm
   
    当Cm增加到Cg时，膜面大分子物质生成凝胶层。一旦凝胶层形成，透水量并不因压力的增加而增加。
    Rm:膜阻力； Rg：凝胶层阻力
   
    减缓浓差极化现象的措施：（1）提高料液流速，增加膜面的紊动程度；（2）对膜面不断清洗；（3）控制料液浓度
    三、应用
    1．给水
    1）去除细菌、胶体等物质。家庭用膜式净水器
    2）与反渗透联合制备纯水
    2．废水
    1）回收分离有用物：涂料、羊毛脂、染料、纸浆等
    2）废水深度处理
    3）膜－生物反应器