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。

第2节电渗析

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 M_B /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

M_B：物质的摩尔质量

依据法拉第定律：m2=I t M_B/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

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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

第3节扩散渗析

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。

第4节反渗透

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。

第5节超滤

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。

一、超滤过程中的浓差极化

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/d_m

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

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2012/1/7 16:49:11 板凳管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

谢谢分享，资料不错

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2012/1/7 16:49:52 马扎管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

没有上过清华大学，但是在这里分享了学习课件。

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2012/1/7 20:30:18 地毯管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

分离溶质时一般叫渗析；分离溶剂时一般叫渗透。
这种技术在超纯水的制作上很广泛的。

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2012/1/7 20:33:13 地板管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

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。

这是主要的应用领域，现在总算明白了，以前老家有个泉水是碱水，政府投资了个净化水站，看来是1、2、3的综合利用啊，以前小，现在才明白这个原理。

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