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熟悉膜分離技術:電滲析、反滲透、超濾
2017-11-24
 

電滲析原理


滲析是指溶液中溶質通過半透膜的現象。自然滲析的推動力是半透膜兩側溶質的濃度差。在直流電場的作用下,離子透過選擇性離子交換膜的現象稱為電滲析。

離子交換膜是由高分子材料制成的對離子具有選擇透過性的薄膜。主要分陽離子交換膜(CM,簡稱陽膜)和陰離子交換膜(AM,簡稱陰膜)兩種。陽膜由于膜體固定基帶有負電荷離子,可選擇透過陽離子;陰膜由于膜體固定基帶有正電荷離子,可選擇透過陰離子。陽膜透過陽離子,陰膜透過陰離子的性能稱為膜的選擇透過性。

電滲析過程最基本的工作單元稱為膜對。一個膜對構成一個脫鹽室和一個濃縮室。一臺實用電滲析器由數百個膜對組成。

圖1簡明地示出電滲析器工作原理。

電滲析器的主要部件為陰、陽離子交換膜,隔板與電極三部分。隔板構成的隔室為液流經過的通道。淡水經過的隔室為脫鹽室,濃水經過的隔室為濃縮室。若把陰、陽離子交換膜與濃、淡水隔板交替排列,重復疊加,再加上一對端電極,就構成了一臺實用電滲析器。

若電滲析器各系統進液都為NaCl溶液,在通電情況下,淡水隔室中的Na+向陰極方向遷移,Cl-向陽極方向遷移,Na+與Cl-就分別透過CM與AM遷移到相鄰的隔室中去。這樣淡水隔室中的NaCl溶液濃度便逐漸降低。相鄰隔室,即濃水隔室中的NaCl溶液濃度相應逐漸升高,從電滲析器中就能源源不斷地流出淡化液與濃縮液。

淡水水路系統、濃水水路系統與極水水路系統的液流由水泵供給,互不相混,并通過特殊設計的布、集水機構使其在電滲析內部均勻分布,穩定流動。

從供電網供給的交流電,經整流器變為直流電,由電極引入電滲析器。經過在電極溶液界面上的電化學反應,完成由電子導電轉化為離子導電的過程。

用夾緊板緊固在一起的膜堆部分稱為電滲析器。電滲析要進行工作,必須有水泵、整流器等輔助設備,還必須有進水預處理設施。通常把電滲析器及輔助設備總稱為電滲析裝置。

就過程基本原理而言,電滲析技術至少有以下四方面的用途。

(1)從電解質溶液中分離出部分離子,使電解質溶液的濃度降低。如海水、苦咸水淡化制取飲用水與工業用水;工業用初級純水的制備;廢水處理等。特別苦咸水淡化是目前電滲析技術最成熟、應用最廣泛的領域。

(2)把溶液中部分電解質離子轉移到另一溶液系統中去,并使其濃度增高。海水濃縮制鹽是這方面成功應用的典型例子。又如化工產品的精制、工業廢液中有用成分的回收等也屬于這方面的應用。

(3)從有機溶液中去除電解質離子。目前主要用于食品和醫藥工業。在乳清脫鹽、糖類脫鹽和氨基酸精制中應用得比較成功。

(4)電解質溶液中同電性具有不同電荷的離子的分離和同電性同電荷離子的分離。使用只允許一價離子透過的離子交換膜濃縮海水制鹽,是前者工業化應用的實例;后者因無實用的膜,處于開發研究階段,如鹵水中鋰的分離已研究多年。


反滲透原理

 

反滲透又稱逆滲透,一種以壓力差為推動力,從溶液中分離出溶劑的膜分離操作。對膜一側的料液施加壓力,當壓力超過它的滲透壓時,溶劑會逆著自然滲透的方向作反向滲透。從而在膜的低壓側得到透過的溶劑,即滲透液;高壓側得到濃縮的溶液,即濃縮液。若用反滲透處理海水,在膜的低壓側得到淡水,在高壓側得到鹵水。

反滲透裝置(簡稱 RO裝置)在除鹽系統中屬關鍵設備,裝置利用膜分離技術除去水中大部份離子、SiO2等,大幅降低 TDS、減輕后續除鹽設備的運行負荷。RO 是將原水中的一部分沿與膜垂直的方向通過膜,水中的鹽類和膠體物質

將在膜表面濃縮,剩余一部分原水沿與膜平行的方向將濃縮的物質帶走,在運行過程中自清洗。膜元件的水通量越大,回收率越高則其膜表面濃縮的程度越高,由于濃縮作用,膜表面處的物質溶度高于主體水流中物質濃度,產生所謂的濃差極化現象。濃差極化會使膜表面鹽的濃度高,增大膜的滲透壓,引起鹽透過率增大,為提高給水的壓力而需要多消耗能量,因此在運行過程中必須采用合適的措施(例如增大濃水側水的湍流度)減少濃差極化的程度。

RO膜進水水質標準

進水壓力≥0.2MPa

進水溫度5~40℃

進水pH=4~9

總溶解性固體TDS≤1000mg/L

余氯≤0.05mg/L

SDI≤5

總鐵Fe≤0.1mg/L

COD≤1.5mg/L

TOC≤2mg/L

NTU≤0.5mg/L

影響反滲透性能的因素

1.進水水質的影響

a、色度、濁度和膠體有機物:懸浮物和膠體物質非常容易堵塞RO膜,使透水率很快下降,脫鹽率降低;

b、氧化劑:氧化劑會使復合膜性能惡化,水中含游離氯時,通常用活性炭吸附或加注還原劑,使游離氯還原到指標值以下;

c、PH值:控制PH值的目的主要是防止(CaCO3)析出后形成水垢;

d、鐵、錳、鋁等重金屬氧化物:其含量高時,在膜表面易形成氫氧化物膠體,產生沉積現象;

e、細菌、微生物:細菌繁殖會污染膜并惡化水質;

f、硫酸根(SO42-),二氧化硅(SiO2):水中含有多量硫酸根時,易產生硫酸鈣沉淀,含有多量SiO2時,也易產生沉淀,為防止沉淀,當濃水CaSO4溶度積>19×10-5時,可加注六偏磷酸鈉,盡量避免濃水中SiO2含量超過100mg/L。

2.運行因素的影響

a、壓力

滲透液通量隨作用壓力成線型增加,而滲透液的含鹽量隨作用壓力而減少。

b、溫度

若其他參數保持固定只增加溫度,滲透液通量及鹽通過量都隨之增加,但滲透液通量變化更為明顯(見圖3),一般來說,溫度每提高1℃,透水量增加1-3%,而一般膜的額定通量是在25℃時給出的,下表8標示了不同溫度下產水量修正系數。

實際產水量=額定產水量(25℃時)/修正系數。


超濾原理

 

超濾是采用中空纖維過濾新技術,配合三級預處理過濾清除自來水中雜質;超濾微孔小于0.01微米,能徹底濾除水中的細菌、鐵銹、膠體等有害物質,保留水中原有的微量元素和礦物質。

超濾是一種加壓膜分離技術,即在一定的壓力下,使小分子溶質和溶劑穿過一定孔徑的特制的薄膜,

而使大分子溶質不能透過,留在膜的一邊,從而使大分子物質得到了部分的純化。超濾原理也是一種膜分離過程原理,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30000—10000的物質。當被處理水借助于外界壓力的作用以一定的流速通過膜表面時,水分子和分子量小于300—500的溶質透過膜,而大于膜孔的微粒、大分子等由于篩分作用被截留,從而使水得到凈化。也就是說,當水通過超濾膜后,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。

超濾原理并不復雜。在超濾過程中,由于被截留的雜質在膜表面上不斷積累,會產生濃差極化現象,當膜面溶質濃度達到某一極限時即生成凝膠層,使膜的透水量急劇下降,這使得超濾的應用受到一定程度的限制。為此,需通過試驗進行研究,以確定最佳的工藝和運行條件,最大限度地減輕濃差極化的影響,使超濾成為一種可靠的反滲透預處理方法。



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