膜分离技术ppt课件.ppt
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1、.1膜分离技术及其应用膜分离技术及其应用 山东格瑞水务有限公司山东格瑞水务有限公司.2膜分离发展过程和趋势可用?可用?高增长高增长低增长低增长透析透析微滤微滤超滤超滤反渗透反渗透电渗析电渗析控制释放控制释放气体分离气体分离渗透汽化渗透汽化双极膜双极膜液膜液膜膜反应器膜反应器闸膜闸膜活化传递活化传递山东格瑞水务有限公司.3微滤微滤 0.1-100.1-10 m m:细菌、煤灰、发酵细胞、颜料、蛋白等超滤超滤 0.005-0.005-0.10.1 m m:蛋白、颜料、多糖、大分子纳滤纳滤 0.0005-0.0050.0005-0.005 m m:低聚糖、染料、多价离子反渗透反渗透0.0001-0.
2、0010.0001-0.001 m m:电解质、大于100Da的有机溶质水、小于100Da100Da的有机溶质 膜的适用范围山东格瑞水务有限公司.4膜膜料液料液水水 小分小分子子大分子大分子渗透液渗透液定义:定义:具有选择性分离的功能具有选择性分离的功能薄膜材料。薄膜材料。 “21“21世纪的多数工业中,世纪的多数工业中,膜技术扮演着战略的角色膜技术扮演着战略的角色”“谁掌握了膜技术,谁就谁掌握了膜技术,谁就掌握了掌握了2121世纪的未来世纪的未来”膜的简介山东格瑞水务有限公司.5报告内容n膜技术简介 发展历史 专业术语 应用实例n典型膜过程 反渗透 超滤 微滤n陶瓷膜技术 山东格瑞水务有限公
3、司.6 膜的发展历史n1748年Abble Nelkt 发现水能自然地扩散到装有酒精的猪膀胱内,首次揭示了膜分离现象;n1827年Dutrochet引入名词渗透(Osmosis);n1861年Schmidt提出超滤概念;n1864年Traube成功研制了人类历史上第一张人造膜(亚铁氰化铜膜)n1918年Zsigmondy提出了商品微滤膜的制备方法,并将其应用于微生物、微粒等方面的分离和富集;n1950年W.Juda成功研制了第一张具有实用价值的离子交换膜;n1960年Loeb 和Sourirajan研制出第一张不对称的醋酸纤维素反渗透膜,导致了膜分离技术进入了实用和装置的研制阶段;n1967年
4、以后在美国、丹麦、日本等国出现了多家膜及其组件的生产厂家,逐渐开始了膜分离技术的规模应用。山东格瑞水务有限公司.7n我国1958年开始研究离子交换膜和电渗析,1966年开始研究RO、UF、MF、液膜、气体分离等膜分离过程应用与开发研究。80年代后期又陆续开展了渗透汽化、膜萃取、膜蒸馏和膜反应等新膜过程的研究,并着手进行膜技术的推广应用工作。n国内主要的膜研究和推广单位:1)气体分离:大连化学物理研究所(天邦膜公司)2)液体分离:杭州水处理技术中心(西斗门公司) 天津纺织工学院(膜天公司)3)无机膜:南京工业大学(久吾高科) 中国科技大学 膜的发展历史山东格瑞水务有限公司.8 膜的发展历史山东格
5、瑞水务有限公司.9膜的简介n特征特征:具有选择性分离的功具有选择性分离的功能薄膜材料,以及以其为核心能薄膜材料,以及以其为核心的装置、过程、工艺的集成与的装置、过程、工艺的集成与应用应用n特点特点:n无相变、低能耗无相变、低能耗 n高效率、污染小高效率、污染小n工艺简单、操作方便工艺简单、操作方便n便于与其它技术集成便于与其它技术集成浓缩液浓缩液进料液进料液渗透液渗透液山东格瑞水务有限公司.10膜的分类山东格瑞水务有限公司.11膜的适用范围n分离对象的粒径分布分离对象的粒径分布山东格瑞水务有限公司.12膜元件 山东格瑞水务有限公司.13膜元件山东格瑞水务有限公司.14膜分离的形式错流过滤 终端
6、过滤 污染严重错流过滤污染轻膜过程的一些术语山东格瑞水务有限公司.15膜过程的一些术语n错流过滤 FeedR etentateC rossflow m em brane m oduleR ecirculation loopP1P3P2Permeate山东格瑞水务有限公司.16n错流过滤的优点:(1)便于连续化操作过程中控制循环比;(2)流体流动平行于过滤表面,产生的表面剪切力带走膜表面的沉积物,防止污染层积累,使之处于动态平衡,从而有效地改善液体分离过程,使过滤操作可以在较长的时间内连续进行;(3)错流过滤所产生的流体剪切力和惯性举力能促进膜表面的溶质向流体主体的反向运动,提高了过滤速度。膜过
7、程的一些术语山东格瑞水务有限公司.17膜过程的一些术语n通量:在一定操作条件下,单位时间通过单位面积膜的体积流量。单位L/m2.hn选择性:将混合物总的组分分离开来的能力。1)液体分离的选择性常用截留率表示: R1Cp/Cf2)气体分离或有机溶剂混合物的分离常用分离因子表示选择性:A/B(yA/yB)/(xA/xB),其中y表示渗透侧各组分的浓度,x表示原料侧的浓度。当A/B等于1,表示无法实现分离目的,大于1表示A组分通过膜的速度大于B组分。山东格瑞水务有限公司.18n通量衰减系数m:由于过程的浓差极化、膜的压密、膜污染等的影响,使得通量随时间的变化膜过程的一些术语山东格瑞水务有限公司.19
8、膜过程的一些术语n推动力: 1)对多孔膜而言,在对流流动的情况下,传质推动力是膜两侧的压力差。 膜压降:P1-P2,是由于流体流动引起的。 2)对致密膜而言,推动力为膜两侧的化学势之差。P1P2P3P(P1P2)/2P3山东格瑞水务有限公司.20膜过程的一些术语浓差极化:浓差极化:在膜分离过在膜分离过程中,一部分溶质被截程中,一部分溶质被截留,在膜表面及靠近膜留,在膜表面及靠近膜表面区域的浓度越来越表面区域的浓度越来越高,造成从膜表面到本高,造成从膜表面到本体溶液之间产生浓度梯体溶液之间产生浓度梯度,这一现象称为度,这一现象称为“浓浓差极化差极化”。 1 2 3 Cf Cm Cp 浓差 膜层
9、渗透侧 极化层 极化层山东格瑞水务有限公司.21n传递阻力:1)膜阻Rm:与膜本身的结构有关,包含膜层到支撑层的传递阻力;2)浓差极化阻力Rc:由于被截留组分在膜面浓度的增大而引起的;3)推动力的损失:进料侧和渗透侧的压力损失;4)膜污染阻力:由于物料中的成分对膜产生吸附、堵塞、以及沉积等现象而引起的。膜过程的一些术语山东格瑞水务有限公司.22nR Rm m 膜管本身阻力膜管本身阻力nR Ri i 膜孔内污染阻力膜孔内污染阻力 nR Rg g 凝胶层阻力凝胶层阻力nR Rc c 浓差极化阻力浓差极化阻力膜污染CguCbRm Ri Rg RcC膜污染阻力的概念模型膜污染阻力的概念模型 山东格瑞水
10、务有限公司.23膜过程的一些术语n膜污染:指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞,使膜产生渗透通量与分离特性的不可逆变化现象。n物理污染包括膜表面的沉积,膜孔内的阻塞,这与膜孔结构、膜表面的粗糙度、溶质的尺寸和形状等有关。n化学污染包括膜表面和膜孔内的吸附,这与膜表面的电荷性、亲水性、吸附活性点及溶质的荷电性、亲水性、溶解度等有关。 山东格瑞水务有限公司.24膜的用途n浓缩:目的产物以低浓度形式存在,因此需要除去溶剂;(截留物为产物)n纯化:除去杂质;n分离:将混合物分成两种或多种目的产物;n反应促进
11、:把化学反应或生化反应的产物连续取出,能提高反应速率或提高产品质量。山东格瑞水务有限公司.25膜的应用从从2020世纪初到世纪初到2020世纪世纪9090年代,膜技术基本已经从实验室年代,膜技术基本已经从实验室步入工业化,并在水处理、食品工业、环境保护、化工步入工业化,并在水处理、食品工业、环境保护、化工与石油化工、电子、冶金、国防与石油化工、电子、冶金、国防等领域得到成功的等领域得到成功的应用。目前全球膜产业的规模超过百亿美元,正以年应用。目前全球膜产业的规模超过百亿美元,正以年3030的速度递增着。的速度递增着。山东格瑞水务有限公司.26膜的应用膜海水淡化海水淡化工业废水处理工业废水处理城
12、市废水资源化城市废水资源化天然气天然气生物质利用生物质利用能源能源水资源水资源传统工业传统工业生态环境除尘除尘COCO2 2 控制控制制制 药药食食 品品化工与石化化工与石化电电 子子冶冶 金金燃料电池燃料电池洁净燃烧洁净燃烧山东格瑞水务有限公司.27膜技术的工业应用山东格瑞水务有限公司.28膜技术用于生物质资源开发n膜生物反应器技术取得间歇发酵可提高反应器效率膜生物反应器技术取得间歇发酵可提高反应器效率15158080倍倍n渗透汽化膜分离技术比传统共沸蒸馏节能渗透汽化膜分离技术比传统共沸蒸馏节能6060n生产装置总投资为传统分离方法总投资的生产装置总投资为传统分离方法总投资的404080%8
13、0% 650 kcal/l130 kcal/l7 wt%乙醇乙醇1380 kcal/l42 wt%乙醇乙醇93 wt%乙醇乙醇99.8 wt%乙醇乙醇980 kcal/l350 kcal/l(90 % ES)(33 % ES)纤维素纤维素发酵发酵蒸馏蒸馏蒸馏蒸馏脱水脱水透醇膜透醇膜60 wt%乙醇乙醇99.8 wt%乙醇乙醇透水膜透水膜传统过程传统过程:发酵速发酵速率低、能耗大率低、能耗大膜生物反应膜生物反应器:器:实现连实现连续生产,降续生产,降低操作成本低操作成本山东格瑞水务有限公司.29膜法海水淡化国家或地国家或地区区沙特沙特中国中国长海长海中国中国长岛长岛中国中国沧化沧化设备能力设备能
14、力m m3 3/d/d56800568001000100010001000180018000 0原水含盐原水含盐量量mg/Lmg/L43700437003500035000340034000 0130013000 0能耗能耗kwh/mkwh/m3 37 75 54.54.52.752.75产水成本产水成本RMB/mRMB/m3 34.884.886.696.695.135.131.831.83反渗反渗透淡透淡化厂化厂的能的能耗及耗及产水产水成本成本 几种几种分离分离方法方法能耗能耗比较比较山东格瑞水务有限公司.30膜法海水淡化嵊泗嵊泗1000吨吨/日反渗透海水淡化装置日反渗透海水淡化装置山东格
15、瑞水务有限公司.31膜法自来水厂巴瓦兹河巴瓦兹河梅里市梅里市1414万立方米万立方米/ /天的纳滤天的纳滤厂,每天厂,每天为巴黎附为巴黎附近近5050万居万居民提供民提供1414万吨饮用万吨饮用水水黎黎山东格瑞水务有限公司.32典型膜应用过程 反渗透n渗透与反渗透的区别: 渗透是水通过 半透膜,从低溶质浓度一侧到高溶质浓度一侧,直到两侧的水的化学位达到平衡。而反渗透是在推动力作用下,溶剂(水)从高溶质浓度一侧到低溶质浓度一侧,克服的是渗透压。n渗透压的 计算: 理想水溶液渗透压RTCsi 实际溶液iRTCsi Csi是溶质的浓度,mol/cm3山东格瑞水务有限公司.33典型膜应用过程 反渗透
16、半透膜纯水盐水纯水盐水纯水盐水hPA、渗透B、渗透平衡C、反渗透渗透、平衡渗透、反渗透示意图 山东格瑞水务有限公司.34典型膜应用过程 反渗透n一般而言,无机盐溶液的渗透压很高,含1g/l氯化钠的天然水,渗透压为0.07MPa,含35g/l氯化钠的海水,渗透压为2.5MPa。n反渗透是以压力差为推动力的分离操作,其功能是截留离子物质而仅透过溶剂。n反渗透不是渗透的逆过程,两者同样是在等温条件下溶剂从高化学位到低化学位的迁移过程。n反渗透将料液分成两部分:透过膜的是含溶质很少的溶剂,称为渗透液;未透过膜的液体,溶质浓度增高,称为浓缩液。n1784年Abble Nollet用猪膀胱作透过试验,发现
17、渗透现象;n1953年C.E.Reid提出用反渗透法淡化海水的方案;n1960年Loeb 和S.Sourirajan制成第一张非对称结构的醋酸纤维素膜,反渗透技术进入实用化阶段。n反渗透过程可以分为三类: 高压反渗透(5.6-10.5MPa), 低压反渗透(1.0-4.2MPa), 纳滤(0.3-1.0MPa)。山东格瑞水务有限公司.35典型膜应用过程 反渗透分离机理n反渗透膜上的微孔孔径约为 2nm,而无机盐离子的直径仅为0.1-0.3nm,水合离子的直径为0.3-0.6nm,明显小于孔径,无法用分子筛分原理来解释分离现象。nS.Sourirajan提出了优先吸附毛细管流动模型来解释非荷电膜
18、的分离;荷电膜分离机理着重考虑的是膜与分离对象之间的Donnan效应。n溶解扩散模型:膜是无孔的“完整的膜”山东格瑞水务有限公司.36典型膜应用过程 反渗透膜低压渗透侧Jw=水通量Cw=渗透液溶质浓度Qp渗透流量JwACr截留液中溶质浓度Qr截留液流量高压侧p-膜的推动力Cb主体溶质浓度Cm膜面溶质浓度供料截留液渗透液Qi=进料流量Ci=溶质浓度反渗透过程示意图反渗透过程用三个参数来评价:R表观截留率1-w/CiJw=渗透通量单位面积上的渗透流量r回收率间歇系统:r= Jw A t / V连续系统:r= Jw A /Qi山东格瑞水务有限公司.37典型膜应用过程 反渗透反渗透膜:n高操作压力:3
19、10MPa;n要求膜必须有高透水率,高脱盐率;n耐一定的酸碱、耐微生物、耐压密;n必须满足工艺要求、性质稳定,能长期使用。n形状:平板膜、管式膜、卷式膜、中空纤维膜n主要膜材料:醋酸纤维素、芳香聚酰胺、聚砜膜组件n反渗透过程的经济性和应用性,取决于各种廉价的反渗透膜组件。n主要有:管式、板式、中空纤维、卷式n卷式组件的销售占反渗透市场总量的70,中空纤维组件占26,管式、板框组件的销售量较小。n组件必须满足:1)机械强度:必须承受高压,及周期性的减压与膜清洗;2)水力性能好:组件设计必须使膜的污染和浓差极化最小;3)经济性:组件寿命必须长;4)制造费用低,易于替换。山东格瑞水务有限公司.38典
20、型膜应用过程 反渗透山东格瑞水务有限公司.39典型膜应用过程 反渗透山东格瑞水务有限公司.40典型膜应用过程 反渗透山东格瑞水务有限公司.41典型膜应用过程 反渗透过程设计1、原则:n设计变量:组件的流体力学和流速、水的特性(溶质浓度和扩散性、渗透压、粘度等)、操作压力、水回收率、污染指数。n设计过程中应考虑因素:1)溶液变量:悬浮固体、可溶性无机物、微生物、可溶性有机物、有机溶剂、氧化性化学试剂、温度、pH2)最低预处理要求 SDI53)膜的变量:膜材料和组件形式、组件中的流速、压力降、说回收率和浓度、最小运行通量和最大通量、组件排列、清洗要求4)膜与其他过程的结合;5)膜的性能随长期运行会
21、发生变化,随时间的延长,通量和脱盐率发生明显的变化,一般膜的寿命3-5年;山东格瑞水务有限公司.42典型膜应用过程 反渗透2、料液预处理n每个反渗透系统都包含了一定程度的供料预处理系统。n其目的为:延长膜的寿命、防止膜污染、保持系统的去除率和回收率。n与预处理相关的投资成本和操作费用占总生产成本的50。n预处理程度取决于:膜组件的类型、料液组成、系统要求达到的性能。n预处理的方法:1)防止化学损伤膜的预处理n供给水的氯浓度和pH会对膜产生化学损伤。聚酰胺类膜不耐氯,醋酸纤维素特别要控制pH,在pH7的条件下水解特别快。n脱氯常用方法:a、用NaHSO3处理;b、炭过滤c、用SO2气体处理。np
22、H的调整一般用H2SO4或NaOH山东格瑞水务有限公司.43典型膜应用过程 反渗透山东格瑞水务有限公司.44典型膜应用过程 反渗透n脱盐装置的共同单元:n供给水吸入系统n预处理系统n反渗透膜n产品水后处理n动力回收系统水源供水泵预处理系统高压泵反渗透膜单元后处理系统分配汽提、消毒能量回收系统浓液排放典型脱盐系统单元可降低能耗2540冲击式水轮泵反转泵山东格瑞水务有限公司.45典型膜应用过程 反渗透海水氯气FeClSO4阳离子聚电介质搅拌槽絮凝槽重力过滤器活性炭过滤器氯气0.5m筒式过滤器阻垢剂 加酸(H2SO4)去膜组件海水淡化预处理系统0.5m筒式过滤器去膜组件深进水加酸阻垢剂软化水处理中的
23、预处理山东格瑞水务有限公司.46 典型膜应用过程 反渗透浓缩液4段渗透液3段渗透液1段渗透液2段渗透液产品水高水回收率的反渗透级联工艺山东格瑞水务有限公司.47典型膜应用过程 反渗透应用1、海水和苦咸水淡化2、废水和有害废水的处理n工业废水n市政废水3、化学加工工业的应用n电镀和金属抛光工业n造纸工业n纺织工业n石油工业n电力工业4、食品加工工业的应用n水处理n产品回收n浓缩和脱水n分馏5、地下水和地表水的处理6、纳滤的应用n废水处理n产品脱盐浓缩山东格瑞水务有限公司.48典型膜应用过程 反渗透n反渗透过程已成功使用30多年,据统计,在全世界所有淡化过程生产11.5106m3/d的饮用水中,反
24、渗透占23.4%。n优点:能耗和投资运行费用低,占地小,设备腐蚀轻,易建造、操作、维修,建厂时间短。n海水淡化在沙特至少有6套,产水2300-57000 m3/d,苦咸水淡化13套,3500-53000 m3/d。山东格瑞水务有限公司.49 典型膜应用过程 反渗透山东格瑞水务有限公司.50典型膜应用过程 反渗透山东格瑞水务有限公司.51典型膜应用过程 超滤定义n超滤膜是按分子大小而去除的压力推动膜过程。一般孔径 为2 - 50nm,能够截留分子量300 - 500000道尔顿的物质。一般物质的大小相差10倍时,分离效果最佳。所能除去的物质包括糖、生物分子、高分子聚合物、胶体物质。超滤的一般操作
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