膜分離法原理

根據(jù)溶質(zhì)或溶劑透過(guò)膜的推動(dòng)力和膜種類不同

水處理中膜分離法通?？梢苑譃椋弘姖B析、反滲透、超濾、微濾、納濾。

一是無(wú)論厚度多少都必須有兩個(gè)界面，兩個(gè)界面分別與兩側(cè)流體相接觸，二是要具有選擇透過(guò)性，可允許一側(cè)流體中一種或幾種物質(zhì)通過(guò)，而不允許其他物質(zhì)通過(guò)

利用膜的選擇透過(guò)性能將離子或分子或某些微粒從水中分離出來(lái)的過(guò)程。用膜分離溶液時(shí)，使溶質(zhì)通過(guò)膜的方法稱為滲析，使溶劑通過(guò)膜的方法稱為滲透。

膜分離法原理在常溫下進(jìn)行

有效成分損失極少，特別適用于熱敏性物質(zhì)，如抗生素等醫(yī)藥、果汁、酶、蛋白的分離與濃縮

膜分離法原理無(wú)相態(tài)變化

保持原有的風(fēng)味，典型的物理分離過(guò)程，不用化學(xué)試劑和添加劑，產(chǎn)品不受污染

膜分離法原理選擇性好

可在分子級(jí)內(nèi)進(jìn)行物質(zhì)分離，具有普遍濾材無(wú)法取代的卓越性能

膜分離法原理適應(yīng)性強(qiáng)

處理規(guī)?？纱罂尚?，可以連續(xù)也可以間隙進(jìn)行，工藝簡(jiǎn)單，操作方便，易于自動(dòng)化

膜分離法原理能耗低

只需電能驅(qū)動(dòng)，能耗極低，其費(fèi)用約為蒸發(fā)濃縮或冷凍濃縮的1/3-1/82100433B

膜分離是指利用膜的選擇透過(guò)性能將離子或分子或某些微粒從水中分離出來(lái)的過(guò)程。用膜分離溶液時(shí)，使溶質(zhì)通過(guò)膜的方法稱為滲析，使溶劑通過(guò)膜的方法稱為滲透。根據(jù)溶質(zhì)或溶劑透過(guò)膜的推動(dòng)力和膜種類不同，膜分離法通?？梢苑譃殡姖B析、反滲透、超濾及微濾。而膜技術(shù)主要有氣膜法和液膜法兩種。

膜分離法處理提金氰化廢水是指利用疏水性材料制成只允許小分子CN通過(guò)的膜材料來(lái)分離溶液中的CN^-，膜的另一側(cè)則以NaOH溶液吸收，達(dá)到提純、富集、分離的目的。采用膜技術(shù)分離、濃縮氰化廢水中的氰化物，既可以回收廢水中的氰化物和貴重金屬，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和競(jìng)爭(zhēng)力，又可以減少污染，確保環(huán)境安全 。

膜分離技術(shù)主要包括透析、超濾及反滲透、微濾、電滲析、液膜技術(shù)、氣體滲透和滲透蒸發(fā)等方法，應(yīng)用最廣泛的是超濾和反滲透 。

膜分離法微濾

與常規(guī)過(guò)濾相比，微濾屬于精密過(guò)濾，它是截留溶液中的砂礫、淤泥、黏土等顆粒和賈第蟲(chóng)、隱孢子蟲(chóng)、藻類和一些細(xì)菌等，而大量溶劑、小分子及少量大分子溶質(zhì)都能透過(guò)膜的分離過(guò)程。微濾操作有死端過(guò)濾和錯(cuò)流(又稱切線流)過(guò)濾兩種形式。死端過(guò)濾主要用于固體含量較小的流體和一般處理規(guī)模，膜大多數(shù)被制成一次性的濾芯。錯(cuò)流過(guò)濾對(duì)于懸浮粒子大小、濃度的變化不敏感，適用于較大規(guī)模的應(yīng)用，這類操作形式的膜組件需要經(jīng)常進(jìn)行周期性的清洗或再生。

微濾膜分離過(guò)程是在流體壓力差的作用下，利用膜對(duì)被分離組分的尺寸選擇性，將膜

孔能截留的微粒及大分子溶質(zhì)截留，而使膜孔不能截留的粒子或小分子溶質(zhì)透過(guò)膜。微濾膜的截留機(jī)理因其結(jié)構(gòu)上的差異而不盡相同，大體可分為：

(1) 機(jī)械截留作用。膜具有截留比其孔徑大或與其孔徑相當(dāng)?shù)奈⒘５入s質(zhì)的作用，即篩分作用。

(2) 吸附截留作用。膜表面的所荷電性及電位也會(huì)影響到其對(duì)水中顆粒物的去除效果。水中顆粒物一般表面荷負(fù)電，膜的表面所帶電荷的性質(zhì)及大小決定其對(duì)水中顆粒物產(chǎn)生靜電力的大小。此外，膜表面力場(chǎng)的不平衡性，也會(huì)使得膜本身具有一定的物理吸附性能。

(3) 架橋作用。粒徑大于膜孔的顆粒會(huì)在膜的表面形成濾餅層，起到架橋的作用。這樣就使得膜能夠?qū)⒘叫∮谀た椎哪承┪镔|(zhì)也能截留下來(lái)。

(4) 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部截留作用。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)型膜，其截留作用以網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部截留作用為主。這種截留作用是指將微粒截留在膜的內(nèi)部，而不是在膜的表面。

膜分離法超濾

超濾是在壓差推動(dòng)力作用下進(jìn)行的篩孔分離過(guò)程，它介于納濾和微濾之間，膜孔徑范圍在1nm～0.055m之間。最早使用的超濾膜是天然動(dòng)物的臟器薄膜。直至20世紀(jì)70年代，超濾從實(shí)驗(yàn)規(guī)模的分離手段發(fā)展成為重要的工業(yè)分離單元操作技術(shù)，工業(yè)應(yīng)用發(fā)展十分迅速。

超濾所分離的組分直徑為5nm～10m分，可分離相對(duì)分子質(zhì)量大于500的大分子和膠體。這種液體的滲透壓很小，可以忽略。因而采用的操作壓力較小，一般為0.1～0.5MPa，所用超濾膜多為非對(duì)稱膜，通常由表皮層和多孔層組成。表皮層較薄，其厚度一般小于1所用，其膜孔徑較小，主要起篩分作用。多孔層厚度較大，一般為125主要左右，主要起支撐作用。膜的水透過(guò)通量為0.5～5.0m³/(m²·m）。從膜的結(jié)構(gòu)上來(lái)講，超濾的分離機(jī)理主要包括篩分理論，即原料液中的溶劑和小的溶質(zhì)粒子從高壓料液側(cè)透過(guò)膜到低壓側(cè)，而大分子及微粒組分則被膜截留形成濃縮液，通過(guò)膜孔對(duì)原料液中顆粒物及大分子的篩分作用，將污染物質(zhì)截留去除。

在實(shí)際情況中，超濾膜對(duì)污染物質(zhì)的去除并不能都由篩分理論解釋。某些情況下，超濾膜材料的表面化學(xué)特性起到了決定性的作用。在一些超濾過(guò)程中，超濾膜孔徑大于溶質(zhì)的粒徑，但仍能將溶質(zhì)截留下來(lái)?？梢?jiàn)，超濾膜的分離性能是由膜孔徑和膜的表面化學(xué)性質(zhì)綜合決定的。用于衡量超濾膜性能的基本參數(shù)包括截留分子量曲線和純水滲透率。超濾膜對(duì)具有相似化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同相對(duì)分子質(zhì)量的化合物的截留率所得的曲線稱為截留分子量曲線。根據(jù)截留分子量曲線可知截留量大于90%或95%的相對(duì)分子質(zhì)量，該相對(duì)分子質(zhì)量即為截留分子量。在截留分子量附近，截留分子量曲線越陡，膜的分離性能越好。

膜分離法納濾

納濾是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來(lái)的一種介于反滲透和超濾之間的新型膜分離技術(shù)。納濾膜的截留相對(duì)分子質(zhì)量在200～1000之間，膜孔徑約為1nm左右，適宜分離大小約為1nm的溶解組分，故稱為納濾。納濾的操作壓力通常為0.5～1.0MPa，一般比反滲透低0.5～3MPa，并且由于其對(duì)料液中無(wú)機(jī)鹽的分離性能，因此納濾又被稱為“疏松反滲透”或“低壓反滲透”。納濾技術(shù)是為了適應(yīng)工業(yè)軟化水及降低成本的需要而發(fā)展起來(lái)的一種新型的壓力驅(qū)動(dòng)膜過(guò)濾。

納濾膜分離在常溫下進(jìn)行，無(wú)相變，無(wú)化學(xué)反應(yīng)，不破壞生物活性，能有效地截留二價(jià)及高價(jià)離子和相對(duì)分子質(zhì)量高于200的有機(jī)小分子，而使大部分一價(jià)無(wú)機(jī)鹽透過(guò)，可分離同類氨基酸和蛋白質(zhì)，實(shí)現(xiàn)高分子量和低分子量有機(jī)物的分離，且成本比傳統(tǒng)工藝低，因而被廣泛應(yīng)用于超純水的制備、食品、化工、醫(yī)藥、生化、環(huán)保、冶金等領(lǐng)域的各種濃縮和分離過(guò)程。

納濾膜的一個(gè)顯著特征是膜表面或膜中存在帶電基團(tuán)，因此納濾膜分離具有兩個(gè)特性，即篩分效應(yīng)和電荷效應(yīng)。相對(duì)分子質(zhì)量大于膜的截留分子量的物質(zhì)被膜截留，反之則透過(guò)，這就是膜的篩分效應(yīng)。膜的電荷效應(yīng)又稱為Donnan效應(yīng)，是指離子與摸所帶電電荷的靜電相互作用。對(duì)不帶電荷的分子的過(guò)濾主要靠篩分效應(yīng)。利用篩分效應(yīng)可以將不同相對(duì)分子質(zhì)量的物質(zhì)分離；而對(duì)帶有電荷的物質(zhì)的過(guò)濾主要依靠荷電效應(yīng)。

納濾與超濾、反滲透一樣，均是以壓力差為驅(qū)動(dòng)力的膜過(guò)程，但其傳質(zhì)機(jī)理有所不同。一般認(rèn)為，超濾膜由于孔徑較大，傳質(zhì)過(guò)程主要為篩分效應(yīng)；反滲透膜屬于無(wú)孔膜，其傳質(zhì)過(guò)程為溶解-擴(kuò)散過(guò)程(靜電效應(yīng))；納濾膜存在納米級(jí)微孔，且大部分荷負(fù)電，對(duì)無(wú)機(jī)鹽的分離行為不僅受化學(xué)勢(shì)控制，同時(shí)也受電勢(shì)梯度的影響。

對(duì)于純電解質(zhì)溶液，同性離子會(huì)被帶電的膜活性層所排斥，而如果同性離子為多價(jià)，則截留率會(huì)更高。同時(shí)為了保持電荷平衡，反離子也會(huì)被截留，導(dǎo)致電遷移流動(dòng)與對(duì)流方向相反，但是，帶多價(jià)反離子的共離子較帶單價(jià)反離子的共離子的截留率要低，這可能是由多價(jià)反離子對(duì)膜電荷的吸附和屏蔽作用所致。對(duì)于兩種同性離子混合物溶液，根據(jù)唐南理論，與它們各自的單純鹽溶液相比，多價(jià)共離子比單價(jià)共離子更容易被截留。兩種共離子的混合液，由于它們遷移率的不同，使低遷移率的反離子的截留逐漸減少而高遷移率的反離子的濃度增加，造成電流和電遷移的“抵消”。

納濾膜對(duì)極性小分子有機(jī)物的選擇性截留是基于溶質(zhì)的尺寸和電荷。溶質(zhì)的傳遞可以理解為以下兩步：第一步，根據(jù)離子所帶的電荷選擇性地吸附在膜的表面；第二步，在擴(kuò)散、對(duì)流、電泳移動(dòng)性的共同作用下傳遞通過(guò)膜。

膜分離法反滲透

溶劑與溶液被半透膜隔開(kāi)，半透膜兩側(cè)壓力相等時(shí)，純?nèi)軇┩ㄟ^(guò)半透膜進(jìn)入溶液側(cè)使溶液濃度變低的現(xiàn)象稱為滲透。此時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)從純?nèi)軇﹤?cè)通過(guò)半透膜進(jìn)入溶液側(cè)的溶劑分子數(shù)目多于從溶液側(cè)通過(guò)半透膜進(jìn)入溶劑側(cè)的溶劑分子數(shù)目，使得溶液濃度降低。當(dāng)單位時(shí)問(wèn)內(nèi)，從兩個(gè)方向通過(guò)半透膜的溶劑分子數(shù)目相等時(shí)，滲透達(dá)到平衡。如果在溶液側(cè)加上一定的外壓，恰好能阻止純?nèi)軇﹤?cè)的溶劑分子通過(guò)半透膜進(jìn)入溶液側(cè)，則此外壓稱為滲透壓。滲透壓取決于溶液的系統(tǒng)及其濃度，且與溫度有關(guān)，如果加在溶液側(cè)的壓力超過(guò)了滲透壓，則使溶液中的溶劑分子進(jìn)入純?nèi)軇﹥?nèi)，此過(guò)程稱為反滲透。

反滲透膜分離過(guò)程是利用反滲透膜選擇性地透過(guò)溶劑(通常是水)而截留離子物質(zhì)的性質(zhì)，以膜兩側(cè)的靜壓差為推動(dòng)力，克服溶劑的滲透壓，使溶劑通過(guò)反滲透膜而實(shí)現(xiàn)對(duì)液體混合物進(jìn)行分離的膜過(guò)程。因此，反滲透膜分離過(guò)程必須具備兩個(gè)條件：一是具有高選擇性和高滲透性的半透膜；二是操作壓力必須高于溶液的滲透壓。

反滲透膜分離過(guò)程可在常溫下進(jìn)行，且無(wú)相變、能耗低，可用于熱敏感性物質(zhì)的分離、濃縮；可以有效地去除無(wú)機(jī)鹽和有機(jī)小分子雜質(zhì)；具有較高的脫鹽率和較高的水回用率；膜分離裝置簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；分離過(guò)程要在高壓下進(jìn)行，因此需配備高壓泵和耐高壓管路；反滲透膜分離裝置對(duì)進(jìn)水指標(biāo)有較高的要求，需對(duì)原水進(jìn)行一定的預(yù)處理；分離過(guò)程中，易產(chǎn)生膜污染，為延長(zhǎng)膜使用壽命和提高分離效果，要定期對(duì)膜進(jìn)行清洗。

膜分離法電滲析

人們很早就發(fā)現(xiàn)，一些動(dòng)物膜如膀胱膜、羊皮紙(一種把羊皮刮薄做成的紙)，有分隔水溶液中某些溶解物質(zhì)(溶質(zhì))的作用。例如，食鹽能透過(guò)羊皮紙，而糖、淀粉、樹(shù)膠等則不能。如果用羊皮紙或其他半透膜包裹一個(gè)穿孔杯，杯中滿盛鹽水，放在一個(gè)盛放清水的燒杯中，隔上一段時(shí)問(wèn)．會(huì)發(fā)現(xiàn)燒杯內(nèi)的清水帶有成味，表明鹽的分子已經(jīng)透過(guò)羊皮紙或半透膜進(jìn)入清水。如果把穿孔杯中的鹽水換成糖水，則會(huì)發(fā)現(xiàn)燒杯中的清水不會(huì)帶甜味。顯然，如果把鹽和糖的混合液放在穿孔杯內(nèi)，并不斷地更換燒杯里的清水，就能把穿孔杯中混合液內(nèi)的食鹽基本上都分離出來(lái)，使混合液中的糖和鹽得到分離，這種方法稱為滲析法。滲析時(shí)外加直流電場(chǎng)常?？梢约铀傩‰x子自膜內(nèi)向膜外的擴(kuò)散，稱為電滲析。

起滲析作用的薄膜，因其對(duì)溶質(zhì)的滲透性有選擇作用，故稱為半透膜。近年來(lái)半透膜有很大的發(fā)展，出現(xiàn)很多由高分子化合物制造的人造薄膜，不同的薄膜有不同的選擇滲析性。半透膜的滲析作用有三種類型：

1 依靠薄膜中孔道的大小分離大小不同的分子或粒子；

2 依靠薄膜的離子結(jié)構(gòu)分離性質(zhì)不同的離子，如用陽(yáng)離子交換樹(shù)脂做成的薄膜可以透過(guò)陽(yáng)離子，叫陽(yáng)離子交換膜，用陰離子樹(shù)脂做成的薄膜可以透過(guò)陰離子，稱為陰離子交換膜；

3 依靠薄膜有選擇地溶解性分離某些物質(zhì)，如醋酸纖維膜有溶解某些液體和氣體的性能，而使這些物質(zhì)透過(guò)薄膜。一種薄膜只要具備上述三種作用之一，就能有選擇地讓某些物質(zhì)透過(guò)而成為半透膜。在廢水處理中最常用的半透膜是離子交換膜。

膜分離法滲透汽化

滲透汽化最先由Kober于本世紀(jì)初提出，是近年來(lái)發(fā)展比較迅速的一種膜技術(shù)，它是利用膜對(duì)液體混合物中各組分的溶解性不同，及各組分在膜中的擴(kuò)散速度不同從而達(dá)到分離目的。原則上，滲透汽化適用于一切液體混合物的分離，具有一次性分離度高、設(shè)備簡(jiǎn)單、無(wú)污染、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，尤其是對(duì)于共沸或近沸的混合體系的分離、純化具有特別的優(yōu)勢(shì)，是最有希望取代精餾過(guò)程的膜分離技術(shù)。

按照形成膜兩側(cè)蒸氣壓差的方法，滲透汽化主要有以下幾種形式：

(1) 減壓滲透汽化。膜透過(guò)側(cè)用真空泵抽真空，以造成膜兩側(cè)組分的蒸氣壓差。在實(shí)驗(yàn)室中若不需收集透過(guò)側(cè)物料，用該法最方便。

(2) 加熱滲透汽化。通過(guò)料液加熱和透過(guò)側(cè)冷凝的方法，形成膜兩側(cè)組分的蒸氣壓差。一般冷凝和加熱費(fèi)用遠(yuǎn)小于真空泵的費(fèi)用，且操作也比較簡(jiǎn)單，但傳質(zhì)動(dòng)力比減壓滲透汽化小。

(3) 吹掃滲透汽化。用載氣吹掃膜的透過(guò)側(cè)，以帶走透過(guò)組分，吹掃氣需經(jīng)冷卻冷凝，以回收透過(guò)組分，載氣循環(huán)使用。

(4) 冷凝滲透汽化。當(dāng)透過(guò)組分與水不互溶時(shí)，可用低壓水蒸氣作為吹掃載氣，冷凝后水與透過(guò)組分分層后，水經(jīng)蒸發(fā)器蒸發(fā)重新使用。滲透汽化與反滲透、超濾及氣體分離等膜分離技術(shù)的最大區(qū)別在于物料透過(guò)膜時(shí)將產(chǎn)生相變。因此在操作過(guò)程中必須不斷加入至少相當(dāng)于透過(guò)物汽化潛熱的熱量，才能維持一定的操作溫度 。2100433B