双极膜原理构造国内外应用污染及清洗.ppt

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膜技术MembraneTechnologies,1,膜技术介绍,2,国内现状与前景,3,国外进展及应用,4,膜污染及控制,膜技术介绍,膜技术是利用薄膜以外界能量或者化学位差作为推动力分离水中某些物质的方法的统称。

根据推动力的不同，膜分离技术可按下表分类：

这些已经成熟和不断研发出来的渗析、电渗析、反渗透、超滤、微滤、纳滤等技术正在广泛应用于石油、化工、电子、电力、能源、环保、食品、饮料、轻工、医药和生物工程等行业。

高浓度溶液中的溶质以浓度差为推动力透过隔膜向低浓度溶液中迁移。

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。

特点是不消耗能量。

扩散渗析法,在直流电场作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中离子的选择透过性，分离溶质和水。

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化学稳定性好、机械强度高。

清除有机物和细菌的能力较差。

电渗析法,反渗透（RO）是利用反渗透膜只能透过溶剂（通常是水）而截留离子物质或小分子物质的选择透过性，在高浓度液体侧施加大于渗透压的压力，从而实现的对液体混合物分离的膜过程。

反渗透法,由于膜孔较大，无渗透压，可在较低压力下工作。

主要用于分离有机的溶解物，如淀粉、蛋白质、油漆等。

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。

超滤法,微滤（MF）：

0.2-1m超滤（UF）：

5nm-0.2m纳滤（NF）：

0.5-5nm反渗透（RO）：

0.2-0.3nm,国内膜工业应用反渗透膜,我国反渗透膜市场主要依靠进口，从美日等国进口的反渗透复合膜占国内反渗透膜市场的90以上。

典型的聚酰胺RO膜表面,国内膜工业应用超滤,国内膜工业应用微滤,微滤技术主要用于流体中分离微米的物质，是所有膜过程中应用最普遍、市场最大的一项技术。

微滤机运行现场,国内膜工业应用电渗析,近二十年来，电渗析法在水的脱盐淡化、制盐等领域中的应用领域都已很成熟，且市场容量接近饱和。

目前，国内外已经把研究和开发的重点转移到水解离技术和水压渗透技术上，水解离技术已经成为目前市场上增长率最快的生长点，因此，以双极膜为基础的水解离技术已成为电渗析技术中研究和应用的重点。

电渗析双极膜,双极膜一般由阴离子交换树脂层（AL）、阳离子交换树脂层（CL）和中间催化层组成。

在直流电场的作用下，阴、阳膜复合层间的H2O解离成H+和OH-并分别通过阳膜和阴膜，作为H+和OH-离子源。

双极膜结构示意图,双极膜处理效果,双极膜内水和离子的迁移一般可分为三个步骤：

首先水溶解到膜表面，扩散到阴、阳离子膜界面处，离解成H+和OH-，后在电场力的作用下转移到双极膜两侧界面上。

余立新等还尝试着对双极膜内水迁移过程与最大电流密度的关系进行了研究，目的是为了对膜材料的选择和膜过程的强化提供一定的理论指导，其中离子的扩散系数D可由下式求出：

式中，S为膜在t时刻的干基含水量，kg/kg；Se为膜的平衡干基含水量，kg/kg；L为单侧层膜厚。

以ln（1-S/Se）对t作图，由斜率就可推算出扩散系数D的大小。

双极膜内迁移理论,水的迁移速率限定了单位时间内离解的水量，以及产生用于导电的H+和OH-的量，这就决定了双极膜的电流密度有一个最大值。

研究推算所得的最大电流密度imax公式如下：

式中，dm为干膜密度，kg/m3；MH2O为水的摩尔质量，MH2O=0.018kg/mol；L为单膜层厚度，m。

因此可将前面求得的扩散系数D的数值及其他参数代入上式，可求出各种膜在不同温度下的最大电流密度。

溶液中的盐离子会扩散透过双极膜导致所回收的酸和碱不纯，尤其当产品浓度过高时，这种影响更明显。

通常情况下，双极膜电渗析只有在当盐离子的扩散通量降低到一定程度时才可以应用。

所以，通过对双极膜内盐离子迁移理论的研究，可预测和降低盐离子迁移扩散的趋势，经研究推算所得盐离子的极限电流密度ilim的公式和传递通量公式分别如下:

式中JlimX-和JlimM+分别表示阴阳离子极限传递通量，Dm则表示膜内的离子平均传递系数。

Cs为溶液浓度，s为膜层厚度，CFIX是阴膜中的固定电荷密度。

通过商用的阴离子膜和特制的可透过阳离子的隔层表征组合而成的双极膜，盐离子传递与膜层性质的关系已由实验得到了证实。

阴、阳离子交换膜层热压成型法阴、阳离子交换膜层粘合成型法聚合物基膜两侧引入阴阳离子交换基团成型法一膜层在另一膜层上流延成型法,双极膜的制备,双极膜电渗析系统（BMED）模型,BMED构型主要应用于化工过程的脱盐工艺以及环境保护中的废水、废气净化，同时回收酸、碱、重金属以及处理发酵液、回收有机酸等领域。

与传统工艺和普通电渗析（ED）相比，处理效果显著提高，无二次污染，运行费用低，占地面积小，已在部分领域实现了产业化应用。

有机酸生产和回收根据有机酸易电离和离解度小的特性，可用双极膜电渗析器直接将有机酸盐转化为有机酸。

双极膜电渗析的应用,金属离子的分离和富集有些性质类似的元素的很难实现分离，例如，Co和Ni的性质有很多相似之处，一般难以将二者分离，但利用双极膜与配位化学结合的手段，投加配位剂乙酰丙酮，可用下图所示的电渗析器完成二者的分离。

酸性废液的净化和回收,废酸料液从中间室通过，阴离子通过阴膜向左室扩散，与双极膜产生的H+形成酸，由于料液中的酸浓度降低，其中酸以较纯的形式得以回收。

碱性废液的净化回收与酸性废液类似，回收装置如右图所示，只是以阳膜代替了左图中的阴膜。

含氟废液处理及有价氟的回收采用如下图所示的双极膜水电渗析解离技术可直接将KF转化为HF和KOH，不仅能回收高价值的氟，且可以避免使用石灰，并减少废渣的处理量。

双极膜在食品工业中的应用双极膜的出现，彻底地改变了食品工业的分离和制备过程，有望形成无污染食品生产工艺。

双极膜电酸化可用于沉淀大豆蛋白。

将蛋白质溶液循环流经于双极膜的阳膜侧，双极膜水解离生成的氢离子进入蛋白质溶液，降低溶液的pH达到等电点，导致蛋白质选择性分离，再经离心沉淀。

双极膜离子水发生器可将自来水净化为呈弱碱性的饮用水，这种碱性水对治疗胃肠道疾病、糖尿病和高血压等慢性病有治疗和改善作用。

双极膜蓄电池作为一种新的绿色能源，不但充分利用了酸碱中和反应所释放的电能，并可通过可逆电极实现充电过程。

这种电池可以利用工业排放的废酸碱来发电，因此双极膜电池的开发具有较为广泛的前景和明显的经济优势。

酸性气体的脱除与回收利用双极膜电渗析系统可以简单有效的处理引起温室效应、光污染和酸雨的酸性气体，实现良好的经济效益和环境效益。

双极膜的其他应用,国外膜工业进展及应用,国外的分离膜销售市场中，仍以美国、日本和西欧为主，就膜市场的构成而言，各国之间有较大差异。

目前，国外的无机分离膜所占的市场份额还比较小，但会逐步加大。

国外主要国家和地区的分离膜销售额及其预测情况如下表：

（单位：

亿美元）,日本政府各有关部门十分重视分离膜及其应用技术的研究，先后组织了一系列国家攻关项目并给予经常性的经费支持。

日本膜企业界的特点是产业领域宽，几乎每家企业都在搞MF、UF、RO；产品系列化和专用化，可根据用户的需要，开发多种类型的膜和不同系列的膜组件；注重利用本公司以往的技术积累，发挥自己的技术优势。

日本的RO膜主要用于海水淡化，日本东洋纺的RO膜及其组件在世界上建成的大型海水淡化装置中占了46.3%，居世界第一位。

日本的超滤膜及组件主要用于净水器；日本的血液透析器产量和消耗量为世界第一；日本的离子交换膜除用于电渗析外，还用于浓缩海水制食用盐。

总的说来，日本在膜技术的推广应用方面做得最好。

目前，德国是最大的国家和地区膜市场，约占30%。

同时，德国也是膜生产机械设备制造大国，其加工水平世界一流，不过到2004年，其市场占有率有所下降，而西班牙、波兰、英国和爱尔兰也不甘落后紧跟其上。

在欧洲整个膜分离市场中，微滤占据着主导地位，到2004年约占整个销售额的46%，而且随着各种行业特别是制药工业中的各项标准更为严格后，微滤将会有更大的发展；其次是超滤，然后是反渗透和纳滤。

在各种最终应用中，工业和精细化工行业占据主导地位，其次是发电、水及废弃物的加工处理。

总的说来，欧洲有关膜的研究覆盖了膜学领域的所有方面，在渗透汽化、超滤、膜催化和膜反应器以及一些膜过程传质机理方面一直处于世界前列。

德国在人工肾方面与日本一起处于世界垄断地位；法国在无机膜的研究方面处于世界领先地位；意大利、比利时和荷兰等国的膜技术水平也很高。

中东的过滤市场明显不同于任何其他地区，这里气候干旱，风砂较大，严重缺水。

因此，海水淡化和空气过滤是膜技术在该地区的主要推广应用领域。

在海水淡化方面，为了满足城市和工业用水的需要，引进了许多海水淡化装置，大都分布在波斯湾和红海的岸边地区，另外数百个中小型苦咸水淡化装置到处可见。

沙特阿拉伯是错流膜装置和膜的最大购买者，其次是伊朗，再次是阿联酋和伊拉克。

在中东地区，美国是膜的最大供应商，而空气过滤器则由欧洲和美国厂商提供。

值得一提的是以色列已开发出一种反冲洗过滤器，主要用于农田滴灌系统，防止小颗粒堵塞通道。

总起来讲，中东地区是液体和空气过滤工业的特有市场，而且对水脱盐系统的需求将会继续增长。

膜污染机理,膜污染是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，使膜产生透过流量与分离特征的不可逆变化现象。

归纳影响膜通量下降的因素，一般认为主要有以下4点：

浓差极化、膜孔阻塞、膜孔吸附、形成凝胶层。

膜污染防治,料液预处理预除料液中的大颗粒；增加流速，减薄边界层厚度，提高传质系数，使被截流的溶质及时地被水流带走；选择适当的操作压力，避免增加沉淀层的厚度和密度；制膜过程中对膜进行修饰，使其具有抗污染性；为防止微生物、细菌及有机物的污染；减轻浓差极化现象。

膜清洗技术,物理清洗：

水反冲洗：

指在膜出水口施加一个反冲洗压力，使处理水或处理水与空气混合流体反穿通过膜而进行的冲洗。

海绵球清洗：

用水力控制海绵球经过膜表面，易损伤膜表面。

空气反吹清洗：

有研究指出，过滤15分钟、空气反吹15分钟可以获得最佳的透过稳定性和总通量，但不能完全清除膜污染。

超声波清洗：

清洗速度快，效果好，对微生物也有杀灭作用。

化学清洗：

酸液清洗：

可以溶解并去除无机矿物质和盐类，溶出结合在凝胶层和水垢层中的铜、镁等无机金属离子，将残存的凝胶层和水垢层从膜表面彻底清洗以恢复其通透能力。

碱液清洗：

碱性清洗液可以有效去除大分子如蛋白质污染，破坏凝胶层，使其从膜表面剥离下来。

膜工艺与日常生活,膜虽然主要用在工业领域，但与我们的生活息息相关。

人们用纯膜装置生产出比矿泉水和纯净水更具有生物活性的钠滤水。

北京奥运会期间最重要的工作之一就是给运动员们提供洁净的水，而膜是饮用水净化和纯化的最佳手段，使用膜可以去除水中的悬浮物、细菌、有毒金属物质，超滤膜可以除去病菌、病毒等有害物质，还可以透析对人体有益的无机盐，已广泛应用于牛奶脱脂、果汁浓缩、白酒陈化、啤酒除菌、味精提纯、酱油除菌等生产中，而且还广泛应用于医疗针剂水、输液水、洗瓶水、外科手术洗洁水的制备。

富氧膜能产生富氧空气，目前广泛应用于医院、养鱼场，尤其在高山缺氧地区特别需要。

此外，在家用电器等领域也能应用膜技术，如电视机的集成电路要用超纯净水清洗硅片，若纯净水不纯，荧屏就会变色、变暗，成为次品，而这种超纯净水就是用膜技术制备的。

在环保方面，目前，德国、英国已用膜技术治理了莱茵河和泰晤士河。

膜技术正在把我们的生活带入一个更新、更加绿色的时代。

制作：

李萍徐昆鹏,