第2課 膜過濾工藝

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時間:2019-05-21

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1、第2課膜過濾工藝過濾僅包括從液體中分離(去除)顆粒和膠體兩類物質,但在膜過濾中卻將顆粒粒徑范圍延伸至溶解組分(典型粒徑為0.0001-1.0μm)。如圖1所示,膜的作用是作為只允許液體中某些組分透過并使其他組分仍留存于液體中的一種選擇性屏障。為了介紹膜技術及其應用,本節(jié)主要研究以下內容;(1)膜工藝術語;(2)膜的分類;(3)膜的配置;(4)膜技術的應用;(5)電滲析;(6)中間試驗研究的必要性;(7)作為本節(jié)結束語將討論濃縮廢物流的處置問題。膜工藝術語在各種膜應用工藝中經常碰到的術語匯總于表1。參照圖1和表1,膜組件的進水

2、被稱為給水流(也稱為給水),通過半透膜的液體稱為透過液(也稱為產品流或透過流)含有留存成分的液體稱為濃縮液(也稱為滯流、排斥液、保留相或廢棄流)。透過膜的液體流量稱為通量,以kg/(m2.d)[gal/(ft2.d)]表示。膜工藝分類膜工藝包括微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)、反滲透(RO)、滲析和電滲析(ED)。膜工藝有多種不同的分類方法,其中包括:(1)制膜材料的種類,(2)驅動力的性質,(3)分離機理,(4)完成分離目的的標稱尺寸。下面將討論每一種膜工藝的分類方法。膜工藝的一般特點包括其典型的操作范圍列于表2中

3、。下面將集中討論以壓力為驅動力的各種膜工藝,然后將電滲析作為單獨一節(jié)進行討論。膜材料用于水和廢水處理的膜,其典型結構是由厚度約為0.20-0.25μm的薄膜支撐于厚度為100μm的多孔結構上制成的。大多數(shù)工業(yè)用膜均生產成薄片、微細的空心纖維或管式膜。薄片式膜有非對稱型和復合型兩種。非對稱型膜是一次注塑加工成型的,由一層極薄的膜(<1μm)和一支帶有支承結構的較厚的多孔層(100μm以上)組成,可允許很高的水流通量。薄膜復合(TFC)膜由一種很薄的醋酸纖維、聚酰胺或其他活性層(典型厚度0.15-0.25μm)聯(lián)合在一較厚的多孔

4、基層上而制成的,這種膜的穩(wěn)定性更好。膜可用多種有機材料和無機材料生產,廢水處理膜多用有機材料生產。已經廣泛使用的膜其主要類型包括聚丙烯膜、醋酸纖維膜、芳香族聚酰胺膜及薄膜復合膜(TFC)。膜的選擇及其系統(tǒng)配置應以盡可能減輕膜的堵塞和損壞為原則,一般情況下,需根據(jù)中間試驗裝置的研究結果確定。驅動力表2中前四種膜工藝(MF,UF,NF及RO)的顯明特點是利用水的壓力完成分離過程,滲析是依靠濃度差輸送水中組分并使其通過半透膜;電滲析是利用電動力和離子選擇性膜實現(xiàn)各種離子的分離過程。去除機理如圖2(a)所示,在微濾和超濾工藝中,顆粒

5、的分離主要是通過隔濾(篩濾)實現(xiàn)的。在納濾和反滲透工藝中,小顆粒是由被稱為一種致密膜表面上吸著的水層排斥的[參閱圖2b,各種離子是通過擴散遷移作用穿過膜的大分子孔。典型的納濾工藝可用于排斥0.001μm的組分,而反滲透可排斥0.0001μm的顆粒。在納濾膜中隔濾作用也是很重要的,特別是孔徑較大的納濾膜。分離尺寸膜孔尺寸一般用大孔(>50nm)、中孔(2-5nm)和微孔(<2nm)進行識別。由于反滲透膜孔尺寸很小,這種膜被定義為致密膜。圖2中所示為按分離尺寸的大小對膜工藝進行的分類。被去除的顆粒尺才有明顯的重疊現(xiàn)象,特別在納濾

6、和反滲透兩種工藝之間這種重疊現(xiàn)象更為明顯。在水的軟化處理中經常用納濾取代化學沉淀。膜的配置和膜工藝的操作在膜應用領域中,用膜組件一詞描述由膜,壓力容器,給水入口,透過液出口和滯流部分及單元支撐結構組成的完整系統(tǒng)。廢水處理用膜組件的主要形式有:(1)管式膜,(2)中空纖維膜;(3)螺旋卷式膜。板框式及編織濾芯過濾器也經常用于工業(yè)生產中。膜工藝的操作是相當簡單的,給水經泵加壓后,通過膜組件循環(huán),并用一閥門維持滯流部分的壓力,而透過液通常在常壓下徘出。由于給水中的組分積累在膜上(通常稱為膜污染),使給水側壓力上升,膜通量(即通過膜

7、的流量)則開始減少,同時脫鹽率也開始下降(參閱圖3)。當性能惡化到某一給定值時,膜組件應停止操作,進行反洗和/或化學清洗。各種膜工藝的可操作性配置及工藝參數(shù)將在后面討論。微濾和超濾工藝如圖4所示,微濾和超濾通常采用三種不同的工藝配置。第一種工藝配置為錯流模式(圖4a),給水經泵加壓后沿膜的切線方向流動,未通過膜的水與新進入的給水溫摻后通過膜進行循環(huán)。第二種工藝配置(如圖4b)亦辦為錯流模式,它類似于第一種模式,但作為一種特例,未通過膜的水循環(huán)返回水箱。第三種工藝配置稱為直流模式(也稱死端)(圖4c),這種配置不產生交錯流動,

8、所有給水均通過膜并利用原水定期清洗膜表面積累的污染物。對錯流操作模式(參閱圖4a和b),膜的傳輸壓力由下式表示:(1)式中——膜傳輸壓力梯度,kPa;一—給水入口壓力,kPa一一濃縮液壓力,kPa,——透過液壓力,kPa。通過錯流過濾器膜組件的總壓力降由下式給出:(2)式中—一通過膜組件的

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