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膜分离新技术
课程报告
课程名称:
膜分离新技术
题目:
膜分离技术
姓名:
王自博
指导教师:
柳志刚、张寿通
摘要
膜技术是20世纪60年代后迅速崛起的一门分离技术,它是利用特殊制造的具有选择透过性能的薄膜,在外力推动下对混合物进行分离、提纯、浓缩的一种分离方法。
它已经广泛地应用到当前的大多数工业中,而且被认为将在21世纪的工业技术改造中起战略作用,是21世纪最有发展前途的高新技术之一。
膜分离技术在环境保护的水处理中有着广泛的应用。
膜是一种具有选择性分离作用的材料。
而膜技术就是利用膜的这一特性进行水处理、物料分离等。
由于膜独特的性质,膜技术在水处理中的应用更是广泛。
本文就将对水处理中膜技术的原理、性质、特点、膜技术遇到的问题和解决措施以及发展前景等进行分析归纳。
关键词:
膜技术膜分离水处理应用
引言
相比较世界大多数国家而言,我国水资源紧缺、水污染情况严重。
水资源的匮乏在很多地方都抑制了国民经济的发展。
尤其在钢铁冶炼等企业中,还是存在着严重的水污染等问题。
因此,如何减少水的污染和增加水的重复利用率,是钢铁行业必须要重视的问题。
经过不断的探索研究,膜技术逐渐引起了人们的重视。
应用膜的选择性分离的特性,对混合溶液进行分离比传统的方法更加有效、便利。
因此,近些年来,膜技术在水处理中得到了广泛的应用。
第一章膜分离技术原理及膜的分类
1.1膜分离技术原理
膜可以是固相、液相或气相,膜的结构可是均质或非均质的,膜可以是中性的或带电的,但必须具有选择性通过物质的特性。
它的工作原理为:
一是根据混合物物质的质量、体积、大小和几何形态的不同,用过筛的方法将其分离;二是根据混合物的不同化学性质分离开物质,物质通过分离膜的速度(溶解速度)取决于进入膜内的速度和进入膜的表面扩散到膜的另一表面的速度(扩散速度),而溶解速度完全取决于被分离物与膜材料之间化学性质的差异,扩散速度除化学性质外还与物质的分子量有关,速度愈大,透过膜所需的时间愈短,混合物中各组分透过膜的速度相差愈大,则分离效率愈高。
分为反渗透(Reverse-osmosis,RO)、超滤(Uitra-filtration,UF)、微滤(Micro-filtration,MF)、纳滤(NF)、电渗析(Electro-dialysis,ED)和膜接触器(MC)。
与传统的分离技术相比,膜分离具有以下特点[1]:
第一,膜分离通常是一个高效的分离过程,可以做到将相对分子量为几千甚至几百的物质进行分离。
第二,膜分离过程耗能低,大多数膜分离过程都不发生“相”的变化。
第三,多数膜分离过程的工作温度在室温附近,特别适于对热过敏物质的处理。
第四,膜分离设备本身没有运动部件,很少需要维护,可靠度很高。
第五,膜分离由于分离效率高,通常设备的体积比较小,占地较少。
1.2膜的分类
(1)按膜结构分类:
膜的形态结构决定了分离机理,也决定了其应用,可分为固膜和液膜,固膜又分为对称膜(柱状孔膜、多孔膜、均质膜)和不对称膜(多孔膜、具有皮层的多孔膜、复合膜);液膜又分为存在于固体多孔支撑层中的液膜和以乳液形式存在
的液膜。
(2)按化学组成分类:
不同的膜材料具有不同的化学稳定性、热稳定性、机械性能和亲和性能。
目前已有数十种材料用于制备分离膜,具体见表1[2]。
(3)按几何形态分类:
在使用过程中,膜都制成一定形式的组件作为膜分离装置的分离单元,工业上常用的膜组件形式有板框式、圆管式、螺旋卷式和中空纤维式。
后三种皆为管状膜,它们的差别主要是直径不同:
直径大于10mm的为管式膜,直径在0.5~10mm之间的是毛细管式膜,直径小于0.5mm的为中空纤维膜。
管状膜直径越小,则单位体积里的膜面积越大。
(4)按分离机理分类:
大致可分为多孔膜、无孔膜和载体膜。
第二章膜分离技术在水处理中的应用
水处理中的膜分离技术分别包括反渗透膜和纳滤膜两种,它们有自己独具特色的处理特点,在不同的领域有不同的应用[3]。
1、海水和苦咸水
我们知道,我国水资源缺乏,人们饮用的淡水资源更是非常稀缺,但是无法被人们直接饮用的海水和苦咸水的含量却非常大,远远超过我国所拥有的淡水含量。
通过反渗透膜可以有效的将海水和苦咸水转化成可以被人们所利用的淡水资源。
利用反渗透膜对海水和苦咸水进行脱盐,就可以有效的解决当前人们对于饮用水的需求问题。
早在1968年,我国山东潮连岛和大连市长海县就已经开始运用反渗透膜技术,将海水变为饮用水。
不止我国,在其他一些缺水的国家,反渗透膜技术也被广泛应用于淡水的提取之中[4]。
而膜处理技术的另一个重要分支纳滤膜,则主要应用于软化水的处理。
纳滤膜技术在软化水处理中的应用,主要表现在去除有机物和色度、降低TDS(总溶解固体)浓度、水质软化等,在运行成本和实际的能量消耗方面要比反渗透膜低,故而受到了更多的关注。
甚至在美国,斥资无数购买了纳滤软化水装置。
在海水和苦咸水的资源利用方面,相比较与反渗透膜技术,纳滤膜技术因为其所具有的选择透过性,具有更为广阔的前景。
自20世纪50年代膜分离技术进入工业应用以后,每10年就有一种新的膜分离过程得到新应用。
微滤和电渗析50年代率先进入工业应用,60年代Lobe和Sourirajan用相转化制得非对称醋酸纤维素反渗透膜,70年代Cadotte等通过界面缩聚制得NS-100复合反渗透膜,两年以后又研制出NS-200复合反渗透膜,80年代研制出FT-30复合反渗透膜,近年又衍生出了超低压反渗透膜,在各种性能优异的膜不断被开发出来的同时,DuPont、Dow等公司又分别发明了卷式和中空纤维式膜组件,使膜分离技术的优势不断强化,在饮用水、海水淡化、苦咸水脱盐、废水处理等领域得到广泛的应用[5]。
现在反渗透已成为海水淡化制取饮用水最经济的手段,吨水耗电在5kW·h以下,最大的装置处理能力达2.0×105m3/d,20世纪80年代以来反渗透呈迅速增长趋势。
同样,反渗透也是苦咸水淡化最经济的方法,吨水电耗在0.5~3kW·h,最大的反渗透装置处理能力达1.3×105m3/d。
目前膜法日产约3×106m3海水淡化水和约6×106m3苦咸水淡化水,为广大干旱地区提供饮用水和过程用水。
2、工业废水
(1)化工废水化工废水的随意排放,严重的对环境造成了污染和破坏,而通过使用过反渗透膜和纳滤膜技术,可以有效的对工业废水进行处理,回收96%以上的钼离子,将回收后的工业废水重新用于生产之中。
而且,通过膜分离技术,还能在工业废水中的处理过程中,实现废水的净化。
反渗透水处理技术广泛地用于电子、电力、医药、化工、饮料、冶金等领域,它是超纯水和纯水制备的优选方法。
除了反渗透膜的改进外,反渗透/反渗透、反渗透/离子交换树脂、反渗透/电渗析-离子交换树脂耦合及紫外线(185nm)降解COD和真空脱气等工艺的采用,都促进了反渗透在这一领域的技术进步。
膜软化是基于纳滤膜对二价离子的高脱除性而开发的新膜分离过程,它可完全去除悬浮物和大部分有机物,且与传统的石灰软化法和离子交换树脂相比,有不消耗大量石灰、盐和碱等药剂,无污泥,操作简便,节省用地等优点。
膜软化工艺在美国已普遍应用,特别是新建的软化厂多采用此新工艺。
(2)食品行业污水用于食品生产和加工行业的水质产生的废水,一般含有丰富的糖类和浓度极高的蛋白质成分,这样形成的食品行业污水中含有很多的有机物质。
因此,要在处理食品行业废水时,尽可能的实现有机物质的回收和利用,最大程度的利用能源。
通过使用反渗透膜和纳滤膜,分别对食品行业污水之一的黄姜废水进行处理,可以发现,使用纳滤膜技术,可以让黄姜废水中的所有物质都达到标准处理的状态,而使用反渗透膜技术,可以有效的将黄姜废水中的盐和有机物质进行分离,更好的达到理想的效果。
而对于林可霉素废水,纳滤膜的处理效果就好于反渗透膜技术。
所以,对食品行业污水的处理要根据物质的不同,采用不同的处理方式。
(3)纺织印染废水纺织印染行业产生的废水往往含有重金属元素和有毒物质,并且废水中的色度高、水量大,如果将这些纺织印染废水进行直接排放,将会直接影响到环境的健康。
通过使用膜处理技术中大的反渗透膜和纳滤膜,可以有效的将纺织印染废水进行一定程度的净化。
而且,纳滤膜技术相较于反渗透膜技术而言,在纺织印染污水的处理中处理的效果更好。
并且,纳滤膜技术的处理成本是1.52元/m3,反渗透膜的处理成本是1.83元/m3,使用纳滤膜技术不仅效率更高,而且更实惠。
(4)电镀废水电镀废水中往往含有铜、锌等单一的或者是混合在一起的重金属,含有多种重金属的电镀废水如果直接排放,将会对环境产生非常不利的影响。
而使用反渗透技术可以有效的解决这一问题,因为反渗透膜技术具有较高的截留率,能够将电镀废水中的重金属进行有效地截留。
而在使用反渗透膜技术的同时,与纳滤膜技术或者是添加剂等多项工艺同时进行,能够对电镀废水进行更加有效的处理。
早在20世纪70年代反渗透法使电镀废水得以循环再用,美国PPG公司公开用超滤处理阳极电涂电漆废水技术,荷电型超滤膜使汽车等行业广为采用的电泳漆工艺实现了清洁生产,用超滤和反渗透组合系统处理电泳漆废水后,废水中的树脂涂料几乎全部除去,总溶解固形物的去除率可达97%~98%,水中总溶解固形物的浓度可以降到13~33mg/L,完全符合清洁水的水质要求。
(5)其他废水除了上述四种工业废水之外,还有矿山废水、垃圾场渗滤液、火电厂循环排污水等多种废水。
对这些废水的处理,均可以采用反渗透膜技术或者是纳滤膜技术。
因为反渗透膜技术和纳滤膜技术在水处理中具有高超的截留率,而且,反渗透膜和纳滤膜本身是没有污染的,这就为它们的广泛运用开启了更为广阔的发展前景。
随着时代的发展,高科技的逐步运用,反渗透膜技术和纳滤膜技术将得到越来越广泛的应用。
第三章膜分离技术在水处理中的研究进展
3.1国外状况
按论文中所用膜的种类及采用的相关技术对收录文章进行分类,得到如图统计结果[6]。
从图1中可看出,由于其高脱盐功能,RO仍然是海水淡化、苦咸水脱盐、纯净水生产的主导技术,与RO有关的文章51篇;UF由于操作压力低、小筛分孔径(能有效地除去液体中的细菌、热源和各种病毒),在饮用水生产和污水处理上有着广泛的应用。
从20世纪80年代中期至今LyonnaisedesEaux公司建成了规模从200~55000m3/d不等的超滤(UF)水厂35家。
图2是UF工厂在全球的主要分布情况(2000年)。
UF厂主要集中在欧美国家,仅法国和美国就分别有产水能力12万t/d和14万t/d的生产装置。
MF作为较经济的微过滤技术,在高浊度溶液和无菌化处理中的应用显示较强的优势;NF由于操作压力低,并具有部分的脱盐功能,因此在一定范围内,扮演较RO系统更为节能的脱盐、脱色角色。
1999年11月,在法国巴黎建成了利用河水制造高品质饮用水的NF厂,膜组件2250根,每天可生产340000m3符合欧洲标准的饮用水。
总之,对于是采用MF、UF、NF还是RO要根据被处理水源的水质和处理后要达到的水质要求进行选择。
从目前的发展趋势来看,往往将2个或2个以上的膜过程结合在一起。
如许多研究者和工程师将MF或UF作为NF和RO系统的前处理,使预处理水质达到NF和RO的进料水质的要求,从而减轻膜污染,提高产水效率,同时大大延长膜组件的使用寿命。
可以说,用于水处理的膜技术将继续以MF、UF、NF、RO为主,今后的研究重点是充分利用现有的膜材料和膜技术并形成杂化(hybrid)的膜技术。
MBR是一种将膜分离技术与活性污泥法结合起来的污水处理技术。
由于系统的固液分离效率高、微生物浓度高、泥龄长(剩余泥量少)、出水水质好等优点,目前已是国内外研究重点。
研究表明,随着新型膜材料的出现,膜材料成本的降低,克服了废水对膜的污染,解决了膜清洗等技术性难题,MBR正处在向产业化转化阶段。
我国在MBR的理论和应用研究(包括膜材料和膜器件的生产)都已有相当的基础和规模,具备产业化能力。
膜接触器(MC)是一类高效的传质装置,它的应用将解决高NH3-N废水的治理问题,同时回收有用的资源。
它的应用不但解决环保难题而且可以创造利润,不同于那些纯消耗性的环保技术,因此值得大力推广。
随着膜技术的应用领域的拓宽,对膜污染和清洗等配套技术的研究也越来越深入,在MF和UF操作中死端过滤(dead-endfiltration)是一种低能耗高产率的过滤方式,但滤饼层随着过滤时间的增加逐渐增厚,溶液的透过量降低,因此如何及时清除(在一个周期内)滤饼、恢复水通量成为死端过滤操作的关键。
图3是死端过滤中空气/水混合反洗技术最新研究的部分结果。
从图3可以看出,水与气进行UF死端过滤的反清洗有很好的效果,当组件垂直放置时,水/气比为2/1时与水反清洗有着同样的效果,同时节约近1/2用于反清洗的渗透液。
3.2我国状况
我国膜产业和膜技术总体的研究和应用水平与国外先进的技术相比有一定的差距,国内膜技术在水处理上的应用基本上局限在家用净水器与小型净化装置,在大规模的水处理(水厂)中还没有使用膜技术,纳滤(NF)膜及相关过程研究得少。
另外,这种差距还体现在膜产品的系列化和膜过程综合技术的开发上。
由于被处理的对象的复杂性,对于不同的体系(即处理对象)应采用不同的膜技术及相应的配套工艺,优化工艺达到降低设备投资和运行成本的目的。
在膜过程的综合技术的研发上还做得不够,由于我国大多数膜企业是以高校和研究单位为依托,而我国现行的学术评价体系往往偏向基础理论研究,难以实现水处理方面的大规模使用。
第四章膜分离技术的问题及解决措施
4.1膜分离技术存在的问题
主要问题有以下几个方面[7]:
(1)浓差极化,造成膜过滤流速下降。
在膜分离操作中,所有溶质均被透过液传送到膜表面上,不能完全透过膜的溶质受到摸得截留作用,在膜表面附近浓度升高,高于主体浓度,造成浓差极化,溶质析出,附着在膜表面,形成阻力层,使有效压差减小,透过通量降低。
(2)膜污染严重,且清洗困难。
膜污染来源于:
a、浓差极化引起的凝胶层;b、溶质在表面的吸附层;c、膜孔堵塞;d、膜孔内的溶质吸附。
(3)膜的耐用性差
4.2问题解决措施
在分离过程中,浓差极化、膜污染和膜的耐用性差,不仅造成膜过滤流速的大幅度下降,而且影响了目标产物的回收率,为保证膜分离的高效稳定,有必要采取一些行之有效的措施改善分离过程。
(1)原料液预处理
预处理是指过滤前,在原料液中加入一种或几种物质,将部分杂质或易于膜发生反应的物质发生物理或化学变化,进行预絮凝、预过滤或改变溶液PH值等,从而提高过滤流速。
例如,在处理含重金属离子废水时,可预先加入碱性物质调节溶液的PH值或加入硫化物等使金属离子形成氢氧化物沉淀或难溶的硫化物;在软化硬水时,可加入明矾、氢氧化钙等。
(2)膜表面改性
膜表面的改性可分为物理改性和化学改性。
物理改性是指用一种或几种对膜的分离特性不含有大的影响的小分子化合物,如表面活性剂或可溶性高聚物,部分地涂覆在膜表面,从而防止溶液与膜发生作用,提高膜的抗污染性能。
但覆盖层与膜靠的是范德华力,其粘接不牢,因此人们更愿意采用化学改性,即在制膜过程中加入表面活性剂或可溶性高聚物,使其成膜后是均匀分布于膜的表面。
这样就减少了膜污染,提高了过滤速率。
(3)错流过滤并选择合适的压降,提高过滤速率
传统的过滤操作,料液流向与膜面垂直,膜表面的滤饼阻力大,透过通量很低。
而错流过滤,即滤液主体流动方向平行于过滤表面,而过滤液是垂直通过膜面的靠压力驱动的过滤过程,大大提高透过通量。
其原因是流体流动平行于过滤表面,产生的表面剪切力可以带走膜表面的沉积物,防止滤饼的不断积累,使之处于动态平衡,减轻了膜污染,提高了流过速率(如图)。
(4)膜的清洗
膜的清洗一般选用水、盐溶液、稀酸、稀碱、表面活性剂、络合剂、氧化剂和酶溶液等清除附着层、堵塞的膜孔。
当然,由于膜的性质、污染物的性质各异,具体采用何种方法要视具体情况而定。
(5)提高膜的耐用性
一方面要根据不同的过滤介质开发更加高效耐用的分离膜材料;另一方面,要合理设计膜组件,对分离装置进行改造和开发,使被截留的物质及其被水带走,减少附着层,以达到提高流速度目的。
此外,还应注意减少组件结构中的死角,防止物质在此堆积、变质,污染膜,影响流苏。
第五章膜分离技术展望
(1)在水源开发方面,海水是地球上最大水源,膜法是净化技术的前沿,成本又低,因此膜技术在淡水资源开发上有极其广阔的市场需求背景。
(2)预计21世纪膜分离的应用将持续增长,尤其是微滤/超滤、微滤/反渗透、微滤/超滤/反渗透或纳滤结合的膜处理过程。
增长的领域包括:
饮用水处理、工业废水的脱色、垃圾填埋场渗滤液的处理、膜生物反应器的应用、水的回收与循环利用,这些膜分离技术的应用将降低未来的环境污染,因而前景非常广阔,应作为首选重点。
(3)石油化工是膜技术在21世纪可以大显身手的重要领域,从油田淡水供应、污水处理,到生产、加工过程的反应、分离、浓缩、纯化等,都和膜技术息息相关,而膜技术在这方面的应用目前还处在初始阶段。
由于石油化工在整个工业中的地位,所以,膜技术在此方面的应用潜力非常巨大,前景诱人。
(4)用超滤技术处理电泳漆废水,20世纪80年代已在我国汽车、电器等行业普遍使用,但我国荷电超滤膜开发还没跟上,所以用性能优良的国产荷电超滤膜装置取代进口装置成为膜行业的一个新目标。
(5)我国目前已具备生产处理废水的超滤和反渗透膜组件的能力,应组织攻关解决处理废水用的设备,并迅速推广应用
(6)膜生物反应器已经在抗生素生产和水处理中应用,渗透气化生产乙醇和膜催化反应已进入中试规模等,这些新的膜分离过程还有好多技术难题需解决,正处在研究和开发阶段。
(7)生物膜反应器和污泥脱水膜组件也是污水处理研究的新方向。
参考文献
[1]严希康.生化分离工程[M].北京:
化学工业出版社,2004.76~77.
[2]许振良.膜法水处理技术[M].北京:
化学工业出版社,2001.18~21.
[3]覃汝高.水处理中膜分离技术的运用分析[J].2014,27:
91.
[4]杜秋平,王立新,刘圣南,毕飞.石化废水深度回用处理中超滤膜的耐冲击性能[J].中国建设信息(水工业市场),2010,15(10):
22一23.
[5]陈红霞.水处理中膜技术的应用与展望[J].2005,5(34):
8-14.
[6]王建黎,计建炳,徐又一.膜分离技术在水处理领域的应用[J].2003,5(23):
65-68.
[7]米红宇,马凤云,叶枫.膜分离过程中存在的问题及措施[N].2002,1(14):
50-52.
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