《反渗透》-公开课件.ppt
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反渗透,RO反渗透的由来1950年美国科学家DR.S.Sourirajan有一回无意发现海鸥在海上飞行时从海面啜起一大口海水,隔了几秒后,吐出一小口的海水,而产生疑问,因为陆地上由肺呼吸的动物是绝对无法饮用高盐份的海水的。
经过解剖发现海鸥体内有一层薄膜,该薄膜非常精密,海水经由海鸥吸入体内后加压,再经由压力作用将水分子贯穿渗透过薄膜转化为淡水,而含有杂质及高浓缩盐份的海水则吐出嘴外,此即往后反渗透法的基本理论架构,一、反渗透技术的发展膜广泛的存在于自然界中,特别是生物体内。
人类对于膜现象的研究源于1748年,AbbeNollet观察到水可以通过覆盖在装有酒精溶液瓶口的猪膀肌进入瓶中时,发现了渗透现象。
然而认识到膜的功能并用于为人类服务,却经历了200多年的漫长过程。
1953年美国佛罗里达大学的Reid等人最早提出反渗透海水淡化,1960年美国加利福尼亚大学的Loeb和Sourirajan研制出第一张可实用的反渗透膜。
从此以后,反渗透膜开发有了重大突破。
膜材料从初期单一的醋酸纤维素非对称膜发展到用表面聚合技术制成的交联芳香族聚酰胺复合膜。
操作压力也扩展到高压(海水淡化)膜,中压(醋酸纤维素)膜,低压(复合)膜和超低压(复合)膜。
80年代以来,又开发出多种材质的纳滤膜。
膜组件的形式近年来也呈现出多样化的趋势。
除了传统的中空纤维式、卷式、管式及板框式以外,又开发出回转平膜、浸渍平膜式等。
工业上应用最多的是卷式膜,它占据了绝大多数陆地水脱盐和越来越多的海水淡化市场。
中空纤维膜在海水淡化应用中仍占有很高的份额。
今天世界上反渗透、纳滤膜水处理装置的能力已达到每天数百万吨。
目前世界最大的反渗透苦咸水淡化装置为位于美国亚利桑拿州的日产水量为28万吨的运河水处理厂,最大的反渗透海水化装置,位于以色列,日产水量为27.3万吨。
最大的纳滤脱盐软化装置位于美国佛罗里达州,日产水量为3.8万吨。
系统回收率(海水浓度以35000mg/l),RO膜元件的耐压能力(MPa),0,10,30,20,40,50,60,10.0,9.0,8.0,7.0,6.0,5.0,高压中空醋酸纤维素膜(1998年),中空聚酰胺膜(1969年),高压中空聚酰胺膜(1992),超高压卷式聚酰胺复合膜(东丽1996年),35,000mg/L海水浓度,卷式聚酰胺复合膜(1978-1979年),卷式聚酰胺复合膜(1998),海水淡化膜的发展趋势,在我国,膜技术的发展是从1958年离子交换膜研究开始的。
1958年开始进行离子交换膜的研究,并对电渗析法淡化海水展开了试验研究;1965年开始对反渗透膜进行探索,1966年上海化工厂聚乙烯异相离子交换膜正式投产,为电渗析工业应用奠定了基础。
1967年海水淡化会战对我国膜科学技术的进步起了积极的推动作用。
1970年代相继对电渗析、反渗透、超滤和微滤膜及组件进行研究开发,1980年代进入推广应用阶段。
1980年代中期我国气体分离膜的研究取得长足进步,1985年中国科学院大连化物所,首次研制成功中空纤维N2/H2分离器,主要性能指标接近国外同类产品指标,现己投入批量生产,每套成本仅为进口装置的1/3。
进入90年代以来,复合膜的制备取得了较大进展。
国内反渗透膜工业应用的最大领域仍为大型锅炉补给水,各种工业纯水、饮用水的市场规模次之,电子、半导体、制药、医疗、食品、饮料、酒类、化工、环保、冶金、纺织等行业的膜应用也都形成了一定规模。
今后有潜力的应用领域有发电厂冷却循环水的排污水处理、大型海水淡化、苦咸水淡化、大型市政及工业废水处理等。
二、反渗透原理,渗透与反渗透示意图,当用一张半透膜将水和盐水分开,纯水会透过半透膜到盐水扩散,使盐水侧溶液水面升高,直到动态平衡。
渗透的推动了就是渗透压,这个正渗透。
当施加在膜盐水侧的压力大于渗透压力时,水的流向就会逆转,此时,盐水中的水将流入纯水侧,上述现象就是水的反渗透处理的基本原理。
混合纤维素膜SEM(放大4000倍),醋酸纤维素膜正面SEM(放大5000倍),醋酸纤维素膜反面SEM(放大5000倍),溶液渗透压计算方法,1.溶液的渗透压与温度、浓度的关系:
范特荷甫公式:
cRT式中溶液的渗透压kPac溶液中离子总浓度mol/LT绝对温度K(273.15t0C)R气体常数8.31kPaLmol-1K-1(0.082atmLmol-1K-1)由上式可知:
稀溶液的渗透压与溶液的物质的量浓度及绝对温度成正比,而与溶质及溶剂的种类无关。
a.在一定温度下,溶液的渗透压与它的浓度成正比。
Cb.在一定浓度下,溶液的渗透压与绝对温度成正比。
T意义:
在一定温度下,溶液的渗透压与溶液的浓度成正比,即与溶液中溶质的数目成正比,而与溶质的本性无关不论溶质微粒是小分子或大分子,只要溶液中溶质粒子的数目相等,则渗透压就相同。
例题1:
25时,1000mg/L的NaCl渗透压是多少?
溶液离子总的浓度=(1000*0.001/58.5)*2=0.0342mol/L则溶液渗透压=0.082*(273+25)*0.0342=0.836atm*相当于苦咸水的渗透压。
例题2:
25时,35000mg/L的NaCl渗透压是多少?
溶液离子总的浓度=(35000*0.001/58.5)*2=1.197mol/L则溶液渗透压=0.082*(273+25)*1.197=29.25atm*相当于海水的渗透压。
特别指出:
cRT只适用于非电解质稀溶液如:
0.3mol/L葡萄糖溶液与0.3mol/L蔗糖溶液,其相同。
当两种非电解质溶液的c不同时,c大,它的就大。
三、反渗透膜传质机理1.氢键理论这个理论是由里德(Ried)等人提出的,并用醋酸纤维膜加以解释。
这种理论是基于一些离子和分子能通过膜的氢键的结合而发生联系,从而通过这些联系发生线形排列型的扩散来进行传递。
在压力的作用下,溶液中的水分子和醋酸纤维素的活化点羰基上氧原子形成氢键,而原来的水分子形成的氢键被断开,水分子解离出来并随之转移到下一个活化点,并形成新的氢键,如是通过这一连串氢键的形成与断开,使水分子离开膜表面的致密活化层,由于多孔层含有大量的毛细管水,水分子能畅通流出膜外。
水分子逐渐从膜面进入膜内,最后透过膜;溶质通过高分子链间空穴,以空穴型扩散透过膜。
2.优先吸附-毛细孔流理论索里拉金等人提出了优先吸附毛细孔流理论。
他们以氯化钠水溶液为例,溶质是氯化钠,溶剂是水,膜的表面能选择性吸水,因此水被优先吸附在膜表面上,而对氯化钠排斥。
在压力作用下,优先吸附的水通过膜,就形成了脱盐的过程。
这种模型同时给出了混合物分离和渗透性的一种临界孔径的概念。
临界孔径显然是选择性吸着界面水层的两倍。
基于这种模型在膜的表面必须有相应大小的毛细孔,根据这种理论,索里拉金等研制出具有高脱盐率、高脱水性的实用反渗透膜,奠定了实用反渗透膜的发展基础。
3.溶液扩散理论朗斯代尔(Lonsdale)和赖利(Riley)等人提出溶解扩散理论。
该理论假定膜是无缺陷的“完整的膜”,溶剂和溶质透过膜的机理是由于溶剂与溶质在膜中的溶解,然后在化学位差的推动力下,从膜的一侧向另一侧进行扩散,直至透过膜。
溶剂和溶质在膜中的扩散服从(Fick)定律,这种模型认为溶剂和溶质都可能溶于均质或非多孔型膜表面,以化学位差为推动力(常用浓度差或压力差来表示),分子扩散使它们从膜中传递到膜下部。
因此,物质的渗透能力不仅取决于扩散系数,而且取决于其在膜中的溶解度。
溶质的扩散系数比水分子的扩散系数小得越多,高压下水在膜内的移动速度就越快,因而透过膜的水分子数量就比通过扩散而透过去的溶质数量更多。
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