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第22章 水的除盐与咸水淡化2

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苦咸水淡化与除盐

苦咸水淡化与除盐

水 的 除 盐 与 咸 水 淡 化
离子交换除盐方法与系统
装置及再生方式 混合床反洗分层主要借助于阴、 混合床反洗分层主要借助于阴、阳 树脂湿真密度的差别。 树脂湿真密度的差别。 再生方式： 再生方式： ① 体内再生 ② 阴树脂外移再生 体外再生 ③ 体外再生
水 的 除 盐 与 咸 水 淡 化
离子交换除盐方法与系统
水 的 除 盐 与 咸 水 淡 化
离子交换除盐方法与系统
缺点： 缺点： 树脂层工作交换容量的利用率低，再生剂利用率低。 ① 树脂层工作交换容量的利用率低，再生剂利用率低。 再生时， 阳树脂很难彻底分层。导致交叉污染） （再生时，阴、阳树脂很难彻底分层。导致交叉污染） 树脂破碎率大于复床。 ② 树脂破碎率大于复床。 再生操作复杂， ③ 再生操作复杂，每再生一次所需时间较长 在水处理系统中用强酸与强碱树脂装填的混合床出水 在水处理系统中用强酸与强碱树脂装填的混合床出水 强酸与强碱 纯度最高，使用广泛，其他性质树脂的混床较差。 纯度最高，使用广泛，其他性质树脂的混床较差。 注意事项：混合床对有机污染很敏感。 注意事项：混合床对有机污染很敏感。阴树脂变质与 有机污染很敏感 污染导致出水电阻率逐步下降。为防止污染， 污染导致出水电阻率逐步下降。为防止污染，应进行必 要的预处理 预处理。 要的预处理。
咸水 淡化
1~5 <1 <0.1
0.1~1.0 1.0~10 >10 水的 除盐
纯水
去离子水
高纯水
超纯水
水 的 除 盐 与 咸 水 淡 化
进水水质预处理： 进水水质预处理： 为什么要预处理？ 为什么要预处理？
概
述
水中杂质对膜和树脂的危害： 水中杂质对膜和树脂的危害： （1）悬浮物和胶体 粘附 膜表面 堵塞 树脂微孔道 脱盐率 ） 降低 表面生长繁殖 （2）微生物、细菌 膜和树脂 表面生长繁殖 降低设备性能 ）微生物、 （3）无机离子（高价离子，铁或锰）能与膜和树脂牢固 ）无机离子（高价离子，铁或锰） 结合，并使之中毒 降低工作性能。 中毒， 结合，并使之中毒，降低工作性能。钙、镁离子在某些情 况下能在表面结垢沉淀，在反渗透法中应采取措施调整 况下能在表面结垢沉淀， 结垢沉淀 PH值 值 游离氯能对膜进行氧化 （4）水中游离氯能对膜进行氧化，使树脂降解。 ）水中游离氯能对膜进行氧化，使树脂降解。

华北理工水质工程学Ⅰ课件22苦咸水淡化与除盐-4反渗透与超滤

华北理工水质工程学Ⅰ课件22苦咸水淡化与除盐-4反渗透与超滤
（2）则脱盐可改写为：R Cm C f
1 Cf
或为： C f 1 R
Cm
Cm
Cm
（2’）
而
Cf
J s 淡水浓度。
Jw R
1
Js J wCm
1
Wp
K
P
pC
Cm
3、淡化水的含盐量：（近似计算法）
假设Cf为零：由物料平衡方程 ：
QCb Q Q f Cc Q f C f
因为：C f 0
3、反渗透系统布置：
（1）单程式：水的回 收率低。
（2）（部分）循环式： 提高了水的回收率， 但淡水水质有所降低。
为什么部分循环：要 求浓室内有一定的流 速，防止膜面产生浓 差极化（结垢）。
（3）多段式：（串联 式）水的回收率高， 产水量大时用，膜组 件逐段减少。原因： 维持一定流速防止膜 表面浓差极化。
1、机理： 选择性吸附——毛细管流机理
膜表面具有亲水性，选择吸附水分子（两个水 分子厚1nm的纯水层）。
并排斥盐分，在施加压力的作用下，纯水由毛 细孔不断流过反渗透膜。 毛细孔孔径应为纯水 层厚1nm的2倍以下（2nm）。实际2~3nm以下。 称为临界孔径。若孔径大于临界孔径，透水性 增大，盐分也可透过。
（二）反渗透：
在咸水侧施加压力P＞π，迫使咸水中的水向纯水 一侧渗透的过程称为反渗透。
1、理论：反向加压大于π ，克服渗透压。迫使渗 透反向。 加压 →咸水化学位＞纯水化学位
2、理论耗能：（25℃）海水的盐度34.3‰（计算
仅用34.3）
W1im
ARTS(kw h / m3) V
A——系数，A=0.00537 T——绝对温度，K。 S——海水盐度。 R——理想气体常数，

水质工程学Ⅰ课件22苦咸水淡化与除盐

水质工程学Ⅰ课件22苦咸水淡化与除盐

SHOC2O-4-3＞＞NHOS-i3O＞-3Cl-＞F-＞ （3）不易再生，用NaOH
＞SOH2C-4O＞-3N＞OH-3S＞iOC-l3-＞OH- ＞F（3）再生容易，再生剂用
再生，用量高，一般是理 量少，浓度可低。
论值的2倍。
（4）交换运行曲线： （4）交换运行曲线：
以硅开始泄漏为失效点
以Cl-开始泄漏为失效点
都在再生后进行两次清冼
4、强碱树脂除硅的工艺要求： （1）进水呈酸性，硅化物以H2SiO3形成
存在，如呈碱性，则：
ROH+NaHSiO3→RHSiO3+NaOH NaOH离解为OH-使反应受抑制， 会有NaHSiO3漏出。 （2）阳床漏Na+要低，为了提高除硅效 果。
R－NH3OH 伯铵型 R＝NH2OH 仲铵型 R≡NHOH 叔铵型 强碱树脂又分为： Ⅰ型——碱性大除硅能力大，适用于制取纯水。 Ⅱ型——交换容量大于Ⅰ型。
2、不同结构类型树脂的特点：
（1）凝胶型——具有溶胀性，易破坏 磨损，机械强度低，交联度低，不均匀， 容易被有机物堵塞孔道。
（2）大孔型——孔比较大，交换速度 快，抗有机污染能力强，价高，再生剂 用量高。
2、除盐：常用离子交换法，或与电 渗折，反渗透联合使用。下表为制 纯水的不同方法，出水水质（纯度）
三．进水水质预处理：
某些淡化除盐工艺如：电渗折，离子交换，反 渗透等。
对进水有一定的水质要求，否则将损害这些工 艺设备，所以对进水要求预处理： 1、预处理 内容：悬浮物，有机物，胶体物质，微生物， 及有害物质铁，锰等。
第二十二章 苦咸水淡化与除盐
22-1概述：
软化是去除水中的硬度，去除Ca2+和 Mg2+

第22章除盐和淡化

第22章除盐和淡化

电渗析原理及过程 电渗析法是在外加直流电场作用下， 电渗析法是在外加直流电场作用下，利用离子交换膜的选 择透过性(即阳膜只允许阳离子透过 即阳膜只允许阳离子透过， 择透过性 即阳膜只允许阳离子透过，阴膜只允许阴离子透 过)，使水中阴、阳离子作定向迁移，从而达到离子从水中 ，使水中阴、阳离子作定向迁移， 分离的一种物理化学过程。 分离的一种物理化学过程。

阴、阳离子交换树脂装填在同一个交换器内，再生时使之 阳离子交换树脂装填在同一个交换器内， 分层再生，使用时先将其均匀混合，这种阴、 分层再生，使用时先将其均匀混合，这种阴、阳树脂混合 一起的离子交换器称为混合床。 一起的离子交换器称为混合床。 混合床 特点：混合床中阴、阳树脂紧密交替接触。 特点：混合床中阴、阳树脂紧密交替接触。好象有许多阳 床和阴床串联一起，构成无数微型复床， 床和阴床串联一起，构成无数微型复床，反复进行多次脱 盐。 混合床的缺点主要是，再生时阴、阳树脂很难彻底分层。 混合床的缺点主要是，再生时阴、阳树脂很难彻底分层。 缺点主要是 混合床对有机物污染很敏感。
(2)强酸－脱气－弱碱－强碱系统 强酸－脱气－弱碱－
适用于原水有机物含量较高、强酸阴离子含量较大的情况。 适用于原水有机物含量较高、强酸阴离子含量较大的情况。 有机物含量较高 较大的情况 弱碱树脂用于去除强酸阴离子，强碱树脂主要用于除硅。 弱碱树脂用于去除强酸阴离子，强碱树脂主要用于除硅。
22.2.3混合床除盐 混合床除盐
22.2.2复床除盐 复床除盐
(1)强酸－脱气－强碱系统 ： 强酸－脱气－ 强酸 一级复床除盐中最基本的系统
强碱阴床设置在强酸阳床之后的原因在于： 强碱阴床设置在强酸阳床之后的原因在于： 1)若进水先通过阴床，容易生成CaC03、Mg(OH)2沉积在 若进水先通过阴床，容易生成 若进水先通过阴床 树脂层内，使强碱树脂交换容量降低。 树脂层内，使强碱树脂交换容量降低。 2)阴床在酸性介质中易于进行离子交换，若进水先经过阴 阴床在酸性介质中易于进行离子交换， 阴床在酸性介质中易于进行离子交换 床，更不利于去除硅酸，因为强碱树脂对硅酸盐的吸附要比 更不利于去除硅酸， 对硅酸的吸附差得多。 对硅酸的吸附差得多。 3)强酸树脂抗有机物污染的能力胜过强碱树脂。 强酸树脂抗有机物污染的能力胜过强碱树脂。 强酸树脂抗有机物污染的能力胜过强碱树脂 4)若原水先通过阴床，本应由除二氧化碳器去除的碳酸，都 若原水先通过阴床，本应由除二氧化碳器去除的碳酸， 若原水先通过阴床 要由阴床承担，从而增加了再生剂耗用量。 要由阴床承担，从而增加了再生剂耗用量。

水的除盐与咸水淡化上

水的除盐与咸水淡化上
• 强碱性树脂可以去
除强酸弱酸，但再 生剂用量高n=4，
• 弱碱性树脂只能去
除强碱，但再生剂 耗量少， n=1.0~1.2 ， 维 护 费用低。
第二十三页，共54页
下图表示强碱阴离子交换器的运行过程曲线。清洗分为两步： Ø第一步将清洗水排出，直到清洗排水总溶解固体等于进水总溶解固体； Ø第二步将清洗水循环回收到阳离子交换器的入口，直到出水电导率符合要 求，即开始正常运行。 Ø在运行阶段，出水电导率与硅含量均较稳定。当到达运行终点时，在电导 率上升之前，硅酸已经开始泄漏。
• 预处理包括去除悬浮物，有机物，胶体物质，
微生物，细菌以及某些有害物质（Fe、Mn）。
第八页，共54页
三、进水水质预处理：
1. 膜分离装置和离子交换器对进水水质的要求。
第九页，共54页
2. 水中杂质对膜和树脂的危害表现在：
(1)悬浮物和胶体物质容易粘附在膜面上或堵塞树脂微孔道， 使脱盐效率降低；
以后以离解出大量的OH-，影响除硅效果。
进水Na+含量要低，否则酸度低，水的碱度增大。
再生条件要求高：再生剂用量64~96KgNaOH/m3，再生
液浓度2~4%，再生时间大于1Hr，n=4~6，适当提高再生
液温度，能改善再生效果，有利于提高下一周期出水水质。 一般对强碱一型控制在40~50℃，二型为35℃.
第十九页，共54页
(2)弱碱树脂只能去除强酸离子：
•解释一：弱酸树脂在水溶液中不易解离，[OH-]小，对于强酸：水中
[H+]高，易发生H++OH-=H2O，推动了ROH的解离所以SO42-可以被吸 附到树脂上，对于弱酸：水中[H+]低，不易发生H++OH-=H2O， •解释二：虽然亲和力OH->SO42-，但水中，[OH-]低，而[SO42-]高， 所以易吸附。 •弱碱树脂不能与水中弱酸发生反应，对中性盐类也没有分解能力 。
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典型应用：
从溶液中分离大分子物质和胶体，分离分子量
下限为几千Dalton
71
分离过程：
① 在膜表面及微孔内吸附（一次吸附）； ② 在孔中停留而被去除（阻塞）； ③ 在膜表面的机械截留（筛分）
72
73
1、超滤膜结构
各向同性膜，微孔贯通膜层，正反面具相同效应；
各向异性膜，由极薄的“皮层”和较厚的“海绵
水泵
直流电源
进水预处理装置
12
四、电渗析器的组装
并联：水流同向的膜对 装在一起。产水量与膜 对数成正比。 适用水量大 水质要求不高。 级：一对电极成为一级 段：浓淡水隔板上水流 方向一致为一段，改变 一次增加一段。
13
四、电渗析器的组装
串联： 水由前一个膜对出来改 变流向进入后一个膜对。 适用水量小，要求除盐 率高的场所。
电化学势 分离子进 离子交换 膜
非对称膜 或复合膜
离子交换 膜
电渗析
29
3、膜分离技术的特点 （1）无相变，能耗低
30
3、膜分离技术的特点
（2）常温下进行，适于热敏物质
（3）装置简，操作易，控制易，检修易；效率
高，可靠性高。
（4）适用于特殊溶液体系的分离
31
二、反渗透技术
1、反渗透、纳滤、超滤和微滤的比较 离子和分子
质通过高分子链间空穴，以空穴型扩散透过膜。
43
（2）透过机理
• 选择性吸附-毛细流到理论 • 索里拉金提出，膜表面具有亲水性，能选择 性地吸水，形成1个水分子厚的纯水层，而排斥溶 质。施加压力时，优先吸附的纯水膜中的水不断 通过膜，盐类则被膜排斥，化合价越高排斥越远。
44
45
4、反渗透装置
• 膜组件、泵和各种仪表、管路 • 膜组件：将膜以某种形式组装在一个基本单 元设备内，在外压作用下，能实现对溶质与溶剂 的分离的单元设备。
渗透压：维持渗透平衡所 施加的压力
p<π 纯水→溶液，渗透
P=π 平衡 P>π 纯水←溶液，反渗透
渗透到半透膜两侧出现
一定的压力差时才停止。
这个压力差称为渗透压π.
34
稀溶液中渗透压的Vant Hoff方程：
π=iCRT
式中：C——溶质浓度； i——系数，对于海水，i约等于1.8 发表于1885年。 测定溶剂吸引溶液的引力。 实现反渗透具备： 1. 选择性半透膜 2. p>π。
一边循环，一边补充原水，产水量与补水
量相等。渗析槽内流速不受产生量的影响，电流
密度也可相应稳定，运行管理比直流式容易。膜
可保持稳定状态，装置可适合任何进料状况。
适用于大规模水处理系统
原水
ED
19
七、有关计算
（1）电能效率 =理论耗电量/实际耗电量，电能消 耗在： 1）电极反应 2）克服浓度差产生的电位（膜电位）； 3）电阻消耗。 包括膜电阻和溶液电阻（极水、浓水和淡水）。
35
36
3、膜及其透过机理
（1）膜材料、膜分类及其结构
常用：醋酸纤维素（CA）膜和芳香族聚酰胺膜。
性能要求：
• 透水量大，脱盐率高；
• 机械强度好，多孔支撑层的压实作用小；
• 化学稳定，耐酸、碱和微生物
• 结构均匀，使用寿命长，性能衰减降慢；
• 制模容易，价格便宜、原料充足。
37
从结构上可分为均质膜、非对称膜、复合膜
dp——每度电的费用，元/度； m——整流器效率。
22
• 因为反离子在膜中的运动速度比在溶液中快，当 操作电流密度增大到一定的程度时，主体溶液中 的离子不能迅速的补充到膜的界面，使膜界面中
反离子的浓度趋近于零，从而迫使水分子电离产
生H和OH来荷载电流，此时的电流密度称为极限
电流密度。
23
第4节 反渗透与超滤（膜法处理技术）
一、概述
1、分离膜
是指将无机物或高分子聚合物特殊加工， 使其转变成一种具有选择透过性或其他分 离能力的薄层。
24
分类：
• 按来源：人工合成膜与生物膜。
• 按物态：固膜、液膜和气膜。 • 按材料：有机和无机
25
• 有机膜材料：纤维素类、聚酰胺类、含
氟高分子等；
• 无机膜材料：金属及其氧化物、陶瓷、 多孔玻璃等材料。
• 反渗透、超滤、微滤相当于过滤。 • 电渗析使用荷电膜，用于苦咸水的脱盐。
28
过程 微滤MF
分离目的 溶液脱粒 子 溶液脱大 分子、大 分子溶液 脱小分子
推动力 压力差 100kPa 1001000kPa
传递机理 筛分
膜类型 多孔膜
超滤UF
筛分
非对称膜
反渗透
溶剂脱溶 质
溶液脱小 离子
1000溶解-扩散 10000kP a
（3）中空纤维式
58
5、反渗透系统的布置形式
• 用于回收率（淡水产量与原水进水量的比值）
50%以下的工艺。
59
5、反渗透系统的布置形式
（2）循环式，可提高水的回收率，但出水水质下 降。
60
（3）多段式，即多级串联。用两级串联可将回收
率提高到70%-75%，用三级串联可提高到80%-
85%。
61
26
• 膜材料的要求：成膜性、热稳定、化学
稳定、耐微生物。
• 对膜组件的要求：密封可靠、装填密度 高、液流方式合理、造价低。 • 膜组件：中空纤维、卷式、板框式、管
式和毛细管式。
27
2、膜分离过程
• 以选择性透过膜为分离介质，当膜的两
侧存在推动力时，原料侧组分选择性的
透过膜，达到分离、提纯的目的。
压力消耗高。
54
（3）中空纤维式反渗透装置 杜邦公司提出。
55
（3）中空纤维式反渗透装置
56
（3）中空纤维式
• 优点：
① 装填密度高，可达16000-30000m2/m3,组件可
小型化；
② 膜不需要支撑材料，可受压而不破裂。
• 缺点：
① 膜面去污困难，料液预处理严格；
② 膜损坏无法更换。
57
三、纳滤（Nano filtration）
NF介于反渗透和超滤之间。
分离分子量在200g/mol以上、分子大小为1nm 的溶解组分。
67
NF特点：
1、渗透压远比RO膜低。相同通量下所需压力低；
同等压力下通量比RO大得多。
2、离子选择性。一价盐可通过，高价盐被截留。
68
应用
行业 处理对象 行业 处理对象
介于微滤和纳滤间，膜孔径为0.05μm至1nm。 通常能截留分子量>500g/mol的高分子的膜分 离过程称为超滤。 与反渗透类似： 无相变，无需加热，设备简单， 占地面积小，能耗低， 但操作压力低，对泵和管材要求不高。
70
特点：
分离对象为大分子（分子量500-50万），胶体、 细菌，悬浮物。 不能分离离子。 操作压力比较小
隔板材料
绝缘、化学稳定、耐热、不老化、有弹性。
8
三、电渗析装置 （2）极区
含电极、级框、电极托板和垫板。
材料：导电性能好，机械强度高、耐腐蚀、加
工方便。
级框主要使级水自成系统，不断将级室内生成
的电极反应物和沉淀物冲出，要求水流畅通、支撑
作用好。
9
电极
10
组装过程
11
（2）辅助设备
料液槽
细菌
粘
乳化油
土
淤泥
胶体硅
反
渗
透 纳滤 超 滤
微
滤
颗粒过滤
32
二、反渗透技术
2、渗透与渗透压 一种溶剂可通过半透膜进入到另一种溶液，或者 是从一种稀溶液进入到一种比较浓的溶液，这种现象 叫渗透。 1748年，法国物理学家J.A.Nollet首次发现渗 透现象。
33
渗透平衡：膜两侧水分子
的渗透速度相等
微米 纳米
离子
大 分 子
10-3 1
富里酸
微
10-1 102
小假单胞菌
粒
1 103
藻类 大肠杆菌 似隐胞菌素 卵母细胞
10-2 10
腐殖酸
硝酸根、硫酸根、 非挥发性有机物/色度/消毒副产物/致癌前驱物 氰化物、硬度、砷、 蛋白质 酶制品 磷酸根、重金属 氨基酸 小红细胞 流感病毒
合成有机化合物 杀虫剂、表面活性 剂、挥发性有机物、 染料、二噁英、 BOD、COD 胶体 病毒 脊髓灰质炎病毒
62
63
常规海水淡化工艺流程
64
6、超纯水制备
1）反渗透设于终端的超纯水制备系统
前处理
离子 交换
精制 混床
3μm 过滤器
不合格
纯水箱
紫外灯 消毒
反渗透
超纯水
合格
65
6、超纯水制备
2）反渗透设于前端的超纯水制备系统
前处理
反渗透
脱盐 水箱
离子 交换
不合格
精制 混床
紫外灯 消毒
超滤
超纯水
合格
66
制药 母液中有效成分的回收 行业 抗菌素的分离纯化
维生素的分离纯化 氨基酸的脱盐与纯化
化工 酸碱纯化、回收 电镀液中铜的回 收
纯水 高纯水、水的脱 盐、地下水净化
食品 乳清脱盐与浓缩 工业 苛性碱回收
染料 活性染料的脱盐与回 废水 印染厂废水脱色 工业 收 处理 造纸厂废水净化
69
四、超滤（Ultra- f22章 水的除盐与咸水淡化
2
三、电渗析装置 电渗析器本体和辅助设备 要求：稳定运行，不易结垢，耗电小，效率高， 易拆卸。 （1）本体 膜堆、极区、紧固装置 —膜对：基本的脱盐单元。 —膜堆：两电极间的膜对。
3