第十章膜分离装置讲解

膜分离设备的工作原理
膜分离设备是一种利用膜作为过滤介质，分离溶质和溶剂的技术。

其工作原理主要包括筛分、渗透和离子交换三个过程：
1. 筛分：膜分离设备中的膜具有微孔或孔隙，通过孔隙的大小选择性地分离溶质和溶剂。

溶质分子或颗粒大小大于膜孔隙的，无法通过膜，从而实现了分离。

2. 渗透：根据溶质和溶剂之间的渗透压差，使得溶质和溶剂分子通过膜的同时实现分离。

通常，净水渗透设备中采用反渗透膜，通过施加高压差使得水分子从高浓度侧向低浓度侧渗透，而溶质则被截留在高浓度侧。

3. 离子交换：膜分离设备中的离子交换膜根据离子的电荷选择性地分离溶质。

离子交换膜上的正负离子吸引和截留对应电荷的溶质，使得溶液中的离子得以分离。

根据不同的分离机制和应用，膜分离设备可以包括微滤、超滤、纳滤、反渗透、气体分离和电渗析等类型。

这些设备通常包括膜模块、膜芯、壳体、进出口连接等组成部分，并通过施加压力、调节pH、温度等操作条件来实现分离过程。

(1)按物理结构:可分为凝胶型、大孔型和等孔型。

(2)按合成单体:可分为苯乙烯系、酚醛系和丙烯系等。

(3)按活性基团性质:阳离子交换树脂、阴离子交换树脂等。

(二)离子交换树脂的结构离子交换树脂是具有特殊网状结构的高分子化合物,由空间网状结构骨架(即母体) 和附着在骨架上的许多活性基团所构成。

(三)离子交换树脂的物理化学性质(1)交联度:离子交换树脂是一种具有立体交联结构的高分子化合物。

交联结构有树脂合成时加入的交联剂来实现。

交联度是指交联剂的用量(用质量分数表示)。

交联度越大,树脂结构越密集,溶胀越小,选择性越高和稳定性越好。

(2)粒度:离子交换树脂通常为球形,粒径为0.2~1.2mm。

(3)密度:密度分真密度和视密度。

真密度指树脂溶胀后的质量与其本身所占体积之比;视密度指树脂溶胀后的质量与其堆积体积之比。

阳离子树脂的真密度一般为1300kg/m3 左右,视密度为700~850kg/m3 ;阴离子树脂的真密度一般为1100kg/m3 ,视密度为600~750kg/m3。

(4)溶胀性:离子交换树脂浸泡于水中时,由于溶剂化作用会发生体积增大,即为溶胀。

树脂的溶胀程度与交联度、交联结构、基团与反离子的种类有关。

(5)交换容量:离子交换树脂的交换容量是树脂最重要的性能,它定量地表示树脂交换能力的大小。

交换容量又可区分为全交换容量和工作交换容量。

全交换容量指单位质量(或体积) 的树脂中可以交换的化学基团的总数,亦称理论交换容量。

工作交换容量指树脂在给定工作条件下实际可利用的交换能力,与运行条件,如再生方式和程度、原水离子成分、树脂层高度、操作流速和温度等有关。

(6)选择性:树脂选择性是指离子交换树脂对不同离子亲和力强弱的反应。

影响离子交换树脂选择性的因素包括:离子的水化半径:离子在水溶液中通常发生水化作用,离子在水溶液中的实际大小以水化半径来表征。

水化半径越小的离子越易被交换。

离子的化合价:离子的化合价越高,其与树脂的亲和力越强,越易被树脂交换。

第九章膜分离第一节概述膜分离法是利用特殊的薄膜对液体中的某些成分进行选择性透过的方法的统称。

溶剂透过膜的过程称为渗透，溶质透过膜的过程称为渗析。

常用的膜分离方法有电渗析、反渗透、超滤，其次是自然渗析和液膜技术。

近年来，膜分离技术发展很快，在水和废水处理、化工、医疗、轻工、生化等领域得到大量应用。

膜分离的作用机理往往用膜孔径的大小为模型来解释，实质上，它是由分离物质间的作用引起的，同膜传质过程的物理化学条件,以及膜与分离物质间的作用有关。

根据膜的种类、功能和过程推动力的不同，各种膜分离法的特征和它们之间的区别如表9-1所示。

①膜分离过程不发生相变，因此能量转化的效率高。

例如在现在的各种海水淡化方法中，反渗透法能耗最低。

②膜分离过程在常温下进行，因而特别适于对热敏性物料，如对果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩。

③装置简单，操作容易，易控制、维修，且分离效率高。

作为一种新型的水处理方法，与常规水处理方法相比，具有占地面积小、适用范围广、处理效率高等特点。

第二节电渗析一、电渗析原理与过程电渗析是在直流电场的作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性（即阳膜只允许阳离子通过，阳膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。

电渗析系统由一系列阴、阳膜交替排列于两电极之间组成许多由膜隔开的小水室，如图9-1所示。

当原水进入这些小室时，在直流电场的作用下，溶液中的离子作定向迁移。

阳离子向阴极迁移，阴离子向阳极迁移。

但由于离子交换膜具有选择透过性，结果使一些小室离子浓度降低而成为淡水室，与淡水室相邻的小室则因富集了大量离子而成为浓水室。

从淡水室和浓水室分别得到淡水和浓水。

原水中的离子得到了分离和浓缩，水便得到了净化。

在电渗析过程中，除了上述离子电迁移和电极反应两主要过程以外，同时还发生一系列次要过程，如下所述。

（1）反离子的迁移因为离子交换膜的选择性不可能达到100％，所以也有少量与离干交换膜解离离子电荷相反的离子透过膜，即阴离子透过阳膜，阳离子透过阴膜。