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膜分离设备有哪些?

点击次数:161  发布时间:2020-06-19

膜分离是利用薄膜以分离水溶液中某些物质的方法的统称。废水处理中目前常用的方法有渗析法、电渗析法、反渗透法及超滤法等,其基本特性如表5-2。

膜分离技术有以下共同特点:分离过程不发生相变,因此能量转化效率高;分离在常温下进行,特别适合于热敏性物料,如果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩;适用范围广,分离效率高;装置紧凑、占地省,操作简单,易于自动化。

一、渗析法

人们很早就发现,一些动物膜,如膀胱膜、羊皮纸(一种把羊皮刮薄做成的纸),有分隔水溶液中某些溶质的作用。例如,食盐能透过羊皮纸,而糖、淀粉树胶等则不能。这种具有选择性的膜叫半透膜,而利用半透膜的选择渗透性来分离或浓缩溶质的方法就叫渗析法。

二、电渗析法

(一)电渗析原理

电渗析是在直流电场力作用下,以电位差为推动力,利用离子交换膜的选择渗透性(与膜电荷相反的离子透过膜,相同的离子则被膜截留),使溶液中的离子作定向移动以达到脱除或富集电解质的膜分离操作。其中所用的离子交换膜有两种,只允许阳离子通过的膜称为阳膜,只允许阴离子通过的膜称为阴膜。

在常规的电渗析器内两种膜成对交替平行排列,如图5-29 所示,膜空间构成一个个小室,两端加上电极,施加电场,电场方向与膜平面垂直。

 

表5-2  几种主要的膜分离过程

 

渗析

电渗析

超滤

反渗透

分离目的

大分子溶质溶液脱小分子

水脱盐、离子浓缩

脱除大分子

水脱盐、溶质浓缩

推动力

浓度差

电位差

压力差0.1~1MPa

压力差1~10MPa

分离机理

筛分微孔膜内溶质受阻扩散

反离子经离子交换膜定向移动

筛分及表面作用

溶剂的扩散传递

透过组分

小分子溶质

电解质离子

小分子溶液

溶剂、中性小分子

截流组分

大分子和SS

非电解质、大分子物质

大分子溶质

SS、大分子、盐

膜类型

非对称性膜、离子交换膜

离子交换膜

非对称性膜

非对称性膜或复合膜

简图

 

 

 

 

图5-29 电渗析过程示意图

含盐料液均匀分布于各室中,水中的带电离子在直流电场的作用下定向迁移。如在图中2室中左边为阳膜,右边为阴膜,电场方向从左向右。此时,隔室中的阳离子便向阴极移动,遇到右边的阴膜,被截留。阴离子向阳极移动,遇到左边的阳膜也被截留。而其相邻两侧室中,左室1内阳离子可以通过阳膜进入2室,右室3内阴离子也可以通过阴膜进入2室,这样2室的离子浓度增加,故称浓缩室。另一种隔室左边为阴膜,右边为阳膜。在此室内的阴、阳离子都可以通过阴、阳膜进入相邻的室,而相邻室内的离子却不能进入此室。这样室内离子浓度降低,故称为淡化室。

由于两种膜交替排列,浓缩室和淡化室也是交替存在。若将两股物流分别引出,就成为电渗析的两种产品。

(二)电渗析的特点

1.电渗析只对电解质的离子起选择迁移作用,而对非电解质不起作用;

2.电渗析除盐过程中没有物相的变化,因而能耗低:

3.电渗折过程中不需要从外界向工作液体中加入任何物质.也不使用化学药剂,因而

保证了工作液体原有的纯净程度,也没有对环境的污染,属于清洁工艺;

4.电渗析过程是在常温常压下进行的。

(三)电渗析流程

  电渗析器由膜堆、极区和夹紧装置三部分组成(如图5-30)。

   1.膜堆  位于电渗析器的中部,是由交替排列的浓、淡室隔板和阴膜及阳膜所组成,

是电渗析器除盐的主要部位。    

   2.极区  位于膜堆两侧,包括电极和极水隔板。极水隔板供传导电温和排除废气、废

浓之用,所以比较厚。

   3.夹紧装置  电渗析器有两种锁紧方式:压机锁紧和螺杆锁紧。大型电渗析器采用油

压机锁紧,中小型多采用螺杆锁紧。

   4.组装方式  有串联、并联及串—并联。常用“级”和“段”来表示,“级”是指电级对

的数目。“段”是指水流方向,水流通过一个膜堆后,改变方向进入后一个膜堆即增加一段。

各种电渗析器的组合方式如图5—31所示。

图5-30 电渗析器组装示意图

1-上压板;2-垫板甲;3-电极托板;4-垫板乙;5-石墨电极;6-垫板丙;7-极框;8-阳膜;9-隔板甲;10-阴膜;11-隔板乙;12-下压板;13-螺杆;14-螺母;15-共电极区

 

图5-31  各种电渗析器的组合方式

 

三、超滤

(一)超滤过程

超滤是在压力推动下的筛孔分离过程。超滤膜主要用于大分子、胶体、蛋白、微粒的分

离与浓缩。超滤膜对大分子溶质的主要分离过程如下:

1.在膜表面及微孔内吸附;

2.在膜面的机械截留;

3.在微孔中停留而被除去,

其基本原理如图所示。超滤过程在对料掖施加一定的压力后,高分子物质、胶体等被半透膜所截留,而溶剂和低分子物质、无机盐透过膜。超滤膜具有选择性表面层的主要作用是形成具有一定大小和形状的孔,它的分离机理主要是靠物理的筛分作用。

 

(二)超滤膜

    超滤所用的膜为非对称性膜,膜孔径为1~20mm,能够截留相对分子质量500以上的大分子和胶体微粒,操作压力一般为0.1一0.5MPa。目前,常用的膜材料有醋酸纤维、聚砜、聚丙烯睛、聚酰胺、聚偏氟乙烯等。

   (三)超滤过程的工艺流程

超滤的操作方式可分为重过滤和错流过滤两大类。重过滤是靠料液的液柱压力为推动力,但这样操作浓差极化和膜污染严重,很少采用。而常采用的是错流操作。错流操作工艺流程又可分为间歇式和连续式。它们的特点和适用范围见表5—3。

1.间歇操作  间歇操作适用于小规模生产,超滤工艺中工业污水处理及其溶液的浓缩过程多采用间歇工艺,间歇操作的主要持点是膜可以保持在一个浓度范围内运行,在低浓度时,可以得到膜水通量。

    2.连续式操作  连续式操作常用于大规模生产,连续式超滤过程是指料液连续不断加入贮槽和产品的不断产出,可分为单级和多级。单级连续式操作过程的效率较低,一般采用如表5-3中所示的多级连续式操作。将几个循环回路串联起来,每一个回路即为一级,每一级都在一个固定的浓度下操作,从第1级到最后一级浓度逐渐增加。最后一级的浓度是最大的,即为浓缩产品。多级操作只有在最后一级的高浓度下操作,渗透通量最低,其他级操作浓度均较低,渗透通量相应也较大,因此级效率高;而且多级操作所需的总膜面积较小。它适合在大规模生产中使用。

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