污水处理技术工艺

全面膜分离技术详解

发布日期:2019-05-23 / 发布者:鸿淳环保科技 / 点击:

我国膜技术的研究始于20世纪60年代中期,并在实验室和中试规模上长期徘徊。“七五”以来,国家科委将膜技术列为国家重大科研项目,膜技术取得了很大进展。特别是改革开放的国家政策,促进了广泛的国际交往。膜技术在国民经济发展中的重要性日益增加,国内膜工业的产值也在逐渐增加。近10年来,我国膜技术的整体水平取得了很大的进步,但与国际先进技术国家的差距仍然很大。主要问题是:生产现代化和工业化程度低,原料不规范,工艺参数控制不严,产品质量不稳定,薄膜品种少,适用范围小。特别是在工艺设计、系统容量、膜组件水平、相关机电产品等方面的应用还没有达到国际先进水平,远远不能满足国内市场的需求,膜技术还有很大的发展空间。

一、概述

膜是一层薄薄的封闭层。在外能作用下,根据膜中各组分传质的选择性差异,对多组分流体材料进行分离、分级、纯化和富集。

1、膜的定义

膜是分子水平分离和过滤的介质。当溶液或混合气体与膜接触时,在压力,电场或温差的作用下,一些物质可以通过膜,而其他物质可以通过膜。选择性地截取它以使溶液的不同组分或混合气体的不同组分分离,这是分子水平分离。

最一般的定义之一是“膜”是两相之间的不连续间隔。因此,膜可以是气相、液相和固相,或者它们的组合。简单地说,膜是一个分离两种流体的薄阻挡层。膜透性是描述膜的传递速率的性能。

以常见的超滤过程为例,分离机理主要是筛选:膜表面有微孔。当流体通过膜的一侧表面时,一些较小的分子用部分溶剂通过膜到另一侧形成透析液。将大分子在原侧截去,形成截去溶液,达到将大分子溶质与小分子溶质和溶剂分离的目的。

形象地说,膜就像一个屏风,可以阻止大的,通过小的。但是这个屏幕的不同之处在于它的孔径很小,用来分离大分子和小分子。只要我们选择合适的孔径大小的膜,我们就可以进行所需的分子水平的分离。

2、膜分离技术的定义

将上述薄膜与驱动设备(压力泵、电场、加热器或真空泵)、阀门、仪表和管道相结合,使其成为适合工业使用的配置。在一定的工艺条件下,可以分离水溶液或混合气体。通过膜的成分称为可渗透流动组分。这种分离技术称为膜分离技术。

3、膜的种类

分离膜包括:反渗透膜(0.0001~0.001μm),纳滤膜(0.001~0.01μm)超滤膜(0.01~0.1μm)微滤膜(0.1~10 10μm)),电渗析膜,渗透蒸发膜,液膜,气体分离膜,电极膜等。它们对应于不同的分离机制,不同的设备和不同的应用对象。膜本身可以由聚合物,或无机材料或液体制成,并且其结构可以是均匀的或非均相的,多孔的或无孔的,固体或液体,带电或中性。薄膜的厚度可以薄至100微米,厚至几毫米。不同的膜具有不同的微结构和功能,需要以不同的方式制备。成膜方法一直是膜领域的核心研究课题,也是公司严格维护的核心技术。

4、按微观结构分:

对称膜、非对称膜、复合膜、多层复合膜等。

5、按宏观结构分:

扁平膜、卷膜、管状膜、毛细薄膜、中空纤维等。

无论是在实验室还是工业规模生产中,膜都是作为膜分离装置的分离单元,制成一定形式的组件。工业上使用和商品化的膜组件主要有扁平型、圆管型、螺旋型和中空纤维型,相应的膜几何形状分为扁平型、管状型、毛细管型和中空纤维型。后三种膜的直径主要不同,分别是直径>10 mm的管状膜、直径在0.5~10 mm之间的毛细管膜和直径小于0.5 mm的中空纤维膜。管膜直径越小,单位体积膜面积越大。

二、膜及膜过程的分类

在膜分离过程中,通常采用压差驱动的液体分离膜。根据膜孔径和截留特性的不同,可分为微滤、超滤、纳滤和反渗透。

三、膜过滤方式

传统的过滤方法是死端过滤:进料液一个接一个地进出,由于过滤材料表面的堵塞,过滤速度迅速降低。

错流过滤主要应用于膜系统:流动方向与膜表面平行,膜表面的浓差极化层被切断,过滤阻力减小,膜表面不易堵塞,过滤速度更快。

四、膜系统组成

目前,常见的膜分离过程是由压差驱动的,并通过交叉流动过滤进行。分子过滤分离可在室温下进行。它是一个物理过程,在其中不发生相变。动力是由泵提供的。当通过膜表面时,一些较小的分子穿过膜,大分子被拦截。

五、 反渗透基本原理

1、反渗透过程

反渗透是利用反渗透膜的选择性,只通过溶剂(通常是水)和离子物质的截留,以膜两侧的静压差为驱动力来克服溶剂的渗透压。溶剂通过反渗透膜从液体混合物中分离出来的一种膜过程。

反渗透技术与NF、UF一样,属于压力驱动膜分离技术.操作压差为1.5×10.5MPa,截留组分为(1≤10)×10≤10 m小分子物质。此外,还可以从液体混合物中去除所有悬浮物、溶解物和胶体,如将水从水溶液中分离出来,以便进行分离和净化。目前,随着超低压反渗透膜的发展,部分脱盐可以在小于1 MPa的压力下进行,适合于水的软化和选择性分离。

2、分离原理

反渗透膜的选择性渗透性与膜中组分的溶解,吸附和扩散有关。因此,除了膜孔的尺寸和结构之外,它还与膜的化学和物理性质,即组分密切相关。与膜的相互作用密切相关。可以看出,化学因子(膜及其表面性质)在反渗透分离过程中起主导作用。

当两种不同浓度的溶液被半透膜分离时,只允许溶剂分子通过膜。由于溶剂在浓溶液中的化学势低于稀溶液中的化学势,稀溶液中的溶剂分子会通过半透膜自发迁移到浓溶液中。

3、反渗透的应用

反渗透技术的大规模应用主要是苦咸水和海水淡化。此外,它被大量用于纯净水和生活水处理,而且很难用其他方法分离混合物。反渗透工业应用包括:(1)海水淡化和饮用水的半咸水;(2)半导体工业、医药和化学工业所需的超纯水的制备;(3)浓缩过程所用包括:果汁、糖和咖啡在食品工业中的浓度;废水在电镀和印染工业中的浓度;乳业生产奶酪前牛奶的浓度。

六、 纳滤膜基本原理

纳滤技术是为适应工业软化水的需要和降低成本,为适应低操作压力下的运行,进而实现成本降低而发展起来的一种新型反渗透膜技术。我国自20世纪90年代初开始研制纳滤膜。与国外相比,纳滤技术在我国作为一个整体只能说才刚刚起步,膜技术、复合器技术和应用开发才刚刚起步。

1、纳滤过程

纳滤是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离技术.它具有两个特点:(1)对分子量在水中的数百个小分子具有分离性能;(2)不同价态的阴离子具有Donnan效应。材料的电荷性质和离子价电荷浓度对膜的分离效果有很大的影响。多南(Donnan)模型=多南(Donnan)效应,Donnan模型建立在Donnan平衡的基础上,用于描述荷电膜的脱盐过程。纳滤膜一般以荷电膜为主,因此模型更多地用于描述纳滤过程。

用于饮用水和工业用水的净化,废水净化处理,工艺流体中有价值成分的浓缩等,其工作压力差为0.5-2.0 MPa(或0.345-1.035 MPa),并且分子量限制为200-1000(或200至500),分离分子大小为1nm的溶解组分。由于NF膜必须达到相同渗透通量的压力差比RO膜低0.5至3MPa,因此NF膜过滤也称为“松散RO”或“低压反渗透”。

2、分离原理

纳滤膜和反渗透膜都是多孔膜。一般认为,纳滤膜和反渗透膜的传质机理是溶解扩散。然而,大多数的纳滤膜都是带电荷的膜。无机盐的分离行为不仅受化学势梯度的控制,而且受势梯度的影响。也就是说,纳滤膜的行为与其荷电性能、荷电状态和溶质相互作用有关。

3、纳滤膜的应用

纳滤膜是反渗透膜与超滤膜之间的一种新型分离膜。由于其纳米膜孔和膜上的多电荷,主要使用。以下方面:

(1)不同分子量有机物的分离;

(2)小分子无机物质与有机物的分离;

(3)从溶液中的二价或多价盐中分离一价盐;

(四)从相应的酸中分离盐。从而实现饮用水和工业水的软化、原料液的脱色、浓缩、分离和回收。

1-价离子如na+和cl-的截获率较低。然而,小分子量(200-1000)物质如Ca2+、mg2+、so42-和除草剂、农药、颜料、染料、抗生素、多肽和氨基酸的截获率很高。此外,水在纳滤膜中的渗透率要比反渗透膜大得多,所以当需要拦截分子量在500~数千的低浓度二价离子和溶质时,选择纳米滤除比来使用反渗透经济。

七、 超滤膜基本原理

超滤(UF)现象早在130多年前就已被发现。我国对超滤技术的研究比国外晚了10年左右。它始于20世纪70年代中期,80年代有了很大的发展,90年代得到了广泛的应用。

1、 超滤过程

一般认为超滤是一种筛选分离过程。在静压差的作用下,原料液中的溶剂和小溶质颗粒从高压材料液体侧穿过膜,进入低压侧,一般称为滤液或可渗透液体。但滤液中的大颗粒组分被膜堵塞,使滤液中大颗粒的浓度增加。根据这种分离机理,选择超滤膜表面层的主要因素是形成一定尺寸和形状的孔,聚合物的化学性质对膜的分离特性影响不大。

2、 分离机理

一般认为UF的分离机理是筛分分离过程,但膜表面的化学性质也是影响超滤分离的重要因素。也就是说,在超滤过程中溶质的捕获有三种机械截留(筛分)在膜表面,保留在膜孔中(去除),吸附在膜表面和孔隙(初级吸附)。

3、 超滤膜的应用

超滤的工业应用可分为三类:(1)浓缩;(2)小分子溶质的分离;(3)大分子溶质的分类。大多数工业应用都是集中的。小分子溶质可以通过与大分子结合或化合来分离。

超滤广泛用于需要从低分子物质或溶剂中分离较大分子和颗粒的领域。超滤装置可单独操作或与其他加工设备结合进行各种分离过程。目前,除使用超滤膜进行工业废水处理、城市污水处理、生产饮用水、制备高纯水、净化生物制剂外,而随着食品和制药行业非水系统的发展,无机超滤膜在这一领域具有良好的应用前景。

八、微滤膜应用

微滤技术是所有膜工艺中应用最广泛、销售量最大的一种技术,其年销售额超过了所有其他膜工艺的销售额之和。在工业上,微滤主要用于从溶液中分离大于0.1 mm的颗粒。其最大的市场是制药工业的杀菌和过滤以及为电子工业准备高纯水,这已成功地应用于食品工业的许多领域。它还被广泛应用于各种生物和生理分析中,如细胞捕获、各种颗粒的富集等。随着水资源的日益短缺和社会生活水平的提高,饮用水生产和城市污水处理已成为微滤工艺的两个潜在市场。其最新的应用领域是生物技术和生物医学技术。

九、膜技术的应用领域

1、高质量饮用水供给

随着水体的污染和人民生活水平的提高,人们越来越希望获得优质的饮用水。活性炭吸附过滤与超滤相结合生产优质饮用水具有投资少、成本低的优点。它是制备优质饮用水的一种经济有效的方法,具有广阔的市场前景。

2、工业供水

自来水和地下水的水质不能满足许多​​化工,电子工业和纺织工业的要求。它需要在使用前进行净化。超滤膜技术是净化工业用水的重要技术之一。

3、医药用水

医用注射用水采用多级蒸馏制备,操作繁琐,能耗高,质量不易保证。采用超滤膜技术去除注射用水热源和终端水热源,取得了良好的效果。

4、工艺水处理(分离、浓缩、分类和净化)

在工业生产过程中,往往需要对某一水溶液进行分离、浓缩、分级和提纯。传统的方法有沉淀法、过滤法、加热法、冷冻法、蒸馏法、萃取法和结晶法。这些方法存在工艺时间长、能耗高、材料损耗大、设备庞大、效率低、操作繁琐等缺点。采用超滤膜技术代替一定的传统工艺,可以取得显著的经济效益。

5。膜技术在制药工业中的应用

膜技术广泛用于生物制剂和药物生产中的分离,浓缩和纯化。如血液制剂的分离,抗生素和干扰素的纯化,蛋白质的分类和纯化,中药的杀菌和澄清等。发酵是生物制药的主流技术。从发酵液中提取药物。传统方法是溶剂萃取或加热和浓缩。有机溶剂和酸碱溶液重复使用。消耗量大,过程长,废水处理任务繁重。特别是,许多药物对热敏感性很高,这限制了传统方法的实用性。国际先进的药品生产线采用大量的膜分离技术取代传统的分离,浓缩和纯化工艺。如使用膜设备浓缩净化抗生素,中药汤和中药注射液澄清。

6。膜技术在食品工业中的应用

采用超滤膜技术对发酵液中的产物和细菌进行分离,并采用其他方法对其进行精制。其优点是:生产效率和产品质量的提高;流线型工艺;细菌蛋白不含杂质,具有较高的利用价值,实现资源的综合利用。酱油、醋澄清、果汁澄清和浓缩、乳制品生产、糖业都采用了膜技术.

7。膜技术在各种工业生产中的应用

膜技术在分子水平浓缩和分离过程中的应用前景广阔。汽车电泳漆的在线净化采用超滤膜去除杂质,不断保证涂料质量。超滤膜技术用于燃料工业中间体的分离和浓缩.

8.在环境保护和水资源方面的应用

膜技术已广泛应用于污水处理、污染防治和水资源综合利用等领域。在许多情况下,不仅处理废水,还回收有用物质和能源。

8.对含油废水和废油进行1次处理

1采油回注处理:膜法可去除水中乳化溶解油,改善注入水质。

含油废水的处理:许多工业生产和运输生产大量含油废水,膜过滤技术是达到标准的最有效方法。

3废润滑油的净化:通过常规技术添加膜分离可以获得,适用于汽车等废机油的处理。

(4)机床切削油的净化和回收:废切削油中的细菌和杂质可采用膜法去除,经处理后回用。

净化废油:食用油在持续高温下会产生致癌物质,可以用膜法去除。

6食用菜籽油的纯化:菜籽油中芥酸含量为15%~48%,含碳量高。可用膜法去除,达到标准(芥酸<5%)。

8。(2)废物的处理和再利用

1印刷和开发废水的处理和再利用可通过标准膜处理或再循环来排放。

(2)电镀废水可采用膜法处理、水回用和污染物回用。

3印染废水可用膜分离,去除有色染料,使水再利用。牛仔布印染废水回收靛蓝燃料。

(4)膜分离出造纸废水中的木质素和色素,净化后的废水可排出或回用。

9、水的淡化技术

1海水淡化技术:采用最新的膜蒸馏技术最适合与船用发动机换热器一起使用,利用余热产生淡水,适用于中小型渔船进行长距离捕捞。

2盐水淡化技术:将天然盐水薄膜稀释至应用水质标准。

10。国内外膜分离技术的发展趋势

近30年来,美国、加拿大、日本等欧洲先进国家一直将膜技术定位为高新技术,投入大量资金和人力,促进了膜技术的快速发展。使用范围正在扩大。膜分离技术的发展和应用,是纯水生产、海水淡化、苦盐水淡化等众多行业的发展和应用。电子工业、医药、生物工程、环保、食品、化工、纺织等产业解决了优质分离、浓缩、净化等问题,为循环经济和清洁生产提供了配套技术。

我国膜技术的研究始于20世纪60年代中期,并在实验室和中试规模上长期徘徊。“七五”以来,国家科委将膜技术列为国家重大科研项目,膜技术取得了很大进展。特别是改革开放的国家政策,促进了广泛的国际交往。膜技术在国民经济发展中的重要性日益增加,国内膜工业的产值也在逐渐增加。近10年来,我国膜技术的整体水平取得了很大的进步,但与国际先进技术国家的差距仍然很大。主要问题是:生产现代化和工业化程度低,原料不规范,工艺参数控制不严,产品质量不稳定,薄膜品种少,适用范围小。特别是在工艺设计、系统容量、膜组件水平、相关机电产品等方面的应用还没有达到国际先进水平,远远不能满足国内市场的需求,膜技术还有很大的发展空间。

首先,要加强研发能力,促进膜技术产业的发展,依靠科技进步,提高产品质量,降低成本,增加品种,扩大应用。另外,通过招商引资、引进技术、消化吸收、改进膜技术应用的工艺设计、完善系统容量、膜制备和膜组件水平、膜品种及相关机电产品等,达到国际先进水平。

全面膜分离技术详解

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