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膜分离技术

[拼音]:mo fenli jishu

[外文]:membrane separation technique

利用隔膜使溶剂(通常是水)同溶质或微粒分离的技术,包括电渗析、扩散渗析、反渗透和超过滤法等。膜分离技术广泛地用于海水和苦咸水淡化,废水深度处理,废液和废水中有用物质的浓缩回收,并用于制取高纯水等方面。这一技术近30多年来发展非常迅速。

中国于1958年开始实验研究电渗析法,1966年开始研究反渗透技术,均已成功地用于生产。

用隔膜分离溶液时,使溶质通过膜的方法称为渗析,使溶剂通过膜的方法称为渗透。溶质或溶剂透过膜的推动力是电动势(电渗析)、浓度差(扩散渗析)或压力差(反渗透、超过滤和压渗析)。隔膜是膜分离技术的关键部分,一般是用高分子材料制成的薄膜,种类很多,可根据需要选用。

离子选择性透过膜

是电渗析法所应用的隔膜,也可用于反渗透,简称离子交换膜。它的选择透过性一般是用双电层理论和唐南膜平衡理论来解释。构成离子交换膜基膜的高分子链上,连接有活性基团,膜在水中溶胀后,活性基团被水相包围,因而电离成固定基团和可交换的活动离子,带有电荷的固定基团附近与电解质溶液中带相反电荷的离子就形成双电层。当活性基团浓度大于膜外溶液浓度时,固定基团就会吸引膜外溶液中带异号电荷的离子,使之通过膜,排斥同号离子,使之不能通过膜,这就是离子选择透过性。唐南膜平衡理论认为,当活性基团浓度高于膜外溶液浓度、同号离子在溶液中的浓度高于在膜相内的浓度时,异号离子受不可移动的固定基团约束,不能移至膜外;溶液中的同号离子也不能进入膜内。但在浓度差作用下,会有少量离子进行扩散,扰乱电中性状态,从而在膜相和液相界面上将产生电势差,这一电势差称为唐南电势。这种电势差趋向于把膜相的异号离子拉回而把同号离子仍排斥到溶液中去,以恢复电中性状态。这样由浓度梯度产生的离子扩散趋势就被反方向的唐南电势作用趋势所抵销,建立起一种浓度不均匀的平衡状态,这种平衡称为唐南膜平衡。结果使膜相中的异号离子浓度大于液相中的异号离子浓度,使膜相中的同号离子浓度小于液相中的同号离子浓度,也就是在保持膜内电中性状态下,溶液中的异号离子通过膜而同号离子则不易通过,所以离子交换膜对异号离子有高的选择透过性。

离子交换膜按选择透过性分为阴离子交换膜、阳离子交换膜、复合膜、两性膜、表面涂层膜、镶嵌膜和无机离子交换膜。按制膜工艺和膜结构分,有异相膜、均相膜和半均相膜。按用途分,有通用离子交换膜和特殊用途膜(如电极室隔膜、防有机污染膜、防极化膜)。

对离子交换膜的要求是:膜电阻低、离子选择透过性好、水的渗透量小、机械强度和化学稳定性好。

半透膜

只透过溶剂,或只透过溶剂和小分子溶质而截留大分子溶质,显示半透性的膜称半透膜,主要用于反渗透和超过滤。应用于反渗透过程时,称反渗透膜。它是具有亲水性基团的薄膜,其透过机理现在还有不同看法,通常是用氢键理论或优先吸附-毛细管流动机理来解释。以醋酸纤维素膜为例,氢键理论认为,膜上的羰基能与水分子形成氢键,在压力的推动下,水分子可由一个氢键断裂而转到另一个位置形成氢键。通过氢键的形成与断裂的移动过程,水就通过膜源源流出。优先吸附-毛细管流动机理认为醋酸纤维素膜的多孔的亲水性表面,能优先吸附一层水分子,约有两个水分子厚度(为10Å),盐类溶质则被排斥,化合价越高的离子,被排斥愈远。膜的孔隙为纯水层厚度的一倍(20Å)时,称为临界孔径。在临界孔径范围内,孔隙周围的水分子在反渗透压推动下,通过膜流出,从而达到分离目的。有机物的脱除属筛分原理,分子量小于200的小分子可通过膜,分子量大于 200的有机物,基本上可全部截除。对半透膜的要求是:单位膜面积透水量(通量)大,脱盐率高,机械强度和化学稳定性好,结构均匀,制造容易,价格低廉。目前反渗透常用的膜有:醋酸纤维素膜,芳香聚酰胺膜,能耐高温的聚苯并咪唑膜,能耐水解和生物降解的玻璃中空纤维膜和氧化石墨膜,耐碱的磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜,耐酸耐碱的聚四氟乙烯接枝膜等。按膜的结构可分为对称性膜、不对称性膜和动态形成膜。60年代后期,研制成醋酸纤维超薄复合膜,已用于生产,这种膜可将海水经单级脱盐成为饮用水。半透膜可制成板状、管状和中空纤维状,分别用来装置各种型式的反渗透器,也应用于扩散渗析过程。

孔径较大的半透膜应用于超过滤,称为超过滤膜。它在0.7~7千克力/厘米2的压力下工作,用于分离直径10微米以内的分子和微粒,其透过性机理属筛分原理,膜的孔径是分离作用的主要控制因素,已用于电泳涂漆废液等工业废水的处理。

参考文章

  • 膜分离技术的研究进展及在水处理方面的应用废水治理
  • 膜分离技术:开源减排保障水安全废水治理
  • 膜分离技术处理造纸废水废水治理
  • 逆渗透膜分离技术在造纸废水深度处理中的应用废水治理
  • 膜分离技术深度处理造纸废水的研究废水治理
  • 水处理中膜分离技术应用的研究废水治理
  • 全膜分离技术及其在电厂化学水处理中的应用废水治理
  • 纳滤膜分离技术在矿井水处理中的研究废水治理
  • 微滤膜分离技术废水治理
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