文档介绍：第六章反渗透
1960年,美国加利福尼亚大学Loeb 和Sourirajan等采用***酸镁水溶液作为添加剂,首次研制出了具有高脱盐率(%)和高通量[259L/m2·d]的非对称醋酸纤维素反渗透膜,使得反渗透膜分离技术进入实用阶段。目前在海水和苦咸水淡化、纯水和超纯水制备、锅炉水软化等方面发挥着巨大的作用。
1970年,美国Du Pont公司推出由芳香族聚酰***中空纤维制成的渗透器,与此同时Dow和东洋纺公司先后开发出三乙酸纤维素中空纤维反渗透器,UOP(环球油品公司)成功推出卷式反渗透元件。
1980年,Filmtec公司推出性能优异、实用的FT-30复合膜,80年代末高脱盐率的全芳香聚酰***复合膜工业化。90年代中,超低压高脱盐全芳香聚酰***复合膜开发进入市场。
5/18/2018
膜材料与膜过程
图6-1膜分离谱图
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膜材料与膜过程
反渗透膜分离原理
渗透
只透过溶剂而不透过溶质的膜称为理想半透膜。当把溶剂和溶液(或两种不同浓度的溶液)分置于此膜的两侧时,溶剂将自发地穿过半透膜向溶液(或从低浓度向高浓度溶液)侧流动,这种自然现象叫做渗透(Osmosis)。如果上述过程中溶剂是纯水,溶质是盐份,当用理想半透膜将它们分离开时,纯水侧的水会自发地通过半透膜流入盐水侧,此过程如右图所示:
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膜材料与膜过程
渗透压
纯水侧的水流入盐水侧,浓水侧的液位上升,当上升到一定高度后,水通过膜的净流量等于零,此时该过程达到平衡,与该液位高度对应的压力称为渗透压(Osmotic pressure)。该过程如下图所示:
一般来说渗透压的大小,取决于溶液的种类、浓度和温度,而与半透膜本身无关,通常可用下式来计算渗透压:
=CRT
—渗透压,大气压
C—浓度差,摩尔/升
R—气体常数,
T—绝对温度 OK
上式是应用热力学公式推导出来的,
因此只对稀溶液才是准确的。C为
水中离子浓度,若为非电解质则为分子的浓度。
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膜材料与膜过程
反渗透
当在膜的盐水侧施加一个大于渗透压的压力时,水的流向就会逆转,此时盐水中的水将流入纯水侧,这种现象叫反渗透(Reverse Osmosis,简称RO)。该过程如右图所示:
定义
反渗透 reverse osmosis, RO
在高于渗透压差的压力作用下,溶剂(如水)通过半透膜进入膜的低压侧,而溶液中的其他组份(如盐)被阻挡在膜的高压侧并随浓溶液排出,从而达到有效分离的过程。
反渗透膜 reverse osmosis membrane
用于反渗透过程使溶剂与溶质分离的半透膜。
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膜材料与膜过程
表6-1 几种主要的膜分离过程
膜过程
推动力
传递机理
透过物
截留物
膜类型
微滤
压力差
筛分作用
水、溶剂溶解物
悬浮物颗粒
纤维多孔膜
超滤
压力差
筛分作用
水、溶剂小分子
胶体和超过截留分子量的分子
非对称膜
纳滤
压力差
筛分作用和电荷效用
水、一价离子、部分二价离子
多价离子
有机物
复合膜
反渗透
压力差
溶剂的溶解扩散
水、溶剂
溶质、盐
非对称膜、复合膜
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膜材料与膜过程
反渗透过程脱盐机理
溶解扩散理论(模型)
溶解扩散理论是朗斯代尔(Lonsdale)和赖利(Riley)等人提出的应用比较广泛的理论。该理论假设膜是无缺陷的致密无孔膜,溶剂与溶质都能溶解于均质的非多孔膜的表皮层内,溶解量的大小服从亨利定律,在浓度或压力造成的化学位差推动下,从膜的一侧向另一侧扩散,再在膜的另一侧解吸。任意组分(水或盐)的通量主要取决于化学位梯度,水和盐传质的推动力有两部分:浓度梯度和压力梯度。
溶解扩散理论的具体渗透过程为:
①溶质和溶剂在膜的料液侧表面吸附溶解;
②溶质和溶剂之间没有相互作用,它们在化学位差的作用下以分子扩散的形式渗透过反渗透膜的活性层;
③溶质和溶解在膜的另一侧表面解吸。
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膜材料与膜过程
优先吸附-毛细孔流动模型
溶液界面张力和溶质(活度)在界面的吸附Gibbs方程,预示了在界面处存在着急剧的浓度梯度,也就是说在膜的表面形成水分子薄层,在外力的作用下,优先通过反渗透膜。
氢键模型
膜的表面很致密,其上有大量的活化点,键合一定数目的结合水,这种水已失去溶剂化能力,盐水中的盐不溶于其中。进料中的水分子在压力下可与膜上的活化点形成氢键而缔合,使该活化点上其他结合水解缔下来,该解缔的结合水又与下面的活化点缔合,使该点原有的结