课程名称：《水质工程学I》第周，第25讲次摘要$8-4反渗透与超滤$8-5蒸馅法授课题目（章、节）【目的要求】通过本讲课程的学习，学会建立的方法，的特点。【重点】【难点】内容【本讲课程的引入】【本讲课程的内容】88-4反渗透与超滤一、反渗透：（一）渗透现象与渗透压（物理化学已学过）1、半透膜：只能让水分子透过，而阻止溶质透过的膜一一称为半透膜。2、渗透过程：实验纯水减水纯水纯水中成水咸水一半透膜2一半透膜一半透膜(a)渗透(b)平衡(c)反潜透图22-17渗透与反渗透现象（1）有渗透现象；（2）平衡时压差为元Pa；（3）反渗透
课程名称：《水质工程学 I》 第 周，第 25 讲次 摘 要 授课题目（章、节） §8-4 反渗透与超滤 §8-5 蒸馏法 【目的要求】通过本讲课程的学习，学会建立的方法，的特点。 【重 点】 【难 点】 内 容 【本讲课程的引入】 【本讲课程的内容】 §8-4 反渗透与超滤 一、反渗透: （一）渗透现象与渗透压（物理化学已学过） 1、半透膜：只能让水分子透过，而阻止溶质透过的膜——称为 半透膜。 2、渗透过程：实验 （1）有渗透现象； （2）平衡时压差为πPa； （3）反渗透
元称为渗透压。这个渗透现象是一个自发的过程。纯水的化学势（位）为μ。咸水的化学势（位）为μ则：μ= μo+RTlnxx—一咸水中水的摩尔分数，T——热力学温度K。R一一理想气体常数，R=8.314J/mo1·Kxμ即纯水的化学位高于咸水的化学位，所以纯水向化学位低的咸水一侧渗透。水的化学位的大小决定着水的传质方向。3、渗透压：元平衡态，膜两侧的水的压力差，元即为在指定温度下，溶液（咸水）渗透压：π=icRT(Pa)c一溶液物质的量浓度，mo1/mi——系数，海水i～1.8（二）反渗透：在咸水侧施加压力P>，迫使咸水中的水向纯水一侧渗透的过程称为反渗透。1、理论：反向加压大于元，克服渗透压。迫使渗透反向。加压→咸水化学位>纯水化学位2、理论耗能：（25℃）海水的盐度34.3%（计算仅用34.3）
π称为渗透压。 这个渗透现象是一个自发的过程。 纯水的化学势（位）为 μ0 咸水的化学势（位）为μ 则： μ= μ0+RTlnx x——咸水中水的摩尔分数， T——热力学温度 K。 R——理想气体常数，R=8.314J/mol·K x＜1 lnx为负值。 ∴ μ0 ＞μ 即纯水的化学位高于咸水的化学位，所以纯水向 化学位低的咸水一侧渗透。 水的化学位的大小决定着水的传质方向。 3、渗透压：π 平衡态，膜两侧的水的压力差， π 即为在指定温度下，溶液（咸 水）渗透压： π =icRT（Pa） c——溶液物质的量浓度，mol/m3 i——系数，海水 i≈1.8 （二）反渗透： 在咸水侧施加压力P＞π，迫使咸水中的水向纯水一侧渗透的过程 称为反渗透。 1、理论：反向加压大于π ，克服渗透压。迫使渗透反向。加 压 →咸水化学位＞纯水化学位 2、理论耗能：（25℃）海水的盐度34.3‰（计算仅用34.3）
ARTSWim =-(kw-h/m)VA——系数，A=0.00537T一绝对温度，K。S—一海水盐度。R——一理想气体常数R=2.31X10kw·h/mol·K一一水的偏摩尔体积，V=0.018X10-3m/mol..Wum= 0.7kW.h/m1kw·h=3.6x10°Pam即为海水的极限渗透压。实际工程应用要大该值。（三）反渗透膜及透过机理：C醋酸纤维素（CA）芳香族聚酰胺膜表面层过港层多孔支撑层图22-18CA膜结构示意
( / ) 3 kw h m V ARTS W1im = A——系数，A=0.00537 T——绝对温度，K。 S——海水盐度。 R——理想气体常数， R=2.31×10-6 kw·h/mol·K V ——水的偏摩尔体积， V =0.018×10-3 m 3 /mol ∴Wlim= 0.7 kW·h/m3 1 kW·h =3.6×106 Pa · m 3 即为海水的极限渗透压。 实际工程应用要大该值。 （三）反渗透膜及透过机理： 醋酸纤维素（CA） 芳香族聚酰胺膜
1、机理：选择性吸附一一毛细管流机理纯水HH11112图22-19选择性吸着-毛细管流机理示意膜表面具有亲水性，选择吸附水分子（两个水分子厚1nm的纯水层)。并排斥盐分，在施加压力的作用下，纯水由毛细孔不断流过反渗透膜。毛细孔孔径应为纯水层厚1nm的2倍以下（2nm）。实际2~3nm以下。称为临界孔径。若孔径大于临界孔径，透水性增大，盐分也可透过。2、反渗透应用范围：（1）CA膜适用于含盐量小于10000mg/1，以下的苦咸水淡化。（2）含盐量大于10000mg/1，可用复合膜反渗透。复合膜：两种半透膜复合成一张膜。（3）可构成联合除盐系统：如反渗透一一离子交换。反渗透一一先除胶体微粒，二氧化硅，高分子有机物，及大部分溶解盐。目的：减轻后续离子交换工艺的负荷。离子交换一一脱盐，出水为纯水（四）反渗透淡化装置，工艺流程与布置系统。1、分类：四种形式：（1）板框式：装置类似电渗析，许多膜层叠在框板架中。（2）管式：分串联和并联毛细管（类似中空纤维式
1、机理： 选择性吸附——毛细管流机理 膜表面具有亲水性，选择吸附水分子（两个水分子厚1nm的纯水 层）。 并排斥盐分，在施加压力的作用下，纯水由毛细孔不断流过反 渗透膜。毛细孔孔径应为纯水层厚1nm的2倍以下（2nm）。实际2～ 3nm以下。称为临界孔径。若孔径大于临界孔径，透水性增大，盐 分也可透过。 2、反渗透应用范围： （1）CA膜适用于含盐量小于10000mg/l，以下的苦咸水淡化。 （2）含盐量大于10000mg/l，可用复合膜反渗透。复合膜：两种 半透膜复合成一张膜。 （3）可构成联合除盐系统： 如反渗透——离子交换。 反渗透——先除胶体微粒，二氧化硅，高分子有机物，及大部分 溶解盐。 目的：减轻后续离子交换工艺的负荷。 离子交换——脱盐，出水为纯水。 （四）反渗透淡化装置，工艺流程与布置系统。 1、分类： 四种形式： （1）板框式：装置类似电渗析，许多膜层叠在框板架中。 （2）管式：分串联和并联毛细管（类似中空纤维式）
视一料液一高离物造注液装支系板e馄低硕支埠板一隔离物四4.2凝框式组件的结构示意图辣液完管无列管装转汇逐过液图4.4毛细管膜组件示意图图4.1整式组件示就（3）卷式：中间染水管我2导流隔网多孔支撑材料酸化水4一膜浓梵水鼠隔湖图22-20卷式装置示意
（3）卷式：
（4）中空纤维急证源格液亮餐浓缩液中空纤维用图4.5中空纤能组件示意图各类形式性能：各种形式反潜透器的性能比较表 22-10单位体积通水盐模装填密度操作压力透水率类型(m/ml)(MPa)m/ (m-d)m"/ (m*d)板耀式4925,51.02501管式（外径1.27cm）3285.51.02334卷式6565.51.026682.80.073中空纤维式9180668①原水5000mgNaC/L，脱盐率92%一96%。反渗透工艺流程：、（1）预处理：反渗透进水水质。膜分离、离子交换装置对进水水质指标的要求表22-3佛透电修析项目高子交换卷式膜中空纤维膜迪谊再生<2<0.5<0.3油度 (度)1~3职流再生<5清色度（度）清-<5<3扫染指数FL值3~5-1.4-11PH值4~7水湿（C）5~40<40153515-35化学耗氧量（mg0/L)<3<2~3<1.5<1.5游高额(mg/ L)<0.1<0.10.21.00<0.3<0.05总铁(mg/L)<0.3<0.05证(mR/L)<0.1防止某些溶解固体沉积于膜面，影响产水。PH=5.5~6.2目的：膜分离1浓水一淡水反渗透器
（4）中空纤维 各类形式性能： 2、反渗透工艺流程： （1）预处理：反渗透进水水质。 PH=5.5～6.2 目的：防止某些溶解固体沉积于膜面，影响产水。 （2）膜分离：
（3）后处理：PH调整，终端离子交换床：还有：杀菌，微孔过滤超滤。原因：膜孔不均匀，加压力后，膜孔放大，有的孔道变大，使出水水质不是理想状态。有来自树脂本身的溶解物，碎粒以及细菌的繁殖，终端超滤装置使出水纯度有保障。3、反渗透系统布置：（1）单程式：水的回收率低。(1）单程式浓水高压菜进水淡水水湛反滤透器(2) 循环式X一浓水X选水O淡水水池高服泵反渗透器(3)多段式高压泵进水振水（第二段）（第一段）反渗透器(第段)淡水图22-21反渗透布置系统（2）（部分）循环式：提高了水的回收率，但淡水水质有所降低。为什么部分循环：要求浓室内有一定的流速，防止膜面产生浓差极化（结垢）。（3）多段式：（串联式）水的回收率高，产水量大时用，膜组件逐段减少。原因：维持一定流速防止膜表面浓差极化。（五）反渗透装置的参数确定：（理想时）1、水的通量：Jw即水透过膜的通量cm/（cm2·S）Jw=Wp(△P-△)水通量与作用压力差成正比
（3）后处理：PH调整，终端离子交换床； 还有：杀菌，微孔过滤超滤。 原因：膜孔不均匀，加压力后，膜孔放大，有的孔道变大，使出 水水质不是理想状态。有来自树脂本身的溶解物，碎粒以及细菌 的繁殖，终端超滤装置使出水纯度有保障。 3、反渗透系统布置： （1）单程式：水的回收率低。 （2）（部分）循环式：提高了水的回收率，但淡水水质有所降低。 为什么部分循环：要求浓室内有一定的流速，防止膜面产生浓差 极化（结垢）。 （3）多段式：（串联式）水的回收率高，产水量大时用，膜组件 逐段减少。原因：维持一定流速防止膜表面浓差极化。 （五）反渗透装置的参数确定：（理想时） 1、水的通量：Jw即水透过膜的通量cm 3 /(cm2·S) Jw=Wp(△P－△π) 水通量与作用压力差成正比
实际：Jw=Wp（△P-8△元）8一一膜对溶质的排垢系数。式中：Wp一一水的透过系数，cm/（cm2·S·Pa）实验测得。△P—一膜两侧压力差，Pa△元一一膜的渗透压，Pa2、溶质通量：J。溶质透过膜的通量mg/cm2·sJ=K,·△cK,——溶质的透过系数。cm/s△C一一膜两侧的浓度差。mg/cm溶质通量与浓度差△C成正增长。△P-J1 →△C1-J7增大产水量不一定引起淡水水质变差，因J.变大了3、脱盐率：R溶质去除率。膜两侧含盐浓度差，与进水含盐浓度的比值R= C=C x100%CbC一一进水含盐量；mg/1Cr一一出水含盐量；mg/1（淡室）由物料平衡关系：Q一进水量，Q一淡化水量(1)则：Q C=(Q-Q)C+QCr
实际：Jw=Wp(△P－δ△ π) δ——膜对溶质的排垢系数。 式中： Wp——水的透过系数， cm 3 /(cm2·S·Pa) 实验测得。 △P——膜两侧压力差，Pa △ π——膜的渗透压，Pa 2、溶质通量： Js 溶质透过膜的通量mg/cm2·s Js=Kp · △C Kp——溶质的透过系数。cm/s △C——膜两侧的浓度差。mg/cm3 溶质通量与浓度差△C成正增长。 △P↗→Jw↗ → △C↗ → Js↗ 增大产水量 不一定引起淡水水质变差，因 Js变大了 3、脱盐率：R 溶质去除率。 膜两侧含盐浓度差，与进水含盐浓度的比值。 100% − = b b f C C C R Cb——进水含盐量；mg/l Cf——出水含盐量；mg/l（淡室） 由物料平衡关系：Q—进水量，Qf—淡化水量， 则：Q Cb=(Q-Qf)Cc+ QfCf （1）
C一一浓盐水浓度。若由C.表示膜进水侧含盐量的平均浓度，Cu = OC, +(0-0,)C)(2)Q+(Q-Q,)Cm-Cr=1--C则脱盐率可改写为：R=9(3)CmCmCL=)-R或为：CmA而C.淡水浓度。JwK,ACJ=1-R=1-W,(AP-△元)CmJ.Cm3、淡化水的含盐量：（近似计算法）假设C为零：由物料平衡方程：QC,=(0-0,C,+0,C,因为：C,=0.C,=OC,0-0,代入（2）式，膜进水侧含盐量平均浓度：O-CQC, +(0-2,)0-0,Cm=Q+(0-Q,)
Cc——浓盐水浓度。 若由 Cm表示膜进水侧含盐量的平均浓度， ( ) ( ) f b f c m Q Q Q QC Q Q C C + − + − = （2） 则脱盐率可改写为： m f m m f C C C C C R = − − = 1 （3） 或为： R C C m f =1− 而 w s f J J C = ，淡水浓度。 ( ) p m p w m s W P C K C J C J R − = 1− = 1− 3、淡化水的含盐量：（近似计算法） 假设 Cf为零：由物料平衡方程： ( ) f b c f b f c f f Q Q QC C QC Q Q C Q C − = = = − + 因为：C 0 代入（2）式，膜进水侧含盐量平均浓度： ( ) ( )f b f b f m Q Q Q C Q Q Q QC Q Q C + − − + − =
2QC,-.2C,20-0,"2-%n9oL淡化水与进水流量的比值称为水的回收率令：m=92Cb得：C.2-mC,代入脱盐率方程（3）式得：=1-R2Ch2-m2Cb得：C,=b(1-R)2-m再代入平衡方程（1），求出Ce（浓盐水浓度）；代入（2），求出平均浓C；再代入（3）中，求出新的Cr，即为新的较精确值一淡化水的含盐量。二、超滤：1、膜性能：膜孔：5nm~0.1pm分离对象：300～300000分子量的大分子，如：细菌、病菌、胶体等。无脱盐能力操作：类似反渗透，用压力0.1～1.OMPa，膜孔易堵。反渗透、纳滤、超滤、微孔过滤的比较项目类型反渗透纳滤超滤微孔过滤膜孔径2~3nm以下2~5nm5nm~0.2μm0.22~10μm操作压力2~71~20.1~0.20.1~1.0(MPa)
Q Q C Q Q QC f b f b − = − = 2 2 2 2 令： Q Q m f = 淡化水与进水流量的比值称为水的回收率。 得 ： m C C b m − = 2 2 代入脱盐率方程（3）式得： R m C C b f = − − 1 2 2 得： (1 R) 2 m 2C C b f − − = 再代入平衡方程（1），求出 Cc（浓盐水浓度）；代入（2），求出平 均浓 Cm ；再代入（3）中，求出新的 Cf ，即为新的较精确值—— 淡化水的含盐量。 二、超滤： 1、膜性能：膜孔：5nm～0.1µm ， 分离对象：300～300000分子量的大分子， 如： 细菌、病菌、胶体等。无脱盐能力 操作：类似反渗透，用压力 0.1～1.0MPa，膜孔易堵。 反渗透、纳滤、超滤、微孔过滤的比较 项目 类型 反渗透 纳滤 超滤 微孔过滤 膜孔径 2~3nm 以下 2~5nm 5nm~0.2μm 0.22~10μm 操作压力 （MPa） 2~7 1~2 0.1~1.0 0.1~0.2