膜分離技術(shù)
[拼音]:mo fenli jishu
[外文]:membrane separation technique
利用隔膜使溶劑(通常是水)同溶質(zhì)或微粒分離的技術(shù),包括電滲析、擴(kuò)散滲析、反滲透和超過濾法等。膜分離技術(shù)廣泛地用于海水和苦咸水淡化,廢水深度處理,廢液和廢水中有用物質(zhì)的濃縮回收,并用于制取高純水等方面。這一技術(shù)近30多年來發(fā)展非常迅速。
中國于1958年開始實(shí)驗(yàn)研究電滲析法,1966年開始研究反滲透技術(shù),均已成功地用于生產(chǎn)。
用隔膜分離溶液時(shí),使溶質(zhì)通過膜的方法稱為滲析,使溶劑通過膜的方法稱為滲透。溶質(zhì)或溶劑透過膜的推動(dòng)力是電動(dòng)勢(電滲析)、濃度差(擴(kuò)散滲析)或壓力差(反滲透、超過濾和壓滲析)。隔膜是膜分離技術(shù)的關(guān)鍵部分,一般是用高分子材料制成的薄膜,種類很多,可根據(jù)需要選用。
離子選擇性透過膜
是電滲析法所應(yīng)用的隔膜,也可用于反滲透,簡稱離子交換膜。它的選擇透過性一般是用雙電層理論和唐南膜平衡理論來解釋。構(gòu)成離子交換膜基膜的高分子鏈上,連接有活性基團(tuán),膜在水中溶脹后,活性基團(tuán)被水相包圍,因而電離成固定基團(tuán)和可交換的活動(dòng)離子,帶有電荷的固定基團(tuán)附近與電解質(zhì)溶液中帶相反電荷的離子就形成雙電層。當(dāng)活性基團(tuán)濃度大于膜外溶液濃度時(shí),固定基團(tuán)就會(huì)吸引膜外溶液中帶異號(hào)電荷的離子,使之通過膜,排斥同號(hào)離子,使之不能通過膜,這就是離子選擇透過性。唐南膜平衡理論認(rèn)為,當(dāng)活性基團(tuán)濃度高于膜外溶液濃度、同號(hào)離子在溶液中的濃度高于在膜相內(nèi)的濃度時(shí),異號(hào)離子受不可移動(dòng)的固定基團(tuán)約束,不能移至膜外;溶液中的同號(hào)離子也不能進(jìn)入膜內(nèi)。但在濃度差作用下,會(huì)有少量離子進(jìn)行擴(kuò)散,擾亂電中性狀態(tài),從而在膜相和液相界面上將產(chǎn)生電勢差,這一電勢差稱為唐南電勢。這種電勢差趨向于把膜相的異號(hào)離子拉回而把同號(hào)離子仍排斥到溶液中去,以恢復(fù)電中性狀態(tài)。這樣由濃度梯度產(chǎn)生的離子擴(kuò)散趨勢就被反方向的唐南電勢作用趨勢所抵銷,建立起一種濃度不均勻的平衡狀態(tài),這種平衡稱為唐南膜平衡。結(jié)果使膜相中的異號(hào)離子濃度大于液相中的異號(hào)離子濃度,使膜相中的同號(hào)離子濃度小于液相中的同號(hào)離子濃度,也就是在保持膜內(nèi)電中性狀態(tài)下,溶液中的異號(hào)離子通過膜而同號(hào)離子則不易通過,所以離子交換膜對異號(hào)離子有高的選擇透過性。
離子交換膜按選擇透過性分為陰離子交換膜、陽離子交換膜、復(fù)合膜、兩性膜、表面涂層膜、鑲嵌膜和無機(jī)離子交換膜。按制膜工藝和膜結(jié)構(gòu)分,有異相膜、均相膜和半均相膜。按用途分,有通用離子交換膜和特殊用途膜(如電極室隔膜、防有機(jī)污染膜、防極化膜)。
對離子交換膜的要求是:膜電阻低、離子選擇透過性好、水的滲透量小、機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性好。
半透膜
只透過溶劑,或只透過溶劑和小分子溶質(zhì)而截留大分子溶質(zhì),顯示半透性的膜稱半透膜,主要用于反滲透和超過濾。應(yīng)用于反滲透過程時(shí),稱反滲透膜。它是具有親水性基團(tuán)的薄膜,其透過機(jī)理現(xiàn)在還有不同看法,通常是用氫鍵理論或優(yōu)先吸附-毛細(xì)管流動(dòng)機(jī)理來解釋。以醋酸纖維素膜為例,氫鍵理論認(rèn)為,膜上的羰基能與水分子形成氫鍵,在壓力的推動(dòng)下,水分子可由一個(gè)氫鍵斷裂而轉(zhuǎn)到另一個(gè)位置形成氫鍵。通過氫鍵的形成與斷裂的移動(dòng)過程,水就通過膜源源流出。優(yōu)先吸附-毛細(xì)管流動(dòng)機(jī)理認(rèn)為醋酸纖維素膜的多孔的親水性表面,能優(yōu)先吸附一層水分子,約有兩個(gè)水分子厚度(為10?),鹽類溶質(zhì)則被排斥,化合價(jià)越高的離子,被排斥愈遠(yuǎn)。膜的孔隙為純水層厚度的一倍(20?)時(shí),稱為臨界孔徑。在臨界孔徑范圍內(nèi),孔隙周圍的水分子在反滲透壓推動(dòng)下,通過膜流出,從而達(dá)到分離目的。有機(jī)物的脫除屬篩分原理,分子量小于200的小分子可通過膜,分子量大于 200的有機(jī)物,基本上可全部截除。對半透膜的要求是:單位膜面積透水量(通量)大,脫鹽率高,機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性好,結(jié)構(gòu)均勻,制造容易,價(jià)格低廉。目前反滲透常用的膜有:醋酸纖維素膜,芳香聚酰胺膜,能耐高溫的聚苯并咪唑膜,能耐水解和生物降解的玻璃中空纖維膜和氧化石墨膜,耐堿的磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜,耐酸耐堿的聚四氟乙烯接枝膜等。按膜的結(jié)構(gòu)可分為對稱性膜、不對稱性膜和動(dòng)態(tài)形成膜。60年代后期,研制成醋酸纖維超薄復(fù)合膜,已用于生產(chǎn),這種膜可將海水經(jīng)單級(jí)脫鹽成為飲用水。半透膜可制成板狀、管狀和中空纖維狀,分別用來裝置各種型式的反滲透器,也應(yīng)用于擴(kuò)散滲析過程。
孔徑較大的半透膜應(yīng)用于超過濾,稱為超過濾膜。它在0.7~7千克力/厘米2的壓力下工作,用于分離直徑10微米以內(nèi)的分子和微粒,其透過性機(jī)理屬篩分原理,膜的孔徑是分離作用的主要控制因素,已用于電泳涂漆廢液等工業(yè)廢水的處理。
參考文章
- 膜分離技術(shù)的研究進(jìn)展及在水處理方面的應(yīng)用廢水治理
- 膜分離技術(shù):開源減排保障水安全廢水治理
- 膜分離技術(shù)處理造紙廢水廢水治理
- 逆滲透膜分離技術(shù)在造紙廢水深度處理中的應(yīng)用廢水治理
- 膜分離技術(shù)深度處理造紙廢水的研究廢水治理
- 水處理中膜分離技術(shù)應(yīng)用的研究廢水治理
- 全膜分離技術(shù)及其在電廠化學(xué)水處理中的應(yīng)用廢水治理
- 納濾膜分離技術(shù)在礦井水處理中的研究廢水治理
- 微濾膜分離技術(shù)廢水治理
- 膜分離技術(shù)在水處理中的研究及應(yīng)用進(jìn)展廢水治理
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