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1、超濾膜分離技術(shù),1,超濾膜分離技術(shù)的主要內(nèi)容,導論 超濾膜 膜結(jié)構(gòu)和性能表征 膜組器 過程設(shè)計 濃差極化 污染和清洗 應用,2,第一章導論,膜分離過程的定義和分類 發(fā)展史 應用和市場 基本術(shù)語,3,膜過程的定義,膜:起柵欄作用,阻止塊體移動(mass movement)而允許一個或幾個物類有序通過的相。 超濾（ultrafiltration,UF）是以壓力為驅(qū)動力，利用合成的高分子半透膜高精度的截留性能進行固液分離或使不同分子量物質(zhì)分級的膜法分離技術(shù)。 超濾介于納濾與微濾之間，它的定義域為截留分子量5000500000左右，相應的孔徑大小的近似值為210-910010-9米。,4,5,6,各種

2、壓力驅(qū)動膜過程的比較,7,發(fā)展史,早在1748年耐克特發(fā)現(xiàn)水可以滲入到裝有酒精的豬膀胱內(nèi)，這是人類認識膜分離現(xiàn)象的開始； 1861年，施密特首次公開了用牛心胞膜截留可溶性阿拉伯膠的實驗結(jié)果； 1896年，馬丁制備了第一張人工超濾膜，可以部分截留蛋白質(zhì)； 60年代，美國馬薩諸賽州大學的邁克爾利斯利用不同比例的酸性和堿性高分子電解質(zhì)混合物，以水丙酮溴化鈉為溶劑首先制成各種不同截留分子量的超濾膜，并主持開辦了亞米康公司，開始了超濾膜的商品化生產(chǎn)；,8,發(fā)展史,近幾十年來，隨著高分子材料的發(fā)展，出現(xiàn)了一批高透水性能，高辨別率的超濾膜，促使了超濾技術(shù)的飛速發(fā)展。 我國對超濾技術(shù)的開發(fā)比國外遲了10余年的

3、時間，70年代起步，首先研制了管式超濾膜及組器； 80年代是快速發(fā)展的階段，先后研制成功了中空纖維，卷式和板式超濾裝置。目前，超濾膜已有：PS、PAN、PES、PSA、PP、PE、PVDF等十余個品種。 90年代這些不同的超濾裝置都獲得廣泛應用并取得顯著的社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益。 超濾的發(fā)展方向： 研制截留分子量更加敏銳，抗污染能力更強的超濾膜及組器。,9,超濾膜對溶質(zhì)的分離過程,超濾膜對溶質(zhì)的分離過程主要有： 1.在膜表面及微孔內(nèi)吸附； 2.在孔中停留而被除去（阻塞）； 3.在膜表面的機械篩留（篩分）。,10,超濾過程的原理,在膜兩側(cè)壓力差的作用下，以超濾膜為過濾介質(zhì)。在一定壓力下，當溶液

4、流過膜表面時，只允許水、無機鹽和小分子物質(zhì)透過膜，而阻止水中的懸浮物、膠體、蛋白質(zhì)和微生物通過，以達到溶液的凈化分離和濃縮的目的,11,12,超濾分離的特性,1、能耗低； 2、設(shè)備體積小，結(jié)構(gòu)簡單，便于快速上馬； 3、易于操作管理； 4、在分離過程微觀環(huán)境質(zhì)變化小，能保證原汁原味。,13,某種堿性蛋白酶超濾工藝與傳統(tǒng)工藝的比較,14,應用和市場,乳品工業(yè)：分離和回收蛋白，乳糖和脂肪的預濃縮 水處理：除濁，無菌水，反滲透前處理 廢水處理：回收水中有效成分，實現(xiàn)零排放 生物技術(shù)：酶和微生物的分離；膜生物反應器 醫(yī)藥和治療：血液過濾；中藥制劑的生產(chǎn) 食品加工：果汁和酒類的澄清,15,基本術(shù)語,產(chǎn)水量

5、：單位時間，單位膜面積透過膜的液體量單位為/2h。 截留分子量(MWCO)：截留率為.9(0.95)時被膜截留的最小物質(zhì)的分子量。 截留率(%)：在特定條件下膜對溶質(zhì)截留能力的定量量度。 透過率（%）：溶質(zhì)在膜上的透過性能截留率。 親疏水性：膜與水的親和能力的量度。 超濾濃水：超濾過程中未透過膜而排出的水。 跨膜壓差：膜截留液側(cè)與透過液側(cè)的壓力差.,16,基本術(shù)語,濃縮因子：進料液的最初體積（質(zhì)量）與超濾后濃縮液的最終體積（質(zhì)量）的比率 全過濾（死端過濾 ）：通過往濃縮液中加入溶劑來實現(xiàn)分離的過程。（連續(xù)和間歇）。 錯流過濾：指部分進水透過膜元件形成產(chǎn)水，其余部分形成濃水的過濾方式。 濃差極化

6、：被膜截留的溶質(zhì)在膜表面聚積導致溶劑遷移阻力的增加或局部滲透壓的增加（該兩者均使通量下降）并可能改變膜的截留性能的現(xiàn)象。 流動溝：膜組件中流體流動的空間。 膜組件：膜單元和承裝該膜單元的筒體（壓力容器）組成組件。,17,第二章超濾膜,超濾膜的分類 按膜材料的化學組成 膜的物理形態(tài) 膜的制備方法,18,按膜材料超濾膜可以分為,有機高分子材料 無機材料,19,有機高分子材料,纖維素酯類 聚砜類 聚烯烴類 含氟類材料 其他高分子材料,20,纖維素酯類,主要有CA、CTA、CA-CN 優(yōu)點：親水性好，成孔性好，材料來源方便，成本低 缺點：耐酸堿性能差（pH4-6）；耐溶劑性能也差 ;使用溫度低(30-

7、35);耐微生物降解差;,21,聚砜類,PS、SPS、PES等 優(yōu)點：優(yōu)良的機械強度和耐高溫、耐化學侵蝕性；使用溫度范圍廣；pH 范圍廣；耐氯性能好； 缺點：膜為疏水性，易污染。,22,聚烯烴類,PP、PAN 機械強度好，而且耐熱，耐化學性能較好，是目前用的較多的膜材料。,23,含氟類材料,PVDF、PTFE 這類材料制備的超濾膜是品質(zhì)最好的膜，有優(yōu)良的機械強度和耐高溫、耐化學侵蝕性。使用溫度范圍廣，可在強酸、強堿和各種有機溶劑條件下使用 缺點是材料疏水性強,24,其他高分子材料,PSA、PVC,25,無機材料,這是近幾年開發(fā)的新型制膜材料，主要有陶瓷、玻璃和金屬。最突出的優(yōu)點是耐高溫，耐有機

8、溶劑性能好，不易老化，可再生強，適用于特種分離,26,超濾膜聚合物的基本屬性,聚合物須與所選擇的成膜方法配伍； 聚合物須具有滿足特定應用目標的性質(zhì)； 聚合物須市場有售，供應有保證； 具有良好的成膜性能； 對透過組分的親和性強。,27,按斷面和物理形態(tài),對稱膜 不對稱膜 復合膜,28,按膜的形狀分為,平板膜（板式超濾器；卷式超濾器 ） 管式膜（內(nèi)壓式超濾器；外壓式超濾器 ） 中空纖維膜（內(nèi)壓式超濾器；外壓式超濾器，簾式超濾器）,29,中空纖維膜的制作設(shè)備,,30,平板膜的制作設(shè)備,31,32,33,34,35,按膜的制備方法,澆鑄膜 核徑刻蝕膜,36,第三章膜的結(jié)構(gòu)和性能表征,膜的形態(tài)結(jié)構(gòu) 超濾

9、膜的性能表征 超濾膜選擇的基本原則,37,膜的形態(tài)結(jié)構(gòu),由不對稱工藝（LS）法制得的超濾膜具有不對稱性。在制膜時，與空氣接觸的一側(cè)是厚度為0.10.25微米的致密層，其下部是0.10.2毫米的多孔支撐層。通過調(diào)節(jié)凝膠時沉淀劑與溶劑的交換速度可以制得指狀孔結(jié)構(gòu)和海綿狀孔結(jié)構(gòu)的膜。指狀孔結(jié)構(gòu)對流體的阻力小，透水速率較高，但抗壓密能力較差，而海綿狀孔的情況則相反。,38,凝固浴中溶劑對聚砜膜孔徑的影響,39,不對稱膜的示意圖,40,復合膜斷面結(jié)構(gòu)電鏡掃描圖,41,膜表面AFM圖,42,43,超濾膜的性能表征,定義 透水速率 截留分子量和截留率 壓密因數(shù) 親水性和疏水性 荷電性,44,定義,膜的性能表

10、征通常是指膜的物化性能和分離性能。膜的物化性能主要包括膜的機械強度、耐化學藥品、耐熱溫度和適用的酸堿度范圍等。分離性能主要指膜的透水速率和截留分子量和截留率 。,45,透水速率,透水速率是指在一定的工作壓力下，單位面積的膜在單位時間內(nèi)所透過的水量。由下式表示： JF=P（P-）/L 式中：P：滲透系數(shù)； P：水利學壓差； ：滲透壓； L：水的流道長度，即膜的厚度 。,46,純水透過速率的測定,測定方法：利用杯式評價池或小型超濾器，在0.10.5MPa壓力下，25時，測定單位膜面積、單位時間內(nèi)純水的透過量，可用下式表示： J=Q/At (ml/cm2

11、h) 式中：Q：t時間內(nèi)透過膜的水量 A：有效膜面積 t：時間,47,48,膜片測試池,49,截留性能,截留分子量 截留分子量的測試方法 影響截留分子量和截留率的因數(shù),50,截留分子量,截留分子量(MWCO)不僅表示超濾膜的孔徑而且可表征膜的分離性能。通過測定具有相同化學結(jié)構(gòu)的不同分子量的一系列化合物的截留率所得的曲線稱為截留分子量曲線，根據(jù)該曲線求得截留率大于90%的分子量為截留分子量。在截留分子量附近截留分子量曲線越陡，則膜的截留性能越好。,51,截留分子量曲線,根據(jù)膜上的孔徑分布，截留率曲線有兩種類型。孔徑均勻時，曲線形狀陡峭稱為銳分割；孔徑分布很寬時，曲線

12、變化平緩稱為鈍分割。目前供應的商品膜，性能介于兩者之間，如果膜在截留率為0.9和0.1時的分子量相差510倍，即可認為膜性能良好。,52,截留率的曲線圖,53,截留分子量的測試的條件,壓力為100KPa 溫度為25 盡可能大的流速 低的溶質(zhì)濃度（0.1%） 為減小濃度的變化，透過液的損失量小于10%，對于錯流過濾，透過液和濃縮液回料液槽 所測試的膜應該是新的,54,標稱物質(zhì)的分類,球狀蛋白 帶支鏈的多糖（葡聚糖） 及線性分子（聚乙二醇）,55,球狀蛋白,幾種常用的球狀蛋白及其分子量、等電點,56,球狀蛋白,對于蛋白質(zhì)標準物，10倍的相對分子量之差相當于其3倍球型分子大小之差，蛋白質(zhì)的大小受pH

13、值、離子強度與緩沖溶液組成相互作用的影響，不同條件下蛋白質(zhì)的等電點、溶解度和疏水性也不同，蛋白質(zhì)與膜的相互作用程度及對膜的污染程度也不同；這都影響膜的截留率的測定。,57,聚乙二醇標準物,它的水溶性好，相對分子量的分布窄，原料易得，并且對大多數(shù)有機膜無污染或污染小，但是大分子量的聚乙二醇不易得到。,58,葡聚糖標準物,對膜的污染和吸附很小，分子的形態(tài)不被微環(huán)境影響，且可以得到不同相對分子質(zhì)量的標準物質(zhì) 葡聚糖的分析比較困難，一般采用凝膠色譜（GPC）或總有機碳分析儀測定,59,標準物質(zhì)的檢測方法,分光光度法：該方法簡便、快速、實用，主要用于聚乙二醇和蛋白質(zhì)的測定 。 凝膠色譜法：該方法主要用于

14、葡聚糖的測定。 總有機碳法：用于所有含碳的有機物的測定。,60,超濾為什么不能100%的除菌,由于超濾膜的孔徑有一定的分布，超濾膜的最大孔徑要遠大于膜的有效孔徑或相對分子量表征的孔徑值。 例如，MWCO為300000的PVDF膜的最大孔徑為0.4m，而有效孔徑為0.02m，對于MWCO為10000的膜的最大孔徑為0.12m，有效孔徑為0.003m。最大孔徑比MWCO為300000的有效孔徑還大，由于超濾膜孔徑分布的因素，所以不能100%的除菌。,61,截留分子量的測試方法,蛋白測試法 聚乙二醇測試法,62,蛋白測試法,1、將測試蛋白在室溫下真空干燥至恒重。 2、精確稱取1.000g蛋白,溶解并

15、定容在1000ml的容量瓶中。 3、分別移取該溶液0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0ml于10ml的容量瓶中加蒸餾水至刻度，分別配制成10、20、40、60、80、100mg/l的標準蛋白溶液。 4、將上述配置的標準溶液，用紫外分光光度計測量，在波長280nm紫外下比色，以蒸餾水為空白。測試的數(shù)據(jù)以蛋白濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標，繪制出標準曲線。,63,蛋白測試法,5、將蛋白配制成100-200mg/l濃度的水溶液作為膜片的測試料液，在一定的壓力和溫度下運行30分鐘后，收集產(chǎn)水和進水的蛋白溶液。 6、在280nm的波長下測試吸光度，并在標準曲線中查出相應的蛋白濃度。 7、按下式計

16、算截留率,64,聚乙二醇測試法,1、試劑的配制 1.1 碘化鉍鉀試劑的配制 A液的配制：準確稱取0.800g次硝酸鉍放入50ml的容量瓶中,加入10ml的冰乙酸,用蒸餾水稀釋至刻度。 B液的配制：準確稱取20.000g碘化鉀放入50ml的棕色容量瓶中, 用蒸餾水稀釋至刻度。 1.2 乙酸乙酸鈉緩沖溶液的配制： 量取0.2mol/l乙酸鈉溶液590ml及0.2mol/l冰乙酸溶液410ml入1000ml的容量瓶中,配制成pH4.8的乙酸乙酸鈉緩沖溶液。,65,聚乙二醇測試法,1.3標準溶液的配制 將聚乙二醇在60下干燥4小時，準確稱取聚乙二醇1.000g于1000ml的容量瓶中定容，分別移取0、

17、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0分別于100ml的容量瓶中，用蒸餾水稀釋至刻度，配制成濃度為0、5、10、15、20、25、30mg/l的標準溶液。 1.4標準曲線的制作 將上述的聚乙二醇標準溶液各取5ml分別加入到10ml的容量瓶中，分別加入1ml的D試劑和1ml的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液，用蒸餾水稀釋至刻度。放置15min后，在波長510nm處測定溶液的吸光度，以蒸餾水為空白。測試數(shù)據(jù)以聚乙二醇濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標繪制標準曲線。,66,聚乙二醇測試法,1.5膜的測定 選擇一分子量的聚乙二醇，配制成100200mg/l的水溶液作為超濾的進水，在一定的條件下運行30min后取

18、樣測定。 在標準曲線中查出進水及產(chǎn)水的聚乙二醇含量，按下式計算截留率：,67,影響截留分子量和截留率的因數(shù),溶質(zhì)分子的大小及形狀 膜的材料和形態(tài)結(jié)構(gòu) 其他溶質(zhì) 操作參數(shù) 吸附的影響 微環(huán)境,68,溶質(zhì)分子的大小及形狀,截留的分子量不僅與溶質(zhì)的相對分子量有關(guān)，還與溶質(zhì)分子的形狀、分子的可形變及分子與膜的相互作用有關(guān) 。 以線性和支鏈標準物測得的相對分子量要比球形的蛋白所測得的相對分子量大的多。這表明膜對球形分子的截留遠大于線性分子和支鏈分子 。,69,溶質(zhì)的類型對截留分子量的影響,70,依據(jù)截留分子量選擇超濾膜時的注意點,1、如果應用的體系是濃縮體系而不涉及組分之間的分離，建議參考以蛋白為標準的

19、截留分子量即可 。 2、如果超濾用于溶質(zhì)組分之間的分級，膜的選擇較為困難。由于超濾膜的孔徑分布較寬，采用超濾分離不同的組分要求兩組分間的分子量的區(qū)別至少為10倍。 3、如果以高通量為目標,而對組分的分級無要求,一般選擇膜的孔徑要比溶質(zhì)中的最小分子小510倍 。 4、膜的最終選擇要依據(jù)實驗來確定。為了快速的評價，可以選擇一個截留標志物和一個透過標志物 。,71,膜的截留分子量與平均孔徑的關(guān)系,72,膜的材料和形態(tài)結(jié)構(gòu),具有相同截留分子量的不同材料的超濾膜對溶質(zhì)的截留率可能不一樣: 1、宏觀上可能是由于不同膜的污染情況不同； 2、微觀上是由于膜的孔徑分布和影響膜與溶質(zhì)相互作用的因素如膜的親水性、膜

20、的電荷性、膜表面的粗糙度及膜的孔形結(jié)構(gòu)等原因造成的。,73,其他溶質(zhì),1、低分子量的物質(zhì)如鹽和糖能自由的穿過超濾膜，其截留率基本為0。除非它們與大分子結(jié)合而被截留，但有些聚砜膜對小分子的溶質(zhì)如氯化鈉和葡萄糖有吸附 。 2、如果料液中含有大小分子溶質(zhì)的混合物，并且大分子的直徑與膜的孔徑在一個數(shù)量級，則大的溶質(zhì)將部分被截留，而小分子溶質(zhì)基本不對大分子的截留產(chǎn)生影響。 3、如果膜的孔徑遠小于被分離的溶質(zhì)，大分子溶質(zhì)應完全被截留。如果此時小分子溶質(zhì)的大小與膜的孔徑大小相當，大分子溶質(zhì)形成的動態(tài)膜將阻止該溶質(zhì)分子透過膜，從而提高小分子溶質(zhì)的截留率。,74,其他溶質(zhì)對截留率的影響,細胞色素C在1%的血清溶

21、液中的截留率,卵蛋白在鹽溶液中的截留率,75,其他溶質(zhì),如果在膜表面形成的濾餅是一種無擾動的邊界層，溶質(zhì)中小的組分在膜表面的濃度將增加，而造成截留率的下降 。,76,其他溶質(zhì)對截留率的影響,77,其他溶質(zhì),如果料液為兩種帶有相同電荷的組分，其中一種組分透過膜，另一種組分被膜截留，由于道南效應使透過液的濃度大于料液中的濃度，造成了膜對該粒子的截留率為負值。 例如明膠蛋白在低pH之下帶正電荷，它使膜對鈣離子的截留率為負值。,78,其他溶質(zhì),值得注意的問題：由于溶質(zhì)之間的相互作用，使得從單一標準物所測得的截留率與從混合物中所測得的值不一致，并且使膜的截留相對分子質(zhì)量檢測產(chǎn)生誤差。 當膜用于溶質(zhì)的分級

22、時，由于溶質(zhì)之間的相互作用，被分級的溶質(zhì)的相對分子質(zhì)量差別應在10倍以上，操作時應盡量降低料液的濃度，以減小這種效應的產(chǎn)生。,79,操作參數(shù)的影響,影響膜的截留分子量的操作參數(shù)為： 1、 跨膜壓差 2、 溫度 3、 溶質(zhì)的濃度 4、 膜表面的流動狀態(tài),80,操作參數(shù),1、如果被截留組分的濃度過高，將導致膜的表觀截留分子量降低，并且阻止較低分子量的溶質(zhì)透過。 2、較高的操作壓力和較低的錯流速度將加重濃差極化效應，這將增加膜對較低分子量物質(zhì)的截留，降低對較大分子量物質(zhì)的截留。 3、另外，高的滲透速度也強化了濃差極化效應，增加膜對較低分子量物質(zhì)的截留，降低對較大分子量物質(zhì)的截留 。,81,吸附的影響

23、,如果采用膜面積較大的超濾膜對體積較小的稀溶液過濾時，膜對溶質(zhì)的吸附就變的較為嚴重，可能改變?nèi)苜|(zhì)的本體濃度，吸附強化了濃差極化效應 。,82,不同超濾膜對細胞色素C的吸附,83,微環(huán)境,由于微環(huán)境影響溶質(zhì)的形態(tài)結(jié)構(gòu)、溶質(zhì)之間以及溶質(zhì)與膜之間的相互作用，所以微環(huán)境將影響膜的截留率和截留分子量。 微環(huán)境是指料液的pH值和離子強度。 例如：膠體銀超濾過程中溶液的鹽濃度對膜截留率的影響，在鹽濃度較低時，鹽抑制了溶質(zhì)與膜的相互作用，結(jié)果截留率降低；當鹽濃度高時，膠體顆粒聚集而造成截留率升高 。 利用微環(huán)境對超濾影響的特點，可以促進膜對蛋白的分離。例如，調(diào)整溶液的pH值，使一種蛋白處于等電點狀態(tài)，另一種溶

24、質(zhì)與膜的電荷相同，膜對前者的截留率低而對后者的截留率高 。,84,壓密因數(shù),由于超濾膜的表皮層較為致密，內(nèi)層多為多孔結(jié)構(gòu)，所以，在壓力作用下易于被壓密。開始加壓時的超濾透水速率與過濾24小時后達到穩(wěn)定時的透水速率之比稱為壓密因數(shù)。壓密因數(shù)與膜的材料、結(jié)構(gòu)、孔隙率及孔徑有關(guān)。 M=壓密因數(shù)=（初始速率）/（穩(wěn)定速率）=1.21.5,85,親水性和疏水性,該性能與膜的吸附有密切關(guān)系，這也決定了膜的應用范圍。一般用測定接觸角來確定膜的親水性。,86,幾種高分子材料和溶劑的表面張力,87,荷電性,強調(diào)該性能，是因為荷電給膜帶來附加的優(yōu)點，如可以捕集某些物質(zhì)，或使膜的抗污染性能提高 。,88,超濾膜的選

25、擇,溶劑、小分子物質(zhì)透過速度快； 膜的機械強度好； 膜的截留性能敏銳度高； 抗溶劑及抗浸蝕性能好； 對被截留溶質(zhì)的吸附性小,89,第四章超濾組件,工業(yè)用超濾組件有許多種，但按處于工作狀態(tài)時膜的形式，可劃分為: 板框式 管式 卷式 中空纖維式,90,板框式,板框式結(jié)構(gòu)是最早推出的一種結(jié)構(gòu)形式，膜和板有多種形狀，例如圓形、橢圓型、多邊形及方型。無論哪一種形狀，用的膜都是平板膜。組件中膜、支撐材料及料液流道的空間和兩個端重疊壓緊在一起，料液是由進料空間引入膜面。 優(yōu)點：可以拆卸清洗；膜可以重復使用；進料要求相對較低 。 缺點：單位體積的有效膜面積較??；裝置笨重 應用領(lǐng)域：溶液濃縮 。,91,板框式,

26、92,管式,管式超濾組件分為內(nèi)壓和外壓兩種類型。 優(yōu)點：流道截面積大，不會產(chǎn)生流道堵塞；膜面清洗方便。 缺點：單位體積的有效膜面積小，占地面積大；管子的連接件多，安裝工作量大 應用領(lǐng)域：溶液濃縮、工業(yè)廢水處理。,93,管式膜元件及連接件,94,卷式,卷式膜元件由中心管、超濾膜、原水導流網(wǎng)和產(chǎn)水導流網(wǎng)組成。 優(yōu)點：單位體積的有效膜面積較大，占地面積小 ; 原水流道成網(wǎng)狀，流動狀態(tài)好 缺點：膜破損時無法彌補，只能更換元件 應用領(lǐng)域：水質(zhì)的凈化處理。,95,卷式膜組件,96,97,98,99,膜元件生產(chǎn)設(shè)備,100,中空纖維式,中空纖維的最大特點是沒有支撐材料，靠纖維管的自身強度來承受工作壓力。根據(jù)

27、膜的致密層在中空纖維的內(nèi)表面和外表面，可以分為內(nèi)壓式組件和外壓式組件 . 優(yōu)點：單位體積的有效膜面積大，占地面積小;組件的更換容易 缺點：進水要求嚴格 應用領(lǐng)域：水質(zhì)凈化、溶液濃縮,101,內(nèi)壓式,內(nèi)壓式組件的分離層在纖維的內(nèi)表面。主要部件包括：中空纖維膜、壓力容器、封頭和管接頭及密封件。使用時，料液從組件的一端進入，在中空纖維的內(nèi)腔流動，在壓力的作用下，一部分溶劑和小分子物質(zhì)透過膜成為產(chǎn)水，另一部分溶劑和大分子物質(zhì)沿內(nèi)腔流向組件的另一端，成為濃水 。,102,外壓式,與內(nèi)壓式相似，但纖維的分離層在外表面。料液從組件的進水端進入中心布水管，并把料液均勻的分配開來，濃縮液從組件的側(cè)口排出，透過液

28、在纖維內(nèi)腔流向另一端 。,103,,中空纖維式,104,105,簾式超濾元件,106,107,不同型的超濾組件比較,108,影響滲透速率的因數(shù),初穩(wěn)系數(shù) 組裝系數(shù) 溫度對產(chǎn)水量的影響 壓力對產(chǎn)水量的影響 料液濃度對產(chǎn)水量的影響 料液流速對產(chǎn)水量的影響,109,初穩(wěn)系數(shù),一般情況下，超濾裝置的透水量隨運行時間的延長而逐漸減小，當下降到一定程度后，會有一個相對的穩(wěn)定期，在此期間，雖然水通量仍有下降，但經(jīng)過清洗后基本上可以回到一個相對的穩(wěn)定值。于是有初始透水量（QI）和穩(wěn)定透水量（QS） SM= QS/ QI=0.60.8,110,組裝系數(shù),多數(shù)情況下，多個組件構(gòu)成的超濾體系，其中每個組件的實際產(chǎn)水

29、量（QR）低于其標準產(chǎn)水量（QM），二者的比值為組裝系數(shù)（CM）。 CM= QR/ QM=0.80.9,111,溫度對產(chǎn)水量的影響,溫度的升高水分子的活性增加，粘滯性減小，因此產(chǎn)水量增加 溫度的降低，水分子的活性降低，因此產(chǎn)水量減小 在允許的范圍內(nèi)，溫度系數(shù)為0.0215/1,即溫度每升高1產(chǎn)水量也相應的增加2.15%,112,溫度對產(chǎn)水量的影響,溫度高于25時 QT=QI（1+0.0215）T 溫度低于25時 QT=QI（1-0.0215）T,113,,114,壓力對產(chǎn)水量的影響,在低壓階段（0.2MPa）下，組件的產(chǎn)水量與壓力之間成線性關(guān)系，超濾組件的產(chǎn)水量隨壓力的升高而增加 當工作壓力

30、超過一定值時，曲線開始出現(xiàn)拐點，即雖然組件的產(chǎn)水量仍然隨著壓力的升高而增大，但增大的比例有所下降 超過一定壓力后，曲線趨于平行，就是說，產(chǎn)水量隨壓力的增加已經(jīng)微乎其微。 造成上述現(xiàn)象的原因是由于在高壓下超濾膜被壓密而增大產(chǎn)水阻力所致 。,115,兩個基本概念,臨界滲透速率：能避免凝膠和膜被污染時膜的最大滲透速率。 極限滲透速率：在凝膠化控制區(qū)域，滲透速率與壓力的升高幾乎無關(guān)，此時的滲透速率稱為極限滲透速率。 系統(tǒng)的使用過程中，滲透速率應小于臨界滲透速率。,116,,117,料液濃度對產(chǎn)水量的影響,料液濃度越大，組件的產(chǎn)水量越小。 溶質(zhì)的分子量越大，組件的產(chǎn)水量下降越快。 溶質(zhì)分子大小與膜孔徑的

31、大小相當時,產(chǎn)水量下降也快,同時不易恢復 。,118,,119,料液流速對產(chǎn)水量的影響,過大的膜面流速增加了組件的壓力損失，作用在膜面的有效壓力減小，產(chǎn)水量也減小 。 過小的膜面流速會加大膜面的污染，分離效果也下降 。,120,超濾組件選擇的方法,1、確定處理料液的物理化學性質(zhì)； 2、按照料液的性質(zhì)和處理要求選擇合適的膜材料； 3、利用膜片或幾根中空纖維膜處理料液，確定合適的截留分子量的超濾膜； 4、用選定的一定分子量的膜片（中空纖維）制備的小元件（4040）處理料液，確定處理過程的各項工藝參數(shù)。 5、按照處理料液的量以及第4條中確定的參數(shù)設(shè)計大型的工程。,121,第五章超濾的操作模型分類,死

32、端過濾 錯流過濾,122,死端過濾,死端過濾是指在沒有料液流動的條件下對料液進行分離和提純的過程。死端過濾分二種形式； 間歇式 連續(xù)式,123,死端過濾,過程的濃縮比,Cheryan推導出截留液濃度CR與VCR，超濾液的初 始濃度C0及截留率R之間有如下關(guān)系,124,間歇式,在壓力的作用下小分子物質(zhì)和溶劑不斷透過膜，原料液的體積不斷減小，在一定體積時再加入一定量的水至原始體積，重新開始超濾過程，如此循環(huán)以達到分離、濃縮的目的。,125,126,間歇式死端過濾的計算,第一次稀釋時,第二次稀釋時,第三次稀釋時,第N次稀釋時,127,VCR=20干酪乳清超濾,128,連續(xù)式,在壓力的作用下小分子物質(zhì)

33、和溶劑不斷透過膜，同時按透過水量加入相同體積的水，維持原料液的體積不變，以達到分離、濃縮的目的 。,129,130,連續(xù)式死端過濾的計算,將透過液的體積與初始料液的體積比定義為VD：,若在連續(xù)過濾的任一時間： 料液槽中的溶質(zhì)濃度為C， 加水的微體積單元為dV， 則此刻透過液中溶質(zhì)的增量為CdV(1-R), 料液槽中對應的溶質(zhì)減少量為-V0dV,131,連續(xù)式死端過濾的計算,由物料平衡得：,積分得到,或,132,干酪乳清連續(xù)全過濾,133,死端過濾的優(yōu)缺點,優(yōu)點：設(shè)備簡單、小型；能耗低；可以克服高濃度料液滲透率低的問題。 缺點：濃差極化和膜污染嚴重，尤其在間歇式過程中，要求膜對大分子的截留率高

34、。 使用范圍：實驗室、膜的選擇、酶制劑的濃縮 。,134,錯流過濾,錯流過濾是在一定的膜面流速的情況下對料液進行濃縮、分離的過程?？梢苑譃椋洪g歇錯流和連續(xù)錯流兩類 。,135,間歇式錯流過濾,間歇式錯流過濾是指在一定壓力和膜面流速的情況下，料液流過膜，小分子物質(zhì)和溶劑不斷透過膜，原料液的體積不斷減小，在一定體積時再加入一定量的水至原始體積，重新開始超濾過程，如此循環(huán)以達到分離、濃縮的目的 。 按照截留液循環(huán)情況可以分為：截留液全循環(huán)；截留液部分循環(huán)兩種。,136,137,138,間歇式錯流過濾的優(yōu)缺點,優(yōu)點：操作簡單；濃縮速度快；所需膜面 積小 。 缺點：泵的能耗高 。 使用范圍：凈水處

35、理，實驗室，小型中試。,139,連續(xù)錯流過濾,連續(xù)錯流過濾是指在一定壓力和膜面流速的情況下，料液流過膜，小分子物質(zhì)和溶劑不斷透過膜，同時按透過水量加入相同體積的水，維持原料液的體積不變，以達到分離、濃縮的目的。 可以分為單級和多級。單級中按濃水回流與否可以分為：無循環(huán)和部分循環(huán)。,140,141,單級無循環(huán)連續(xù)錯流過濾的優(yōu)缺點,優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單 缺點：滲透液流量低；濃縮比低；所需膜 面積大 。 使用范圍：膜生物反應器，水處理 。,142,143,144,單級部分循環(huán)和多級連續(xù)錯流的優(yōu)缺點,優(yōu)點：停留時間短，膜面積小。 缺點：結(jié)構(gòu)復雜 。 使用范圍：大規(guī)模生產(chǎn)。,145,超濾過程的計算,截留

36、液全循環(huán) 連續(xù)恒容 非連續(xù)間歇,146,截留液全循環(huán),原料液的體積為V0 溶質(zhì)的濃度為C0 膜對溶質(zhì)的截留率為R 濃縮到體積為VF 濃縮到體積為VF濃度為CF,147,截留液全循環(huán),料液的體積變化為VP= V0-VF； 開始時物質(zhì)的量為S0= C0 V0 透過膜的量為SP dSP/dVP=(SF-SP)(1-R)/( VF-VP) 從而有：SP= SF（1-（1-（VP/ VF））1-R）,148,截留液全循環(huán),根據(jù)濃縮體積VF求出濃度CF和物質(zhì)的量SF，此時： CF/C0=（X）R SF/S0=（1/X）（1-R） 透過液占原料液的體積的比率稱為回收比：K 則 X=1/（1-K）,149,

37、150,連續(xù)恒容,在恒容過程中，料液的體積保持不變，出多少水就加入多少水。 假設(shè)：原料液的體積為V0 溶質(zhì)的濃度為C0 膜對溶質(zhì)的截留率為R 濃度為CF,151,連續(xù)恒容,根據(jù)物料平衡：V0dC=-C(1-R)dV 積分后得到：CF/ C0=exp((R-1)VP/V0),152,,,153,,BR=0.1 CR=0.6 DR=0.7,154,非連續(xù)間歇,在該過程中，料液的初始體積為C0，整個過程分n次完成，所需滲濾溶劑的體積為VP，每次稀釋后料液的體積為V0+VP/n；過濾后又變?yōu)閂0；重復n次，最后溶質(zhì)的含量為CF： CF/C0=1/1+（VP/ V0n） n-Rn,155,計

38、算例題,有一混合蛋白溶液100L，其中含分子量為100000的蛋白5%，分子量為10000的蛋白2%，現(xiàn)在要將二者分開，其中在100000的溶液中10000的蛋白含量0.2%，計算應加入多少的水。假設(shè)用截留分子量60000的膜，它對100000的截留率為98%，10000的為20% 。,156,恒容過程,對于10000分子量的蛋白： C0=2%；CF0.2%；R=20%；V0=100L 根據(jù)公式：CF/ C0=exp((R-1)VP/V0) 0.2/ 2=exp((0.2-1)VP/V0) VP/V0=2.878 （注：ln0.1取-2.303) VP=2.878V0=2.87810

39、0=287.8L 再計算過程結(jié)束后100000分子量蛋白的含量： CF/ C0=exp((R-1)VP/V0)=exp((0.98-1) 287.8/100)=0.944 CF=0.9445%=4.72%,157,非連續(xù)過程,當n=3時 根據(jù)公式CF/C0=1/1+（VP/ V0n） （n-Rn） 即1+（VP / 1003） 3-0.23=10 VP=483L 過程結(jié)束后100000分子量蛋白的含量： 1+（VP/ V0n） （n-Rn）=1+（483/ 300）0.06=1.059 CF=C0/1.059=4.72%,158,非連續(xù)過程,當n=4時 根據(jù)公式CF/C0=1/1+（VP/

40、 V0n）（ n-Rn） 即1+（VP / 1004） 4-0.24=10 VP=421L 過程結(jié)束后100000分子量蛋白的含量： 1+（VP/ V0n） （n-Rn）=1+（421/ 400）0.08=1.059 CF=C0/1.059=4.72%,159,非連續(xù)過程,當n=6時 根據(jù)公式CF/C0=1/1+（VP/ V0n）（ n-Rn） 即1+（VP / 1006） 4.8=10 VP=369L 過程結(jié)束后100000分子量蛋白的含量： 1+（VP/ V0n） （n-Rn）=1+（369/ 600）0.12=1.059 CF=C0/1.059=4.72%,160,第六章濃差極化,濃差極

41、化是壓力驅(qū)動的錯流膜過程的重要現(xiàn)象，在超濾過程中，被處理的溶液在壓力的作用下，溶劑不斷的透過膜，致使膜表面的溶質(zhì)濃度高于主體溶液濃度的現(xiàn)象。 濃差極化是對膜透過現(xiàn)象產(chǎn)生很大影響的因素之一。當膜面上溶質(zhì)的濃度增加到一定值時，在膜面上會形成凝膠層的非動層，這個凝膠層對膜的透過量有很大的阻力，表現(xiàn)為產(chǎn)水量隨壓力的加大的增長率減小 濃差極化只能減小，但不能消除 。,161,162,純水產(chǎn)水量與壓力的關(guān)系曲線,溶液產(chǎn)水量與壓力的關(guān)系曲線,163,濃差極化的形成過程,1、溶液向膜表面對流傳遞，被膜截留的溶質(zhì)在膜表面濃度不斷上升，膜通量不斷下降； 2、在溶質(zhì)濃度梯度推動下，膜表面的溶質(zhì)不斷向主體溶液擴散，使

42、其濃度邊界層的濃度和厚度減小，膜通量上升。 3、當兩者的擴散的速度相等時，邊界層的濃度和厚度不再變化，達到一個動態(tài)的平衡狀態(tài)。,164,降低濃差極化的方法,165,降低濃差極化的方法,1、操作參數(shù) （1）降低進料液的濃度和濃縮倍數(shù) （2）提高溫度 （3）提高流速 2、設(shè)計因素 （1）混合器 （2）脈沖流動和震動膜組件 （3）薄溝的設(shè)計 （4）短流道,166,第七章 超濾膜的污染,超濾膜的污染 超濾膜污染的控制 超濾膜的清洗,167,超濾膜的污染,所謂污染是指被處理液體中的微粒、膠體粒子、有機物和微生物等大分子溶質(zhì)與膜表面產(chǎn)生物理化學作用或機械作用而引起膜表面或膜孔內(nèi)

43、吸附、沉淀使膜孔變小堵塞，導致膜的透水量或分離能力下降的現(xiàn)象。,168,膜污染導致的負面結(jié)果,通量衰減導致基建費用和操作費用增加 增加了旨在恢復通量的清洗費用 苛刻和頻繁的化學清洗損傷膜 對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響,169,膜污染形式,表面的覆蓋污染 膜孔的堵塞,170,表面的覆蓋污染,膜表面的覆蓋污染分為兩層結(jié)構(gòu)：上層為較大顆粒的松散層，緊貼膜面的是較小粒徑的細膩層。一般情況下，松散層尚不足以表現(xiàn)出對膜性能產(chǎn)生大的影響，在水的剪切力的作用下可以沖洗掉（正洗）。而附于膜表面的細膩層也可以通過反洗后，得到部分恢復。,171,膜孔的堵塞,是指微細顆粒塞入膜的孔內(nèi)，或者膜孔內(nèi)壁因吸附蛋白等雜質(zhì)形成沉淀

44、而使膜孔變小或完全堵塞。這種污染是不可逆的。,172,污染物質(zhì),膠體污染 有機物污染 微生物污染,173,膠體污染,膠體通常是呈懸浮狀的微細粒子，均布于水中，一些與膜孔徑大小相當及小于膜孔徑的粒子會滲入膜孔內(nèi)部堵塞流水通道而造成不可逆的污染。 膠體主要存在于地表水中，隨著季節(jié)的變化，供水中含有大量的懸浮物如粘土、淤泥等，這些微粒既不能沉淀下來，也難以用機械過濾去除。解決的辦法是向原水中投加絮凝劑，破壞膠體的穩(wěn)定性，使其凝聚，沉淀，再經(jīng)過濾去除。,174,有機物污染,水中的有機物分兩類： 人工加入的；如：表面活性劑、清潔劑、高分子絮凝劑等等。 天然的。如：腐殖酸、甘寧酸。 這些物質(zhì)可以吸附在膜表

45、面而損害膜的性能。目前，解決有機物污染的方法多采用氧化法，如加入臭氧氧化，也可以加入堿溶液等。,175,微生物污染,微生物污染對超濾長期安全也是一個危險的因素。一些營養(yǎng)物質(zhì)被膜截留而積聚于膜表面，細菌在這種環(huán)境下可以迅速繁殖，活的細菌連同其排泄物質(zhì)；形成微生物黏液而緊緊粘附于膜的表面，這些黏液與其他沉淀物相結(jié)合，構(gòu)成一個復雜的覆蓋層，其結(jié)果影響到膜的透水量，也使膜產(chǎn)生不可逆的損傷。 對付微生物的方法是采用殺菌劑滅菌。如氯氣、次氯酸鈉、過氧化氫和臭氧，也可以用紫外殺菌法。,176,污染的控制,膜材料的選擇 截留分子量的選擇 膜結(jié)構(gòu)的選擇 膜表面的光潔度 膜組件的結(jié)構(gòu)選擇 溶液中鹽濃度的影響 溶液

46、的pH值,177,膜材料的選擇,膜的親疏水性、荷電性會影響到溶質(zhì)與膜之間的相互作用的大小及膜的污染程度 。,178,親疏水性,親水的膜表面與水形成氫鍵，這種水處于有序的結(jié)構(gòu)，當疏水溶質(zhì)接近膜表面，必須破壞有序的水，這需要能量。不易進行，膜面不易被污染 疏水膜的表面無氫鍵作用，當疏水溶質(zhì)接近膜表面時，擠開水就相對比較容易，這樣膜面就容易受到污染。,179,親疏水性,180,接觸角的計算,理論上,接觸角可以有下式計算：,式中 rsv--------膜與空氣的表面張力 rsl---------膜與水的表面張力 rlv---------水與空氣的表面張力,181,部分膜的接觸角,182,

47、荷電性,有些膜材料帶有極性基團或可離解基團，在與溶液接觸時由于溶劑作用使膜表面帶電，它與溶質(zhì)產(chǎn)生相互作用。同性相斥，膜不易污染 。,183,截留分子量的選擇,從篩分機理可知，粒子或尺寸與膜孔徑相近時易堵塞膜孔。它們大于膜孔時在橫切流的作用下，在膜表面很難停留聚集，故不易堵孔。 理論上講，在保證截留所需粒子的前提下，應盡量選擇孔徑或截留分子量大的膜，以獲得高的透水量。但實踐證明，選用大孔徑的膜，由于膜孔的內(nèi)吸附大于小孔徑膜，有更高的污染速率 。,184,膜污染的機理,185,小孔膜,大孔膜,186,膜結(jié)構(gòu)的選擇,對于中空纖維UF膜，由于雙皮層膜中內(nèi)外皮層各存在孔徑分布，因此使用內(nèi)壓時，有些大分子

48、物質(zhì)透過內(nèi)皮層孔，可能在外皮層更小孔被截留而產(chǎn)生堵孔，引起透水量的不可逆衰減。而單皮層的UF膜就可以避免這種現(xiàn)象 。,187,膜表面的光潔度,復合膜 復合膜,188,膜組件的結(jié)構(gòu)選擇,當分離的溶液中的懸浮物的含量較低，且產(chǎn)物在透過液中時，用UF分離澄清時，則選擇組件的結(jié)構(gòu)余地較大 。 若截留物是產(chǎn)物，且要求高倍濃縮，則組件結(jié)構(gòu)的選擇要慎重。一般來講，卷式膜元件有隔網(wǎng)，固體容易在膜面沉積，堵塞，而不宜采用 。 中空纖維式和薄層流道式組件設(shè)計可以使料液高速流動，剪切力較大，有利于減小粒子或大分子溶質(zhì)在膜面沉積，減小濃差極化或凝膠層的形成 。,189,溶液中鹽濃度的影響,無機鹽是通過兩

49、種途徑對膜污染產(chǎn)生重大影響 鹽會強烈的吸附在膜面 鹽會改變蛋白質(zhì)的性質(zhì),190,鹽會強烈的吸附在膜面,含有鈣鹽的料液超濾時，膜面上的不溶性鈣鹽在膜表面或膜孔中的沉淀隨著pH值的升高而增加 。 可溶性的鈣鹽，也會通過靜電作用，在膜面和蛋白質(zhì)之間形成“鹽橋”作用，加快蛋白質(zhì)在膜面上的污染。,191,鹽會改變蛋白質(zhì)的性質(zhì),無機鹽改變了溶液的離子強度，影響了蛋白質(zhì)的溶解性，分散性，構(gòu)形和懸浮狀態(tài)，從而影響了蛋白質(zhì)在膜面的吸附和透水性。 有人用超濾膜超濾0.1%的牛血清蛋白時，發(fā)現(xiàn)氯化鈉的加入增加了蛋白質(zhì)的吸附，但透水量則隨著氯化鈉的增加而增大。,192,溶液的pH值,對于食品和生物體系的超濾，蛋白質(zhì)為

50、主要的污染物，溶液的pH值從兩個方面影響蛋白質(zhì)的吸附：溶解度；膜與蛋白質(zhì)的相互作用 。 pH值偏離等電點時，蛋白質(zhì)的溶解度增大 pH值接近等電點時，蛋白質(zhì)的溶解度降低，溶質(zhì)和溶劑的相互作用力減小，將增加在膜面的吸附。,193,不同pH下膜對BSA的吸附量,194,濃差極化與污染的區(qū)別,195,膜的清洗,濃差極化超濾膜截留溶質(zhì)的結(jié)果，它會導致溶劑通量下降，使溶質(zhì)的去除率降低。 必須使?jié)獠顦O化減至最低程度 。 主要應采取措施包括以下幾方面：1）提高超濾器的進水流速以增大膜面水的流速；2）適當提高水溫以加速分子擴散，增大過濾速度；3）采取清洗措施。,196,影響膜清洗的因素,膜的化學特性 即指膜的

51、耐酸、耐堿、氧化劑和化學試劑的特性，它決定了化學清洗劑的類型、濃度、清洗溫度。 污染物特性 指污染物在不同pH下，不同濃度的溶液，不同溫度下的溶解性，荷電性和可氧化性可酶解性等。這樣，可以有針對性的選擇合適的清洗劑。,197,影響膜清洗的因素,影響膜清洗的因素除了以上兩個主要的因素外，還有以下幾個運行條件方面的因素； 流體力學特性 時間 溫度 pH值 水質(zhì),198,膜的清洗方法,物理法 化學法,199,物理法,水力法 降低操作壓力，高速水沖洗有利于提高通量；采用液流脈沖、氣液混合沖洗可以獲得很好的效果 。,200,內(nèi)壓式中空纖維組件的清洗,反沖洗滌 循環(huán)洗滌,201,反沖洗滌,液體從組件的產(chǎn)

52、水口反向透過膜，除去沉積在纖維內(nèi)壁的污垢 。 洗滌時的水應為超濾的產(chǎn)水，以防止堵塞膜孔 。,202,循環(huán)洗滌,關(guān)閉產(chǎn)水口，利用料液和透過液來清洗，由于料液在中空纖維內(nèi)腔的流速高，因而流動的壓力降大。關(guān)閉產(chǎn)水口后，纖維間的壓力大致等于纖維內(nèi)壓力的平均值，在中空纖維的進口端內(nèi)壓高，產(chǎn)生濾液；在纖維的出口端外壓高，濾液反向流入纖維內(nèi)腔，透過液在纖維內(nèi)外做循環(huán)流動。返回的濾液加上高速的料液流可以清除沉積的污垢 。,203,制水狀態(tài),內(nèi)壓超濾,外壓超濾,204,正洗狀態(tài),205,反洗狀態(tài),206,氣液混合洗,207,化學清洗,酸堿液：硝酸、磷酸、草酸、檸檬酸及氫氧化鈉、氫氧化鉀等。 表面活性劑：提高清洗

53、劑的濕潤性，增強洗滌性。SDS、吐溫80、X-100、Triton等。 氧化劑：次氯酸鈉、過氧化氫等 。 酶：各種蛋白水解酶 。,208,化學清洗,1、酸 酸用于清洗鈣鹽和金屬氧化物最有效，反應生成溶解性的鹽； CaCO3+HCl=CaCl2+H2O+CO2 Fe2O3+6HCl=2FeCl3+3H2O HCl：價格較低，原料易得。 HNO3：酸兼有氧化功能，用于有機物的清洗；但對 組件的腐蝕性較強。 磷酸：酸兼有螯和功能，腐蝕性小，緩沖能力較強；價格較高。 有機酸：酸性弱，對膜元件的損傷??； 有良好的緩沖作用；同時具有螯和功能。,209,化學清洗,2、堿 用于SiO2、無機膠體、

54、生物和有機物污染的清洗。 清洗機理：與酸性物（脂肪酸和腐殖酸）的酸中和；與脂肪和油的皂化；對膠體的分散和乳化。 C3H5（OOCR）3+3NaOH=C3H5 （ OH ）3+3NaOOCR 氫氧化鈉：堿性強，是很有效的皂化劑。沒有緩沖容量。 無水碳酸鈉：是最便宜的堿清洗劑且具有高的緩沖容量。 Na2CO3+2H2O=2Na++OH-+H2CO3 磷酸鹽：主要有三聚磷酸鈉、二聚磷酸鈉。 具有分散大膠體的作用。 大量使用造成環(huán)境污染。,210,表面活性劑,清洗機理：1）競爭吸附置換下膜表面污染物 2）乳化油脂 3）增加疏水物在水中的可溶性 表面活性劑： SDS、吐溫

55、80、X-100、Triton 等,211,螯合劑的作用,去除水中的金屬陽離子。 主要的金屬螯合劑有：EDTA、檸檬酸、檸檬酸鈉。,212,酶的作用,用于降解蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪、油和纖維素。 主要的酶清洗劑：蛋白酶、解蛋白酶、淀粉酶。,213,清洗劑及其清洗對象摘要,214,消毒和滅菌,消毒的作用：將微生物濃度降至可接受的程度； 在消毒前和滅菌前應先進行清洗。 合適的消毒/滅菌劑應具有下述特性：廣譜性；低濃度有效性；污染物無礙其有效性；對人體的低毒性；不腐蝕設(shè)備；在食品產(chǎn)物中不殘留有害物質(zhì)。 常用的消毒/滅菌劑有：氯、次氯酸鈉、過陽化氫、過乙酸、亞硫酸氫鈉、蒸汽和甲醛等。,215,消毒和

56、滅菌,1、氯 氯是通用的消毒劑。它的效果與濃度、時間和pH有關(guān)。一般0.5mg/l的氯就可將生物污染減至最小。 Cl2+H2O=HOCl+H++Cl- 2、次氯酸鈉 NaOCl+H2O=HOCl+NaOH 3、過氧化氫：在水中分解成水和氧，不留殘存物質(zhì)。 消毒作用緩慢，低溫下消毒作用弱。 4、過乙酸：不具腐蝕性；低溫下也快速作用。消毒的濃度為200mg/l 。,216,消毒和滅菌,5、亞硫酸氫鈉：強還氧劑，在酸性溶液中（pH4時），其活性高。該溶液常用的濃度的質(zhì)量分數(shù)為0.1%。 缺點：作用比較緩慢；在酸性條件下釋放出具有腐蝕性的SO2；使醋酸纖維素膜溶脹。 6、蒸

57、汽：蒸汽消毒廣泛的應用于醫(yī)藥工業(yè)的耐高溫膜。 7、甲醛：價格低廉，廣譜殺菌。 有揮發(fā)性、刺激臭味、毒性、致癌性。,217,超濾膜的清洗,需要指出的是：不要等膜污染很嚴重時在清洗。清洗劑的選擇要慎重，防止對膜的損害 。,218,應 用,木聚糖除鹽濃縮工藝 膜分離技術(shù)從大豆乳清液中提取低聚糖 超濾法處理印鈔擦版液及其回用 上海汽車制造廠UF法處理電泳漆廢水工程 美國UF法從退漿廢水中回收PVA MBR,219,木聚糖除鹽濃縮工藝,220,221,設(shè)計的原始數(shù)據(jù),固形物 8.5% 17% 硫酸鈉 6% 1.4%,222,工藝流程和參數(shù),膜類型 聚砜雙皮層中空纖維膜

58、 組件形式 5“內(nèi)壓 纖維內(nèi)徑 1.0 m m 纖維外徑 1.6 m m 截留分子量 30000 進口壓力 0.10MPa 濃水壓力 0.08MPa 滲透速度 10 L/m2.h 組件排列 24支一套，4套，共96支 有效膜面積 單支12 m2，共1152 m2 采用方式 間歇式 水泵 CRN90 加水量 5倍 截留率 90%,223,224,膜分離技術(shù)從大豆乳清液中提取低聚糖,225,設(shè)計的原始資料,固形物1.36% 蛋白質(zhì)0.31-0.4% 糖1.6%-2.5%。,226,227,相關(guān)參數(shù),膜類型 聚

59、砜雙皮層中空纖維膜 組件形式 5“內(nèi)壓 纖維內(nèi)徑 0.8 m m 纖維外徑 1.2 m m 截留分子量 10000 進口壓力 0.10MPa 濃水壓力 0.08MPa 滲透速度 15 L/m2.h 組件排列 32支一套，16套，共512支 有效膜面積 單支12 m2，共6144 m2 采用方式 間歇式 水泵 CRN90 水回流率 95% 蛋白濃度 4-4.5%,228,229,230,231,232,超濾法處理印鈔擦版液及其回用,233,超濾法處理印鈔擦版液及其回用,前言 試驗,234,前言,凹引機擦版廢液是引鈔廠的

60、主要廢水，據(jù)統(tǒng)計，我國每年排放的擦版廢液已達到16萬噸 擦版廢液中含有大量的堿、油墨、表面活性劑。以前對擦版廢液采取了一定的治理措施，但效果均不理想,235,試驗,試驗的主要技術(shù)參數(shù) 工藝流程 結(jié)果與討論 大試 超濾擦版液的大試結(jié)果匯總,236,實驗的主要技術(shù)參數(shù),膜類型 聚砜單皮層中空纖維膜 組件形式 內(nèi)壓 纖維內(nèi)徑 1 m m 纖維外徑 1.6 m m 截留分子量 20000 進口壓力 0.17MPa 膜面流速 2.7 m/s 循環(huán)液溫度 40 滲透速度 50-60 L/m2.h 膜面積 0.4 m2 采用方式 間歇式,23

61、7,結(jié)果與討論,操作壓力對膜透過速度的影響 料液流速對膜性能的影響 進料液濃度對膜性能的影響 循環(huán)溫度對溫度的影響 運行時間對超濾速度的影響 超濾膜的清洗 超濾后濃溶液的處理,238,操作壓力對膜透過速度的影響,在料液循環(huán)量為900 L/h ，溫度為30，料液含固量為12%的條件下，每提高0.01MPa，可提高透水速度4.5% 考慮到纖維的強度因素，建議在平均壓力為 0.1--0.12MPa條件下操作 進口壓力最好保持在0.15--0.2MPa之間,239,,240,料液流速對膜性能的影響,隨著料液流速的增加，循環(huán)液的湍流程度增加，膜面的濃差極化和減小污染；因而膜的透液速度也增加 。 透過液的

62、衰減顯著降低 。,241,,242,進料液濃度對膜性能的影響,隨著液體濃度的增加，溶液粘度增大，膜面上濃度極化和污染加劇 。,243,,244,超濾膜的清洗,正常清洗 化學清洗,245,超濾膜的清洗效果,246,超濾后濃溶液的處理,擦版液經(jīng)過UF處理后80%的液體可以透過膜，經(jīng)過濃度調(diào)整后可以從新作為擦版清洗液繼續(xù)使用 擦版液經(jīng)過UF處理后80%的液體可以透過膜，經(jīng)過濃度調(diào)整后可以從新作為擦版清洗液繼續(xù)使用,247,大試,前處理 超濾工藝流程,248,249,250,超濾擦版液的大試結(jié)果匯總,試驗時間：93年五月 試驗場地、機型：北京印鈔廠63車間型機 超濾擦版液:殘堿含量：0.941%太古油

63、：0.4% 試驗操作工藝 印刷試驗結(jié)果,251,試驗操作工藝,按正常生產(chǎn)工藝配制超濾擦版液中堿含量及太古油含量：堿含量：1.31.4%太古油含量：0.40.5% 試驗全部用超濾擦版液 試驗超濾擦版液量：2000升 印刷產(chǎn)品：838背面,252,印刷試驗結(jié)果,印量：5000張 效果：產(chǎn)品干凈、利落；擦版輥表面光亮,253,UF法與絮凝法回收擦版廢液的經(jīng)濟分析比較,254,上海汽車制造廠UF法處理電泳漆廢水工程,工程概況 設(shè)計的原始資料 運行情況 經(jīng)濟效益,255,工程概況,早在1970年，美國PPG公司就公開了用UF處理陽極電泳漆廢水的技術(shù)。介紹了福特汽車公司在汽車涂覆工程中使用Dorr-oli

64、ver UF組件的情況 1971年日本開始引進處理電泳漆廢水的UF裝置 我國在20世紀70、80年代開始應用UF來處理電泳漆廢水，當時多為CA膜,256,設(shè)計的原始資料,該廠原來排放電泳漆廢水20m3/d，采用混凝沉淀及生物轉(zhuǎn)盤生化法處理，雖然處理后的廢水能夠達到排放標準，但又帶來了處理污泥廢漆的新問題 。 UF法處理，從電泳槽抽出一部分槽液，經(jīng)UF處理后分為兩部分，即濃水和UF產(chǎn)水 。,257,設(shè)計的原始資料,濃水中含有樹脂、顏料粒子及高分子量的樹脂溶液，再返回電泳槽。 透過UF膜的清液，含有低分子量有機溶劑、無機鹽離子及水，可用于沖洗電泳漆后的工件表面浮漆用。,258,電泳漆沖洗廢水的水質(zhì)

65、及處理后的水質(zhì)數(shù)據(jù)（mg/l）,259,上海汽車廠電泳漆處理的規(guī)格性能,超濾組件規(guī)格 12mm1000mm UF膜類型 CA管式膜 組件數(shù)量 144 組裝方式 三組（4串12并） 膜面積 5.5m2 入口壓力 0.3Mpa 出口壓力 0.16Mpa 漆液循環(huán)量 60t/h 膜面流速 4.0-4.5m/s 透過液量 120L/h 漆液中固體含量 15%-17% 透過液中固體含量 0.3%-0.4% 固體截留率 98% 透過液pH值 8.3-9.0,260,261,262,運行情況,超濾電泳漆

66、廢水的處理主要有兩大作用: 解決槽液管理問題 。 清除沖洗廢水 。,263,解決槽液管理問題,用UF法可以對電泳槽液進行控制，保證電泳槽正常生產(chǎn)，并使陳液不斷再生。 槽液在通過UF裝置時，這些雜質(zhì)透過UF膜進入滲透液中，這樣槽中雜質(zhì)離子就會不斷的減少。使其不至于產(chǎn)生危害 。,264,清除沖洗廢水,槽液經(jīng)過UF處理后，透過液可以用來沖洗工件表面的浮漆。 稀釋循環(huán)沖洗水，可以使“內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)”沖洗水保持在1%以下，另一部分供工件的預沖洗水使用 。,265,經(jīng)濟效益,原來該廠排放含漆廢水20m3/d，，現(xiàn)在在保證漆液質(zhì)量的情況下，排放清潔的UF滲透水50L/d，因而基本消除了污水排放問題，節(jié)省了廢水處理費用，又減少了環(huán)境污染 。 使漆液全部回收，以年產(chǎn)5000輛轎車計算，每年節(jié)約2萬元，節(jié)水2500 m3。 漆液質(zhì)量較原來有所提高，產(chǎn)品質(zhì)量上升 。,266,美國UF法從退漿廢水中回收PVA,工程概況 設(shè)計原始資料 工藝流程及主要設(shè)備 運行情況 經(jīng)濟效益,267,工程概況,退漿廢水中回收聚乙烯醇（PVA）在國內(nèi)外都有先例。 回收PVA不但具有經(jīng)濟意義，而且可以減少環(huán)境污染 。 用UF法回收PVA