纯水设备

第五章纳滤和反浸透详解演示文稿ppt

  第五章纳滤和反浸透详解演示文稿 第一页，共三十八页。 优选第五章纳滤和反浸透 第二页，共三十八页。 嵊泗1000吨/日反浸透海水淡化设备 膜法海水淡化 第三页，共三十八页。 膜法海水淡化 别离办法 反浸透 低温多效 多级闪蒸 能耗(kWh/m3) 3.5 7 10 国家或区域 沙特 我国 长海 我国 长岛 我国 沧化 设备才能m3/d 56800 1000 1000 18000 原水含盐量mg/L 43700 35000 34000 13000 能耗 kwh/m3 7 5 4.5 2.75 产水本钱 RMB/m3 4.88 6.69 5.13 1.83 反浸透淡化厂的能耗及产水本钱 几种别离办法能耗比较 第四页，共三十八页。 反浸透 半透膜 纯水 盐水 纯水 盐水 纯水 盐水 h P A、浸透 B、浸透平衡 C、反浸透 浸透与反浸透的差异： 浸透是水经过 半透膜，从低溶质浓度一侧到高溶质浓度一侧，直到两边的水的化学位到达平衡。而反浸透是在推动力效果下，溶剂（水）从高溶质浓度一侧到低溶质浓度一侧，战胜的是浸透压。 浸透压的 核算： 抱负水溶液浸透压?＝RTCsi 实践溶液?＝?iRTCsi Csi是溶质的浓度，mol/cm3 第五页，共三十八页。 反浸透 一般来说，无机盐溶液的浸透压很高，含1g/l氯化钠的天然水，浸透压为0.07MPa，含35g/l氯化钠的海水，浸透压为2.5MPa。 反浸透是以压力差为推动力的别离操作，其功用是截留离子物质而仅透过溶剂。 反浸透不是浸透的逆进程，两者同样是在等温条件下溶剂从高化学位到低化学位的搬迁进程。 反浸透将料液分红两部分：透过膜的是含溶质很少的溶剂，称为浸透液；未透过膜的液体，溶质浓度增高，称为浓缩液。 1784年Abble Nollet用猪膀胱作透过实验，发现浸透现象； 1953年C.E.Reid提出用反浸透法淡化海水的计划； 1960年Loeb 和S.Sourirajan制成第一张非对称结构的醋酸纤维素膜，反浸透技能进入实用化阶段。 反浸透进程可大致分为三类： 高压反浸透（5.6-10.5MPa）， 低压反浸透（1.0-4.2MPa）， 纳滤（0.3-1.0MPa）。 第六页，共三十八页。 反浸透原理 反浸透膜上的微孔孔径约为 2nm，而无机盐离子的直径仅为0.1-0.3nm，水合离子的直径为0.3-0.6nm，显着小于孔径，无法用分子筛分原理来解说别离现象。 S.Sourirajan提出了优先吸附－毛细管活动模型来解说非荷电膜的别离；荷电膜别离机理侧重考虑的是膜与别离目标之间的Donnan效应。 溶解－分散模型：膜是无孔的“完好的膜” 第七页，共三十八页。 反浸透原理 半透膜：溶质不能经过 溶剂可以终究靠 溶剂化学势 纯水中水的化学势为 溶液中水的化学势为 则平衡状况下 半透膜 纯水 h P A、浸透 B、浸透平衡 C、反浸透 由非平衡态（PA* ? PA，稀溶液饱满蒸汽压下降）向平衡态过渡(浸透)：纯水由半透膜左边进入右侧，直至PA*=PA+?。 ?为溶剂的浸透压。 PA* PA PA* PA* PA PA 盐水 纯水 盐水 纯水 盐水 第八页，共三十八页。 (2-5) 浸透压的核算 溶剂A的化学势（状况函数）从非平衡态到平衡态，发生如下的改变： § 2.1.1 反浸透原理 半透膜 纯水 盐水 纯水 盐水 纯水 盐水 h P A、浸透 B、浸透平衡 C、反浸透 PA* PA PA* PA* PA PA 抱负水溶液?＝CsRT 实践溶液?＝?CsRT (2-4) 依据稀溶液遵守的拉乌尔规律（?A= ?A*+RTlnxA ）,有 ?RTxB 得 第九页，共三十八页。 反浸透进程传质方程 氢键理论 膜层内含毛细管水 一些离子和分子与膜外表发生氢键结合可进入膜层内 经过氢键开裂和从头生成，定向分散 一些离子不能发生氢键结合，得到排挤，因而难以进入膜层 图2-2 氢键理论分散模型示意图 杂质 O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H 膜活性层 第十页，共三十八页。 反浸透进程传质方程 优先吸附～毛细孔流理论 膜外表对水具有选择性吸附特性，而对氯化钠排挤 压力效果下，优先吸附的水经过膜，构成脱盐进程 临界孔径：吸附水层厚度的两倍 Sorirajan制备出第一张反浸透膜 L 2L 低压 高压 第十一页，共三十八页。 反浸透进程传质方程 溶解分散理论 溶剂和溶质从另一侧透过膜 压力差效果下，从一侧分散（Fick规律）到另一侧 溶剂和溶质在膜层溶解 膜为无缺点的“完好的膜” Cb Cp Cm 第十二页，共三十八页。 反浸透进程传质方程 经典热力学 不可逆热力学 研讨目标：平衡进程和平衡状况 研讨目标：非平衡进程的安稳状况 研讨内容：进程发生的可能性 研讨内容：不同力效果下的搬迁进程 平衡状况 线 性 不 可 逆 区 线 性 不 可 逆 区 非 非平衡状况 理论根底 第十三页，共三十八页。 反浸透进程传质方程 非平衡热力学（不可逆热力学）范畴 线性不可逆热力学（间隔平衡态较近的线性改变区域） 非线性不可逆热力学（间隔平衡态较远的非线性改变区域） 不可逆热力学范畴的集大成者 Lars Onsager: 1968年Nobel化学奖获得者，首要奉献：Onsager互易联络式，这是非平衡热力学的根底 Ilya Prigogine: 1977年Nobel化学奖获得者，首要奉献：非平衡热力学，尤其是耗散结构理论（The theory of dissipative structures） 第十四页，共三十八页。 反浸透进程传质方程 Onsager线) 流率与热力学力成线性联络，其间Ji为流率，Xj为热力学力，Lij为唯象系数。 Onsager互易联络 (2-8) 第i个流Ji与第j个力Xj之间的份额常数Lij，和第j个流Jj与第i个力Xi之间的份额常数Lji，持平。 (2-9) 耗散函数 热力学第三规律：不可逆进程中，耗散函数为熵增率与温度的乘积，为流率和共轭力 的乘积之和。 (2-10) 第十五页，共三十八页。 反浸透进程传质方程 K-K传质模型 膜内传质进程中的力与流： 压力差 ?P 容积流J1 浸透压差?? 容积流J2 电位差 ?? 离子流Ji 浓度差 ?C 溶质流Js Solute/water Cb Solute/water Cp CpCb 二元系统中的耗散函数表明式： K-K模型方程： Js＝（1－?）(Cs)m Jv＋??Cs Jv＝LP（?P－???） (2-11) (2-12) (2-13) 第十六页，共三十八页。 反浸透进程传质方程 K-K模型参数含义 K-K模型方程： Js＝（1－?）(Cs)m Jv＋Ps ?Cs Jv＝LP（?P－???） (2-12) (2-13) 水力浸透系数 LP 系数LP表明因为压力差而引起的体积流。m3/(m2?s) 反射系数 ? ?表明膜对溶质的脱除率，其改变规模为0???1。 溶质浸透系数 Ps 表明单位时刻、单位面积上溶质经过膜层的体积量。 m3/(m2?s) 第十七页，共三十八页。 反浸透进程传质方程 S-K传质模型 (2-14) (2-15) Solute/water dx Cb Cm+dCm Solute/water Cp CpCm 模型参数 A ? Ps S-K方程的边界条件为： x=?x Cm cs=Cm cs=Cp x=0 (2-16) (2-17) (2-18) (2-19) 由K-K模型方程过渡到S-K模型，选用类推的方法，推动力一项由差额变为梯度即可。这样便于回忆。 第十八页，共三十八页。 反浸透进程传质方程 S-K模型的积分式 对S-K模型微分式积分，得到S-K模型的积分式： (2-20) (2-21) (2-21a) F?[0, 1) 第十九页，共三十八页。 反浸透进程传质方程 截留率与浸透流率 Solute/water Cb Solute/water Cp CpCb Cm 实在截留率 Rreal (2-22) 表观截留率 Robs (2-23) (2-23a) ??[0, 1) (2-20) 浸透流率 Jv ?＝1时 浸透流率 (2-24) (2-25) (2-26) 第二十页，共三十八页。 反浸透进程传质方程 浓差极化 在膜别离进程中，一部分溶质被截留，在膜外表及接近膜外表区域的浓度渐渐的升高，形成从膜外表到本体溶液之间发生浓度梯度，这一现象称为“浓差极化”。 ?1 ?2 ?3 Cf Cm Cp 浓差 膜层 浸透侧 极化层 极化层 第二十一页，共三十八页。 反浸透进程的操作 膜 低压浸透侧 Jw=水通量 Cw=浸透液溶质浓度 Qp＝浸透流量＝Jw×A Cr＝截留液中溶质浓度 Qr＝截留液流量 高压侧 ?p-??＝膜的推动力 Cb＝主体溶质浓度 Cm＝膜面溶质浓度 供料 截留液 浸透液 Qi=进料流量 Ci=溶质浓度 反浸透进程示意图 反浸透进程用三个参数来点评： R＝表观截留率＝1-Cw/Ci Jw=浸透通量＝单位面积上的浸透流量 r＝回收率 间歇系统：r=? Jw A ?t / V 接连系统：r= Jw A /Qi 第二十二页，共三十八页。 反浸透进程的操作 1 溶质彻底截留的反浸透进程 ?＝1 第二十三页，共三十八页。 反浸透进程的操作 b) 溶质部分截留的反浸透进程 0?[0, 1) 影响要素： 温度（T） 压力（P） 第二十四页，共三十八页。 反浸透膜 卷式反浸透膜 信封构形 流道与网格 中心接收密封 外壳 第二十五页，共三十八页。 反浸透膜 膜元件组合 料液 端盖 膜元件 连接收 透过液 浓缩液 能接受压力的容器 第二十六页，共三十八页。 反浸透别离目标 溶质（或离子） 分子量或原子量 / g·mol-1 极稀溶液中的分散系数D? / 10-9m2·s-1 半径rs / 10-9m 乙二醇 63 1.44 0.17 丙三醇 92 0.95 0.26 葡萄糖 180 0.69 0.365 蔗糖 342 0.52 0.471 Cl- 35 2.03 0.121 Na+ 23 1.33 0.184 第二十七页，共三十八页。

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