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反滲透
作者:admin 發布日期:2018-7-24 關注次數: 二維碼分享

反滲透又稱逆滲透,一種以壓力差為推動力,從溶液中分離出溶劑的膜分離操作。因為它和自然滲透的方向相反,故稱反滲透。根據各種物料的不同滲透壓,就可以使用大于滲透壓的反滲透壓力,即反滲透法,達到分離、提取、純化和濃縮的目的。

反滲透

反滲透又稱逆滲透,一種以壓力差為推動力,從溶液中分離出溶劑的膜分離操作。對膜一側的料液施加壓力,當壓力超過它的滲透壓時,溶劑會逆著自然滲透的方向作反向滲透。從而在膜的低壓側得到透過的溶劑,即滲透液;高壓側得到濃縮的溶液,即濃縮液。若用反滲透處理海水,在膜的低壓側得到淡水,在高壓側得到鹵水。
反滲透時,溶劑的滲透速率即液流能量N為:
N=Kh(Δp-Δπ)式中Kh為水力滲透系數,它隨溫度升高稍有增大;Δp為膜兩側的靜壓差;Δπ為膜兩側溶液的滲透壓差。稀溶液的滲透壓π為:π=iCRT式中i為溶質分子電離生成的離子數;C為溶質的摩爾濃度;R為摩爾氣體常數;T為絕對溫度。
反滲透通常使用非對稱膜和復合膜。反滲透所用的設備,主要是中空纖維式或卷式的膜分離設備。
反滲透膜能截留水中的各種無機離子、膠體物質和大分子溶質,從而取得凈制的水。也可用于大分子有機物溶液的預濃縮。由于反滲透過程簡單,能耗低,近20年來得到迅速發展。現已大規模應用于海水和苦咸水(見鹵水)淡化、鍋爐用水軟化和廢水處理,并與離子交換結合制取高純水,其應用范圍正在擴大,已開始用于乳品、果汁的濃縮以及生化和生物制劑的分離和濃縮方面。
反滲透技術通常用于海水、苦咸水的淡水;水的軟化處理;廢水處理以及食品、醫藥工業、化學工業的提純、濃縮、分離等方面。此外,反滲透技術應用于預除鹽處理也取得較好的效果,能夠使離子交換樹脂的負荷減輕松90%以上,樹脂的再生劑用量也可減少90%。因此,不僅節約費用,而且還有利于環境保護。反滲透技術還可用于除于水中的微粒、有機物質、膠體物,對減輕離子交換樹脂的污染,延長使用壽命都有著良好的作用。
基本原理
把相同體積的稀溶液(如淡水)和濃液(如海水或鹽水)分別置于一容器的兩側,中間用半透膜阻隔,稀溶液中的溶劑將自然的穿過半透膜,向濃溶液側流動,濃溶液側的液面會比稀溶液的液面高出一定高度,形成一個壓力差,達到滲透平衡狀態,此種壓力差即為滲透壓,滲透壓的大小決定于濃液的種類,濃度和溫度,與半透膜的性質無關。若在濃溶液側施加一個大于滲透壓的壓力時,濃溶液中的溶劑會向稀溶液流動,此種溶劑的流動方向與原來滲透的方向相反,這一過程稱為反滲透。
折疊溶解擴散模型
Lonsdale等人提出解釋反滲透現象的溶解-擴散模型。他將反滲透的活性表面皮層看作為致密無孔的膜,并假設溶質和溶劑都能溶于均質的非多孔膜表面層內,各自在濃度或壓力造成的化學勢推動下擴散通過膜。溶解度的差異及溶質和溶劑在膜相中擴散性的差異影響著他們通過膜的能量大小。其具體過程分為:第一步,溶質和溶劑在膜的料液側表面外吸附和溶解;第二步,溶質和溶劑之間沒有相互作用,他們在各自化學位差的推動下以分子擴散方式通過反滲透膜的活性層;第三步,溶質和溶劑在膜的透過液側表面解吸。
在以上溶質和溶劑透過膜的過程中,一般假設第一步、第三步進行的很快,此時透過速率取決于第二步,即溶質和溶劑在化學位差的推動下以分子擴散方式通過膜。由于膜的選擇性,使氣體混合物或液體混合物得以分離。而物質的滲透能力,不僅取決于擴散系數,并且決定于其在膜中的溶解度。
折疊優先吸附毛細孔流理論
當液體中溶有不同種類物質時,其表面張力將發生不同的變化。例如水中溶有醇、酸、醛、脂等有機物質,可使其表面張力減小,但溶入某些無機鹽類,反而使其表面張力稍有增加,這是因為溶質的分散是不均勻的,即溶質在溶液表面層中的濃度和溶液內部濃度不同,這就是溶液的表面吸附現象。當水溶液與高分子多孔膜接觸時,若膜的化學性質使膜對溶質負吸附,對水是優先的正吸附,則在膜與溶液界面上將形成一層被膜吸附的一定厚度的純水層。它在外壓作用下,將通過膜表面的毛細孔,從而可獲取純水。
折疊氫鍵理論
在醋酸纖維素中,由于氫鍵和范德華力的作用,膜中存在晶相區域和非晶相區域兩部分。大分子之間存在牢固結合并平行排列的為晶相區域,而大分子之間完全無序的為非晶相區域,水和溶質不能進入晶相區域。在接近醋酸纖維素分子的地方,水與醋酸纖維素羰基上的氧原子會形成氫鍵并構成所謂的結合水。當醋酸纖維素吸附了第一層水分子后,會引起水分子熵值的極大下降,形成類似于冰的結構。在非晶相區域較大的孔空間里,結合水的占有率很低,在孔的中央存在普通結構的水,不能與醋酸纖維素膜形成氫鍵的離子或分子則進入結合水,并以有序擴散方式遷移,通過不斷的改變和醋酸纖維素形成氫鍵的位置來通過膜。
在壓力作用下,溶液中的水分子和醋酸纖維素的活化點--羰基上的氧原子形成氫鍵,而原來水分子形成的氫鍵被斷開,水分子解離出來并隨之移到下一個活化點并形成新的氫鍵,于是通過一連串的氫鍵形成與斷開,使水分子離開膜表面的致密活性層而進入膜的多孔層。由于多孔層含有大量的毛細管水,水分子能夠暢通流出膜外。

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