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逆渗透是一种以压力差为推动力,从溶液中分离出溶剂的膜分离操作,又称反渗透。
逆渗透和自然渗透的方向相反,适用于海水、苦咸水的淡化和水的软化处理。
反渗透又称逆渗透,一种以 压力差为推动力,从溶液中分离出溶剂的 膜分离操作。对膜一侧的料液施加压力,当压力过它的渗透压时,溶剂会逆着自然渗透的方向作反向渗透。从而在膜的低压侧得到透过的溶剂,即渗透液;高压侧得到浓缩的溶液,即浓缩液。若用反渗透处理海水,在膜的低压侧得到淡水,在高压侧得到 卤水。
出售二手80吨单机水处理一套反渗透时,溶剂的渗透速率即液流能量 为:
= (Δ -Δ )
式中 为水力渗透系数,它随温度升高稍有;Δ 为膜两侧的静压差;Δ 为膜两侧溶液的渗透 压差。稀溶液的渗透压 为:
=
式中 为溶质分子电离生成的离子数; 为溶质的 摩尔浓度; 为摩尔气体 常数; 为温度。
反渗透通常使用非对称膜和复合膜。反渗透所用的设备,主要是 中空纤维式或卷式的 膜分离设备。
反渗透膜能截留水中的各种 无机离子、胶体物质和大分子溶质,从而净制的水。也可用于大分子**物溶液的预浓缩。由于反渗透过程简单,能耗低,近20年来得到迅速发展。现已大规模应用于海水和苦咸水(见 卤水)淡化、锅炉用水软化和废水处理,并与 离子交换结合制取高纯水,其应用范围正在扩大,已开始用于乳品、果汁的浓缩以及生化和生物制剂的分离和浓缩方面。
反渗透技术通常用于海水、苦咸水的淡水;水的软化处理;废水处理以及食品、工业、化学工业的提纯、浓缩、分离等方面。此外,反渗透技术应用于预除盐处理也较好的效果,能够使离子交换树脂的负荷减轻松90%以上,树脂的再生剂用量也可减少90%。因此,不仅节约费用,而且还有利于环境保护。反渗透技术还可用于除于水中的微粒、**物质、胶体物,对减轻离子交换树脂的污染,延长使用寿命都有着良好的作用。
把相同体积的稀溶液(如淡水)和浓液(如海水或盐水)分别置于一容器的两侧,中间用半透膜阻隔,稀溶液中的溶剂将自然的穿过半透膜,向浓溶液侧流动,浓溶液侧的液面会比稀溶液的液面高出一定高度,形成一个压力差,达到渗透平衡状态,此种压力差即为渗透压,渗透压的大小决定于浓液的种类,浓度和温度,与半透膜的性质无关。若在 浓溶液侧施加一个大于渗透压的压力时,浓溶液中的溶剂会向稀溶液流动,此种溶剂的流动方向与原来渗透的方向相反,这一过程称为反渗透。
Lonsdale等人提出解释反渗透现象的溶解-扩散模型。他将反渗透的活性表面皮层看作为致密无孔的膜,并假设 溶质和溶剂都能溶于 均质的非 多孔膜 表面层内,各自在浓度或压力造成的化学势推动下扩散通过膜。溶解度的差异及溶质和溶剂在膜相中扩散性的差异影响着他们通过膜的能量大小。其具体过程分为:步,溶质和溶剂在膜的料液侧表面外吸附和溶解;二步,溶质和溶剂之间没有相互作用,他们在各自化学位差的推动下以 分子扩散方式通过 反渗透膜的活性层;三步,溶质和溶剂在膜的透过液侧表面解吸。
在以上溶质和溶剂透过膜的过程中,一般假设步、三步进行的很快,此时透过速率取决于二步,即溶质和溶剂在化学位差的推动下以分子扩散方式通过膜。由于膜的选择性,使气体混合物或液体混合物得以分离。而物质的渗透能力,不仅取决于扩散系数,并且决定于其在膜中的溶解度。
在醋酸纤维素中,由于氢键和范德华力的作用,膜中存在晶相区域和非晶相区域两部分。大分子之间存在牢固结合并平行排列的为晶相区域,而大分子之间无序的为非晶相区域,水和溶质不能进入晶相区域。在接近 醋酸纤维素分子的地方,水与醋酸纤维素羰基上的氧原子会形成氢键并构成所谓的 结合水。当醋酸纤维素吸附了层水分子后,会引起水分子熵值的大下降,形成类似于冰的结构。在非晶相区域较大的孔空间里,结合水的占有率很低,在孔的存在普通结构的水,不能与醋酸纤维素膜形成氢键的离子或分子则进入结合水,并以有序扩散方式迁移,通过不断的改变和醋酸纤维素形成氢键的位置来通过膜。
在压力作用下,溶液中的水分子和醋酸纤维素的活化点——羰基上的氧原子形成氢键,而原来水分子形成的氢键被断开,水分子解离出来并随之移到下一个活化点并形成新的氢键,于是通过一连串的氢键形成与断开,使水分子离开膜表面的致密活性层而进入膜的多孔层。由于多孔层含有大量的毛细管水,水分子能够畅通流出膜外。
统一的“干闭湿开”反渗透机理模型 有几个经典模型
1.吸附毛细孔模型:弱点干态膜 电镜下,没发现孔。湿态膜标本不是电镜的样品。
2.溶解扩散模型:不认为有孔。
3. 干闭湿开模型:上个世纪80,90年代, 邓宇等提出的,能够解释1和2模型的统一的现代贴切的 逆渗透机理模型。既“干闭湿开”反渗透模型,统一了两个经典的反渗透机制模型,细孔模型, 溶解扩散模型。即
膜干时, 膜孔收缩致密, 孔隙闭合,电镜下看不到制成干态备镜检的干 膜;
膜湿时,膜材料溶胀,膜的孔隙被溶剂溶胀, 孔打开。合并就是 “干闭湿开” 脱盐模型。
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