第八节  膜分离法

膜析法是利用薄膜以分离水溶液中某些物质的方法的统称。目前有扩散渗析法(渗析法)、电渗析法、反渗透法和超过滤法等。

 一、渗析法

人们早就发现，一些动物膜，如膀胱膜、羊皮纸(一种把羊皮刮薄做成的纸)，有分隔水溶液中某些溶解物质(溶质)的作用。例如，食盐能透过羊皮纸，而糖、淀粉、树胶等则不能。如果用羊皮纸或其他半透膜包裹一个穿孔杯，杯中满盛盐水，放在一个盛放清水的烧杯中(见图17—15)，隔上一段时间，我们会发现烧杯内的清水带有咸味，表明盐的分子已经透过羊皮纸或半透膜进入清水。如果把穿孔杯中的盐水换成糖水，则会发现烧杯中的清水不会带甜味。显然，如果把盐和糖的混合液放在穿孔杯内，并不断地更换烧杯里的清水，就能把穿孔杯中混合液内的食盐基本上都分离出来，使混合液中的糖和盐得到分离。这种方法叫渗析法。起渗析作用的薄膜，因对溶质的渗透性有选择作用，故叫半透膜。近年来半透膜有很大的发展，出现很多由高分子化合物制造的人造薄膜，不同的薄膜有不同的选择渗析性。半透膜的渗析作用有三种类型：①依靠薄膜中“孔道”的大小分离大小不同的分子或粒子；②依靠薄膜的离子结构分离性质不同的离子，例如用阳离子交换树脂做成的薄膜可以透过阳离子，叫阳离子交换膜(参见图17—16)，用阴离子树脂做成的薄膜可以透过阴离子，叫阴离子交换膜；③依靠薄膜的有选择的溶解性分离某些物质，例如醋酸纤维膜有溶解某些液体和气体的性能，而使这些物质透过薄膜。一种薄膜只要具备上述三种作用之一，就能有选择地让某些物质透过而成为半透膜。在废水处理中最常用的半透膜是离子交换膜。

在膜析法中，物质透过薄膜需要动力，目前利用的有三种动力：①分子扩散作用；②电力；③压力。反渗透法和超过滤法都要把水加压。用电力的是电渗析法。依靠分子自然扩散的是扩散渗析法，简称渗析法。

图17—17示一种利用扩散渗析法处理钢铁厂酸洗废水的设备示意图。在渗析槽中装设一系列间隔很近的阴离子交换膜，把整个槽子分隔成两组相互为邻的小室。一组小室流人废水，另一组小室流人清水，流向是相反的。由于扩散作用，废水中的氢离子、铁离子和硫酸根离子向清水扩散，但是，由于阴离子交换膜的阻挡，只有硫酸根离子较多地透过薄膜，进入清水；当硫酸根离子透过薄膜时也挟带一些铁离子过去，但这是少量的。这样，酸洗废水中的硫酸和硫酸亚铁就在一定程度上得到了分离。

二、电渗析法

图17—18是用于海水淡化的电渗析设备示意图，也可以移用于含盐废水的浓缩。在电渗析槽中把阴离子交换膜和阳离子交换膜交替排列，隔成宽度仅1～2mn左右的小室，在槽的两端则分别设阴、阳电极，接通直流电源。海水从渗析槽一侧进入，从另一侧流出。由于离子的导电性和离子交换膜的半透性，相邻两室中的海水，一个变淡，一个变浓，故渗析槽的出水管分成两路，—路收集淡水，另一路收集浓盐水。

图17—19所示是一种综合利用酸洗废水的装置。这是一种渗析和电解组合在一起的方法。依靠渗析作用回收硫酸，依靠电解作用回收铁。

三、反渗透法

反渗透法是一种借助压力促使水分子反向渗透，以浓缩溶液或废水的方法。

如果将纯水和盐水用半透膜隔开(如图17—21)，此半透膜只有水分子能够透过而其他溶质不能透过，则水分子将透过半透膜进入溶液(盐水)，溶液逐渐从浓变稀，液面则不断上升，直到某一定值为止。这个现象叫渗透，高出于水面的水柱高度(决定于盐水的浓度)是由于溶液的渗透压所致。可以理解，如果我们向溶液的一侧施加压力，并且超过它的渗透压，则溶液中的水就会透过半透膜，流向纯水一侧，而溶质被截留在溶液一侧，这种方法就是反渗透法(或称逆渗透法)。

反渗透膜的种类很多，目前研究得比较多和应用较广的是醋酸纤维素膜和芳香族聚酰胺膜，其他类型的膜材料也正在不断研究开发中。

反渗透的装置主要有板框式、管式、螺旋卷式和中空纤维式。

板框式反渗透装置是将反渗透膜贴在多孔透水板的单侧或两侧，再紧粘在不锈钢或环氧玻璃钢承压板的两侧，构成一个渗透元件。然后将几块或几十块元件成层叠合，用长螺栓固定后装入密封耐压容器内。

管式反渗透装置是把渗透膜装在耐压微孔承压管的内侧或外侧，制成管状膜的元件。然后将很多管束装配在筒形耐压容器内。

螺旋卷式反渗透装置是在两层反渗透膜中间夹一层多孔的柔性格网，再在下面铺一层供废水通过的多孔透水格网，然后将它们的一端粘贴在多孔集水管上，绕管卷成螺旋卷筒，并将另一端密封，就成为一个反渗透元件。

中空纤维式反渗透装置是将制造反渗透膜的原料空心纺丝而成中空纤维管。纤维管的外径为30～150μm，壁厚7～42μm。然后将几十万根中空纤维弯成U形装在耐压容器内，即组成反渗透器。

近年来，由于反渗透膜材料和制造技术的发展以及新型装置的不断开发和运行经验的积累，反渗透技术的发展非常迅速，已广泛用于水的淡化、除盐和制取纯水等，还能用以去除水中的细菌和病毒。但反渗透法所需的压力较高，工作压力要比渗透压力大几十倍。即使是改进的复合膜，正常工作压力也需1．5MPa左右。同时，为了保证反渗透装置的正常运行和延长膜的寿命，在反渗透装置前必须有充分的预处理装置。

反渗透装置一般都由专门的厂家制成成套设备后出售。在生产中，根据需要，予以选用。

 四、超过滤法

   超过滤法与反渗透法相似。但超滤膜的微孔孔径比反渗透膜大，在0.005—1 μm之间。超滤的过程并不是单纯的机械截留，物理筛分，而是存在着以下三种作用：①溶质在膜表面和微孔孔壁上发生吸附；②溶质的粒径大小与膜孔径相仿，溶质嵌在孔中，引起阻塞；③溶质的粒径大于膜孔径，溶质在膜表面被机械截留，实现筛分。毫无疑问，我们应力求避免在孔壁上的吸附和膜孔的阻塞，应选用与被分离溶质之间相互作用弱和膜孔结构是外密内疏的不对称构造的超滤膜。

超滤的过程是动态过滤，即在超滤膜的表面既受到垂直于膜面的压力，使水分子得以透过膜面并与被截留物质分离，同时又产生一个与膜表面平行的切向力，以将截留在膜表面的物质冲开。所以，超滤运行的周期可以较长。在运行方面，还可短时间地停止透水而增加切面流速，即可达到冲洗膜面的效果，使透水率得到恢复。这样的运行方式，使超滤(膜)—活性污泥法这种新型的处理工艺得以实施和发展。

在废水处理中，超过滤法目前主要用于分离有机的溶解物，如淀粉、蛋白质、树胶、油漆等。超过滤法所需的压力比反渗透法要低，一般为0.1～0.7MPa。