当前课程知识点：大学化学 > 第十二章 化学与现代科学 > 化学与材料-正渗透与水处理技术 > Video
同学们好
我们这节课学习
正渗透与水处理技术
我们知道
水中存在着氢键
使得水会发生一种
反常膨胀的现象
水在结冰的时候
它的密度
反而比液态水小
这使得水
在地球生命演化过程中
扮演征非常重要的角色
同时
水也是地球上一切生命
得以生存的物质基础
自古以来
人类傍水而居
与水结下了不解之缘
据统计全世界有
百分之五十的人口
都生活在距河岸
或者海岸五十公里的地区
另外
水是地球上最丰富
也是最匮乏的资源之一
地球上的水
绝大部分分布在海洋当中
地球的总水量
是138.6亿吨
这相当于每一个中国人
都可以分配到11吨的水
但是地球上的97.5%的水
都是海洋当中
咸而苦涩的海水
人类不能够直接饮用
淡水只占地球
总水量的2.5%
而这些淡水
绝大部分储存在
与世界隔绝的
南北极这两个区域
具体到我国水资源的分布
这是我们国家的
水资源的分布图
在我们国家
水资源它的总量
还是挺大的
居世界第六位
但是人均的占有量
只相当于世界人均水平的1/4
居世界第109位
是世界13个人均水资源
匮乏的国家之一
另外我国的
水的时空分布
非常的不合理
比如说
占我们国土面积过半的
长江以北的地区
它只占我们国家
水资源的18%
尤其是华北
人均的占水量
还不到全国平均水平的1/6
按照国际公认的标准
中国目前有16个省市的
人均水资源量
它属于严重缺水
有6个省市的
人均水资源占有量
它属于极度缺水
淡水资源
在我国是如此的珍贵
那么怎么合理使用
这些淡水资源
怎么获取淡水资源呢
要解决这个问题
目前需要有两种思路
一种是开源
另外一种是节流
所谓开源就是从
占地球水资源总量当中
最大一部分的
海水中获取淡水
这就是海水淡化技术
所以节流
就是说
对我们目前存在的
比较少的淡水
用过之后
它变成了废水
变成了污水
我们希望从这些
污水废水当中
采用一些技术
从新的提取淡水
这就是污水处理技术
那么怎么采用
适当的低成本的方法
从海水里面获取淡水
从污水里面获取淡水呢
这就是
水处理的一些技术
在我们前面的学习当中
我们提到
溶液当中存在着依数性
表现为与纯溶剂相比
溶液它的蒸气压会下降
沸点会上升
凝固点会下降
那么另外一个
重要的表现在于
在溶液当中
它会发生一个渗透现象
存在着渗透压
比如说
我们如果用一个半透膜
把一个纯溶剂水
跟蔗糖溶液隔开
那么当达到平衡的时候
我们就会看到
蔗糖溶液这一边
它的液面会上升
纯溶剂水这一端
它的液面会下降
这就意味着
纯溶剂水分子
穿过半透膜
迁移到了高浓度的
蔗糖溶液这一端
那么最终这个液面差
它所具有的压力
实际上就代表了
最开始蔗糖溶液的
渗透压
这个时候
如果我们在液面升高的
蔗糖溶液这一端
施加一个压力
当这个压力
足够大的时候
我们就可以让
蔗糖溶液液面
恢复到初始的时候
这时候实际上
那么纯溶剂水分子
又从高浓度的
蔗糖溶液这一端
穿过半透膜
迁移到了浓度比较低的
纯水当中
所以在正向渗透过程中
溶剂分子是从
低浓度的溶液
迁移到高浓度的这一端
而在反向渗透当中
纯溶剂水分子
是从高浓度的溶液这一端
穿过半透膜
到达低浓度的这一端
那么利用反向渗透技术
我们就可以用来
从海水里面提取淡水
原理
也是跟刚才我们提到的
反向渗透是一样的
我们把海水跟纯水
用一个半透膜隔开
在海水这一端
施加一个非常高的压力
压力大过海水的渗透压
那么就有可能使得
海水里面的水分子
穿过半透膜
进入到纯水这一端
从而从海水里面提取淡水
实际上这种方法
是目前工业上
广为使用的
从海水里面提取淡水的
一种技术
这个图给出的是目前
在我们国家的
天津大港建立的
一个海水淡化厂
目前它们每天可以处理
十万吨的海水
那么这个方法
本身是有一些特点的
如果我们从微观的角度
来看待
在反渗透进行当中
半透膜两边发生的现象
我们会注意到
那么要想是反渗透
得以进行
半透膜的左端高浓度的
海水这一端
必然要有一个
非常高的压力
通常这个压力
在二点七到七点几
这么一个兆帕
这么一个量级
在这样高的一个
压力的驱使下
海水里面很多的
溶质或者一些颗粒
它会很容易聚集在这个
半透膜的这一端
就容易把这个半透膜给阻塞
使用一阶段之后啊
这个半透膜这边
会容易形成一个
非常厚实的滤屏
降低了它的
渗透的这么一个功能
所以膜污染比较严重
同时
因为这个压力很高
这是一个非常好能的
这样一个技术
那么
能不能利用正渗透技术
从海水里面提取淡水呢
那么按照正渗透的原理
我们要想从海水里面
提取淡水
首先必须要有一个
半透膜
除了半透膜之外
在半透膜的右端
必然要有一个
比海水浓度更高的溶液
我们一般
把这溶液叫汲取液
有了半透膜
有了汲取液
实际上我们就可以
利用正渗透
从海水里面提取淡水
那么这种方法
跟我们刚才讲的
反渗透技术
海水淡化有什么区别呢
我们从微观角度来看
在半透膜两端发生的过程
在正渗透方法当中
这个水分子
从低浓度的海水
穿过半透膜
向高浓度的汲取液
迁移的过程中
它的迁移的驱动力
实际上是来源于
海水的渗透压
跟汲取液的渗透压不同
所以这个压力
通常比较小
在零点几个兆帕
半透膜承受的压力
也是在这个量级
而在反渗透技术当中
水分子迁移的这个
驱动力
通常在几个兆帕
远比这个正渗透技术当中
半透膜所承受的
压力要高
所以从本质上来讲
正渗透技术
它无需外部的压力
是一个能耗低的方法
另外与反渗透技术相比
利用正渗透技术中
海水里面提取淡水
它的水的回收率比较高
因为在反渗透技术里头
高压压过来之后
渗透膜左端
会存在大量的
高浓度的海水
这么大量的海水
处理起来
也是不方便的
在反渗透技术里面
这个水的回收率
一般也就在35%~60%之间
而在正渗透技术里头
水的回收率
可以高达75%
所以在半透膜的左端
它会留下来
相对来说量比较少
体积比较小的
高浓度的海水
而这部分高浓度的海水
体积小
处理起来也比较方便
比如说
我们可以直接拿它
来进行晒盐、制盐
或者是从海水里面
提取一些卤素
或者一些化工的物质
另外一个
在正向渗透当中
因为膜所承受的压力比较小
海水里面的这些颗粒
这些其他的溶质
聚集在半透膜的
程度也会比较低
所以不会形成一个
非常厚实的滤饼
也就是说
膜的污染倾向比较小
一个半透膜可以使用
相对来说比较长的时间
处理起来成本也比较低
这是正向渗透
相较于反渗透技术
它的一些优势所在
那么工业上
怎么利用这样一个
正渗透技术
来从海水或者是污水里面
提取淡水呢
它必然有一个
进料的装置
还有一个出料的装置
在进料装置中
我们要处理的海水
或者污水废水
通过这个装置进入到
正渗透装置里面去
在出料装置里面
我们就会得到
高浓度的浓缩的海水
或者是一些废水
在这个过程中
正渗透发生的过程中
必然汲取液的浓度
它会降低
降低之后
它的渗透压也会降低
整个正渗透进行的驱动力
也会逐步降低
所以要想使
正渗透得以顺利的进行
那么汲取液
必须要进行一个循环
始终保持一个比较高的浓度
那么这些浓度比较低的
汲取液
再恢复到
从前比较高的汲取液
这就涉及到
汲取液的一个再生
所以在通常的
正渗透技术当中
还包含着汲取液的
再生的这么一个过程
因为最终来讲
我们利用正渗透方法
从海水里面提取淡水
目的是从海水里面得到淡水
而不是想得到一个
浓度比较稀的汲取液溶液
所以怎么从这个
稀的汲取液当中
获取淡水
这也是一个正渗透方法
必然要考虑的过程
所以总体来看
与反渗透技术相比
它不需要一个很高的压力
能耗是小了
但是在汲取液再生这方面
它可能有也会消耗能量
这时候
还要考究汲取液的选取
包括渗透膜的一个
选择的问题
在正渗透技术里面
汲取液
是一个非常重要的组成部分
要想是正渗透得以发生
它必然得到的汲取液
它的渗透压
要远高于海水的渗透压
所以我们通常选取的
制备的这样一些汲取液
这个溶质它的浓度
都非常高
也就是说
溶质的溶解度比较大
另外我们希望
这个汲取液它是无毒的
在水里面能够安全
稳定的存在
遇水分离要简单
分离的费用低
可以循环利用
这样
我们才便于从汲取液里面
提取我们最终想要的淡水
还有这个汲取液
它要易于制备
成本要低
那么目前来讲
常用的汲取液主要包括
无机的
有机的
还有一些
出现了一些
新的材料体系
比如说在
无机盐溶液里头
我们通常选用NaCl
因为大家知道
NaCl的溶解度很高
它也没有毒
在有机物溶液里面
我们可选的
这些化学物质
主要包括一些
葡萄糖、果糖
或者它们的混合物
因为这些物质
它们的溶解度相对来说
比较大
能够配制很高浓度的
这样一个溶液
具有很高的渗透压
另外一个重要的原因
在于这些葡萄糖、果糖
它们都是营养物质
没有毒害
可以直接用于
生产糖类的饮料
这样
在正渗透发生之后
得到的浓度比较稀的
这些溶液
直接可以做营养物质
或者是糖类饮料
而进行售卖
也不需要再进行一个
汲取液里面的溶质
跟淡水的分离的步骤
第三个
目前常用的一个
汲取液溶液
实际上是
用气体溶解在水里面
形成的一些
盐的或者酸的一些溶液
常用的气体
有SO2
NH3和CO2
那么实际上
目前在工业上采用的
用正渗透来处理废水
或者是从海水淡化来讲
通常选用的这么汲取液
就是用NH3
CO2溶于水
生成的是一个
NH4HCO3的这样
高浓度的溶液
这样一个汲取液
一个好处在于什么呢
正渗透发生之后
它的浓度降低了之后
我可以通过
简单的加热
比如说
把NH4HCO3的溶液
加热到60℃
这里头的NH3和CO2
又会重新的溢出来
那么我们可以把这溢出的
NH3、CO2收集
重新通入到一个
温度比较低的
水溶液当中
重新制备成高浓度的
NH4HCO3的
这样一个汲取液
便于把汲取液里面的
溶质NH3和CO2
跟我们想要的淡水
分离出来
得到我们最终想要的淡水
那么目前
还在开展研究的
一些汲取液
还有纳米颗粒的悬浮液
虽然纳米颗粒的悬浮液
它的渗透压比较小
但是这些纳米的颗粒
它还可以具有一些
独特的性质
比如说
科学家可以把
这些纳米颗粒
做成磁性的物质
这样一个物质
在正渗透发生之后
它的浓度降低之后
我很容易的
可以将这个纳米颗粒
跟得到的淡水分离开来
通过一个磁场
可以把这里面的
纳米颗粒富集起来
分离得到我们想要的纯水
还有一种目前报道的是
采用水凝胶来
来作为一个汲取液
这个水凝胶
你可以想象
像一个海绵的物质
把这个水凝胶
跟这个半膜贴合在一起
利用正渗透技术
就可以从海水里面
汲取大量的淡水
从水凝胶里面
再提取淡水
就相应来说
更容易些
这是我们目前
常用的一些汲取液
现在我们可以看到
同样一个渗透现象
就是容器水分子
在不同的条件
从低浓度穿过半透膜
到高浓度
或者说
在反渗透现象里头
从高浓度穿过半透膜
到低浓度的这一端
都可以用来
实现海水的淡化
那么最终
工业上考虑用哪种方法
必须要考究不同的技术
对这里面涉及到
材料的一些要求
比如说半透膜的
耐压的要求
还有一些对
汲取液的一些要求
最终考取的还是一个
成本的问题
哪种成本更有优势
那么最终将会在工业上
海水淡化里面
占有一个更大的优势
那么这节课
我们就讲到这里
-1.1 不一样的大学化学
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-1.2 化学体系的建立
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-1.3 应该了解的化学
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-1.4 课程学习的必要准备
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-第一章 绪论--第一章 习题
-2.1 物质的聚集状态—物质的相与相变
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-2.1 物质的聚集状态—气体—理想气体与实际气体
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-2.1 物质的聚集状态—气体—实际气体的状态方程
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-2.1 物质的聚集状态—液体
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-2.1 物质的聚集状态—固体—单晶多晶与非晶结构；晶体的宏观性质
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-2.1 物质的聚集状态—固体—晶体的对称性
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-2.1 物质的聚集状态—等离子体
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-2.1 物质的聚集状态—液晶
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-2.1 物质的聚集状态—等离子、液晶与平板显示技术
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-2.2 溶液的性质—溶液的特点与分类
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-2.2 溶液的性质—气体、液体和固体的溶解
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-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—饱和蒸气压降低
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-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—稀溶液的沸点升高
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-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—溶液的凝固点降低
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-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性— 溶液的渗透压
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-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—反渗透现象
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-第二章 物质的聚集状态与溶液的性质--第二章习题
-3.1原子核外电子运动的描述-原子结构理论的发展
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-3.1原子核外电子运动的描述-核外单电子运动的量子化模型
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-3.1原子核外电子运动的描述-电子运动的特点
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-3.2电子运动的波函数与原子轨道- 电子运动的波函数与原子轨道
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-3.2电子运动的波函数与原子轨道-量子数的取值与原子轨道
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-3.2电子运动的波函数与原子轨道-自旋量子数的取值原则
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-3.3核外电子排布-多电子原子核外电子运动的描述
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-3.3核外电子排布-基态原子核外电子的排布
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-3.4元素周期律-元素周期律与元素周期表
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-3.4 元素周期律-元素性质的周期性
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-3.4元素周期律-电子结构与元素性质
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-第三章 原子结构与元素周期律--第三章 小论文
-第三章 原子结构与元素周期律--第三章 习题
-4.1 离子键理论—离子键理论
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-4.1 离子键理论—离子键价键构型
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-4.1 离子键理论—离子半径与离子晶体的结构
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-4.2 共价键理论—经典路易斯理论
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-4.2 共价键理论—现代价键理论
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-4.2 共价键理论—共价键的性质
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-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道的理论要点
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-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道类型（一）
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-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道类型（二）
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-4.3 杂化轨道理论—不等性杂化轨道理论
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-4.4 价层电子对互斥理论（VSEPR）I
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-4.4 价层电子对互斥理论（VSEPR）II
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-4.5 分子轨道理论-分子轨道的建立
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-4.5 分子轨道理论-分子轨道能级图
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-4.5 分子轨道理论-异核双原子分子和离子
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-4.6 分子间作用力-分子的极性
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-4.6 分子间作用力-分子间作用力
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-4.7 氢键
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-第四章 分子结构与化学键理论--第四章 小论文
-第四章 分子结构与化学键理论--第四章 习题
-5.1 配合物的基本特征-配合物的形成
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-5.1 配合物的基本特征-配合物的命名规则
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-5.2 配合物的化学键理论-配位学说
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-5.2 配合物的化学键理论-配合物价键理论
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-5.2 配合物的化学键理论-晶体场理论
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-5.3 配合物化学键理论的应用-配合物的几何异构现象
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-5.3 配合物化学键理论的应用晶体场理论的应用（一）
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-5.3 配合物化学键理论的应用晶体场理论的应用（二）
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-第五章 配位化学概论--第五章 习题
-6.1化学反应中的能量变化-化学热力学基本概念(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-化学热力学基本概念(二)
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-6.1化学反应中的能量变化-热力学第一定律
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-6.1化学反应中的能量变化-恒温与恒压热效应(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-恒温与恒压热效应(二)
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-6.1化学反应中的能量变化-反应进度
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-6.1化学反应中的能量变化-热化学方程式与盖斯定律(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-热化学方程式与盖斯定律(二)
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-6.1化学反应中的能量变化-标准摩尔反应热的计算(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-标准摩尔反应热的计算(二)
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-6.2 化学平衡-可逆反应与平衡常数
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-6.2 化学平衡-化学平衡的规则
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-第六章 化学反应中的能量变化与化学平衡--第六章 习题
-7.1 自发过程与自发反应（一）
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-7.1 自发过程与自发反应（二）
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-7.2 熵与热力学第二定律—熵
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-7.2 熵与热力学第二定律—熵与Entropy
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-7.2 熵与热力学第二定律—热力学第二定律
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-7.3 热力学第三定律与与孤立系统熵判据—热力学第三定律
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-7.3 热力学第三定律与与孤立系统熵判据—孤立系统熵判据
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-7.4 吉布斯自由能判据-吉布斯自由能（一）
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-7.4 吉布斯自由能判据-吉布斯自由能（二）
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-7.4 吉布斯自由能的判据—标准吉布斯自由能的计算
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-7.4 吉布斯自由能的判据—反应方向的标准吉布斯自由能判据
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-7.4 吉布斯自由能的判据—非标准状态下自发反应方向性的判据
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-7.4 吉布斯自由能判据—吉布斯-亥姆霍兹方程
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-7.5 化学反应方向的影响因素—勒夏特列原理与化学反应的方向（一）
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-7.5 化学反应方向的影响因素—勒夏特列原理与化学反应的方向（二）
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-7.5 化学反应方向的影响因素—温度、压力对化学反应方向的影响实例（一）
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-7.5 化学反应方向的影响因素—温度、压力对化学反应方向的影响实例（二）
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-第七章 化学反应的方向--第七章 小论文
-第七章 化学反应的方向--第七章 习题
-8.1 化学反应速率-化学反应的方向与反应速率
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-8.1 化学反应速率-化学反应速率的表示方式
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应的速率方程的建立（一）
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应的速率方程的建立（二）
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程-一级反应速率方程
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程-二级反应速率方程
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-温度对化学反应速率的影响
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-碰撞理论（一）
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-碰撞理论（二）
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-过渡态理论（一）
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-过渡态理论（二）
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-8.4 催化剂对化学反应速率的影响
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-第八章 化学动力学基础--第八章 习题
-9.1 酸碱平衡—酸碱定义（一）
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-9.1 酸碱平衡—酸碱定义（二）
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-9.1 酸碱平衡—水的解离平衡
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（一）
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（二）
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（三）
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-9.1 酸碱平衡—同离子效应
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（一）
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（二）
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（三）
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-9.2 配位平衡—配合物的解离平衡
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-9.2 配位平衡—配合物解离平衡的移动
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积常数
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积规则（一）
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积规则（二）
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-第九章 酸碱平衡与沉淀溶解平衡--第九章 习题
-10.1 氧化还原反应方程式配平
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-10.2 原电池与电极电势—原电池
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-10.2 原电池与电极电势—电极电势（一）
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-10.2 原电池与电极电势—电极电势（二）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电池电动势的影响（一）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电池电动势的影响（二）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电极电势的影响
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-10.4 电极电势的应用—判断氧化还原反应的方向性
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-10.4 电极电势的应用—判断元素的氧化还原能力
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-10.4 电极电势的应用—判断氧化还原反应进行的程度
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-10.4 电极电势的应用—元素电势图及其应用（一）
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-10.4 电极电势的应用—元素电势图及其应用（二）
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-10.4 电极电势的应用—金属的电化学腐蚀与防护
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-第十章 氧化还原反应与电化学基础--第十章 小论文
-第十章 氧化还原反应与电化学基础--第十章 习题
-无机元素化学-s区元素
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-无机元素化学-p区元素
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-无机元素化学-过渡元素
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-生命化学概论-生命有机化合物官能团
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-生命化学概论-生命元素-碳
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-生命化学概论-生命元素-氧
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-生命化学概论-蛋白质
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-生命化学概论-核酸
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-生命化学概论-糖
--Video
-生命化学概论-金属酶与金属蛋白
--Video
-生命化学概论-药物
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-第十一章 元素与生命化学概论--第十一章 习题
-纳米科学与化学-自然界中的纳米现象
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-纳米科学与化学-微观结构与仿生
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-纳米科学与化学-纳米结构的观察
--Video
-纳米科学与化学-纳米结构与特殊浸润性
--Video
-化学与材料-材料科学领域中的化学问题
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-化学与材料-正渗透与水处理技术
--Video
-化学与材料-相变材料（一）
--Video
-化学与材料-相变材料（二）
--Video
-化学与材料-范德华力与二维材料
--Video
-第十二章 化学与现代科学--第十二章 习题
-大学化学期末考试
