膜分离技术(基础)PPT课件

膜分离技术 基础篇 目录 一 膜技术的起源二 膜技术的发展三 膜的定义四 膜的分类方法 包括膜厂家介绍 五 膜的操作方式六 各种膜的用途及其应用 内外压膜的优缺点 七 膜技术的发展方向 膜技术的起源 讲述膜技术的起源及其早期历史 一 膜现象与研究A膜现象的存在 在自然界在人体在各个领域B膜现象的研究 1748年 AbbeNollet发现水能自然地扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内 第一次揭示膜分离现象 1861年Schmide发现用柿胶膜或赛咯玢膜过滤溶液 可以截留细菌 蛋白质 胶体 首次提出 超过滤 的概念 1864年Traube成功地研制出亚铁氰化铜膜 第一个制造出人类历史上第一片人造膜 1866年ThomasGrahamz在一篇 气体通过胶质隔膜的吸收和渗析分离 的研究论文中 最早提出了气体膜分离的扩散原理 20世纪中叶 由于物理化学 聚合物化学 生物学 医学和生理学的深入发展 新型膜材料和制膜技术的不断开拓 各种膜分离技术才相继出现和发展 上世纪60年代 大规模生产高通量 无缺陷的膜和紧凑高面积 体积比膜分离器上取得突破 开发了中脱盐反渗透过程 七八十年代又将进展转移到其它膜过程取得成功 目前各种膜过程的发展状况和销售趋势图 3 我国膜技术的发展A 我国膜科学技术的发展是从1958年研究离子交换膜开始的 60年代进入开创阶段 B 1965年着手反渗透的探索 1967年开始的全国海水淡化会战 大大促进了我国膜科技的发展 70年代进入开发阶段 这时期 微滤 电渗析 反渗透和超滤等各种膜和组器件都相继研究开发出来 C 80年代跨入了推广应用阶段 80年代又是气体分离和其他新膜开发阶段 D 90年代后进入高速发展及自主创新期 2001年立升公司PVC合金中空纤维超滤膜的研制成功是其中最具代表的事件之一 膜分离过程已成为解决当代能源 资源和环境污染问题的重要高新技术及可持续发展技术的基础 注 成熟过程 开发中过程 待开发过程 各种膜过程的市场评估 二 膜的定义A欧洲膜协会1996年定义 1 膜是一种中介相 它把两相分隔开来 并 或对它相邻两相的传质充当主动或被动的障碍 2 如果在一个流体相或两个流体相之间 有一具有选择透过性 化学构成和相态稳定的连续相物质 那么这一连续相物质就是膜 B分离膜的定义 两相之间具有选择性和渗透性的中间相 在驱动力如压力差 浓度差 温度差 电位差及其它能位差的推动下 促进或限制两相之间的特定物质的传递 从而实现混合气体或液体的分离 这一中间相称为膜 膜气相 膜 气相液相 膜 液相气相 膜 液相液相 膜 混合性溶液液相 膜 非混合性溶液 三 膜分离技术的特点 膜分离过程是一个高效 环保的分离过程 它是多学科交叉的高新技术 它在物理 化学和生物性质上可呈现出各种各样的特性 具有较多的优势 与传统的分离技术如蒸馏 吸附 吸收 萃取 深冷分离等相比 膜分离技术具有以下特点 高效的分离过程 低能耗 接近室温的工作温度 品质稳定性好 连续化操作 灵活性强 纯物理过程 环保 四 膜的分类A按材料分 有机膜 高分子聚合膜 无机膜 陶瓷膜 金属 不锈钢 膜 碳膜 玻璃膜 浸润与不浸润 A 无机膜 陶瓷膜 金属膜 玻璃膜和碳膜陶瓷膜品牌 a membralox membraflox b aaflow orelis atech schumacherc 久吾 tami PCI金属膜品牌 AccuSep 凯发玻璃膜与碳膜 PCI陶瓷膜的主要用途 生物制药 油水分离并举例金属膜的主要用途 生物制药 化工等 陶瓷膜管元件陶瓷膜的断面结构一种陶瓷膜组件的装配图金属膜 B按功能分 分离膜 反应膜 C按分离过程分 微滤 MF 超滤 UF 纳滤 NF 反渗透 RO 电渗析 ED 气体渗透 GP 渗透汽化 PV EDI原理图 D按膜孔径大小分 微滤膜 0 05 10 m 超滤膜 0 05 0 002 m 纳滤膜 0 001 0 005 m 反渗透膜 0 0001 0 001 m 各种膜过程操作参数对比 E 按膜分离结构分 对称膜与不对称膜不对称膜 指膜的化学结构或物理结构随膜的部位而异 即各向异性膜 用高分子溶液铸膜时 膜是由很薄的致密皮层和比皮层厚得多的由海绵状或指状微孔层构成的支撑底层共同形成具有分离功能的高分子膜 在膜的厚度方向上呈现出不对称性 用于反渗透和超滤的就是这种不对称膜 在多孔支撑膜上涂布其他聚合物溶液 或用界面缩聚 或用等离子体聚合等方法在多孔膜表面形成均匀致密的薄膜 所构成的复合膜也是非对称膜 对称膜 亦称各向同性膜 膜的各部分具有相同的特性 其孔结构不随深度而变化的膜 膜的化学结构 物理结构在各个方向上是一致的 在所有方向上的孔隙率相似 如电渗析中的离子交换膜 气体分离膜和微孔膜 F 按膜元件结构分 缠绕式膜 平板式膜 管式膜 中空纤维膜 卷式膜 缠绕式膜 包括熔喷或烧结膜 主要是用于超滤 纳滤或反渗透膜的前置保安过滤 过滤精度一般是0 2微米以上 平板膜 最原始的一种膜结构 由于占地面积大 能耗高 逐步被市场所淘汰 主要用大颗粒物质的分离 一般采用死端过滤方式 如注射液的灌装 SDI测定仪用膜或滤袋等 SDI也称为淤泥密度指数 foulingindex 是表征反渗透系统进水水质的重要指标 是在规定时间内 孔径为0 45 m测试膜片被溶在被测试给水中的淤泥 胶体 黏土 硅胶体 铁的氧化物 腐植质等污染物堵塞的比率和污染程度 SDI 1 T0 T1 100 T氧化还原电位ORP是表征水体中氧化性物质和还原性物质多少的一种参数 当氧化还原电位呈正值时表示水体中含氧化性物质 当氧化还原电位呈负值时表示水体中含还原性物质 管式膜 包括无机管式膜 有机管式膜及有机无机复合膜 主要用于解决高浓度 高粘度 高含固量以及高温 高腐蚀性液体的分离过滤 管式膜组件的主要优点是能有效地控制浓差极化 大范围地调节料液的流速 膜生成污垢后容易清洗 其缺点是投资和运行费用都高 单位体积内膜的比表面积较低 中空纤维膜 由于装填密度大 经济性好目前是微滤 超滤甚至反渗透元件的主要结构形式 中空纤维膜又分为外压膜和内压膜 中空纤维超滤膜组件具有装填密度大 结构简单 操作方便等特点 立升内压膜立升外压膜 外压膜与内压膜优缺点比较 Norit主要有XIGATM和AquaFlexTM两个系列膜 膜丝材料为聚醚砜和聚乙烯吡咯酮共混材料外筒材料PVC XIGA是诺芮物子公司X FLOW生产的卧式内压式8寸10nm中空纤维膜 采用全流过滤操作方式 一般操作TMP0 3 0 8bar 可在一个压力容器内串联安装四支元件 通量在60 135L m2 h 电耗在0 1 0 2KWh m3 清洗PH 1 13 产水率80 92 要求进水SS低于50ppm 每个组件长1 5米 膜丝内径0 5或1 5mm 元件膜面积40m2 AquaFlexTM低浊度超滤膜 立式 这种膜平均孔径为10 25nm 膜丝内径0 8或1 5mm 内压式 S225为35平方米 SXL225为40平方米 操作方式为全流 错流 进料液中固体悬浮含量可达200ppm 不内安装于膜壳内 是单独立式安装 AquaFlexTM高浊度使用COMPACT管式组件 膜内径 5或8毫米 卷式膜 可以理解为变形的平板膜 由于装填密度高 容易标准化 因此成为现在膜元件的发展方向 主要用于纳滤 反渗透及少部分的超滤如GE和KOCH的超滤膜 国内超滤膜品牌分析 国内中空纤维式 内压式 超滤膜市场的产品主要被美国科氏 PS 荷兰诺芮特 PES 海德能 PES 德国Inge PES 荷兰INT PES 深圳立升 PVC 得力满 Aquasource CA 大连欧科 PES 等品牌所主导 国内中空纤维式 外压式 超滤膜市场主要被日本旭化成 PVDF 西门子 USFilter PE PD PVDF 日本东丽 PVDF 欧美环境OMEXL 陶氏化学 PVDF 深圳立升 PVC PVDF 天津膜天膜 PVDF 等品牌所主导 卷式超滤膜市场的绝大分额主要被日东电工 美国科氏 GE所主导 浸没式超滤膜产品而言 国际以及国内市场主要被加拿大泽能 日本三菱丽阳 西门子 美国科氏 日本久保田 日本东丽等品牌所主导 目前的市场格局是 以科氏为代表的几个国外知名品牌占据了国内高端市场 而中低端市场被国内众多超滤厂家所瓜分 其中的代表企业有欧美环境 天津膜天膜 海南立升 大连欧科 汇通源泉等企业 超滤预处理工艺 各种膜组件优缺点比较 反渗透原理图 反渗透发展史 1748年Nollet发现渗透现象 1920年代Van tHoff和J W Gills建立了稀溶液的完整理论 1953年美国的C E Reid发现醋酸纤维素类具有良好的半透性 1960年美国首次制成醋酸纤维素反渗透膜 98 6 脱盐率 10 1MPa下259L d m2 膜厚100微米 1970年杜邦公司发明了芳香族聚酰胺中空纤维反渗透器 1980年全芳香族聚酰胺复合膜及其卷式元件问世 1990年中压 低压 及超低压高脱盐聚酰胺复合膜进入市场 从而为反渗透技术的发展开辟了广阔前景 1998年低污染膜研发成功 进一步扩大了反渗透的应用范围 时代沃顿膜元件选择原则 时代沃顿RO膜元件的设计导则 膜元件串联数与系统回收率关系 前后两段比值一般在4 3 3 1之间 一般在3 2 2 1之间常见 以2 1最多 几种膜材质的化学结构式 五 膜的操作运行方式 错流过滤与全流过滤 死端过滤 反冲洗与不反冲比较化学清洗 1 膜的发现与发明 过滤方式比较 常规过滤 膜层 料液 浓料 透过液 滤饼层 滤料层 Commonfiltration依靠滤饼层内颗粒的架桥作用等机理操作方式 死端deadend 又称垂直流 crossflowfiltration依靠过滤介质的孔隙筛分作用 操作方式 错流又称切线流 操作过程比较 超滤机理 膜通量 无反冲 时间 随着过滤的进行 膜的通量会有所下降 其原因可能为孔堵塞 吸附 浓差极化或凝胶层的形成 此时 若能增强被截留组分离开膜向溶液本体的反向扩散 必将使膜的通量得到提高 通常认为所需的反向扩散是建立在以下两个基础之上的首先是扩散效应 它由膜上被截留组分浓度的升高而引起 其次是液体动力学效应 它起因于膜上速度梯度而造成的剪应力 这两种效应都起作用 但影响程度有所不同 而且与粒子或分子的大小密切相关 当微粒尺寸大于0 1um时 微滤过程主要受液体动力学效应支配 渗透通量将随着粒子或分子尺寸的增加而增大 有反冲 平均通量 平均通量 起始通量 终点通量 超滤运行通量与时间关系曲线图 过滤 反冲过程 过滤液 反冲过程 膜层 过滤液 原料液 正常过滤 浓缩液 膜层 原料液 原料液 化学清洗过程 化学清洗周期 3 7天清洗时间 2h清洗剂 酸性or碱性清洗剂 七 膜科学目前的主要发展方向 1 集成膜过程 2 杂化过程 3 水的电渗离解 4 细胞培养的免疫隔离 5 膜反应器 6 催化膜 7 手征膜 反渗透运行管道材质选择原则 在RO膜产品市场方面 美国海德能公司 Hydranautics NittoDenk