膜分离原理技术与设备

1、一、膜分离的基本原理一、膜分离的基本原理 1、什么是膜分离、什么是膜分离 o 膜分离（膜分离（MembraneSeparation）是以选择）是以选择 性透过膜为分离介质，在膜两侧一定推动性透过膜为分离介质，在膜两侧一定推动 力的作用下，使原料中的某组分选择性地力的作用下，使原料中的某组分选择性地 透过膜，从而使混合物得以分离，以达到透过膜，从而使混合物得以分离，以达到 提纯、浓缩等目的的分离过程。提纯、浓缩等目的的分离过程。 2、膜分离的推动力、膜分离的推动力 o （1）借助外界能量，物质发生由低位到高）借助外界能量，物质发生由低位到高 位的流动；位的流动； o （2）借助本身的化学位差，物

2、质发生由高）借助本身的化学位差，物质发生由高 位到低位的流动。位到低位的流动。 3、膜分离方法、膜分离方法 （1）压力推动）压力推动 o 反渗透、纳滤、超滤、微滤均为压力推动反渗透、纳滤、超滤、微滤均为压力推动 的膜过程，即在压力的作用下，溶剂及小的膜过程，即在压力的作用下，溶剂及小 分子通过膜，而盐、大分子、微粒等被截分子通过膜，而盐、大分子、微粒等被截 留，其截留程度取决于膜结构。留，其截留程度取决于膜结构。 o 反渗透膜反渗透膜几乎无孔，可以截留大多数溶质（包几乎无孔，可以截留大多数溶质（包 括离子）而使溶剂通过，操作压力较高，一般为括离子）而使溶剂通过，操作压力较高，一般为2 10MP

3、a； o 纳滤膜纳滤膜孔径为孔径为25nm，能截留部分离子及有，能截留部分离子及有 机物，操作压力为机物，操作压力为0.73MPa； o 超滤膜超滤膜孔径为孔径为220nm，能截留小胶体粒子、，能截留小胶体粒子、 大分子物质，操作压力为大分子物质，操作压力为0.11MPa； o 微滤膜微滤膜孔径为孔径为0.0510m，能截留胶体颗粒、，能截留胶体颗粒、 微生物及悬浮粒子，操作压力为微生物及悬浮粒子，操作压力为0.050.5MPa。 （2）其他推动力）其他推动力 o 电渗析电渗析采用带电的离子交换膜，在电场采用带电的离子交换膜，在电场 作用下膜能允许阴、阳离子通过，可用于溶作用下膜能允许阴、阳离

4、子通过，可用于溶 液去除离子。液去除离子。 o 气体分离气体分离是依据混合气体中各组分在膜是依据混合气体中各组分在膜 中渗透性的差异而实现的膜分离过程。中渗透性的差异而实现的膜分离过程。 o 渗透汽化渗透汽化是在膜两侧浓度差的作用下，是在膜两侧浓度差的作用下， 原料液中的易渗透组分通过膜并汽化，从而原料液中的易渗透组分通过膜并汽化，从而 使原液体混合物得以分离的膜过程。使原液体混合物得以分离的膜过程。 膜分离法膜分离法 传质推动传质推动 力力 分离原理分离原理应用举例应用举例 微微滤（滤（MF） 压差压差 0.050.5 筛分筛分 除菌，回收菌，分离除菌，回收菌，分离 病毒病毒 超滤超滤 压差

5、压差 0.11.0 筛分筛分 蛋白质、多肽和多糖蛋白质、多肽和多糖 的回收和浓缩的回收和浓缩 反渗透反渗透 压差压差 1.010 筛分筛分 盐、氨基酸、糖的浓盐、氨基酸、糖的浓 缩、淡水制造缩、淡水制造 渗析渗析浓差浓差筛分筛分脱盐，除变性剂脱盐，除变性剂 电渗析电渗析电位差电位差电荷、筛分电荷、筛分 脱盐，氨基酸和有机脱盐，氨基酸和有机 酸分离酸分离 渗透气化渗透气化 压差、温压差、温 差差 溶质与膜的亲溶质与膜的亲 和作用和作用 有机溶剂与水的分离，有机溶剂与水的分离， 共沸物的分离共沸物的分离 各种膜分离法的原理和应用范围各种膜分离法的原理和应用范围 二、膜材料及分类二、膜材料及分类 1

6、、常用膜材料、常用膜材料 o 有机高聚物膜有机高聚物膜：纤维素类、聚砜类、聚酰：纤维素类、聚砜类、聚酰 胺类、聚酯类、含氟高聚物、聚烯烃等胺类、聚酯类、含氟高聚物、聚烯烃等 o 无机分离膜无机分离膜：陶瓷膜、玻璃膜、金属膜和：陶瓷膜、玻璃膜、金属膜和 分子筛炭膜等分子筛炭膜等 2、膜的种类、膜的种类 o（1）对称膜对称膜：又称为均质膜，是一种又称为均质膜，是一种 均匀的薄膜，膜两侧截面的结构及形态均匀的薄膜，膜两侧截面的结构及形态 完全相同。包括致密的无孔膜和对称的完全相同。包括致密的无孔膜和对称的 多孔膜两种。多孔膜两种。 n 传质阻力由膜的总厚度决定，降低膜的传质阻力由膜的总厚度决定，降低

7、膜的 厚度可以提高透过速率。厚度可以提高透过速率。 o（2）非对称膜非对称膜：横断面具有不对称结横断面具有不对称结 构。包括一体化非对称膜和复合膜两类。构。包括一体化非对称膜和复合膜两类。 n 分离效能主要或完全由很薄的皮层决定，分离效能主要或完全由很薄的皮层决定， 传质阻力小，其透过速率较对称膜高得多。传质阻力小，其透过速率较对称膜高得多。 醋酸纤维素膜的结构示意图醋酸纤维素膜的结构示意图 三、膜分离的特点三、膜分离的特点 （1）膜分离是一个高效分离过程，可以实现高纯度的分离；膜分离是一个高效分离过程，可以实现高纯度的分离； （2）大多数膜分离过程不发生相变化，因此能耗较低；）大多数膜分离过

8、程不发生相变化，因此能耗较低； （3）膜分离通常在常温下进行，特别适合处理热敏性物料；）膜分离通常在常温下进行，特别适合处理热敏性物料； （4）膜分离设备本身没有运动的部件，可靠性高，操作、维）膜分离设备本身没有运动的部件，可靠性高，操作、维 护都十分方便；护都十分方便； （5）处理能力和规模选择性强；）处理能力和规模选择性强； （6）体积小，占地少。）体积小，占地少。 第第2节节 膜分离装置膜分离装置 一、膜分离系统组成一、膜分离系统组成 1、膜分离系统的构成、膜分离系统的构成 o 膜器件、泵、过滤器、阀、仪表、管路等膜器件、泵、过滤器、阀、仪表、管路等 2、常用膜器件的类型、常用膜器件的类

9、型 o 板框式、圆管式、螺旋卷式、中空纤维式、板框式、圆管式、螺旋卷式、中空纤维式、 毛细管式毛细管式 二、常用的膜器件二、常用的膜器件 （一）板框式膜器件（一）板框式膜器件 1、基本部件、基本部件 o 平板膜、支撑盘、平板膜、支撑盘、 间隔盘。三种部间隔盘。三种部 件相互交替、重件相互交替、重 叠、压紧。叠、压紧。 2、特点、特点 o 组装比较简单，可以简单地增加膜的层数组装比较简单，可以简单地增加膜的层数 以提高处理量；以提高处理量； o 操作比较方便。操作比较方便。 o 板框式膜组件组装零件太多；装填密度低；板框式膜组件组装零件太多；装填密度低； 膜的机械强度要求较高。膜的机械强度要求较

10、高。 3、应用、应用 o 超滤（超滤（UF）、微滤（）、微滤（MF）、反渗透（）、反渗透（RO）、）、 电渗析（电渗析（ED） 4、板框式反渗透膜组件、板框式反渗透膜组件 季紧螺栓型季紧螺栓型- -装配图装配图 （1） 结构单元结构单元 o 承压板、多孔支撑板、滤膜组成滤板承压板、多孔支撑板、滤膜组成滤板 （2）结构形式）结构形式 o 多层滤板堆叠，经密封后，由季紧螺栓固多层滤板堆叠，经密封后，由季紧螺栓固 定。定。 进水进水 透过水透过水 浓缩水浓缩水 耐压容器耐压容器 透水板透水板 半透膜半透膜 （3）工作过程）工作过程 板板 式式 超超 滤滤 膜膜 装装 置置 （二）圆管式膜器件（二）圆

11、管式膜器件 1、基本部件、基本部件 o 管状膜、圆筒形支撑体、管束板、不锈钢外壳、端管状膜、圆筒形支撑体、管束板、不锈钢外壳、端 部密封部密封 2、特点、特点 o 流动状态好，流速易控制；流动状态好，流速易控制； o 结构简单，容易清洗，安装、操作方便；结构简单，容易清洗，安装、操作方便； o 装填密度较小，单位体积内有效膜面积小；装填密度较小，单位体积内有效膜面积小； o 耐高压，无死角，适宜于处理高黏度及固体含量耐高压，无死角，适宜于处理高黏度及固体含量 较高的料液，比其他形式应用更为广泛。较高的料液，比其他形式应用更为广泛。 3、类型与结构、类型与结构 o 管式膜组件管式膜组件 又分为内

12、压又分为内压 型和外压型型和外压型 两种。两种。 o 内压型有单内压型有单 管式和管束管式和管束 式两种。式两种。 （三）螺旋卷式膜器件（三）螺旋卷式膜器件 1、基本部件、基本部件 o 膜、多孔支撑层、原料水隔网、多孔中心膜、多孔支撑层、原料水隔网、多孔中心 管管 o 构成：两层膜三边封口，构成信封状膜袋，构成：两层膜三边封口，构成信封状膜袋， 膜袋内填充多孔支撑层，一层膜袋衬一层膜袋内填充多孔支撑层，一层膜袋衬一层 隔网，从膜袋开口端开始绕多孔中心管卷隔网，从膜袋开口端开始绕多孔中心管卷 绕而形成螺旋卷式膜器件。绕而形成螺旋卷式膜器件。 密封密封 密封密封 密封密封 螺旋卷式膜组件一个膜叶结

13、构示意图螺旋卷式膜组件一个膜叶结构示意图 多孔透水材料多孔透水材料 膜，上下两层膜，上下两层 2、特点、特点 o 结构紧凑，装填密度高结构紧凑，装填密度高 o 制作简单，安装、操作方便制作简单，安装、操作方便 o 适合低流速、低压下操作适合低流速、低压下操作 o 制作工艺复杂，膜清洗困难制作工艺复杂，膜清洗困难 3、工作过程、工作过程 原料从端部进入组件后，在隔网中的原料从端部进入组件后，在隔网中的 流道沿平行于中心管方向流动，而透过物流道沿平行于中心管方向流动，而透过物 进入膜袋后旋转着沿螺旋方向流动，最后进入膜袋后旋转着沿螺旋方向流动，最后 汇集在中心收集管中再排出，浓液则从组汇集在中心收

14、集管中再排出，浓液则从组 件另一端排出。件另一端排出。 进进 水水 口口 耐压容器耐压容器 连连 接接 器器 膜膜 组组 件件 密密 封封 圈圈 端端 盖盖 透过透过 液液 浓缩浓缩 液液 4、膜组件的结构与组装、膜组件的结构与组装 （四）中空纤维式膜器件（四）中空纤维式膜器件 1、基本构成、基本构成 （1）中空纤维膜）中空纤维膜 o 将膜材料制成外径为将膜材料制成外径为80400m、内径为、内径为 40100m的空心管，即为中空纤维膜。的空心管，即为中空纤维膜。 （2）中空纤维膜组件）中空纤维膜组件 o 将大量的中空纤维一端封死，另一端用环氧将大量的中空纤维一端封死，另一端用环氧 树脂浇注成

15、管板，装在圆筒形压力容器中，树脂浇注成管板，装在圆筒形压力容器中， 就构成了中空纤维膜组件。就构成了中空纤维膜组件。 2、特点、特点 o 结构紧凑，装填密度很高；结构紧凑，装填密度很高； o 清洗困难；清洗困难； o 中空纤维膜一旦损坏无法维修，只能中空纤维膜一旦损坏无法维修，只能 更换膜组件；更换膜组件； o 液体在管内流动时阻力很大，易阻塞。液体在管内流动时阻力很大，易阻塞。 3、工作过程工作过程 （1）内压式）内压式 o料液从空心纤维管料液从空心纤维管 内流过，透过液经纤内流过，透过液经纤 维管膜流出管外，这维管膜流出管外，这 是常用的操作方式。是常用的操作方式。 （2）外压式）外压式

16、o料液从一端经分布管在纤维管外流动，透过液料液从一端经分布管在纤维管外流动，透过液 则从纤维膜管内流出。则从纤维膜管内流出。 4、中空纤维膜设备操作、中空纤维膜设备操作 （1）操作过程）操作过程 o 过滤、浓缩过滤、浓缩反洗反洗清清 洗洗正洗正洗 （2）操作注意事项）操作注意事项 o 中空纤维组件必须在湿态下使用与保存。中空纤维组件必须在湿态下使用与保存。 长期停用时，用长期停用时，用0.5%甲醛或次氯酸钠水溶甲醛或次氯酸钠水溶 液保存。液保存。 三、电渗析器三、电渗析器 （一）电渗析原理和特点（一）电渗析原理和特点 1、电渗析的基本原理、电渗析的基本原理 电渗析是在直流电场的作用下，以电位差

17、电渗析是在直流电场的作用下，以电位差 为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、 阳离子的选择透过性阳离子的选择透过性(即阳膜只允许阳离子通过，即阳膜只允许阳离子通过， 阴膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质阴膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质 与水分离的一种物理化学过程。从而实现溶液与水分离的一种物理化学过程。从而实现溶液 的浓缩、淡化、精制和提纯的一种膜过程。的浓缩、淡化、精制和提纯的一种膜过程。 o 离子交换膜的选择透过性主要是由于离子交换膜的选择透过性主要是由于膜上膜上 孔隙孔隙和和膜上离子膜上离子基团的作用。基团的作用。 o 膜上的孔隙

18、容许膜上的孔隙容许 离子进出和通过。离子进出和通过。 o 膜上的离子基团膜上的离子基团 容许电性相反的容许电性相反的 离子通过。离子通过。 2、电渗析法的特点、电渗析法的特点 （1）耗电能与盐溶液的浓度成正比，不适合）耗电能与盐溶液的浓度成正比，不适合 与浓溶液与浓溶液 （2）不能除去不带电荷的杂质）不能除去不带电荷的杂质 （二）电渗析器的结构（二）电渗析器的结构 1、构造、构造 o 电渗析器由膜堆、极区和压紧装置三部分构电渗析器由膜堆、极区和压紧装置三部分构 成。成。 （1）膜堆）膜堆 o 膜堆是由相当数量的膜对组装而成的。膜堆是由相当数量的膜对组装而成的。 o 膜对：是由一张阳离子交换膜，

19、一张隔板甲膜对：是由一张阳离子交换膜，一张隔板甲 （或乙）；一张阴膜，一张隔板乙（或甲）（或乙）；一张阴膜，一张隔板乙（或甲） 组成。组成。 （2）极区）极区 o 包括电极、极框和导水板。包括电极、极框和导水板。 （3）压紧装置）压紧装置 o 压紧装置是用来压紧电渗析器，使膜堆、压紧装置是用来压紧电渗析器，使膜堆、 电极等部件形成一个整体，不致漏水。电极等部件形成一个整体，不致漏水。 2、组装方式、组装方式 o 电渗析器的组装是用电渗析器的组装是用“级级”和和“段段”来表来表 示，一对电极之间的膜堆称为示，一对电极之间的膜堆称为“一级一级”。 水流同向的每一个膜堆称为水流同向的每一个膜堆称为“

20、一段一段”。增。增 加段数就等于增加脱盐流程，也就是提高加段数就等于增加脱盐流程，也就是提高 脱盐效率，增加膜对数，可提高水处理量。脱盐效率，增加膜对数，可提高水处理量。 o 一般有以下几种组装形式：一级一段；一一般有以下几种组装形式：一级一段；一 级多段；多级一段；多级多段。级多段；多级一段；多级多段。 （三）电渗析工艺流程（三）电渗析工艺流程 1.循环操作流程循环操作流程 2.三级连续操作三级连续操作 （四）应用（四）应用 1.水的纯化水的纯化 生产制药工艺用水生产制药工艺用水 2.盐溶液浓缩盐溶液浓缩 3.脱除有机物和有机物脱酸脱除有机物和有机物脱酸 4.废水处理废水处理 第第3节节 超

21、滤与微滤超滤与微滤 1、超滤过程、超滤过程 o 膜膜: 非对称性膜非对称性膜,表面活性层孔径表面活性层孔径120nm微微 孔孔, 能截留分子量能截留分子量500以上大分子或胶体微以上大分子或胶体微 粒。粒。 o 原理原理: 原料液在压差作用下，小分子物质原料液在压差作用下，小分子物质 与小分子量与小分子量 物质透过膜上微孔，流到低压物质透过膜上微孔，流到低压 侧，大分子物质被截留。侧，大分子物质被截留。 o 机理机理: 筛分筛分 2、微滤过程、微滤过程(微孔过滤微孔过滤) o 膜膜: 微孔微孔,均质的多孔膜均质的多孔膜,孔径孔径0.02-10微孔微孔, 能截留直径为能截留直径为0.05-10的

22、微粒或分子量大的微粒或分子量大 于于106的高分子的高分子 o 原理原理: 原料液在压差作用下，小分子物质原料液在压差作用下，小分子物质 与小分子量物质透过膜上微孔，流到低压与小分子量物质透过膜上微孔，流到低压 侧，悬浮微粒和分子胶体被截留。侧，悬浮微粒和分子胶体被截留。 o 机理机理: 筛分筛分 3、浓差极化、浓差极化 （1）概念）概念 膜传质过程中，靠近膜表面的边界层处膜传质过程中，靠近膜表面的边界层处 会存在浓度梯度或分压差，对于给定的主体会存在浓度梯度或分压差，对于给定的主体 流体浓度，边界层阻力的存在降低了膜分离流体浓度，边界层阻力的存在降低了膜分离 的传质推动力，渗透物的通量也降低

23、。由于的传质推动力，渗透物的通量也降低。由于 传质阻力而引起边界层组分浓度的增加或降传质阻力而引起边界层组分浓度的增加或降 低的现象被称为低的现象被称为浓差极化浓差极化。 （2）浓差极化对膜分离过程的不利影响）浓差极化对膜分离过程的不利影响 o 引起渗透压的增大，减小传质推动力；引起渗透压的增大，减小传质推动力； o 增加透过阻力；增加透过阻力； o 改变膜的分离特性；改变膜的分离特性； o 恶化膜的性能；恶化膜的性能； o 严重的浓差极化导致结晶析出，阻塞流严重的浓差极化导致结晶析出，阻塞流 道，运行恶化。道，运行恶化。 （3）减轻浓差极化的方法）减轻浓差极化的方法 o 改变流向、提高流速；

24、改变流向、提高流速； o 设置湍流促进器；设置湍流促进器； o 脉冲加料法；脉冲加料法； o 搅拌法；搅拌法； o 适当提高原料侧温度。适当提高原料侧温度。 4、切向流、切向流 o 概念：料液流向与膜平面平行。概念：料液流向与膜平面平行。 5、超滤的影响因数、超滤的影响因数 （1）操作压差）操作压差(推动力推动力) o 压差大，通量大，能耗大压差大，通量大，能耗大; （2）料液流速）料液流速 o 采用错流装置，使料液与膜面平行流动，采用错流装置，使料液与膜面平行流动， 流速高，传质系数大，有利于提高渗透流速高，传质系数大，有利于提高渗透 通量。通量。 5、超滤的影响因数、超滤的影响因数 （3）温度）温度 o 温度高温度高,料液粘度小，扩散系数大，有利于料液粘度小，扩散系数大，有利于 提高渗透通量。提高渗透通量。 （4）截留液浓度）截留液浓度 o 浓度增加，浓度边界层增厚，易形成凝胶浓度增加，浓度边界层增厚，易形成凝胶 层，使渗透通量减小。层，使渗透通量减小。 6、应用、应用 （1）水纯化）水纯化 o 纯化水、注射用水、眼药水纯化水、注射用水、眼药水 （2）废水处理，回收有用的物质）废水处理，回收有用的物质 （3）产品加工）产品加工 o 各种大分子物质分离，浓缩。各种大分子物质分离，浓缩。 o 反渗透膜反渗透膜几乎无孔，可以截