固液分离第七章_膜过滤

1、Chapter 7 膜过滤F 膜过滤又称膜分离方法，是以外界能量差为推动力，利用特殊的薄膜使溶液中的某一或某些组分选择性透过，从而实现分离、分级、提纯或富集的一类方法的统称。F 根据膜的种类、功能和过程推动力的不同，常见的膜分离方法有渗析（Dialysis）、反渗透（Reverse Osmosis）、电渗析（Electrodialysis）、纳滤（Nanofiltration）、超滤（Ultrafiltration）和微滤（Microfiltration）。F 原液：经膜处理前的物料； 浓缩液：溶质在其中被浓缩的部分溶液； 透过液：透过膜而使得浓度降低的部分溶液。7.1 渗析和电渗析用膜将不同

2、浓度的溶液隔开，溶质从浓度高的一侧透过膜而扩散到浓度低的一侧，这一过程成为渗析，又称扩散渗析、浓差渗析。推动力：浓度差。 主要应用：血液透析血浆分离酸回收碱回收(1)其他净化过程7.1.1 渗析7.1.2 电渗析原理F 在直流电场的作用下，离子选择性透过离子交换膜而迁移，从而使电解质离子 自溶液中部分分离出来的过程称为电渗析。7.1.3 电渗析膜F阳离子交换膜（Cation exchange membrane，CEM） 膜中存在带酸性的离子交换基团，固定离子带负电荷，构成强烈的负电场，只选择性透过阳离子，几乎不透过阴离子。如： 磺酸型膜（R-SO3H） （强酸性膜） 磷酸型膜（R-PO3H2）

3、 （中等酸性膜） 羧酸型膜（R-COOH） （弱酸性膜）F 阴离子交换膜（Anion Exchange Membrane，AEM） 膜中存在带碱性的离子交换基团，固定离子带正电荷，构成强烈的正电场，只选择性透过阴离子，几乎不透过阳离子。如： 季铵型膜 【 R-CH2N(CH3)3OH)】 （强碱性膜） 叔铵型膜 【 R-CH2NH(CH3)2OH)】 （中等碱性膜） 仲铵型膜 【 R-CH2NH2CH3OH)】 （弱碱性膜）离子交换膜的分类：根据组成的不同，离子交换膜可分为有网膜、无网膜和衬底膜三类：(1) 有网膜 这种膜由树脂和网材相组成 网材相：无机网衬（玻璃纤维布、石棉网布等） 或合成网

4、材（涤纶、锦纶等） 树脂相：离子交换树脂（含活性交换基团的主链高聚物或交换共聚物） 成膜添加剂：粘合剂、防老剂、抗氧化剂、填充剂、着色剂等(2) 无网膜 在膜组成上仅有树脂部分，而没有衬底和增强网，这种膜又称完全均匀膜。往往是通过单体聚合或使用单体浇铸在夹套中聚合成膜。它最大的特点是交换容量高，电化学性能好。(3) 衬底膜 以聚烯烃或其衍生物的薄膜为底材，通过化学法或辐照法使含浸的单体接枝聚合，再导入活性基而制成的离子交换膜属于衬底膜。这种膜具有良好的电化学性能，但是尺寸稳定性较差。7.1.4 电渗析特点与用途 主要特点：只对电解质离子起选择性迁移作用，对非电解质不起作用；电渗析过程无物相变化

5、，能量消耗低；电渗析过程无需从外界添加任何物质，可保证被分离物质的纯度；对进水预处理要求低；无法除去有机物质；脱盐效率较低；设备结构复杂，对组装工艺要求高。 主要应用：从电解质溶液中分离出部分离子，如海水、苦咸水淡化；工业用初级纯水的制备；放射性废水的处理等；把溶液中部分电解质离子转移到另一溶液中，使其浓度增高，如海水浓缩制盐；化工产品的精制；工业废液有用成分的回收等；从有机溶液中出去电解质离子，如乳清脱盐；糖类脱盐等；(1) 电解质溶液中同电性不同电荷离子的分离。7.1.5 影响电渗析的因素 电流密度 流速和压力 浓缩倍数 进、出水水质(1)温度7.2 反渗透(RO)7.2.1 反渗透原理F

6、 任何溶液都具有相应的渗透压，但只有半透膜才能表现出来。F Vant Hoff 渗透压公式： F 反渗透过程满足条件(1) 有一种高选择性和高透过率的选择性透过膜；(2) 操作压力必须高于溶液的渗透压。sCRTV7.2.2 反渗透膜和膜组件膜的性能决定着反渗透装置的性能。一般来说，反渗透膜要具备以下条件：高的截留率和高的水通量；高的抗微生物的侵蚀性能；高的柔韧性和足够的机械强度；抗污染性能好，寿命长，适合pH范围广；运行操作压力低；制备简单，便于工业化生产；致密性好，化学稳定性强，能在较高温度下应用；耐污染，可长期保持膜的性能。 反渗透组件是将膜组装成能付诸于实际应用的最小基本单元，是反渗透装

7、置的核心组件。 根据膜的几何形状，至今商品化的组件主要有以下四种基本形式：板框式(PF),管式(T),卷式(SW),和中空纤维式(HF)。组件填充密度投资费用操作费用流动控制膜清洗PF400-600高低较好较难T25-50高高好易SW800-1000很低低较差较难HF8000-15000低低较差难7.2.3 反渗透组件的排列组合在膜分离工艺中常会遇到“段”与“级”的概念。所谓“段”是指膜组件的浓缩液（浓水）进入下一组膜组件处理。所谓“级”，指膜组件的产品水（淡水）再经泵到下一组膜组件处理。（1）一级一段连续式 回收率不高，在工业中较少采用。（2）一级一段循环式 使得原液中溶质浓度升高，产水水质

8、有所下降。 (3) 一级多段连续式适合大处理量的场合，它能得到高的水回收率。(4) 一级多段循环式能获得高浓度的浓缩液。其中一级多段锥形排列见下图，该方式可使反渗透装置达到给定的回收率，且溶液流动状态大致相同。(5) 膜组件的多级多段组合多级多段即提高了水的回收率又提高了产水的水质。而且多级多段循环分离可降低操作压力，设备要求较低，同时对膜的脱盐性能要求也较低，具有较高的实用价值。7.2.4 反渗透工艺参数（1）去除率常用作表示对溶质的脱除效率，称为去除率或截留率。（2）回收率表示透过液（产水）与原液流量之比。（3）膜的通量在一定的产水水质条件下，单位面积的膜在单位时间内透过的产水量，一般用J

9、表示，单位是L/(m2d）。（4）水通量衰减系数膜通量随运行时间变化关系。（5）盐通量单位膜面积在单位时间内透过的溶质质量，单位g/(m2d）。（6）工作压力反渗透工作时在原液一侧所施加的实际压力，一般为理论渗透压的3-10倍。%100fpfmCCCR%100fpQQY7.2.5 反渗透的应用(1) 海水淡化反渗透技术是20世纪50年代为海水淡化提出来，现已成为海水淡化最经济的方法。用反渗透进行海水淡化时，因其含盐量高，除需特殊高脱盐膜外，一般均需采用二级反渗透淡化。目前世界上最大反渗透厂是Du pont公司在Al Jubail建造的2105m3/d的淡化工厂，能耗约9.5kwh/m3。(2)

10、 苦咸水淡化反渗透虽为海水淡化提出，但最早却用于苦咸水的淡化。苦咸水含盐量一般比海水低很多，淡化成本也低。通常的反渗透膜组件大多可直接用于苦咸水的淡化，反渗透已经称为苦咸水淡化最经济的方式之一。(3) 纯水和超纯水生产 实验室纯水和超纯水系统 血液透析用纯水系统 制剂用无菌、无热原纯水系统 电子工业超纯水系统 中高压锅炉补给水系统 瓶装饮用纯净水系统(4) 反渗透脱水浓缩 用于食品浓缩（如制糖过程中对清净汁的浓缩；食品加工中对乳浆进行浓缩） 发射性废水的浓缩(5) 工业废水处理 用于电镀废液、化工废液、造纸废液、医药废液、矿业废水、影印废液以及生活废水的处理。7.3 超滤和微滤7.3.1 超滤

11、（UF）超滤是一种能够将溶液进行净化、分离或者浓缩的膜透过法分离技术。超滤介于纳滤和微滤之间，它的定义域为截留分子量500500000左右，相应孔径大小约201000。超滤如同筛滤，只允许溶剂和小于膜孔径的溶质透过，而阻止大于孔径的溶质透过。超滤的原理超滤过程通常可以理解成与膜孔径大小相关的筛分过程。以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定压力下，只允许水、无机盐及小分子物质透过膜，而阻止水中的悬浮物、胶体、蛋白质和微生物等大分子物质通过，以达到溶液的净化、分离与浓缩的目的。超滤过程的特点无相际间的变化，可在常温及低压力下进行，耗能低，约为蒸发法和冷冻法的1/21/5；设备体积小，

12、结构简单，投资费用低，建设周期快；超滤分离过程只是简单加压输送流体，流程简单，易于操作管理；物质浓缩过程不发生质的变化，适合于保味和热敏性物质的处理；适合稀溶液中微量贵重大分子的回收和低浓度大分子的浓缩；可将不同分子量的物质分级分馏(1) 超滤膜为高分子聚合成的均匀连续体，可以保证超滤液的纯净。超滤的应用超滤主要作用可归结为净化、分离、浓缩三大功能，主要应用为：作为反渗透装置的前处理设备。过滤大量悬浮物、微粒、胶体物质和细菌、海藻等杂质。天然水净化。如自来水厂前处理，矿泉水的净化等。无菌液体食品制造。过滤白酒、果啤、啤酒，净化茶汁制备速溶茶。医疗医药方面应用。如血液超滤净化，注射液除热原等。浓

13、缩。在食品、发酵工业中浓缩酶制剂、蛋白质浓缩；在乳品工业中浓缩乳清回收乳清蛋白。(1)废水处理。处理肉类加工厂废水，从中提取蛋白质，从豆制品工业废水中回收蛋白质等。7.3.2 微滤（MF）微滤是以静压差为推动力，利用膜的“筛分”作用进行分离的压力驱动型膜过程。在静压差作用下，小于膜孔的粒子通过滤膜，大于膜孔的粒子则被阻拦在滤面上。微滤膜由于空隙率大（约70-80%），因此阻力小，过滤速度较快。微滤的分离机理（1）膜表层截留 （a）机械截留作用 （b）物理作用或吸附截留作用 （c）架桥作用（2）膜内部截留微滤的应用领域：(1) 在医药卫生方面的应用 包括各种清洁用水、注射用水和各类药液及需要净化的气体、蒸汽等。(2) 在生物化学中的应用 溶液的澄清、细胞与培养基的分离、酶活性测定等。(3) 在食品、饮料工业中的应用 用于食品、饮料、酒类的过滤。(4) 在电子行业中的应用 用于电子工业中气体和液体的过滤。(5) 油田注水方面的应用(6) 在民用保健方面应用 用于饮用水处理、室内空气净化等。7.4 膜的污染与改善措施膜污染的种类可逆膜污染浓差极化不可逆膜污染膜空隙的机械堵塞在膜处理过程中，由于膜的选择性透过