第十章膜分离装置

1、第一节 膜分离的基本原理 膜分离技术的发展简史膜分离技术的发展简史: 人类对于膜现象的研究源于人类对于膜现象的研究源于1748年，然而认识到膜的功能并用于年，然而认识到膜的功能并用于为人类服务，却经历了为人类服务，却经历了200多年的漫长过程。人们对膜进行科学多年的漫长过程。人们对膜进行科学研究则是近几十年来的事。研究则是近几十年来的事。1950年年W.Juda试制出选择透过性能的试制出选择透过性能的离子交换膜，奠定了电渗析的实用化基础。离子交换膜，奠定了电渗析的实用化基础。1960年洛布年洛布 (Loeb)和索里拉简和索里拉简 (Souriringan)首次研制成世界上具有历史意义的非对首次

2、研制成世界上具有历史意义的非对称反渗透膜，这在膜分离技术发展中是一个重要的突破，使膜分称反渗透膜，这在膜分离技术发展中是一个重要的突破，使膜分离技术进入了大规模工业化应用的时代。离技术进入了大规模工业化应用的时代。其发展的历史大致为：其发展的历史大致为：30年代微孔过滤，年代微孔过滤，40年代透析；年代透析；50年代电年代电渗析；渗析；60年代反渗透；年代反渗透；70年代超滤和液膜；年代超滤和液膜；80年代气体分离；年代气体分离；90年代渗透汽化。此外以膜为基础的其它新型分离过程，以及膜分年代渗透汽化。此外以膜为基础的其它新型分离过程，以及膜分离与其它分离过程结合的集成过程离与其它分离过程结合

3、的集成过程(Integrated Membrane Process)也日益得到重视和发展。也日益得到重视和发展。 膜分离：是借助于膜而实现各种分离的过程称之为膜分离。膜分离：是借助于膜而实现各种分离的过程称之为膜分离。膜分离是利用天然或人工合成的，具有选择透过性的薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分体系进行分离、分级、提纯和浓缩的方法。分离用的膜具有选择渗选择渗透性透性，也就是说，膜只能使某些分子通过，这对乳品工业具有重要的意义，膜可以有效地把牛乳中的水分与其他成分分开。所谓的膜，是指在一种流体相内或是在两种流体相之所谓的膜，是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚

4、相，它把流体相分隔为互不相通的两部间有一层薄的凝聚相，它把流体相分隔为互不相通的两部分，并能使这两部分之间产生传质作用。分，并能使这两部分之间产生传质作用。 膜分离技术的特点膜分离技术的特点： 1、膜分离技术在分离物质过程中不涉及相变，对能量、膜分离技术在分离物质过程中不涉及相变，对能量要求低其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的要求低其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/31/8，因此和蒸馏、结晶、蒸发等需要输入能量的过程有很因此和蒸馏、结晶、蒸发等需要输入能量的过程有很大差异；大差异； 2、膜分离的条件一般都较温和，对于热敏性物质复杂、膜分离的条件一般都较温和，对于热敏性物质复杂的分离过程很重要，这两

5、个因素使得膜分离成为生化的分离过程很重要，这两个因素使得膜分离成为生化物质分离的合适方式；物质分离的合适方式； 3、无化学变化。典型的物理分离过程，不用化学试剂、无化学变化。典型的物理分离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染；和添加剂，产品不受污染； 4、选择性好。可在分子级内进行物质分离，具有普遍、选择性好。可在分子级内进行物质分离，具有普遍滤材无法取代的卓越性能；滤材无法取代的卓越性能；5、适应性强。处理规模可大可小，可以连续也可以间、适应性强。处理规模可大可小，可以连续也可以间隙进行，工艺简单，操作方便，结构紧凑、维修费用隙进行，工艺简单，操作方便，结构紧凑、维修费用低易于自动化低易

6、于自动化 。存在的问题：存在的问题： 1、在操作中膜面会发生污染，使膜性能降低，故有必要采用与工艺相适应的膜面清洗方法; 2、从目前获得的膜性能来看，其耐药性、耐热性、耐溶剂能力都是有限的，故使用范围受限; 3、单独采用膜分离技术效果有限，因此往往都将膜分离工艺与其他分离工艺组合起来使用。在乳品工业中，膜技术主要涉及到：在乳品工业中，膜技术主要涉及到： 反渗透（反渗透（RO）除去水，使溶液浓缩。）除去水，使溶液浓缩。 毫微过滤毫微过滤(NF纳滤纳滤)通过除去单价的成分如钠、氯通过除去单价的成分如钠、氯（部分脱盐），实现有机成分的浓缩。（部分脱盐），实现有机成分的浓缩。 超滤（超滤（UF）大分子

7、的浓缩。）大分子的浓缩。 微滤（微滤（MF）除去细菌，大分子分离。）除去细菌，大分子分离。 以上所有技术的特点是液流横向流过滤膜，在这些技以上所有技术的特点是液流横向流过滤膜，在这些技术中，供料液均是在压力作用下穿过膜。溶液流过膜、术中，供料液均是在压力作用下穿过膜。溶液流过膜、在清液被分离的同时，固体（浓缩液）在膜上留下来。在清液被分离的同时，固体（浓缩液）在膜上留下来。微滤、超滤、纳滤和反渗透分离类似于过滤，用以分微滤、超滤、纳滤和反渗透分离类似于过滤，用以分离含溶解的溶质或悬浮微粒的液体。离含溶解的溶质或悬浮微粒的液体。在乳品工业中，膜技术主要涉及到：反渗透（RO）除去水，使溶液浓缩。毫

8、微过滤(NF)通过除去单价的成分如钠、氯（部分脱盐），实现有机成分的浓缩。超滤（UF）大分子的浓缩。微滤（MF）除去细菌，大分子分离。用以分离含溶解的溶质或悬浮微粒的液体用以分离含溶解的溶质或悬浮微粒的液体一、反渗透一、反渗透 反渗透是一种高压、高性能的技术。适用于液体脱水、低分子量化合物浓缩、废污清洁等过程。通常应用在蒸发前乳制品的预浓缩。二、超滤 超滤是一项选择性分离步骤，可以将溶液浓缩并净化为高分子量聚合物，适用于乳蛋白、碳水化合物和酶。 超滤是使大分子或微细粒子从溶液中分离的过程。与反渗透类似，超滤的推动力也是压差，在溶液侧加压，使溶剂透过膜而得到分离，不同的是小分子溶质将随同溶剂一起

9、透过超滤膜。超滤（UF）典型地应用于牛乳蛋白的浓缩，乳清蛋白的浓缩和用于生产干酪，酸奶以及其它乳制品的牛乳的蛋白标准化。三、电渗析 在直流电场的作用下，在直流电场的作用下， 溶液中的离子透过膜的迁移称溶液中的离子透过膜的迁移称为电渗析。电渗析使用的膜通常是具有选择透过性能为电渗析。电渗析使用的膜通常是具有选择透过性能的离子交换膜。用电渗析可使溶液中的离子有选择地的离子交换膜。用电渗析可使溶液中的离子有选择地分离或富集。为什么离子交换膜具有选择性呢？离子分离或富集。为什么离子交换膜具有选择性呢？离子交换膜是一种由功能高分子物质构成的薄膜状的离子交换膜是一种由功能高分子物质构成的薄膜状的离子交换树

10、脂。它分为阳离子交换膜和阴离子交换膜两种。交换树脂。它分为阳离子交换膜和阴离子交换膜两种。离子交换膜之所以具有选择透过性，主要是由于膜上离子交换膜之所以具有选择透过性，主要是由于膜上孔隙和离子基团的作用孔隙和离子基团的作用电渗析的过程电渗析的过程 离子交换膜是一种由高分子材料制成的具有离子交换基团的薄离子交换膜是一种由高分子材料制成的具有离子交换基团的薄膜，其所以具有选择透过性主要是由于膜，其所以具有选择透过性主要是由于膜上孔隙膜上孔隙和和膜上离子基团膜上离子基团的的作用。作用。 膜上孔隙的作用是，在膜的高分子键之间有一足够大的孔隙，膜上孔隙的作用是，在膜的高分子键之间有一足够大的孔隙，以容纳

11、离子的进出和通过。是离子通过膜的大门和通道。以容纳离子的进出和通过。是离子通过膜的大门和通道。 膜上离子基团的作用是，在膜的高分子链上，连接着一些可以膜上离子基团的作用是，在膜的高分子链上，连接着一些可以发生解离作用的活性基团。在水溶液中，膜上的活性基因会发生解发生解离作用的活性基团。在水溶液中，膜上的活性基因会发生解离作用，解离所产生的离子离作用，解离所产生的离子(或称反离子）进入溶液。于是，在膜或称反离子）进入溶液。于是，在膜上就留下了带有一定电荷的固定基团。存在于膜微孔中的带一定电上就留下了带有一定电荷的固定基团。存在于膜微孔中的带一定电荷的固定基团，好比在一条狭长的通道中设立的一个个关

12、卡或荷的固定基团，好比在一条狭长的通道中设立的一个个关卡或“警警卫卫”，以鉴别和选择通过的离子。，以鉴别和选择通过的离子。注意：注意：离子交换膜的作用离子交换膜的作用并不是起离子交换并不是起离子交换的作用，而是起离子的作用，而是起离子选选择透过性择透过性作用。作用。实际应用的电实际应用的电渗析器渗析器 第二节 膜分离装置一.板框形120板式超滤膜装置板式超滤膜装置二二.管式（聚合物）管式（聚合物）管式膜组件又分为内压式和外压式内压式管式膜组件的内部结构示意图特点特点:v 水力条件好，安水力条件好，安装、清洗、维修比装、清洗、维修比较方便。较方便。v 能耐高压，可以能耐高压，可以处理高粘度的原水

13、。处理高粘度的原水。v 缺点是膜的有效缺点是膜的有效面积小，装置体积面积小，装置体积大，而且两端要较大，而且两端要较多的联结装置多的联结装置。淡水淡水膜表皮层膜表皮层玻璃纤维管玻璃纤维管进进水水三三.管式（陶瓷）管式（陶瓷）管式陶瓷超滤膜组件管式陶瓷超滤膜组件MItsubishi Rayon Hydrophilic Hollow Fiber Membranehttp:/ 四、螺旋式四、螺旋式卷式膜元件中的流态分布。红色是指原料/滞留物。黄色是指渗透物。密封密封密封密封密封密封螺旋卷式膜组件一个膜叶结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，上下两层膜叶膜叶透水网状材料透过水透过水浓浓水水进进水水螺旋卷式膜组件组合示意图螺旋卷式膜组件组合示意图超滤超滤微滤卷式膜组件超滤超滤微滤卷式膜组件http:/ 中空纤维膜组件是由中空纤维膜制成的。中空纤维膜组件是由中空纤维膜制成的。 中空纤维外径中空纤维外径50200 m，内径，内径25 42 m。 将数万至数十万根中空纤维制成膜束，膜束外侧覆以将数万至数十万根中空纤维制成膜束，膜束外侧覆以保护性格网，内部中间放置供分配原水用的多孔管，保护性格网，内部中间放置供分配原水用的多孔管，膜束两端用环氧树脂加固。膜束