第六章膜分离法gai

1、第六章 膜分离 膜分离是借助一特殊制造的、具有选择透过性能的薄膜,在某种推动力的作用下,利用流体中各组分对膜的渗透速率的差别而实现组分分离的单元操作。膜分离过程一般不发生相变,与有相变的平衡分离方法相比能耗低,属于速率分离过程。多数膜分离过程在常温下进行,特别适用于热敏性物质的分离。此外,它操作方便、设备结构紧凑、维护费用低,因而是现代分离技术中一种效率较高的分离手段。 近年来,作为新型高效的单元操作,各种膜分离过程得到了迅速发展, 在化工、生物、医药、能源、环境、冶金等领域得到了日益广泛的应用。 尽管各种膜分离过程的机理并不相同,但它们都有一个共同特征：借助于膜实现分离。一、膜分离概述一、膜

2、分离概述1、膜、膜(Membrane) 如果在一个流体相内或两个流体相之间有一薄层凝聚相物质把流体相分隔开来成为两部分,那么这一薄层物质就是膜。膜具备下述两个特性：第一,膜不管薄到什么程度,至少必须具有两个界面。膜正是通过这两个界面分别与被膜分开于两侧的流体物质互相接触。第二,膜应具有选择透过性。膜可以是完全透过性的,也可以是半透过性的。 膜是膜过程的核心,膜材料的化学性质和膜的结构对膜过程的性能起着决定性影响。(1)、膜的种类及结构、膜的种类及结构 根据膜的性质、来源、相态、材料、用途、形状、分离机理、结构、制备方法等的不同,膜有不同的分类方法。按膜的形状分为平板膜(Flat Membran

3、e)、管式膜(Tubular Membrane)和中空纤维膜(Hollow Fiber)。按膜孔径的大小分为多孔膜和致密膜(无孔膜)。 按膜的结构分为对称膜(Symmetric Membrane)、非对称膜(Asymmetric Membrane)和复合膜(Composite Membrane):对称膜对称膜 膜两侧截面的结构及形态相同,且孔径与孔径分布也基本一致的膜称为对称膜。对称膜可以是疏松的微孔膜或致密的均相膜,膜的厚度大致在10200m范围内,如图9-1(a)所示。致密的均相膜由于膜较厚而导致渗透通量低,目前已很少在工业过程中应用。非对称膜非对称膜 非对称膜由致密的表皮层及疏松的多孔支

4、撑层组成,如图91(b)所示。膜上下两侧截面的结构及形态不相同,致密层厚度约为0.10.5m, 支撑层厚度约为50150m。在膜过程中,渗透通量一般与膜厚成反比, 由于非对称膜的表皮层比致密膜的厚度(10200m)薄得多,故其渗透通量比致密膜大得多。复合膜复合膜 复合膜实际上也是一种具有表皮层的非对称膜,如图9-1(c)所示,但表皮层材料与用作支撑层的对称或非对称膜材料不同,皮层可以多层叠合, 通常超薄的致密皮层可以用化学或物理等方法在非对称膜的支撑层上直接复合制得。(2)、膜材料、膜材料 膜分离过程对膜材料的要求主要有:具有良好的成膜性能和物化稳定性,耐酸、碱、微生物侵蚀和耐氧化等。 反渗透

5、、纳滤、超滤、微滤用膜最好为亲水性,以得到高水通量和抗污染能力。 气体分离,尤其是渗透蒸发, 要求膜材料对透过组分优先吸附溶解和优先扩散。 电渗析用膜则特别强调膜的耐酸、碱性和热稳定性。 膜萃取等过程,要求膜耐有机溶剂。 而目前的膜材料大多是通过已有的高分子材料和无机材料筛选得到,通用性强,专用性差。因此,要得到能同时满足上述条件的膜材料往往非常困难,常采用膜材料改性或膜表面改性的办法,使膜具有某些需要的性能。 表9-1列出了一些常用的高分子膜材料。 高分子膜及膜材料的改性方法主要有： 接枝、共聚、声光电磁处理、溶剂预处理等。 (3). 膜的保存 分离膜的保存对其性能极为重要。主要应防止分离膜

6、的保存对其性能极为重要。主要应防止微生物、水解、冷冻对膜的破坏和膜的收缩变形。微生物、水解、冷冻对膜的破坏和膜的收缩变形。(4).膜的污染、防治及清洗膜污染膜污染膜的劣化膜的劣化水生物水生物(附生附生)污垢污垢浓差极化浓差极化膜污染的预防 预处理法：预处理法：开发抗污染的膜：开发抗污染的膜：加大供给液的流速加大供给液的流速污染膜是否清洗的判据 根据膜分离装置进出口压力降的变化：根据膜分离装置进出口压力降的变化：根据透水量或透水质量的变化：根据透水量或透水质量的变化：定时清洗：定时清洗：污染膜的常用清洗方法 采用增大流速、逆洗、脉冲流动，超声波清洗等机械方法。采用增大流速、逆洗、脉冲流动，超声波

7、清洗等机械方法。添加酸、碱、酶（蛋白酶）、螯合剂或表面活性剂等起溶添加酸、碱、酶（蛋白酶）、螯合剂或表面活性剂等起溶解作用的物质。解作用的物质。添加过氧化氢、高锰酸钾和次氯酸盐等起氧化作用的物质。添加过氧化氢、高锰酸钾和次氯酸盐等起氧化作用的物质。添加磷酸盐和聚磷酸盐等起渗透作用的物质。添加磷酸盐和聚磷酸盐等起渗透作用的物质。改变离子强度、改变离子强度、pH值和值和电位等起切断离子结合作用的电位等起切断离子结合作用的方法。方法。 膜的清洗方法物理方法化学方法所用的清洗剂水力方法气液脉冲反冲洗涤循环洗涤酸碱液表面活性剂螯合剂氧化剂酶化学清洗液内压式中空纤维膜使用污染膜的常用清洗方法 (5)、膜性

8、能的表示法、膜性能的表示法 膜的分离透过特性包括分离效率、渗透通量和通量衰减系数三个方 面。 分离效率分离效率式中c1、c2分别表示原液和透过液中被分离物质(盐、微粒或高分子物质) 的浓度。%100121cccR 对于某些混合物的分离,可以用分离因子或分离系数 表示, 式中xA与yA分别表示原液(气)与透过液(气)中组分A的摩尔分数。 渗透通量渗透通量 通常用单位时间内通过单位膜面积的透过物量表示。AAAAxxyy11AAxy 通量衰减系数通量衰减系数式中J0一一初始时间的渗透通量,kg/(m2h); 一一使用时间,h; J一一时间的渗透通量,kg /(m2h); m一一衰减系数。 mJJ02

9、、膜组件、膜组件(Membrane Module) 将膜、固定膜的支撑材料、间隔物或管式外壳等组装成的一个单元称为膜组件。 工业上应用的膜组件主要有:中空纤维式、管式、螺旋卷式、板框式等四种型式。管式和中空纤维式组件也可以分为内压式和外压式两种。 (1)、板框式、板框式(Plate-and-Frame)膜组件膜组件(2)、管式、管式(Tubular)膜组件膜组件(3)、螺旋卷式、螺旋卷式(Spiral Wound)膜组件膜组件(4)、中空纤维、中空纤维(Hollow Fiber)膜组件膜组件 各种膜组件的传质特性和综合性能的比较分别见下表。二、微滤、超滤、纳滤和反渗透二、微滤、超滤、纳滤和反渗

10、透 微滤、超滤、反渗透膜分离法及其原理1、反渗透与纳滤、反渗透与纳滤反渗透:是利用反渗透膜选择性地只透过溶剂(通常是水)的性质,对溶液施加压力克服溶剂的渗透压,使溶剂从溶液中分离出来的单元操作。 (1)、反渗透原理、反渗透原理反渗透过程必须满足两个条件： 有一种选择性高的透过膜； 操作压力必须高于溶液的渗透压。(2)、影响反渗透因素、影响反渗透因素浓差极化浓差极化 浓差极化对反渗透过程产生下列不良影响： 由于浓差极化, 导致溶剂的渗透通量下降; 由于浓差极化, 溶质的渗透通量升高,截留率降低 堵塞膜孔并减少溶剂的渗透通量; 出现膜污染减轻浓差极化的有效途径:提高传质系数A,采取的措施有:提高料

11、液流速、增强料液湍动程度、提高操作温度、对膜面进行定期清洗和采用性能好的膜材料等。(3)、反渗透过程工艺流程 在实际生产中,可以通过膜组件的不同配置方式来满足对溶液分离的不同质量要求。而且膜组件的合理排列组合对膜组件的使用寿命也有很大影响。如果排列组合不合理,则将造成某一段内的膜组件的溶剂通量过大或过小,不能充分发挥作用,或使膜组件污染速度加快,膜组件频繁清洗和更换,造成经济损失。 根据料液的情况、分离要求以及所有膜器一次分离的分离效率高低等的不同,反渗透过程可以采用不同工艺过程,下面简要介绍几种常见的工艺流程。 一级一段连续式一级一段连续式 一级一段循环式一级一段循环式 一级多段连续式一级多

12、段连续式(3)、反渗透过程工艺流程(4)、反渗透技术的应用 海水淡化海水淡化 超纯水及纯净水的生产超纯水及纯净水的生产 电镀废水处理电镀废水处理 反渗透技术还应用于水果和蔬菜汁的浓缩,枫树糖液的预浓缩等过程。 食品工业中的应用食品工业中的应用造纸工业中的应用造纸工业中的应用含油废水的处理含油废水的处理 制药工业中的应用制药工业中的应用 反渗透技术在制药工业中的典型应用是链霉素的浓缩。链霉素是灰色链霉菌产生的碱性物质,它是氨基糖苷类抗生素。在链霉素的提取精致过程中,传统的真空蒸发浓缩方法对热敏性的链霉素很不利,而且能耗很大。采用反渗透取代传统的真空蒸发,可提高链霉素的回收率和浓缩液的透光度,还节

13、约了能耗。其工艺流程见图。原料液经二级过滤器处理, 打入料液贮槽,由供料泵、往复泵对料液增压。经过冷却的料液进入板式反渗透组件,料液中的小分子物质透过膜,透过液经流量计排放,链霉素被膜截留返回料液贮槽。如此循环,直至浓缩液的浓度达到指标。 制药工业中的应用制药工业中的应用2、超滤、超滤(1)、超滤原理、超滤原理 超滤过程基本原理如图所示。中空纤维超滤膜结构单单 内内 皮皮 层层双双 皮皮 层层制备超滤膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯制备超滤膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纤维素等。超滤膜的工作条件取决于膜的腈和醋酸纤维素等。超滤膜的工作条件取决于膜的材质，如醋酸纤维素超滤膜适用于材

14、质，如醋酸纤维素超滤膜适用于pH = 38，三醋，三醋酸纤维素超滤膜适用于酸纤维素超滤膜适用于pH = 29，芳香聚酰胺超滤，芳香聚酰胺超滤膜适用于膜适用于pH = 59，温度，温度040，而聚醚砜超滤，而聚醚砜超滤膜的使用温度则可超过膜的使用温度则可超过100。(2)、浓差极化、浓差极化 在超滤分离过程中,膜截留下来的溶质粒子在膜前积累,使膜表面溶质浓度逐渐高于原料液主体溶质浓度,在此浓度差为推动力的作用下,溶质便从膜表面向料液主体扩散,形成 具有浓度梯度的边界层,这就是超滤过程的浓差极化。当这种扩散的溶质通量与随着溶剂到达膜表面的溶质通量相等时,即达到动态平衡。由于浓差极化,膜表面处溶质浓

15、度高,会导致溶质截留率的下降和渗透通量的下降。当膜表面处溶质浓度达到饱和时,在膜表面形成凝胶层,使溶质截留率增大,但渗透率显著减小。(3)、影响渗透通量的因素、影响渗透通量的因素 操作压力 压差是超滤过程的推动力,对渗透通量产生决定性的影响。一般情况下,在压差较小的范围内,渗透通量随压差增长较快;当压差较大时,随压差的增加渗透通 量增长逐渐减慢,且当膜表面形成凝胶层时,渗透量趋于定值不再随压差而变化,此时的渗透通量称为临界渗透通量。实际超滤操作压力应接近临界渗透通量时的压差,若压差过高不仅无益而且有害。 料液流速 浓差极化是超滤过程不可避免的现象,为了提高渗透通量,必须使极化边界层尽可能的小。

16、目前,超滤过程采用错流操作,即加料错流流过膜表面,可清除一部分极化边界层。为了进一步减薄边界层厚度,提高传质系数,可增加料液的流速和湍流程度, 这种方法与单纯提高流速相比可节约能量,降低料液对膜的压力。实现料液端动的方法有在 流道内附加带状助湍流器、脉冲流动等。 温度 料液温度升高,粘度降低,有利于增大流体流速和湍动程度,减轻浓差极化,提高传质系数,提高渗透通量。但温度上升会使料液中某些组分的溶解度降低,增加膜污染,使渗透通量下降,如乳清中的钙盐;有些物质会因温度的升高而变形,如蛋白质。因此,大多数超滤应用的温度范围为3060。牛奶、大豆体系的料液,最高超滤温度不超过5560。 截留液浓度 随

17、着超滤过程的进行,截留液浓度不断增加,极化边界层增厚,容易形成凝胶,会导致渗透通量的降低。因此,对不同体系的截留液浓度均有允许最大值。如颜料和分散染料体系,最大截留液浓度为30%50%,多糖和低聚糖体系,最大截留液浓度 为1%10%等。(4)、超滤过程的工艺流程、超滤过程的工艺流程 超滤的操作方式可分为重过滤和错流过滤两大类。重过滤是靠料液的液柱压力为推动力,但这样操作浓差极化和膜污染严重,很少采用,而常采用错流操作。错流操作工艺流程又可分为间歇式和连续式。 间歇式间歇式 常见的间歇式流程见图。图中(a)为间歇操作开式回路流程,将一批料液加入贮槽,用泵加压后送往膜组件,使之连续排出透过液,浓缩

18、液则返回槽中与贮槽中原料液 混合后送往膜组件。如此循环操作,直到浓缩液浓度达到预定值为止。这种流程操作简单, 浓缩速度快,所需膜面积小,但全循环时泵的能耗高。为了降低能耗,可采用部分循环操作,如图(b)所示为间歇操作闭式回路流程。间歇操作通常在实验室中和小型中试厂使用。 连续式连续式 连续式超滤过程是指料液连续不断加人贮槽和产品的不断产出。可分为单级和多级。单级连续式操作过程的效率较低,一般采用如图所示的多级连续式操作。将几个循环回路串联起来,每一个回路即为一级,每一级都在一个固定的浓度下操作,从第一级到最后一级浓度逐渐增加。最后一级的浓度是最大的,即为浓缩产品。多级操作只有最后一级在高浓度下

19、操作,渗透通量低,其他级操作浓度均较低,渗透通量相应也较大,因此级效率高;而且多级操作所需的总膜面积较小。它适合在大规模生产中使用,特别适用于食品工业领域。(5)、超滤技术的应用、超滤技术的应用 超滤的工艺应用可分为三种类型：浓缩、小分子溶质的分离、大分子溶质的分级。绝大部分的工业应用属于浓缩这个方面,也可以采用与大分子结合或复合的办法分离小分子溶质。前面在讲述反渗透技术应用时提到超滤与反渗透结合可回收干酪乳清蛋白、分离油水乳液、处理生活废水。下面介绍超滤技术在其他方面的应用。超滤装置 超滤装置：超滤装置：目前应用最广的是采用中空纤维系统的超滤装置，其是目前应用最广的是采用中空纤维系统的超滤装

20、置，其是由多根空心纤维细管成束地装配而成。由多根空心纤维细管成束地装配而成。 空心纤维细管横截面的内表层细密，向外逐渐疏松，形成各向异性空心纤维细管横截面的内表层细密，向外逐渐疏松，形成各向异性微孔膜管结构，管内径一般为微孔膜管结构，管内径一般为0.20.2 mmmm，有效面积约，有效面积约1 1cmcm2 2，表面积与体积，表面积与体积的比率极大，故滤速很高。的比率极大，故滤速很高。 DC-30DC-30型中空纤维系统的超滤装置：三组中空纤维套筒，膜表面积型中空纤维系统的超滤装置：三组中空纤维套筒，膜表面积2.7 m2.7 m2 2，在，在3 3个大气压下，滤液流量可达个大气压下，滤液流量可

21、达 1L/min1L/min。 中空纤维系统的超滤装置中空纤维系统的超滤装置用于透析、脱盐，在不到一小时可从溶液中用于透析、脱盐，在不到一小时可从溶液中除去除去99%99%的水。的水。 应用：应用：浓缩酶、蛋白质、核酸、多糖；酶的浓缩回收率可达浓缩酶、蛋白质、核酸、多糖；酶的浓缩回收率可达90%90%。 特点：特点：简单、经济、高效、快速的分离方法。简单、经济、高效、快速的分离方法。透析 超滤分离技术 原理：原理：透析是采用半透膜作为滤膜透析是采用半透膜作为滤膜, ,使试样中的小分子经扩散作用不使试样中的小分子经扩散作用不断透出膜外断透出膜外, ,而大分子不能透过被保留，直到膜两边达到平衡。而

22、大分子不能透过被保留，直到膜两边达到平衡。 特点：特点：半透膜两边均为液体，一边为试样溶液，另一边为纯净溶剂（半透膜两边均为液体，一边为试样溶液，另一边为纯净溶剂（水或缓冲溶液）。可不断更换外层溶剂使扩散不断进行，直至符合要求。水或缓冲溶液）。可不断更换外层溶剂使扩散不断进行，直至符合要求。 应用：应用：制备或提纯生物大分子时，除去小分子物质及其杂质，脱盐。制备或提纯生物大分子时，除去小分子物质及其杂质，脱盐。 用于透析的半透膜应具备的条件：用于透析的半透膜应具备的条件： （1 1）在溶剂中能膨胀形成分子筛状多孔薄膜，只允许小分子溶质通过）在溶剂中能膨胀形成分子筛状多孔薄膜，只允许小分子溶质通

23、过，而阻止大分子（如蛋白质）通过；，而阻止大分子（如蛋白质）通过； （2 2）化学惰性；）化学惰性； （3 3）在水、盐溶液、稀酸或稀碱溶液中稳定；）在水、盐溶液、稀酸或稀碱溶液中稳定； （4 4）有一定的机械强度和良好的再生性能。）有一定的机械强度和良好的再生性能。 透析的装置与方法 半透膜可制成管状，按需要截取一定长度，将一端封闭后，装入需半透膜可制成管状，按需要截取一定长度，将一端封闭后，装入需要透析的试样溶液后，放入盛有溶剂的透析缸中。要透析的试样溶液后，放入盛有溶剂的透析缸中。 商品透析管常涂有甘油以防干裂，也可能含有其他微量杂质。商品透析管常涂有甘油以防干裂，也可能含有其他微量杂质

24、。 预处理：预处理：用用50%50%乙醇慢慢煮沸一小时，再分别用乙醇慢慢煮沸一小时，再分别用50%50%乙醇、乙醇、0.01mol/L0.01mol/L碳酸氢纳溶液、碳酸氢纳溶液、0.001 mol/L EDTA 0.001 mol/L EDTA 溶液依次洗涤，最后用蒸溶液依次洗涤，最后用蒸馏水洗涤三次；馏水洗涤三次； 透析过程注意点：透析过程注意点： （1 1）透析前，对装有试液的透析袋检查是否有泄漏；）透析前，对装有试液的透析袋检查是否有泄漏； （2 2）透析袋装一半左右，防止膜外溶剂因浓度差渗入将袋涨裂或过）透析袋装一半左右，防止膜外溶剂因浓度差渗入将袋涨裂或过度膨胀使膜孔径改变；度膨胀

25、使膜孔径改变； （3 3）搅拌；定期或连续更换外部溶剂可提高透析效果。）搅拌；定期或连续更换外部溶剂可提高透析效果。回收电泳涂漆废水中的涂料回收电泳涂漆废水中的涂料 世界各国的汽车工业几乎都采用电泳涂装技术给汽车车身上底漆,该技术也被用在机电工业、钢制家具、军事工业等部门。在金属电泳涂漆过程中,带电荷的金属物件浸入一个装有带相反电荷涂料的池内。由于异电相吸,涂料便能在金属表面形成一层均匀的涂层,金属物件从池中捞出并用水洗除随带的涂料,因而产生电泳漆废水。可采用超滤技术将废水中的高分子涂料及颜料颗粒截留下来,而让无机盐、水及溶剂穿过超滤膜除去,浓缩液再回到电 泳漆贮槽循环使用,透过液用于淋洗新上

26、漆的物件。矿泉水的制造矿泉水的制造矿泉水的水源必须是地下水,而这种水在地下流动时会溶入某些无机盐。采用超滤和微滤组合工艺可制造合乎饮用水标准的矿泉水, 酶制剂的生产酶制剂的生产 酶是一种具有高度催化活性的特殊蛋白质。相对分子质量在1万10万之间。采用超滤技术处理粗酶液,低分子物质和盐与水一起透过膜除去,而酶得到浓缩和精制。目前超滤已用于细菌蛋白酶、葡萄糖苷酶、凝乳酶、果胶酶、胰蛋白酶、葡萄糖氧化酶等的分离。与传统的盐析沉淀和真空浓缩等方法相比,采用超滤法提高可酶的回收率,防止酶失活,而且可简化提取工艺,降低操作成本。下图所示为糖化酶超滤浓缩流程示意图。糖化酶发酵液加2%酸性白土处理,经板框压滤

27、,除去培养基等杂质,澄清的滤液经过过滤器压入循环槽进行超滤浓缩。透过液由超滤器上端排出,循环液中糖化酶被超滤膜截留返回循环液贮槽循环操作,直至达到要求的浓缩倍数。 渗透蒸发技术1. 渗透蒸发技术和渗透蒸发膜的特点渗透蒸发技术和渗透蒸发膜的特点 渗透蒸发是近十几年中颇受人们关注的膜分离渗透蒸发是近十几年中颇受人们关注的膜分离技术。技术。渗透蒸发是指液体混合物在膜两侧组分的蒸渗透蒸发是指液体混合物在膜两侧组分的蒸气分压差的推动力下，透过膜并部分蒸发，从而达气分压差的推动力下，透过膜并部分蒸发，从而达到分离目的的一种膜分离方法。到分离目的的一种膜分离方法。可用于传统分离手可用于传统分离手段较难处理的

28、恒沸物及近沸点物系的分离。具有段较难处理的恒沸物及近沸点物系的分离。具有一一次分离度高、操作简单、无污染、低能耗次分离度高、操作简单、无污染、低能耗等特点。等特点。其他膜分离过程 渗透蒸发的实质是利用高分子膜的选择性透过渗透蒸发的实质是利用高分子膜的选择性透过来分离液体混合物。其原理如图来分离液体混合物。其原理如图6所示。由高分所示。由高分子膜将装置分为两个室，上侧为存放待分离混合物子膜将装置分为两个室，上侧为存放待分离混合物的液相室，下侧是与真空系统相连接或用惰性气体的液相室，下侧是与真空系统相连接或用惰性气体吹扫的气相室。混合物通过高分子膜的选择渗透，吹扫的气相室。混合物通过高分子膜的选择

29、渗透，其中某一组分渗透到膜的另一侧。由于在气相室中其中某一组分渗透到膜的另一侧。由于在气相室中该组分的蒸气分压小于其饱和蒸气压，因而在膜表该组分的蒸气分压小于其饱和蒸气压，因而在膜表面汽化。蒸气随后进入冷凝系统，通过液氮将蒸气面汽化。蒸气随后进入冷凝系统，通过液氮将蒸气冷凝下来即得渗透产物。渗透蒸发过程的推动力是冷凝下来即得渗透产物。渗透蒸发过程的推动力是膜内渗透组分的浓度梯度。膜内渗透组分的浓度梯度。图图6a 渗透蒸发分离示意图渗透蒸发分离示意图(真空气化真空气化)液相室气相室膜真空泵冷凝液冷凝器图图6b 渗透蒸发分离示意图渗透蒸发分离示意图(惰性气体吹扫惰性气体吹扫)液相室气相室膜冷凝液冷

30、凝器惰性气体惰性气体净化利用2. 制备渗透蒸发膜的材料制备渗透蒸发膜的材料（1）渗透蒸发膜材料的选择）渗透蒸发膜材料的选择 对于渗透蒸发膜来说，是否具有良好的选择性对于渗透蒸发膜来说，是否具有良好的选择性是首先要考虑的。基于溶解扩散理论，只有对所需是首先要考虑的。基于溶解扩散理论，只有对所需要分离的某组分有较好亲和性的高分子物质才可能要分离的某组分有较好亲和性的高分子物质才可能作为膜材料。作为膜材料。 如以透水为目的的渗透蒸发膜，应该有良好的如以透水为目的的渗透蒸发膜，应该有良好的亲水性，因此聚乙烯醇（亲水性，因此聚乙烯醇（PVA）和醋酸纤维素（）和醋酸纤维素（CA）都是较好的膜材料；而当以透

31、过醇类物质为目的时，都是较好的膜材料；而当以透过醇类物质为目的时，憎水性的聚二甲基硅氧烷（憎水性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）则是较理想的）则是较理想的膜材料。膜材料。（2）制备渗透蒸发膜的主要材料）制备渗透蒸发膜的主要材料 用于制备渗透蒸发膜的材料包括天然高分子物用于制备渗透蒸发膜的材料包括天然高分子物质和合成高分子物质。质和合成高分子物质。 天然高分子膜主要包括天然高分子膜主要包括醋酸纤维素（醋酸纤维素（CA）、羧）、羧甲基纤维素（甲基纤维素（CMC）、胶原、壳聚糖）、胶原、壳聚糖等。等。 用于制备渗透蒸发膜的合成高分子材料包括用于制备渗透蒸发膜的合成高分子材料包括聚聚乙烯（乙烯（PE）、聚

32、丙烯（）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（）、聚苯乙烯（PSt）、）、聚四氟乙烯（聚四氟乙烯（PTFE）等非极性材料和等非极性材料和聚乙烯醇聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯腈（）、聚丙烯腈（PAN）、聚二甲基硅氧烷）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等极性材料。等极性材料。3. 渗透蒸发技术应用领域渗透蒸发技术应用领域 渗透蒸发作为一种无污染、高能效的膜分离技渗透蒸发作为一种无污染、高能效的膜分离技术已经引起广泛的关注。该技术最显著的特点是很术已经引起广泛的关注。该技术最显著的特点是很高的单级分离度，节能且适应性强，易于调节。高的单级分离度，节能且适应性强，易于调节。 目前渗透蒸发膜分离技术已在目前渗透蒸发膜分

33、离技术已在无水乙醇的生产无水乙醇的生产中实现了工业化。与传统的恒沸精馏制备无水乙醇中实现了工业化。与传统的恒沸精馏制备无水乙醇相比，可大大降低运行费用，且不受汽相比，可大大降低运行费用，且不受汽液平衡的液平衡的限制。限制。 除了以上用途外，渗透蒸发膜在其他领域的应除了以上用途外，渗透蒸发膜在其他领域的应用尚都处在实验室阶段用尚都处在实验室阶段。预计有较好应用前景的领预计有较好应用前景的领域有：工业废水处理中采用渗透蒸发膜去除少量有域有：工业废水处理中采用渗透蒸发膜去除少量有毒有机物（如苯、酚、含氯化合物等）；在气体分毒有机物（如苯、酚、含氯化合物等）；在气体分离、医疗、航空等领域用于富氧操作；

34、从溶剂中脱离、医疗、航空等领域用于富氧操作；从溶剂中脱除少量的水或从水中除去少量有机物；石油化工工除少量的水或从水中除去少量有机物；石油化工工业中用于烷烃和烯烃、脂肪烃和芳烃、近沸点物、业中用于烷烃和烯烃、脂肪烃和芳烃、近沸点物、同系物、同分异构体等的分离等。同系物、同分异构体等的分离等。气体分离膜1. 气体分离膜的分离机理气体分离膜的分离机理 气体分离膜有两种类型：非多孔均质膜和多气体分离膜有两种类型：非多孔均质膜和多孔膜。它们的分离机理各不相同。孔膜。它们的分离机理各不相同。（1）非多孔均质膜的溶解扩散机理）非多孔均质膜的溶解扩散机理 该理论认为，气体选择性透过非多孔均质膜分该理论认为，气

35、体选择性透过非多孔均质膜分四步进行：四步进行：气体与膜接触，分子溶解在膜中，溶解气体与膜接触，分子溶解在膜中，溶解的分子由于浓度梯度进行活性扩散，分子在膜的另的分子由于浓度梯度进行活性扩散，分子在膜的另一侧逸出一侧逸出。（2）多孔膜的透过扩散机理）多孔膜的透过扩散机理 用多孔膜分离混合气体，是借助于各种气体流用多孔膜分离混合气体，是借助于各种气体流过膜中细孔时产生的速度差来进行的。过膜中细孔时产生的速度差来进行的。2. 制备气体分离膜的材料制备气体分离膜的材料（1）影响气体分离膜性能的因素）影响气体分离膜性能的因素 1）化学结构的影响）化学结构的影响 2）形态结构的影响）形态结构的影响（2）制

36、备气体分离膜的主要材料）制备气体分离膜的主要材料 根据不同的分离对象，气体分离膜采用不同的材根据不同的分离对象，气体分离膜采用不同的材料制备。料制备。1）H2的分离的分离 美国美国Monsanto公司公司1979年首创年首创Prism中空纤维中空纤维复合气体分离膜，主要用于氢气的分离。其材料主复合气体分离膜，主要用于氢气的分离。其材料主要有要有醋酸纤维素、聚砜、聚酰亚胺醋酸纤维素、聚砜、聚酰亚胺等。其中聚酰亚等。其中聚酰亚胺是近年来新开发的高效氢气分离膜材料。它是由胺是近年来新开发的高效氢气分离膜材料。它是由二联苯四羧酸二酐和芳香族二胺聚合而成的，具有二联苯四羧酸二酐和芳香族二胺聚合而成的，具

37、有抗化学腐蚀、耐高温和机械性能高等优点。抗化学腐蚀、耐高温和机械性能高等优点。 2）O2的分离富集的分离富集 制备富氧膜的材料主要两类：制备富氧膜的材料主要两类：聚二甲基硅氧烷聚二甲基硅氧烷（PDMS）及其改性产品和含三甲基硅烷基的高分）及其改性产品和含三甲基硅烷基的高分子材料。子材料。 PDMS是目前工业化应用的气体分离膜中是目前工业化应用的气体分离膜中 最最高的膜材料，美中不足的是它有两大缺点：一是分高的膜材料，美中不足的是它有两大缺点：一是分离的选择性低，二是难以制备超薄膜。离的选择性低，二是难以制备超薄膜。 2OP 此外，此外，富氧膜大部分可作为富氧膜大部分可作为CO2分离膜使用分离膜

38、使用，若在膜材料中引入亲若在膜材料中引入亲CO2的基团，如醚键、苯环的基团，如醚键、苯环等，可大大提高等，可大大提高CO2的透过性。同样，若在膜材料的透过性。同样，若在膜材料中引入亲中引入亲SO2的亚砜基团（如二甲亚砜、环丁砜的亚砜基团（如二甲亚砜、环丁砜等），则能够大大提高等），则能够大大提高SO2分离膜的渗透性能和分分离膜的渗透性能和分离性能。具有亲水基团的芳香族聚酰亚胺和磺化聚离性能。具有亲水基团的芳香族聚酰亚胺和磺化聚苯醚等对苯醚等对H2O有较好的分离作用。有较好的分离作用。 2. 气体分离膜的应用领域气体分离膜的应用领域 气体分离膜是当前各国均极为重视开发的产品，气体分离膜是当前各国

39、均极为重视开发的产品，已有不少产品用于工业化生产。如美国已有不少产品用于工业化生产。如美国Du Pont公司公司用聚酯类中空纤维制成的用聚酯类中空纤维制成的H2气体分离膜，对气体分离膜，对组成为组成为70H2，30CH4，C2H6，C3H8的混合气体进行分的混合气体进行分离，可获得含离，可获得含90H2的分离效果的分离效果。 此外，富氧膜、分离此外，富氧膜、分离N2，CO2，SO2，H2S等气等气体的膜，都已有工业化的应用。例如体的膜，都已有工业化的应用。例如从天然气中分从天然气中分离氮、从合成氨尾气中回收氢、从空气中分离离氮、从合成氨尾气中回收氢、从空气中分离N2或或CO2，从烟道气中分离，

40、从烟道气中分离SO2、从煤气中分离、从煤气中分离H2S或或CO2等等，均可采用气体分离膜来实现。等等，均可采用气体分离膜来实现。具体示例 ：水果保鲜系统 一般说来，水果在收获后，仍会继续呼吸作用，果品将逐渐劣化以至腐烂，为抑制果品的呼吸，可适当降低其保藏容器中的氧气浓度，增加二氧化碳浓度。目前广泛采用由硅氧烷膜使氧气与二氧化碳等进行交换分离的方法。外界气氛%O2 21CO2 0N2 79仓库气氛%O2 CO292 N2 硅氧烷膜液膜1. 液膜的概念和特点液膜的概念和特点 液膜分离技术是液膜分离技术是1965年由年由美国埃克森（美国埃克森（Exssen）研究和工程公司的黎念之博士研究和工程公司的

41、黎念之博士提出的一种新型膜分提出的一种新型膜分离技术。直到离技术。直到80年代中期，奥地利的年代中期，奥地利的J. Draxler等科等科学家采用液膜法从粘胶废液中回收锌获得成功，液学家采用液膜法从粘胶废液中回收锌获得成功，液膜分离技术才进入了实用阶段。膜分离技术才进入了实用阶段。 液膜是一层很薄的液体膜液膜是一层很薄的液体膜。它能把两个互溶的、它能把两个互溶的、但组成不同的溶液隔开，并通过这层液膜的选择性但组成不同的溶液隔开，并通过这层液膜的选择性渗透作用实现物质的分离。根据形成液膜的材料不渗透作用实现物质的分离。根据形成液膜的材料不同，液膜可以是水性的，也可是溶剂型的。同，液膜可以是水性的

42、，也可是溶剂型的。 液膜的特点是液膜的特点是传质推动力大，速率高，且试剂传质推动力大，速率高，且试剂消耗量少消耗量少，这对于传统萃取工艺中试剂昂贵或处理，这对于传统萃取工艺中试剂昂贵或处理能力大的场合具有重要的经济意义。另外，液膜的能力大的场合具有重要的经济意义。另外，液膜的选择性好选择性好，往往只能对某种类型的离子或分子的分，往往只能对某种类型的离子或分子的分离具有选择性，离具有选择性，分离效果显著分离效果显著。目前存在的最大缺。目前存在的最大缺点是点是强度低，破损率高，难以稳定操作，而且过程强度低，破损率高，难以稳定操作，而且过程与设备复杂与设备复杂。2. 液膜的组成与类型液膜的组成与类型

43、（1）液膜的组成）液膜的组成 膜溶剂：有机溶剂或水膜溶剂：有机溶剂或水, , 构成膜的基体构成膜的基体 表面活性剂：控制液膜的稳定性表面活性剂：控制液膜的稳定性 添加剂添加剂/ /流动载体：提高膜的选择性流动载体：提高膜的选择性, , 实现实现分离传质的关键因素分离传质的关键因素（2）液膜的类型）液膜的类型 从形状来分类，可将液膜分为支撑型液膜和球从形状来分类，可将液膜分为支撑型液膜和球形液膜两类，后者又可分为单滴型液膜和乳液型液形液膜两类，后者又可分为单滴型液膜和乳液型液膜两种。膜两种。 1）支撑型液膜）支撑型液膜 把微孔聚合物膜浸在有机溶剂中，有机溶剂即把微孔聚合物膜浸在有机溶剂中，有机溶

44、剂即充满膜中的微孔而形成液膜（见下图）。充满膜中的微孔而形成液膜（见下图）。图支撑型液膜示意图图支撑型液膜示意图 此类液膜目前主要用于物质的萃取。当支撑型此类液膜目前主要用于物质的萃取。当支撑型液膜作为萃取剂将料液和反萃液分隔开时，被萃组液膜作为萃取剂将料液和反萃液分隔开时，被萃组分即从膜的料液侧传递到反萃液侧，然后被反萃液分即从膜的料液侧传递到反萃液侧，然后被反萃液萃取，从而完成物质的分离。这种液膜的操作虽然萃取，从而完成物质的分离。这种液膜的操作虽然较简便，但存在较简便，但存在传质面积小，稳定性较差，支撑液传质面积小，稳定性较差，支撑液体容易流失体容易流失的缺点。的缺点。 2）单滴型液膜）单滴型液膜 单滴型液膜的形状如图所示。其结构为单单滴型液膜的形状如图所示。其结构为单一的球面薄层，根据成膜材料可分为水膜和油膜两一的球面薄层，根据成膜材料可分为水膜和油膜两种。图种。图8a为水膜，即为水膜，即 O/W/O 型，内、外相为有型，内、外相为有机物；图机物；图10b为油膜，即为油膜，即 W/O/W 型，内、外相型，内、外相为水溶液。这种单滴型液膜为水溶液。这种单滴型液膜寿命