第九章膜分离

1、第九章第九章 膜分离过程膜分离过程前言前言一、膜分离技术一、膜分离技术1、膜分离的定义、膜分离的定义借助于膜而实现各种分离的借助于膜而实现各种分离的过程称之为膜分离。利用半透过程称之为膜分离。利用半透膜作为选择障碍层，允许某些膜作为选择障碍层，允许某些组分透过而保留混合物中其它组分透过而保留混合物中其它组分，从而达到分离目的。组分，从而达到分离目的。（1）微滤）微滤筛分原理，截留直径为筛分原理，截留直径为0.05-10m大小的粒子大小的粒子膜孔径：膜孔径：0.0510m，压力：压力：0050.5MPa2、膜分离技术的分类、膜分离技术的分类它是利用孔径大于它是利用孔径大于0.02m直直到到l0m

2、的多孔膜来过滤含有的多孔膜来过滤含有微粒或菌体的溶液，将其从溶微粒或菌体的溶液，将其从溶液中除去，微滤应用领域极其液中除去，微滤应用领域极其广阔，目前的销售额在各类膜广阔，目前的销售额在各类膜中占据首位。中占据首位。2、膜分离技术的分类、膜分离技术的分类（2）超滤）超滤基本为筛分原理，有时受粒基本为筛分原理，有时受粒子荷电性及其与荷电膜相互作子荷电性及其与荷电膜相互作用的影响。用的影响。截留分子量从截留分子量从30001,000,000Da的可溶性大分子的可溶性大分子物质；物质；膜孔径：膜孔径：0.001-0.05m压力：压力：0.1-1MPa应用孔径为应用孔径为10 到到200 (1 )的超

3、过滤膜来过滤含有大分子或的超过滤膜来过滤含有大分子或微细粒子的溶液，使大分子或微微细粒子的溶液，使大分子或微细粒子从溶液中分离的过程称之细粒子从溶液中分离的过程称之为超滤。与反渗透类似，超滤的为超滤。与反渗透类似，超滤的推动力也是压差，在溶液侧加压，推动力也是压差，在溶液侧加压，使溶剂透过膜。使溶剂透过膜。超滤膜一般由高分子材料和无超滤膜一般由高分子材料和无机材料制备，膜的结构均为非对机材料制备，膜的结构均为非对称的。超滤用于从水溶液中分离称的。超滤用于从水溶液中分离高分子化合物和微细粒子，采用高分子化合物和微细粒子，采用具有适当孔径的超滤膜，可以用具有适当孔径的超滤膜，可以用超滤进行不同分子

4、量和形状的大超滤进行不同分子量和形状的大分子物质的分离。分子物质的分离。（3）反渗透）反渗透基于溶解扩散（一说是毛细孔基于溶解扩散（一说是毛细孔流学说），在高于溶液渗透压的压流学说），在高于溶液渗透压的压力作用下，只有水透过，所有大分力作用下，只有水透过，所有大分子、小分子有机物、无机盐被全部子、小分子有机物、无机盐被全部截留。截留。理想的反渗透膜应视为无孔。理想的反渗透膜应视为无孔。膜孔径：膜孔径：0.1-1nm压力：压力：1-10MPa2、膜分离技术的分类、膜分离技术的分类反渗透是利用反渗透膜选择反渗透是利用反渗透膜选择性地只能透过溶剂性地只能透过溶剂(通常是水通常是水)的性的性质，对溶液

5、施加压力，克服溶剂质，对溶液施加压力，克服溶剂的渗透压，使溶剂通过反渗透膜的渗透压，使溶剂通过反渗透膜而从溶液中分离出来的过程。反而从溶液中分离出来的过程。反渗透可用于从水溶液中将水分离渗透可用于从水溶液中将水分离出来，海水和苦咸水的淡化是其出来，海水和苦咸水的淡化是其最主要的应用，但目前也在向其最主要的应用，但目前也在向其它应用领域扩展。它应用领域扩展。反渗透膜均用高分子材料制反渗透膜均用高分子材料制成，已从均质膜发展至非对称成，已从均质膜发展至非对称复合膜，膜的制备技术相对比复合膜，膜的制备技术相对比较成熟，其应用亦十分广泛。较成熟，其应用亦十分广泛。（4）电渗析）电渗析阴阳离子交换膜被交

6、替排列在阴阳离子交换膜被交替排列在正负极之间，形成许多独立小单元正负极之间，形成许多独立小单元，当含离子溶液在电场下通过这些，当含离子溶液在电场下通过这些单元时，在电位差作用下，一些单单元时，在电位差作用下，一些单元因离子透过正负离子交换膜进入元因离子透过正负离子交换膜进入其它单元而变成脱盐水。而另一些其它单元而变成脱盐水。而另一些单元接收离子加上其内部的离子生单元接收离子加上其内部的离子生成浓盐水。成浓盐水。2、膜分离技术的分类、膜分离技术的分类电渗析它是基于离子交换膜能电渗析它是基于离子交换膜能选择性地使阴离子或阳离子通过选择性地使阴离子或阳离子通过的性质，在直流电场的作用下使的性质，在直

7、流电场的作用下使阴阳离子分别透过相应的膜以达阴阳离子分别透过相应的膜以达到从溶液中分离电解质的目的，到从溶液中分离电解质的目的，目前主要用于水溶液中除去电解目前主要用于水溶液中除去电解质质(如盐水的淡化等如盐水的淡化等)、电解质与、电解质与非电解质的分离和膜电解等。非电解质的分离和膜电解等。（5）渗透蒸发）渗透蒸发1）膜根据与有机液体中各组分）膜根据与有机液体中各组分亲和力的不同，优先吸附某一组亲和力的不同，优先吸附某一组分；分；2）有机液体中各组分在膜中扩）有机液体中各组分在膜中扩散的速度是不同的。散的速度是不同的。基于此，达基于此，达到组分分离。到组分分离。由于不存在蒸馏法中共沸点的由于不

8、存在蒸馏法中共沸点的限制，所以可以连续分离、浓缩限制，所以可以连续分离、浓缩，直至得到纯有机物。，直至得到纯有机物。2、膜分离技术的分类、膜分离技术的分类渗透蒸发是利用膜对液体混合渗透蒸发是利用膜对液体混合物中组分的溶解和扩散性能的不物中组分的溶解和扩散性能的不同来实现其分离的新型膜分离过同来实现其分离的新型膜分离过程，近二十年来对渗透汽化过程程，近二十年来对渗透汽化过程进行了比较广泛的研究，用渗透进行了比较广泛的研究，用渗透汽化法分离工业酒精制取无水酒汽化法分离工业酒精制取无水酒精已经实现工业化，并在其它共精已经实现工业化，并在其它共沸体系的分离中也展示了良好的沸体系的分离中也展示了良好的发

9、展前景。预计渗透汽化与气体发展前景。预计渗透汽化与气体膜分离可能成为二十一世纪化工膜分离可能成为二十一世纪化工分离过程中的重要技术。分离过程中的重要技术。2、膜分离技术的分类、膜分离技术的分类（6 6）气体膜分离）气体膜分离气体膜分离是利用气体组分在气体膜分离是利用气体组分在膜内溶解和扩散性能的不同，即渗膜内溶解和扩散性能的不同，即渗透速率的不同来实现分离的技术，透速率的不同来实现分离的技术，目前高分子气体分离膜已用于氢的目前高分子气体分离膜已用于氢的分离，空气中氧与氮的分离等，具分离，空气中氧与氮的分离等，具有很大的发展前景。无机膜也已用有很大的发展前景。无机膜也已用于超纯氢制备等领域，并有

10、可能在于超纯氢制备等领域，并有可能在高温气体分离领域获得广泛的应用高温气体分离领域获得广泛的应用。2、膜分离技术的分类、膜分离技术的分类（7）其它膜分离过程）其它膜分离过程其它膜分离过程尚有：膜蒸馏、其它膜分离过程尚有：膜蒸馏、膜萃取、膜分相、支撑液膜、膜萃取、膜分相、支撑液膜、生物膜分离等，均是新近发展生物膜分离等，均是新近发展起来的新过程，少量已在工业起来的新过程，少量已在工业上应用，但大都处于研究开发上应用，但大都处于研究开发阶段。阶段。二、历史二、历史1748AbbleNelkt年发现水可年发现水可以自发地扩散进入装有酒精的以自发地扩散进入装有酒精的猪膀胱内的膜渗透现象，首次猪膀胱内的

11、膜渗透现象，首次揭示了膜分离现象。人们发现揭示了膜分离现象。人们发现动植物体的细胞膜是一种理想动植物体的细胞膜是一种理想的半透膜，即对不同质点的通的半透膜，即对不同质点的通过具有选择性，生物体正是通过具有选择性，生物体正是通过它进行新陈代谢的生命过程。过它进行新陈代谢的生命过程。二、历史二、历史30年代开发微孔过滤，年代开发微孔过滤，40年年代为透析代为透析；50年代为电渗析年代为电渗析；60年代为反渗透（或称高滤年代为反渗透（或称高滤）；）；70年代为超滤和液膜年代为超滤和液膜；80年代年代为气体分离为气体分离；90年代为渗透汽年代为渗透汽化或称渗透蒸发化或称渗透蒸发。二、历史二、历史膜分离

12、作为一门新型分离技术膜分离作为一门新型分离技术得到迅速发展是在得到迅速发展是在1960年以后的年以后的30年。年。Martin在在60年代初研究反渗年代初研究反渗透脱盐时发现了具有分离选择性的透脱盐时发现了具有分离选择性的人造液膜，他把百分之几的聚乙烯人造液膜，他把百分之几的聚乙烯甲醚加入盐水进料中，结果在醋酸甲醚加入盐水进料中，结果在醋酸纤维膜和盐溶液之间的表面上形成纤维膜和盐溶液之间的表面上形成了一张液膜。了一张液膜。二、历史60年代中，美籍华人黎念之博士年代中，美籍华人黎念之博士在用在用DuNuoy环法测定表面张力观察环法测定表面张力观察到皂草甙表面活性剂的水溶液和油到皂草甙表面活性剂的

13、水溶液和油作实验时能形成很强的能够挂住的作实验时能形成很强的能够挂住的界面膜，从而发现了不带固膜支撑界面膜，从而发现了不带固膜支撑的新型液膜。的新型液膜。这种新型液膜可以制成乳状液，这种新型液膜可以制成乳状液，膜很薄且面积大，因此处理能力膜很薄且面积大，因此处理能力比固膜和支撑性液膜大得多，这比固膜和支撑性液膜大得多，这一重大技术发现奠定了液膜技术一重大技术发现奠定了液膜技术发展的基础。发展的基础。1950年，年，WJuda首次发首次发表了合成高分子离子交换膜，表了合成高分子离子交换膜，膜现象的研究才由生物膜转入膜现象的研究才由生物膜转入到工业应用领域，合成了各种到工业应用领域，合成了各种类型

14、的高分子离子交换膜。类型的高分子离子交换膜。二、历史二、历史固态膜经历了固态膜经历了50年代的阴阳离年代的阴阳离子交换膜；子交换膜；60年代初的一二价阳离子交换年代初的一二价阳离子交换膜；膜；60年代末的中空纤维膜；年代末的中空纤维膜；70年代的无机陶瓷膜。年代的无机陶瓷膜。四个发展阶段，形成了一个四个发展阶段，形成了一个相对独立的学科。相对独立的学科。 三、应用三、应用应用领域：应用领域： 膜分离的工业应用已使海水淡化、烧碱生产、乳品加已使海水淡化、烧碱生产、乳品加工等多种传统的生产面貌发生了根工等多种传统的生产面貌发生了根本性的变化。本性的变化。据统计，据统计，1990年世界膜及装置的年世

15、界膜及装置的市场总销售量达市场总销售量达72.94亿美元，是亿美元，是1980年的年的5.5倍。膜分离技术已经形倍。膜分离技术已经形成了一个相当规模的工业技术体系。成了一个相当规模的工业技术体系。三、应用三、应用电渗析、反渗透、超滤、微孔电渗析、反渗透、超滤、微孔过滤和气体分离是目前比较成熟、过滤和气体分离是目前比较成熟、已经在工业上大规模应用的膜分已经在工业上大规模应用的膜分离技术。离技术。反渗透适用于除去水溶液中反渗透适用于除去水溶液中的离子及分子量为几百的小分子的离子及分子量为几百的小分子溶质；溶质；超滤主要用于截留各种蛋白质；超滤主要用于截留各种蛋白质；微孔过滤用于除菌微孔过滤用于除菌

16、四、膜分离发展的原因四、膜分离发展的原因1、由于有坚实基础理论研究的积由于有坚实基础理论研究的积累。相继提出了化学浸透压学说、气累。相继提出了化学浸透压学说、气体膜透过的机理、膜孔径的理论、渗体膜透过的机理、膜孔径的理论、渗透压理论、以及生物膜等有关学说，透压理论、以及生物膜等有关学说，如膜平衡概念、细胞膜电位理论、双如膜平衡概念、细胞膜电位理论、双分子层排列理论，即蛋白质分子层排列理论，即蛋白质脂肪脂肪蛋白质的三夹板模型、定电位学说以蛋白质的三夹板模型、定电位学说以及双电层理论解释膜的选择透过性等及双电层理论解释膜的选择透过性等等。等。 2、近代科学技术的发展为分离、近代科学技术的发展为分离

17、膜材料的研究提供了良好基础：膜材料的研究提供了良好基础：高分子科学的进展为膜分离技术高分子科学的进展为膜分离技术提供了具有各种分离特性的合成高提供了具有各种分离特性的合成高分子膜材料；分子膜材料；电子显微镜等近代分析技术的进电子显微镜等近代分析技术的进展为分离膜的结构和分离机理的研展为分离膜的结构和分离机理的研究提供了有效的手段，从而使分离究提供了有效的手段，从而使分离膜能迅速地由均质膜、非对称膜发膜能迅速地由均质膜、非对称膜发展到复合膜，不断地创造出适合于展到复合膜，不断地创造出适合于不同分离对象的各种类型性能良好不同分离对象的各种类型性能良好的分离膜。的分离膜。3、现代工业迫切需要节能、现

18、代工业迫切需要节能、低品位原料再利用和能消除环境低品位原料再利用和能消除环境污染的生产新技术。而大部分膜污染的生产新技术。而大部分膜分离过程是最节能的分离方法，分离过程是最节能的分离方法，水资源再生、低品位原材料的回水资源再生、低品位原材料的回收与再利用以及环境保护（污水收与再利用以及环境保护（污水及废气处理）也都与膜分离过程及废气处理）也都与膜分离过程密切相关。密切相关。五、现状五、现状1、国外现状、国外现状膜分离技术一直受到各国的膜分离技术一直受到各国的高度重视。许多国家建立了与膜高度重视。许多国家建立了与膜分离技术开发密切相关的政府管分离技术开发密切相关的政府管理机构。近年来并从战略的高

19、度理机构。近年来并从战略的高度加强了投资。日本政府加强了投资。日本政府1985-1990年间的科研投资为年间的科研投资为5600万美元。万美元。欧洲共同体将膜技术列为欧洲共同体将膜技术列为9个优个优先发展的课题之一，仅水处理一先发展的课题之一，仅水处理一项每年就投资项每年就投资3亿法郎。美国一些亿法郎。美国一些大公司，如大公司，如Monsanto、Dow、Dupont、Allied等，都已对膜分等，都已对膜分离技术的开发计划做出了相应的离技术的开发计划做出了相应的调整，增加了投资，加快了步伐。调整，增加了投资，加快了步伐。2、国内现状、国内现状我国在我国在1958年开始研究离子年开始研究离子交

20、换膜和电渗析，交换膜和电渗析，1966年开始年开始研究反渗透，随后相继开展了研究反渗透，随后相继开展了超滤、微孔过滤、液膜、气体超滤、微孔过滤、液膜、气体分离等膜分离过程研究、应用分离等膜分离过程研究、应用与开发。与开发。80年代又陆续开展了年代又陆续开展了渗透汽化、膜萃取、膜蒸馏和渗透汽化、膜萃取、膜蒸馏和膜反应等新膜过程的研究。膜反应等新膜过程的研究。离子交换膜和电渗析是我离子交换膜和电渗析是我国最成熟的一项膜分离技术。国最成熟的一项膜分离技术。从实验室研究到工业化生产，从实验室研究到工业化生产，目前已在我国形成一项新的目前已在我国形成一项新的技术产业。据技术产业。据1988年统计，年统计

21、，我国离子交换膜产量已达我国离子交换膜产量已达2.9105m2，电渗析器年产电渗析器年产量量750余台，年总产值约为余台，年总产值约为5000万元。万元。反渗透、超滤和微孔过滤膜反渗透、超滤和微孔过滤膜分离技术在我国的研究、应用分离技术在我国的研究、应用和生产情况各不相同。国产管和生产情况各不相同。国产管式反渗透装置主要用于电镀漂式反渗透装置主要用于电镀漂洗水处理。近年来，以醋酸纤洗水处理。近年来，以醋酸纤维素膜维素膜8吋吋（1吋吋=2.54cm）卷式卷式组件为主的国产反渗透膜组件组件为主的国产反渗透膜组件和装置已开始在电厂锅炉供水和装置已开始在电厂锅炉供水预脱盐和电子级超纯水制备中预脱盐和电

22、子级超纯水制备中代替进口组件和装置。代替进口组件和装置。国产管式、板式、中空纤维和卷国产管式、板式、中空纤维和卷式超滤以及折摺式微孔滤膜组件和式超滤以及折摺式微孔滤膜组件和装置已经在我国工业废水处理、一装置已经在我国工业废水处理、一般的生物制品浓缩分离、食品工业般的生物制品浓缩分离、食品工业和医药卫生等方面较广泛地应用。和医药卫生等方面较广泛地应用。但是，在一些高难度和高产值领域但是，在一些高难度和高产值领域（例如：（例如：17兆欧以上超纯水制备，兆欧以上超纯水制备，干扰素分离浓缩等）仍以进口的超干扰素分离浓缩等）仍以进口的超滤和微孔过滤膜和组件为主。滤和微孔过滤膜和组件为主。气体分离是我国气体分离是我国80年代初开展年代初开展的一项膜分离技术。的一项膜分离