膜分离技术课件

1、6.3.1 6.3.2 膜分离技术发展简史膜分离技术发展简史50年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，开始了年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，开始了反渗透膜反渗透膜的研究。的研究。真正意义上的分离膜出现在真正意义上的分离膜出现在20世纪世纪60年代。年代。1961年，米切利年，米切利斯（斯（A. S. Michealis）等人用各种比例的酸性和碱性的高分子）等人用各种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水电介质混合物以水-丙酮丙酮-溴化钠为溶剂，制成了可截留不同分溴化钠为溶剂，制成了可截留不同分子量的膜，这种膜是真正的子量的膜，这种膜是真正的超过滤膜超过滤膜。美国。美国Amicon公司首公司

2、首先将这种膜商品化。先将这种膜商品化。1967年，年，DuPont公司研制成功了以尼龙公司研制成功了以尼龙-66为主要组分的中空为主要组分的中空纤维反渗透膜组件。同一时期，丹麦纤维反渗透膜组件。同一时期，丹麦DDS公司研制成功公司研制成功平板平板式反渗透膜组件式反渗透膜组件。反渗透膜开始工业化。反渗透膜开始工业化。 自上世纪自上世纪60年代中期以来，膜分离技术真正实现了工业年代中期以来，膜分离技术真正实现了工业化。首先出现的分离膜是化。首先出现的分离膜是超过滤膜超过滤膜（简称（简称UF膜）、膜）、微孔过微孔过滤膜滤膜（简称（简称MF膜）和膜）和反渗透膜反渗透膜（简称（简称RO膜）。以后又开发膜

3、）。以后又开发了许多其它类型的分离膜。了许多其它类型的分离膜。 在此期间，除上述三大膜外，其他类型的膜也获得很大在此期间，除上述三大膜外，其他类型的膜也获得很大的发展。的发展。80年代年代气体分离膜气体分离膜的研制成功，使功能膜的地位又的研制成功，使功能膜的地位又得到了进一步提高。得到了进一步提高。 具有分离选择性的人造具有分离选择性的人造液膜液膜是马丁（是马丁（Martin）在）在60年代初研年代初研究反渗透时发现的，这种液膜是覆盖在固体膜之上的，为支撑究反渗透时发现的，这种液膜是覆盖在固体膜之上的，为支撑液膜。液膜。 60年代中期，美籍华人黎念之博士发现含有表面活性剂的水年代中期，美籍华人

4、黎念之博士发现含有表面活性剂的水和油能形成界面膜，从而发明了不带有固体膜支撑的新型液膜，和油能形成界面膜，从而发明了不带有固体膜支撑的新型液膜，并于并于1968年获得纯粹液膜的第一项专利。年获得纯粹液膜的第一项专利。 70年代初，卡斯勒（年代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功）又研制成功含流动载体的含流动载体的液膜液膜，使液膜分离技术具有更高的选择性。，使液膜分离技术具有更高的选择性。 膜分离：以天然或合成薄膜为质量分离剂，以压力差、化学位差等为推动力，根据膜分离：以天然或合成薄膜为质量分离剂，以压力差、化学位差等为推动力，根据液体或气体混合物的不同组分通过膜的渗透率的差异实现组分的分离、

5、分级、提纯液体或气体混合物的不同组分通过膜的渗透率的差异实现组分的分离、分级、提纯或富集的过程。或富集的过程。 6.3.1 膜膜膜应具备下述两个特性：膜应具备下述两个特性：第一：膜必须具有两个界面，分别与上游侧与下游侧的第一：膜必须具有两个界面，分别与上游侧与下游侧的流体物质互相接触。流体物质互相接触。第二：膜应具有选择透过性。第二：膜应具有选择透过性。 膜的种类膜的种类根据膜的材质固体膜液体膜根据材料来源天然膜合成膜无机材料膜有机高分子膜根据膜的结构多孔膜致密膜离子交换膜渗析膜微孔过滤膜超过滤膜反渗透膜渗透汽化膜气体渗透膜根据膜的功能膜材料选择膜材料选择 选择依据：膜材料本身的物理化学性质，

6、以及膜材料与分离体系中组分间的相互作选择依据：膜材料本身的物理化学性质，以及膜材料与分离体系中组分间的相互作用。用。 选择方法：溶解度参数选择法、选择方法：溶解度参数选择法、 Lansdale 膜材料选择法、高效液相色谱法、膜材膜材料选择法、高效液相色谱法、膜材料含水率法、分子模拟法等。料含水率法、分子模拟法等。 常用有机膜材料：常用有机膜材料： 纤维素衍生物、聚砜类、乙烯类高分子、含硅高分子、聚烯烃纤维素衍生物、聚砜类、乙烯类高分子、含硅高分子、聚烯烃（聚乙烯、聚丙烯等）、聚酰胺类及杂环含氮高聚物（最常用的是聚酰亚胺、含氟（聚乙烯、聚丙烯等）、聚酰胺类及杂环含氮高聚物（最常用的是聚酰亚胺、含

7、氟高分子（聚四氟乙烯等）。高分子（聚四氟乙烯等）。 膜的制备方法1 1、高分子膜的制备、高分子膜的制备定向拉伸法、核径迹法（痕迹刻蚀法）、定向拉伸法、核径迹法（痕迹刻蚀法）、熔融挤压法、溶出法等。熔融挤压法、溶出法等。2 2、无机膜的制备、无机膜的制备烧结法、溶胶烧结法、溶胶- -凝胶法、化学提取法、凝胶法、化学提取法、高温分解法、化学气相沉积法、电化学沉积法等高温分解法、化学气相沉积法、电化学沉积法等四、膜的分离性能：四、膜的分离性能：a. 用截留率表示用截留率表示： （R） 截留率；表示膜对溶质的截留能力，可用小数或百分数表示。截留率；表示膜对溶质的截留能力，可用小数或百分数表示。 %10

8、0)1(%100FPFPFCCCCCR原料浓度透过物浓度原料浓度b. 分离系数分离系数：AAAAxyxyAA11原料中其它组分浓度透过物其它组分浓度浓度原料浓度透过物.wVJS t3、 通量率减系数通量率减系数膜渗透通量随时间衰减膜渗透通量随时间衰减率率减减系系数数（小小数数）时时的的渗渗透透通通量量时时间间使使用用时时间间mhmkgJJJm 20/.wVJS t2 2、透过性通常用单位时间内通过单位膜面积的透过物量、透过性通常用单位时间内通过单位膜面积的透过物量Jw表示表示1、膜分离过程的机理非常复杂膜分离过程的机理非常复杂, ,这是由于分离具有这是由于分离具有多样性决定的。多样性决定的。2

9、、目前，比较常用的机理模型有筛分机理、溶解目前，比较常用的机理模型有筛分机理、溶解- -扩散机理和孔流机理等。扩散机理和孔流机理等。6.3.2 膜组件1.1.膜分离装置的核心是膜组件膜分离装置的核心是膜组件2.2.一个性能良好的膜组件一般应具备下述要求：一个性能良好的膜组件一般应具备下述要求：原料侧与透过侧的流体有良好的流动状态，以减少返混、浓差极化和膜污染；原料侧与透过侧的流体有良好的流动状态，以减少返混、浓差极化和膜污染；具有尽可能高地装填密度，使单位体积的膜组件中具有较高的有效膜面积；具有尽可能高地装填密度，使单位体积的膜组件中具有较高的有效膜面积；对膜能提供足够高的机械支撑，密封性良好

10、，膜的安装和更换方便；对膜能提供足够高的机械支撑，密封性良好，膜的安装和更换方便；设备费和操作费低；设备费和操作费低；（1）板框式膜组件（2）卷式膜具 由四层组成膜膜盐水盐水中心管中心管多孔支撑材多孔支撑材料料进料液隔网进料液隔网淡化水流淡化水流（3）管式膜具纤维束管纤维束管中心分布管中心分布管透过液透过液浓缩液浓缩液料液料液（4）.浓差极化浓差极化 对于液体混合物的膜分离过程，对于液体混合物的膜分离过程，其在边界层的扩散很慢，浓差其在边界层的扩散很慢，浓差极化往往不能忽略。极化往往不能忽略。浓差极化对过程的不利影响：浓差极化对过程的不利影响：浓差极化使膜表面被截留的溶质浓度增高，引起渗透压的

11、增大，浓差极化使膜表面被截留的溶质浓度增高，引起渗透压的增大，从而减小传质推动力；从而减小传质推动力； 当膜表面溶质浓度达到其饱和浓度时，便会在膜表面形成沉积当膜表面溶质浓度达到其饱和浓度时，便会在膜表面形成沉积或凝胶层，增加透过阻力；或凝胶层，增加透过阻力； 膜表面沉积或凝胶层的形成会改变膜的分离特性；膜表面沉积或凝胶层的形成会改变膜的分离特性； 当有机溶质在膜表面达到一定浓度则有可能对膜发生溶胀或溶当有机溶质在膜表面达到一定浓度则有可能对膜发生溶胀或溶解，恶化膜的性能；解，恶化膜的性能；严重的浓差极化导致结晶析出，阻塞流道，运行恶化。严重的浓差极化导致结晶析出，阻塞流道，运行恶化。 1、减

12、少边界层厚度、减少边界层厚度2、提高传质系数、提高传质系数方法：方法：1，增加料液流速；增加湍流速度；，增加料液流速；增加湍流速度；2，提高温度；清洗膜面。，提高温度；清洗膜面。6.3.3 膜分离过程膜分离过程膜分离过程推动力：压力差、浓度差、电位差等。膜分离过程推动力：压力差、浓度差、电位差等。 图图 6-44 各种膜分离过程的应用范围各种膜分离过程的应用范围 1 1）多数膜分离过程无相变发生，能耗通常较低。）多数膜分离过程无相变发生，能耗通常较低。 2 2）一般无需从外界加入其他物质，可节约资源和保护环境。）一般无需从外界加入其他物质，可节约资源和保护环境。 3 3）可使分离与浓缩、分离与

13、反应同时实现，大大提高了分离效率）可使分离与浓缩、分离与反应同时实现，大大提高了分离效率。 4 4）通常在温和条件下进行，因而特别适用于热敏性物质的分离、）通常在温和条件下进行，因而特别适用于热敏性物质的分离、分级、浓缩与富集。分级、浓缩与富集。 5 5 应用范围广。应用范围广。 6 6）规模和处理能力可在很大范围内变化，而效率、设备单价、运）规模和处理能力可在很大范围内变化，而效率、设备单价、运行费用等都变化不大。行费用等都变化不大。 7 7）膜组件结构紧凑，操作方便，可在频繁的启停下工作，易自控）膜组件结构紧凑，操作方便，可在频繁的启停下工作，易自控和维修，且可直接插入已有的生产工艺流程。

14、和维修，且可直接插入已有的生产工艺流程。 膜分离过程的现状与发展趋势：膜分离过程的现状与发展趋势：图图6-45 各种膜分离过程的现状与发展趋势各种膜分离过程的现状与发展趋势 一、过程原理：一、过程原理：1.1.超滤过程超滤过程膜膜: : 非对称性膜，表面活性层孔径非对称性膜，表面活性层孔径10-200微孔，微孔， 能截留分子量能截留分子量500以上大分子或胶体微粒。以上大分子或胶体微粒。压差压差: :0.1-0.5MPa性能性能: :透过性能以纯水的透过速度表示，截留性能透过性能以纯水的透过速度表示，截留性能 以截留相对分子质量表示。以截留相对分子质量表示。机理机理: :筛分机理。筛分机理。

15、超滤：超滤：进料进料溶剂、水溶剂、水胶体大分子应用：应用：1. 纯水制造纯水制造电子工业：超纯水；医药工业：注射剂、眼药水。电子工业：超纯水；医药工业：注射剂、眼药水。 2. 废水处理废水处理 回收有用的物质回收有用的物质 3. 产品加工产品加工 各种大分子物质分离，浓缩。各种大分子物质分离，浓缩。2.微滤过程微滤过程(微孔过滤微孔过滤)膜膜: : 微孔，均质的多孔膜，孔径微孔，均质的多孔膜，孔径0.02-几十微米几十微米， 能截留直径为能截留直径为0.05-10微米的微粒。微米的微粒。 压差压差: : 0.01-0.2MPa。原理原理: : 原料液在压差作用下，小分子物质与小分原料液在压差作

16、用下，小分子物质与小分 子量物质透过膜上微孔，流到低压侧。子量物质透过膜上微孔，流到低压侧。机理机理: : 筛分机理。筛分机理。三、工艺流程和应用三、工艺流程和应用1. 超、微滤流程超、微滤流程透过液原料膜组件储槽储槽2.超滤应用(1)食品、饮料工业超滤超滤反渗透反渗透1.反渗透是最早工业化和最成熟的膜分离过程之一，其工业应用是从海水、苦咸反渗透是最早工业化和最成熟的膜分离过程之一，其工业应用是从海水、苦咸水的脱盐开始的，现又有许多新的应用。水的脱盐开始的，现又有许多新的应用。2.纳滤是新近发展起来的介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程，因其能纳滤是新近发展起来的介于反渗透和超滤之间的压力

17、驱动膜分离过程，因其能够截留纳米级物质，故得名纳滤，又称低压反渗透。够截留纳米级物质，故得名纳滤，又称低压反渗透。3.反渗透和纳滤过程的传质模型：微孔模型、孔隙开闭理论和溶解反渗透和纳滤过程的传质模型：微孔模型、孔隙开闭理论和溶解- -扩散理论。扩散理论。 渗透率渗透率P:m3/m(m3.s.Pa)。 渗透系数渗透系数J：单位时间、单位膜面积、：单位时间、单位膜面积、单位推动力作用下所透过的气体的量，常用单位为单位推动力作用下所透过的气体的量，常用单位为cm3/(cm2.s.cmHg) 分离因子分离因子 (2) (2) 气体膜分离过程气体膜分离过程jiijJJ/ 类型：真空渗透汽化、载气吹扫渗

18、透汽化、热渗透汽化或温度梯度渗透汽化、溶剂吸收渗类型：真空渗透汽化、载气吹扫渗透汽化、热渗透汽化或温度梯度渗透汽化、溶剂吸收渗透汽化等。透汽化等。主要特点：主要特点： 分离选择性高。分离选择性高。 分离作用不受组分汽液平衡的限制，而主要受组分在膜内的渗透速率的控制。分离作用不受组分汽液平衡的限制，而主要受组分在膜内的渗透速率的控制。 渗透通量低，一般小于渗透通量低，一般小于1000g/m2h 。 过程中有相变过程中有相变。 在操作过程中，进料侧原则上不需加压，所以不会导致膜的压密。在操作过程中将形成在操作过程中，进料侧原则上不需加压，所以不会导致膜的压密。在操作过程中将形成溶胀活性层及所谓膜的

19、溶胀活性层及所谓膜的“干区干区”，膜可自动转化为非对称膜。，膜可自动转化为非对称膜。 从混合液中分离出少量物质，如有机物中少量水的脱除，水中少量挥发性有机物的脱除；从混合液中分离出少量物质，如有机物中少量水的脱除，水中少量挥发性有机物的脱除； 有机混合物的分离；有机混合物的分离； 与反应过程结合，强化反应过程。与反应过程结合，强化反应过程。 分离性能评价指标：分离性能评价指标： 1 1）分离因子（）分离因子（6-167） 2 2）渗透通量：单位时间、单位膜面积、单位推动力作用下所透过的物质的量，）渗透通量：单位时间、单位膜面积、单位推动力作用下所透过的物质的量， 3 3）渗透汽化分离指数）渗透

20、汽化分离指数 PSI ： 电渗析：电渗析：在直流电场的作用下，利用离子交在直流电场的作用下，利用离子交换膜的选择渗透性，产生阴阳离子的定向迁换膜的选择渗透性，产生阴阳离子的定向迁移。移。（4 4）电渗析）电渗析2.电渗析过程阳膜阳膜阴膜阴膜阴膜阴膜阳膜阳膜+-阳级阳级阴级阴级+12345浓缩室浓缩室浓缩室浓缩室淡化室淡化室N+ +aN+ +aN+ +aN+ +a Cl Cl Cl Cl ClN+ +aN+ +a Cl过程：过程： 1. 两电极间交替放置阴阳离子膜；两电极间交替放置阴阳离子膜； 2. 在二膜形成的隔室中充入含离子水溶液；在二膜形成的隔室中充入含离子水溶液； 3. 接上电源后，溶液中带正点荷离子在电场作用下，向阴接上电源后，溶液中带正点荷离子在电场作用下，向阴极方向运动，易穿过阳膜，被阴膜挡住，带负电荷离子反之。极方向运动，易穿过阳膜，被阴膜挡住，带负电荷离子反之。 4. 结果结果 2、4隔室中离子浓度增加，隔室中离子浓度增加，3室离子浓度下降。室离子浓度下降。二、电渗析中传递过程二、电渗析中传递过程（1