膜分离技术展示

1、黄建伟黄建伟膜分离技术膜分离概述膜分离概述微滤微滤超滤超滤反渗透反渗透主要内容膜，膜，是指在一种流体相内或是在两种流体相之间存在的一层薄的凝聚相，它把流体相分隔为两部分，并能使这两部分之间产生传质作用。膜的特性：（膜的特性：（1 1）不管膜多薄, 它必须有两个界面。这两个界面分别与两侧的流体相接触。（2 2）膜传质有选择性，它可以使流体相中的一种或几种物质透过，而不允许其它物质透过。膜分离过程原理：膜分离过程原理：以选择性膜为分离介质，通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压力差等）时，使原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离提纯的目的。通常膜原料侧称为膜上游，透过侧称为膜下游。膜的种类膜的种类

2、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。例如：按膜的形状分为平板膜(Flat Membrane)、管式膜(Tubular Membrane)和中空纤维膜(Hollow Fiber membrane)。按膜结构可分为对称膜（Symmetic Membrane）、非对称膜(Asymmetric Membrane)和复合膜(Composite Membrane)。膜性能的表示法膜性能的表示法膜的分离特性主要包括分离效率R、渗透通量J和通量衰减系数（m）表示。tAWJ121cccRmJJ0式中：c1料液中溶质浓度， c2透过液中溶质浓度W透过物

3、量，A膜的有效面积，t时间J时间的渗透物量，J0初始渗透通量，使用时间，m-衰减系数微滤是利用微孔膜孔径的大小，在压差的推动下，将溶液中大于孔径的微粒、细菌及悬浮物质等截留下来，达到除去滤液中微粒与澄清溶液的目的。微孔膜是均匀的多孔薄膜，厚度在90150 m左右，过滤粒径在0.02510m之间，操作压在0.010.2MPa。微滤微滤微滤膜的机理微滤膜的机理一般认为微滤的分离机理为筛分机理，膜的物理结构起决定作用，此外，吸附和电性能等因素对截留也有影响。通过电镜观察可发现，截留作用主要分为膜表层截留和膜内部截留。（1）膜表层截留膜表层截留主要包括机械截留作用、物理作用或吸附截留作用以及架桥作用等

4、。（2）膜内部截留相较于表层截留，内部截留杂质捕捉量较多，但不易清洗。微滤的操作模式微滤的操作模式（1）常规过滤（死端过滤）死端过滤原料液置于膜的上游，在压差的推动下，溶剂和小于膜孔颗粒渗透过膜，大于膜孔的颗粒则被截留。随时间的延长，膜表面将形成污染层，过滤阻力增加，操作压力不变的情况下，膜的渗透速率将下降，因此常规操作只能是间歇的。（2）错流过滤（动态过滤）原料液以切线方向流过膜表面，在压力作用下透过膜，料液中的颗粒则被膜截留而停留在膜表面形成一层污染层。由于料液流经膜表面产生的高剪切力可使污染物重新返回主体流，达到平衡时，污染层将稳定在一个较薄的稳定水平，此时膜渗透率在长时间内也将保持在一

5、个较高水平。微滤膜污染的原因微滤膜污染的原因膜污染通常是由于膜表面形成了附着层或膜孔道发生堵塞而引起的，主要原因有：（1）膜孔堵塞微滤膜的膜孔堵塞主要包括机械堵塞、架桥、吸附，其中机械堵塞是固体颗粒将膜孔完全堵住，而架桥和吸附并非完全堵住，而是形成滤饼过滤。大多数情况下，过滤前期主要是机械堵塞，过滤后期主要是滤饼过滤。（2）浓差极化及凝胶层料液中的溶质由于膜的截留而在膜上积累，使得边界层中溶液浓度大大高于主体流溶液浓度，形成膜表面到主体流溶液间的浓度差，使得膜边界层的溶质反向扩散到主体流溶液中，该现象称为浓差极化。当膜表面溶质浓度超过凝胶浓度时，膜表面会形成凝胶层。形成凝胶层后，若再增大压差，

6、则凝胶层厚度会相应增加使凝胶层阻力增加，此时所增加压力与增厚的凝胶层阻力相抵消，使得实际渗透速率没有明显增加。浓差极化的表现为减少膜的渗透通量，影响膜的截留率。（3）溶质吸附当膜与料液接触，料液中的大分子、胶体或者细菌便会与膜相互作用而吸附或者粘附在膜面上，从而改变膜特性。（4）生物污染膜组件内部潮湿阴暗，是一个微生物生长的理想环境，所以一旦原水的生物活性水平较高，则极易发生膜的生物污染。超滤是通过膜的筛分作用将溶液中大于膜孔的大分子溶质截留，使溶质与溶剂及小分子组分分离的膜过程。超滤超滤超滤过程的分离机理主要为机械筛分，主要有溶质在膜表面截留、在膜表面及微孔内吸附、膜孔的堵塞等。超滤膜属于压

7、力驱动型膜分离过程；其分离的粒子直径为0.005-0.1m，相对分子质量为500-1000000的大分子和胶体物质；过滤方式一般为错流过滤，主要应用于料液澄清、溶质的截留浓缩及溶质间的分离。超滤膜性能的表征超滤膜性能的表征（1）渗透速率 J=Q/(At) L/(m2*h)一般情况下超滤膜的纯水渗透速率约为20-1000L/(m2*h)，在料液体系中溶液的渗透率一般为1-100L/(m2*h)。（2）膜截留相对分子质量截留相对分子质量（MWCO）不仅可用来表示超滤膜的孔径，也可表征膜的分离特性，通常定义为膜对某标准物截留率为90%时所对应相对分子质量。MWCO的确定的确定例如，某种膜的截留分子量

8、为10000，意味着分子量大于10000的所有溶质90%以上能被这种膜截留。标准物质的选择一般具有以下要求：在溶液中为球形；标准物质的相对分子质量应涵盖截留率从0-100%的范围；标准物不易被膜吸附或污染；标准物纯度高、稳定且易分析。渗透速率的影响因素渗透速率的影响因素（1）料液浓度质量传质模型的基本方程： J=kln(cm/cb)式中：k为传质系数，cm-膜表面的边界层最大值，cb-料液溶质浓度一般来讲，渗透速率随料液浓度的增加按指数规律下降，但也有些不符合质量传递模型传递规律的例子。（2）温度一般来讲，膜的渗透速率随操作温度的提高而增大，这条规律排除一些异常情况比如较高温度下盐溶解度下降而

9、沉积在膜表面或蛋白的变性及淀粉的凝胶化都将给膜造成污染。（3）压力在膜控制区或者压力控制区，膜的渗透速率与压力成正比；在凝胶极化区，膜的渗透速率几乎不随压力升高而升高。（4）料液流动状态一般来讲，湍流可以有效地减少浓差极化层的厚度，降低凝胶层厚度，可改善料液的流动状态。(5)pHpH值会影响膜表面的电性及溶质的荷电，从而影响膜的渗透速率。膜污染膜污染膜污染的主要后果有：(1)导致渗透速率的下降。(2)由于膜污染的要求增加膜的面积及膜的清洗系统，设备成本增加（清洗成本约为操作成本的5%-20%）。(3)膜的频繁清洗降低膜的寿命，生产成本高。(4)膜的污染也会影响膜的分离性能，从而影响产品质量。反

10、渗透（RO）是借助半透膜对溶液中低分子量溶质的截留作用，以高于溶液渗透压的压差为推动力，使溶剂通过半透膜。由于截留溶质非常小，因此孔径比一般的分离膜小，操作压力也因此较大。目前反渗透不仅适用于海水和苦咸水淡化，在电子、石油化工、食品、医疗卫生等领域也有应用。反渗透反渗透渗透现象与反渗透现象渗透现象与反渗透现象用半透膜将两种不同浓度的水溶液隔开，水会自然地透过半透膜渗透从低浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁移，这一现象称渗透渗透，推动力是低浓度溶液中水的化学位与高浓度溶液中水的化学位之差。随着水的渗透，高浓度水溶液一侧的液面升高，压力增大。当液面升高至H时，渗透达到平衡，两侧的压力差就称为渗透压表现

11、为水的渗透压渗透压。 范特荷夫渗透压公式n-溶液中的组分数，ci-溶质的摩尔浓度niicRT1如果在高浓度水溶液一侧加压，使高浓度水溶液侧与低浓度水溶液侧的压差大于渗透压，则高浓度水溶液中的水将通过半透膜流向低浓度水溶液侧，这一过程就称为反渗透。反渗透。反渗透过程机理反渗透过程机理优先吸附-毛细孔流机理当水溶液与多孔膜接触，如果膜的物化性质使得膜对水优先吸附，则膜于溶液界面附近溶质浓度会急剧下降，从而形成一层纯水层。在外界压力的作用下，水层就会透过膜表面的毛细孔，就有可能从水溶液中获得纯水，纯水层的厚度与溶质及膜表面的化学性质有关。当膜表皮层的毛细孔径接近或者等于2倍纯水层厚度t时，此时可以获

12、得最高的渗透通量，该孔径称为“临界孔径”。孔径小于2t时，膜的透水率降低；膜孔径大于2t时，部分溶质会通过导致脱盐率下降。在这一机理的指导下，研制而成性能优良的醋酸纤维素反渗透膜，奠定了实用反渗透膜的发展基础。溶解-扩散机理该机理认为溶剂和溶质透过膜的过程分为三步：第1步：溶剂和溶质在膜上游侧吸附溶解第2步:溶剂和溶质在化学位梯度的作用下，以分子扩散形式透过膜。第3步：透过物在膜下游解吸。根据Fick定律，假设溶剂在膜中溶解符合亨利定律，等温情况下可得：式中：Jw-水的渗透通量，A-溶剂的渗透系数p-膜两侧压力差，-溶液渗透压差溶质的扩散通量可近似表示为：式中：Di,m-溶质i在膜中的扩散系数

13、，Ki-分配系数cr,cp-分别为膜上游和膜下游溶质浓度)(pAJwlccKDJpirimii)(,i,反渗透性能的表征参数反渗透性能的表征参数透水率Fw: Fw=A(p-) 透盐率Fs: Fs=B(c2-c3)式中：B-透盐系数，c2、c3-分别为膜高压侧面上、低压侧水溶液浓度压密系数：有机膜在长期高压操作下必然会被越压越紧，从而造成透水率不断下降，这是一个不可逆的过程。式中：Fw1、Fwt-分别运行1h、th后膜的透水率; t-操作运行时间，h; m-膜的压密系数m表示膜的使用寿命，m越小则膜的使用时间越长，当m=0.1时，一年后膜因压密而失去的透水率达45%，一般反渗透膜要求m0.03。

14、tmFwFwtlg1lg反渗透预处理反渗透预处理由于进水的种类很多、成分复杂，有各种天然水、市政水和工业废水等，在反渗透过程中会产生沉淀，污染膜、损伤膜等，为确保反渗透的正常进行，需进行预处理。（1）除去悬浮固体，降低浊度。（2）抑制和控制微溶盐的沉淀。（3）调节和控制进水的温度和pH。（4）杀死和抑制微生物的生长。（5）去除各种有机物。（6）防止铁、锰等金属氧化物和二氧化硅的沉淀等。微滤、超滤、纳滤的基本特性对比膜过程膜过程透过组分透过组分截留组分截留组分推动力推动力传递机理传递机理膜类型膜类型微滤MF溶液、气体0.02-10m粒子压差约100kpa筛分多孔膜超滤UF小分子溶液1-20nm大分子溶质压差100-1000kpa筛分非对称膜反渗透RO溶剂、可被电渗析截留组分0.1-1nm小分子溶质压差1000-10000kpa优先吸附、毛细管流动、溶解扩散非对称膜或对称膜膜技术用于乳清处理膜技术用于乳清处理乳清200m3/d蛋白质0.7%乳糖4.3%灰分0.5%脂肪0.05%总固含量5.55%预处理预处理超滤超滤渗透液渗透液190m3/d乳糖乳糖4.3%灰分灰分0.5%反渗透反渗透渗透液渗透液144m3/dBOD500g/m3浓缩液浓缩液10m3/d蛋白质14.0%乳糖4.3%灰分0.5%脂肪1.0%浓缩液浓缩液46m3