分离膜和膜分离过程

关于分离膜和膜分离过程第一页，共五十三页，2022年，8月28日本章主要内容分离膜和膜分离分离膜的种类分离膜的制备膜的分离特性第二页，共五十三页，2022年，8月28日第一节分离膜和膜分离分离膜广义上指分隔两相界面，并以特定的形式限制和传递各种化学物质，有选择性的膜。膜分离是指借助膜的选择渗透作用，对混合物中的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法。一、定义第三页，共五十三页，2022年，8月28日二、膜分离技术与传统分离技术区别机械分离过程颗粒大小不同，如筛分和过滤；重力和离心分离物体密度不同，如重力沉降、旋风分离等；平衡分离过程体系处于平衡状态时不同相态（气液、气固、液固）中浓度不同，如蒸馏、萃取、结晶、吸附、吸收等速率控制分离过程物质分子在外力作用下迁移速率不同，如膜分离和电泳；第四页，共五十三页，2022年，8月28日各种分离法及适用范围第五页，共五十三页，2022年，8月28日①膜中分布微细孔穴，不同孔穴选择性渗透②膜中存在电荷，吸附、排斥产生选择性渗透③被分离物在膜中的溶解、扩散作用产生选择渗透性※膜材料能够选择渗透的原因第六页，共五十三页，2022年，8月28日三、膜分离过程的特点多数无相变，对能量要求低；分离条件较温和，适合于热敏性物质分离；操作方便、结构紧凑、维修费用低、易于自动化。第七页，共五十三页，2022年，8月28日※膜在分离过程中具有如下功能①物质的识别与透过使混合物中各组分之间实现分离的内在因素②界面膜将透过液和保留液(料液)分为互不混合的两相③反应场膜从表面到孔内表面含有与特定溶质具有相互作用能力的官能团，通过物理作用、化学反应或生化反应提高膜分离的选择性和分离速度第八页，共五十三页，2022年，8月28日推动力膜过程压力差反渗透、超滤、微滤、纳滤、气体分离电位差电渗析、膜电解浓度差透析、膜传感器温度差膜蒸馏化学反应化学反应膜※四、膜分离过程的分类第九页，共五十三页，2022年，8月28日五、膜分离的应用领域化学/染料工业

活性染料的脱盐、纯化、浓缩与回收食品染料的脱盐、纯化、浓缩与回收催化剂与贵金属的回收利用脱氧、氧化、酯化、皂化、磺化、硝化、脱氢反应中液体的分离、纯化甘油/己内酰胺/苯/染料活性剂等有机化工原料的回收汽车/仪表及其它工业涂漆的浓缩回收第十页，共五十三页，2022年，8月28日

食品/饮料工业

啤酒/果酒/黄酒/葡萄酒的澄清除菌过滤苹果、梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、柠檬等果汁的澄清除菌过滤苹果、梨、凤梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、柠檬等果汁的脱水浓缩葡萄酒/果酒/茶/咖啡芬香气味的浓缩保留豆蛋白/乳清蛋白/白蛋白/单糖/多糖溶液的澄清与浓缩乳清、奶酶及其他乳品的澄清、脱盐与浓缩蔬菜抽提汁/西红柿汁的脱水浓缩

第十一页，共五十三页，2022年，8月28日制药/生物工程

抗生素、维生素、有机酸、氨基酸、酶等发酵液的澄清除菌过滤抗生素、维生素、有机酸、氨基酸等发酵液的蛋白剔除酶、蛋白质、多糖制备过程中细胞碎片的剔除抗生素、氨基酸、维生素、有机酸、酶、多糖、蛋白质的纯化与浓缩中成药、保健品口服液的澄清除菌过滤动物血浆、血清的浓缩精制其他相关的脱盐浓缩、澄清除菌、蛋白剔除、细胞收集等分离过程第十二页，共五十三页，2022年，8月28日空气过滤

喷雾干燥过程中染料、抗生素、奶粉等的回收

电池厂金属镉、氧化铅粉尘的收集粉碎过程中磷酸盐、氧化镁、二氧化钛、碳粉、水泥、碳酸钙的回收包装过程中砂糖、染料、奶粉、味精等的回收干燥过程中PVC、二氧化硅、活性碳、肥料等的回收合成氨尾气中氢气的回收利用

其他一切有关的粉尘收集及空气除尘过程第十三页，共五十三页，2022年，8月28日

水处理

饮用纯水的制备医药工业中注射用水/洗瓶水及其他无菌水的制备电子工业中超纯水的制备火力发电厂锅炉补给水的制备饮料与化妆品工业中产品配方用水的制备饮用水纯化/苦碱水脱盐/海水淡化废水循环与再生利用（零排放）染料、颜料、油漆、含油废水的处理纸浆与造纸废水的处理及木素磺酸盐的回收金属、食品、皮革、农药和除草剂废水的处理纺织印染废水的处理及丝光废水的回收利用第十四页，共五十三页，2022年，8月28日六、国内膜分离技术主要应用海水淡化污水再生净化水第十五页，共五十三页，2022年，8月28日第二节分离膜的种类一、高分子膜高分子膜的性能与高分子材料的特性密切相关高分子的结构特征由以下因素决定相对分子量；高分子的化学结构与空间排列（构造、主侧链等）不同的大分子间的相互作用（氢键、偶极距等）第十六页，共五十三页，2022年，8月28日亲水性好，孔径范围较宽，较高通量，成本低，无毒；操作温度窄（30℃），pH窄（3-6)，压实现象，易生物降解包括天然纤维素、醋酸纤维素（二、三CA、CTA）、硝化（CN）、乙基（EC）、混合（CN-CA）1、纤维素类膜第十七页，共五十三页，2022年，8月28日聚砜类树脂具有良好的化学、热学和水解稳定性，强度也很高；pH值适应范围为1～13，最高使用温度达120℃；抗氧化性和抗氯性都十分优良；孔径范围较宽，超滤、微滤；疏水性，易被溶质污染2、聚砜类膜第十八页，共五十三页，2022年，8月28日3、聚酰胺类膜反渗透复合膜，多孔、力学强度和热稳定性良好、pH（3-11）；对氯离子抵抗能力差，易受蛋白质污染第十九页，共五十三页，2022年，8月28日4、聚烯烃类膜PE、PP、PVC、PS、PAN、PMMA，国内最早开发的膜材料5、其他类聚合物膜聚偏氟乙烯膜、再生纤维素膜、芳香杂环类、离子型聚合物、共混和嵌段、接枝共聚物膜第二十页，共五十三页，2022年，8月28日二、无机膜陶瓷膜、玻璃膜、金属膜（含碳）和沸石膜等。耐温，化学稳定性好，机械强度大，抗微生物腐蚀，适用寿命长；无弹性、脆、不适用于热强碱体系第二十一页，共五十三页，2022年，8月28日第三节分离膜的制备膜的制备工艺有化学的和物理的方法或者二者结合。西村正人从高分子材料的选择和膜材料的化学结构方面，总结出具有分离孔径膜的10种化学方法和9种物理方法。第二十二页，共五十三页，2022年，8月28日10种化学方法第二十三页，共五十三页，2022年，8月28日9种物理方法第二十四页，共五十三页，2022年，8月28日一、均质对称膜的制备对称膜是指膜主体具有均一的结构。1.致密均质膜溶剂浇铸法适于可溶性聚合物，将聚合物用溶剂溶解，然后用刮刀或压延辊将聚合物溶液刮在平整的玻璃板或不锈钢板上，然后让溶剂挥发，对不同的聚合物找到合适的溶剂是关键。挤压法适于不溶于溶剂的聚合物，将聚合物置于两加热板间，加热温度在聚合物软化点以上，在高压下保持一段时间，冷却即可。第二十五页，共五十三页，2022年，8月28日2.微孔均质膜

拉伸法在接近聚合物熔点温度下，挤压聚合物膜，并配合以很快的拉出速度，在迅速冷却下制成高度定向的结晶膜，冷却后对膜进行第二次拉伸，使膜的结晶结构破坏，并产生裂缝状的孔隙。

烧结法将粉状的聚合物加热，控制温度及压力，使粉粒间存在一定空隙，只使粉粒的表面熔融但不全熔，相互粘结形成多孔的薄层或块状物，再加工成滤膜。第二十六页，共五十三页，2022年，8月28日溶出法在制膜基材中混入某些可溶出的高分子材料，或其他可溶的溶剂，或与水溶性固体细粉混炼。成膜后用溶剂将可溶性物质溶出，从而形成多孔膜。核刻蚀法将均质聚合物膜置于核反应器的荷电离子束照射下，荷电粒子通过膜时，打断了膜内聚合物链节，留下感光径迹，然后膜通过一刻蚀浴，其内溶液优先刻蚀掉聚合物中感光的核径迹，形成孔。第二十七页，共五十三页，2022年，8月28日膜受照射时间的长短膜孔数目刻蚀时间的长短决定膜孔的大小特点:孔径分布均匀，孔为圆柱形或圆锥形毛细管第二十八页，共五十三页，2022年，8月28日二、非对称膜的制备非对称膜是指膜主体具有两种或两种以上的形貌结构比对称膜具有高得多的透过速率，是工业上用的最多的膜类致密的或具有微小细孔的选择性透过薄层支撑在多开放孔的底膜上

第二十九页，共五十三页，2022年，8月28日相转化膜制备过程：相转化是一种以某种控制方式使聚合物从液态转变为固体的过程，这种过程通常是由一个均相液态转变成两个液态而引发。通过控制相转化的初始阶段，可以控制膜的形态。1）配制具有适当的均相聚合物溶液；2）将聚合物溶液流涎成薄膜；3）蒸发部分溶剂；4）聚合物凝胶（沉淀）；5）热处理。第三十页，共五十三页，2022年，8月28日在沉淀过程中形成液膜的聚合物溶液分为两相，富聚合物的固相形成膜的皮层，富溶液的液相形成膜孔。第三十一页，共五十三页，2022年，8月28日根据沉淀方式，又分为热凝胶法和非溶剂凝胶法。热凝胶法适合于聚合物在溶液中的溶解度受温度变化较大的铸膜液体系。非溶剂凝胶法适用于聚合物的溶解度受温度影响不大，而且能在室温或低温溶解的情况。第三十二页，共五十三页，2022年，8月28日1.热凝胶法将加热配制的均相制膜液流涎成膜后，然后冷却，液膜发生沉淀、分相，温度进一步降低，沉淀分相进一步进行。孔的体积主要决定于制膜液的初始组成，孔的大小分布基本取决于冷却速度，通常快速冷却得到的较小孔径的膜。第三十三页，共五十三页，2022年，8月28日聚合物、溶剂与非溶剂的配伍关系2.非溶剂凝胶法非溶剂又称凝胶剂，指对膜材料不溶而对溶剂能互溶的溶剂。第三十四页，共五十三页，2022年，8月28日非溶剂凝胶法又分为溶剂蒸发凝胶法、吸入蒸气凝胶法、控制蒸发凝胶法、浸渍凝胶法浸渍凝胶法（L-S法）最常用有机高分子膜制备方法，将聚合物溶液刮涂在适当的支撑体上，浸入含非溶剂的凝固浴中，溶剂/非溶剂的交换导致沉淀，得到膜的结构由传质和相分离两者共同决定。聚合物溶剂铸膜液压滤、脱泡非对称多孔膜非溶剂凝胶浴中溶剂与非溶剂交换成膜成孔剂第三十五页，共五十三页，2022年，8月28日溶剂蒸发凝胶法（目前CA膜使用最多）吸入蒸气凝胶法控制蒸发凝胶法聚合物溶剂铸膜液压滤、脱泡刮涂在支撑体上溶剂在惰性环境中蒸发成膜聚合物溶剂铸膜液压滤、脱泡多孔膜被溶剂饱和的非溶剂环境中进行非溶剂向膜中扩散成膜聚合物混合溶剂铸膜液压滤、脱泡多孔膜控制溶剂蒸发速度成膜第三十六页，共五十三页，2022年，8月28日三、复合膜制备工艺由同一种材料构成皮层和多孔亚层；另一种是由不同的聚合物材料构成皮层和亚层。层压、浸涂、喷涂、旋转涂敷；界面聚合、原位聚合、离子聚合、接枝等。第三十七页，共五十三页，2022年，8月28日界面聚合将支撑体浸入含有活泼单体或预聚物水溶液中，然后将此膜浸入另一个含有另一种活泼单体的与水不溶的溶剂中，则两种单体或预聚物在两相界面处发生反应，形成皮层。浸涂法将不对称膜浸入含有聚合物、预聚物或单体的涂膜液中，然后取出支撑体，一薄层溶液附着其上，加热使溶剂蒸发并发生交联，从而使皮层固定在亚层上。第三十八页，共五十三页，2022年，8月28日四、无机膜制备工艺第三十九页，共五十三页，2022年，8月28日第四十页，共五十三页，2022年，8月28日第四十一页，共五十三页，2022年，8月28日第四十二页，共五十三页，2022年，8月28日第四十三页，共五十三页，2022年，8月28日第四十四页，共五十三页，2022年，8月28日分离膜的制备均质对称膜非对称膜——相转移法复合膜无机膜致密均质膜——微孔均质膜——拉伸法、烧结法核刻蚀、溶出法溶液浇铸法、挤压法溶剂蒸发凝胶法、蒸气相凝胶法、热凝胶法、控制蒸发凝胶法、浸渍凝胶法浸涂、喷涂、旋转涂覆、界面聚合、原位聚合、等离子聚合、接枝烧结法、溶胶-凝胶法、刻蚀法、高温分解法、沉积法第四十五页，共五十三页，2022年，8月28日液膜的制备面第四十六页，共五十三页，2022年，8月28日（a）油包水型液膜（b）水包油型液膜第四十七页，共五十三页，2022年，8月28日第四节膜的分离特性1.膜的分离透过性能：分离效率和渗透通量脱除率或截留率Rα=1-cp/cb（cb原液浓度，cp透过液浓度）分离系数或分离因子（α）渗透通量——单位时间内、单位面积膜上透过的溶液量，JV=V/At※孔径是决定膜的分离透过性能的主要因素第四十八页，共五十三页，2022年，8月28日孔径,力学强度,化学和热稳定性,厚度、密度

、孔隙率等等膜孔径测量方法：直接观测法和间接法电子