第四章膜技术及其

第四章膜技术及其第1页，共54页，2023年，2月20日，星期四目录第一节膜分离技术的概述第二节反渗透除盐第三节微滤第四节超滤第五节纳滤第六节电渗析与电除盐第2页，共54页，2023年，2月20日，星期四膜分离技术的重要性膜分离技术兼具分离、浓缩和纯化的功能，又有使用简单、易于控制及高效、节能的特点选择适当的膜分离技术，可替代过滤、沉淀、萃取、吸附等多种传统的分离与过滤方法。

膜分离技术得到各国重视：国际学术界一致认为“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来”。

膜分离技术在短短的时间迅速发展起来，近30年膜分离技术，已广泛用于食品、医药、化工及水处理等各个领域。产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。第3页，共54页，2023年，2月20日，星期四第一节膜分离技术的概述概念：利用天然或人工合成的、具有选择透过性的薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分体系进行分离、分级、提纯或富集的过程第4页，共54页，2023年，2月20日，星期四1925年以来，差不多每十年就有一项新的膜过程在工业上得到应用30年代微滤40年代透析50年代电渗析60年代反渗透70年代超滤80年代纳滤90年代渗透蒸发概述第5页，共54页，2023年，2月20日，星期四膜的用途浓缩：目的产物以低浓度形式存在，因此需要除去溶剂；（截留物为产物）纯化：除去杂质；分离：将混合物分成两种或多种目的产物；反应促进：把化学反应或生化反应的产物连续取出，能提高反应速率或提高产品质量。第6页，共54页，2023年，2月20日，星期四膜分离的特点①操作在常温下进行；②是物理过程，不需加入化学试剂；③不发生相变化（因而能耗较低）；④在很多情况下选择性较高；⑤浓缩和纯化可在一个步骤内完成；⑥设备易放大，可以分批或连续操作。第7页，共54页，2023年，2月20日，星期四膜的分类按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜多孔膜与致密膜：前者微滤膜、超滤膜、纳滤膜，后者反渗透膜、渗透蒸发第8页，共54页，2023年，2月20日，星期四常见膜分离方法按分离粒子大小分类：透析（Dialysis，DS）微滤（Microfiltration，MF）超滤（Ultrafiltration，UF）纳滤（Nanofiltration，NF）反渗透（Reverseosmosis，RO）电渗析（Electrodialysis，ED）渗透蒸发（Pervaporation，PV）第9页，共54页，2023年，2月20日，星期四分离粒子大小范围第10页，共54页，2023年，2月20日，星期四第二节反渗透除盐（RO）反渗透的原理——半透膜理论第11页，共54页，2023年，2月20日，星期四反渗透膜的制备膜材料应该具备的条件A单位面积水通量高，截留率高B化学稳定性好，耐氯和其他氧化物氧化，耐高温，耐酸碱C抗生物、悬浮物与胶体的污染D机械强度高，多孔支撑层的压实作用小E原料充足，制造容易，价格便宜第12页，共54页，2023年，2月20日，星期四常用的半透膜天然材料：各种纤维素衍生物人造材料：各种合成高聚物特殊材料：复合膜，无机膜,不锈钢膜，陶瓷膜第13页，共54页，2023年，2月20日，星期四1.醋酸纤维素膜（CA膜）：①透过速度大②截留盐的能力强③易于制备④来源丰富⑤不耐温（30℃）⑥pH范围窄，清洗困难⑦与氯作用，寿命降低⑧微生物侵袭⑨适合作反渗透膜第14页，共54页，2023年，2月20日，星期四2.聚酰胺膜（PA膜）（1）温度范围广（2）pH范围广（3）耐氯能力强（4）孔径范围宽（5)操作压力低（6）适合作超滤膜第15页，共54页，2023年，2月20日，星期四3.芳香聚酰胺膜聚酰胺含有酰胺基团（-CO-NH-）,亲水性好,且其机械稳定性、热稳定性及水解稳定性均很好,是最典型的反渗透膜材料之一，但同样不耐氯与醋酸纤维素反渗透膜相比,它具有脱盐率高、通量大、操作压力要求低、pH范围广4-11第16页，共54页，2023年，2月20日，星期四4.近年来开发的新型膜材料复合膜；无机多孔膜；纳米过滤膜。功能高分子膜；聚氨基葡糖

第17页，共54页，2023年，2月20日，星期四反渗透膜的基本性能透水率（水通量）——单位时间单位膜面积上的纯水的透过量。来表示反渗透膜的透量的大小，用JW表示。透盐率和脱盐率透盐率指盐通过反渗透膜的速度，用Js表示Js=B（C1-C2）B——膜的盐透过系数C1——高压侧盐的浓度C2——低压侧盐的浓度脱盐率R=（1-C2/C1）*100%第18页，共54页，2023年，2月20日，星期四选择透过性反渗透膜的脱盐率对水中不同的盐是不同的。不同物质有不同的脱除规律，这就是反渗透膜的选择通过性，反渗透膜对离子的脱除规律：水合半径越大，电荷越高的离子，脱除率越高反渗透膜对有机物额脱除规律：分子质量越大，去除效果越明显反渗透膜对水中溶解气体的脱除规律：对氨、氯、二氧化碳和硫化氢等气体脱除效果较差第19页，共54页，2023年，2月20日，星期四反渗透水处理组件将膜、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。膜组件的结构及型式取决于膜的形状,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。第20页，共54页，2023年，2月20日，星期四第21页，共54页，2023年，2月20日，星期四(1)、板框式(Plate-and-Frame)膜组件板框式是最早使用的一种膜组件。其设计类似于常规的板框过滤装置,膜被放置在可垫有滤纸的多孔的支撑板上,两块多孔的支撑板叠压在一起形成的料液流道空间,组成一个膜单元,单元与单元之间可并联或串联连接。不同的板框式设计的主要差别在于料液流道的结构上。第22页，共54页，2023年，2月20日，星期四第23页，共54页，2023年，2月20日，星期四(2)、管式(Tubular)膜组件管式膜组件有外压式和内压式两种。对内压式膜组件,膜被直接浇铸在多孔的不锈钢管内或用玻璃纤维增强的塑料管内。加压的料液流从管内流过,透过膜的渗透溶液在管外侧被收集。对外压式膜组件,膜则被浇铸在多孔支撑管外侧面。加压的料液流从管外侧流过,渗透溶液则由管外侧渗透通过膜进入多孔支撑管内。无论是内压式还是外压式,都可以根据需要设计成串联或并联装置。第24页，共54页，2023年，2月20日，星期四第25页，共54页，2023年，2月20日，星期四(3)、螺旋卷式(SpiralWound)膜组件目前,螺旋卷式膜组件被广泛地应用于多种膜分离过程。膜、料液通道网、以及多孔的膜支撑体等通过适当的方式被组合在一起,然后将其装人能承受压力的外壳中制成膜组件。通过改变料液和过滤液流动通道的形式,这类膜组件的内部结构也可被设计成多种不同的形式。第26页，共54页，2023年，2月20日，星期四第27页，共54页，2023年，2月20日，星期四(4)、中空纤维(HollowFiber)膜组件中空纤维膜组件的最大特点是单位装填膜面积比所有其他组件大,最高可达到30000m2/m3。中空纤维膜组件也分为外压式和内压式。将大量的中空纤维安装在一个管状容器内,中空纤维的一端以环氧树脂与管外壳壁固封制成膜组件。料液从中空纤维组件的一端流人,沿纤维外侧平行于纤维束流动,透过液则渗透通过中空纤维壁进入内腔,然后从纤维在环氧树脂的固封头的开端引出,原液则从膜组件的另一端流出。

第28页，共54页，2023年，2月20日，星期四第29页，共54页，2023年，2月20日，星期四反渗透装置及其基本流程水源供水泵预处理系统高压泵反渗透膜单元后处理系统分配汽提、消毒能量回收系统浓液排放典型脱盐系统单元可降低能耗25～40％冲击式水轮泵反转泵第30页，共54页，2023年，2月20日，星期四工业应用的反渗透装置第31页，共54页，2023年，2月20日，星期四工业应用的反渗透装置的膜组件之间的连接第32页，共54页，2023年，2月20日，星期四第三节微滤（MF）以多孔薄膜为过滤介质，压力差为推动力，利用筛分原理使不溶性粒子（0.1-10um）得以分离的操作。操作压力0.05-0.5MPa。第33页，共54页，2023年，2月20日，星期四微滤应用

1)除去水/溶液中的细菌和其它微粒；

2)除去组织液、抗菌素、血清、血浆蛋白质等多种溶液中的菌体；

3)除去饮料、酒类、酱油、醋等食品中的悬浊物、微生物和异味杂质。

第34页，共54页，2023年，2月20日，星期四第四节超滤（UF）是以压力为推动力，利用超滤膜不同孔径对液体中溶质进行分离的物理筛分过程。其截断分子量一般为6000到50万，孔径为几十nm，操作压0.2-0.6MPa。第35页，共54页，2023年，2月20日，星期四蛋白酶液恒流泵平板式超滤膜△P出背压阀超滤过程示意图：△P进透出液截留液当溶液体系经由水泵进入超滤器时，在滤器内的超滤膜表面发生分离，溶剂（水）和其它小分子量溶质透过具有不对称微孔结构的滤膜，大分子溶质和微粒（如蛋白质、病毒、细菌、胶体等）被滤膜阻留，从而达到分离、提纯和浓缩产品的目的。第36页，共54页，2023年，2月20日，星期四超滤应用超滤从70年代起步，90年代获得广泛应用,已成为应用领域最广的技术。蛋白、酶、DNA的浓缩脱盐/纯化梯度分离（相差10倍）清洗细胞、纯化病毒除病毒、热源第37页，共54页，2023年，2月20日，星期四第38页，共54页，2023年，2月20日，星期四第39页，共54页，2023年，2月20日，星期四第40页，共54页，2023年，2月20日，星期四第五节纳滤（NF）纳滤技术是反渗透膜过程为适应工业软化水的需求及降低成本的经济性不断发展的新膜品种，以适应在较低操作压力下运行，进而实现降低成本演变发展而来的。纳滤膜大多从反渗透膜衍化而来。膜组器于80年代中期商品化。纳滤(NF，Nanofiltration)是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程。纳滤分离范围介于反渗透和超滤之间，截断分子量范围约为MWCO300～1000，能截留透过超滤膜的那部分有机小分子，透过无机盐和水。在电厂中主要用于冷却水的处理。第41页，共54页，2023年，2月20日，星期四几种膜分离技术的分离范围第42页，共54页，2023年，2月20日，星期四第六节电渗析和电除盐电渗析（ED）在盐的水溶液（如氯化钠溶液）中置入阴、阳两个电极，并施加电场，则溶液中的阳离子将移向阴极，阴离子则移向阳极，这一过程称为电泳。如果在阴、阳两电极之间插入一张离子交换膜（阳离子交换膜或阴离子交换膜），则阳离子或阴离子会选择性地通过膜，这一过程就称为电渗析。第43页，共54页，2023年，2月20日，星期四正极

阴离子交换膜

负极+固定离子Cl-Na+-第44页，共54页，2023年，2月20日，星期四++++++阳极－－－－－－阴极Cl-Na＋阳膜阳极室Cl-Cl-Cl-Na＋Na＋Cl-Na＋Na＋Cl-Cl-Na＋Na＋浓缩室淡化室浓缩室阴极室阴膜阳膜阴膜电渗析原理第45页，共54页，2023年，2月20日，星期四

电渗析的核心是离子交换膜。在直流电场的作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，把电解质从溶液中分离出来，实现溶液的淡化、浓缩及钝化；也可通过电渗析实现盐的电解，制备氯气和氢氧化钠等。

电渗析装置

1.离子交换膜第46页，共54页，2023年，2月20日，星期四按膜的结构与功能可将离子交换膜分为普通离子交换膜、双极离子交换膜和镶嵌膜三种。普通离子交换膜一般是均相膜，利用其对一价离子的选择性渗透进行海水浓缩脱盐；双极离子交换膜由阳离子交换层和阴离子交换层复合组成，主要用于酸或碱的制备；镶嵌膜由排列整齐的阴、阳离子微区组成，主要用于高压渗析进行盐的浓缩、有机物质的分离等。第47页，共54页，2023年，2月20日，星期四离子交换膜和离子交换树脂的区别：

作用机理使用方法树脂

离子间交换RSO3－H+选择互换作用Na+H+解吸后须再生，并恢复成原来的离子型式，才能继续使用。膜选择透过作用，RSO3－Na+膜上反离子是H2O什么，无关紧Na+

Na+要，主要是骨Cl－

架的电荷作用。可连续使用，∵是透过，不是交换。第48页，共54页，2023年，2月20日，星期四2.装置电渗析器主要由电渗析器本体和辅助设备两大部分组成。本体可分为膜堆、极区和夹紧装置。膜堆是由浓淡水隔板和阴阳离子交换膜交替而成。极区包括电极、电极框和导水板。夹紧装置为了防止电渗析内漏外泄，而用来固定的装置。第49页，共54页，2