膜科學(xué)技術(shù) - 圖文

1、膜科學(xué)技術(shù) - 圖文 第一章 導(dǎo)論 1.1膜科學(xué)技術(shù) 膜分離過程已逐漸成為化學(xué)工業(yè)、食品加工、水處理、醫(yī)藥技術(shù)等方面的重要分離過程。已經(jīng)工業(yè)化的有微孔過濾、超濾、反滲透、電滲析和氣體分離等，滲透汽化也已建成幾種工業(yè)規(guī)模的裝置。膜分離與反應(yīng)結(jié)合的過程，各種膜反應(yīng)器的研究與應(yīng)用也發(fā)展較快。其他非分離膜過程，如控制釋放技術(shù)、醫(yī)用人造膜和膜傳感應(yīng)器的種類也不少，有的發(fā)展速度將超過膜分離過程。各種膜過程具有不同的機(jī)理，適用于不同的對象和要求。但有其共同點(diǎn)，如過程一般較簡單，經(jīng)濟(jì)性較好，往往沒有相變，可以在常溫下操作，即節(jié)約能耗，又特別適用于熱敏性物質(zhì)的處理，在食品加工、醫(yī)藥、生化技術(shù)領(lǐng)域有其獨(dú)特的適用性

2、。各種膜過程，又以不同結(jié)構(gòu)與性能的膜為主要決定因素。因此，各種膜過程、膜的形成機(jī)理、膜材料和成膜條件，以及如何控制其結(jié)構(gòu)等，都是膜科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的重要內(nèi)容。 膜科學(xué)技術(shù)涉及的學(xué)科不少，例如：適應(yīng)不同分離要求的膜“剪裁技術(shù)”，它與膜材料和結(jié)構(gòu)的研究有關(guān)，屬于高分子化學(xué)和無機(jī)化學(xué)的研究范疇；過程的分離特性、傳質(zhì)性質(zhì)、機(jī)理和數(shù)學(xué)模型，屬于無機(jī)化學(xué)和數(shù)學(xué)研究范疇；過程中涉及的流體力學(xué)、傳熱、傳質(zhì)、化工動力學(xué)以及過程的設(shè)計和工業(yè)應(yīng)用，主要屬于化學(xué)工業(yè)研究范疇；生化技術(shù)、醫(yī)藥方面的應(yīng)用，涉及生物學(xué)和醫(yī)學(xué)；生物膜、生物合成膜屬于化學(xué)和生物學(xué)的研究范疇；其他如食品、石油和環(huán)境保護(hù)的領(lǐng)域的膜過程，還涉及有關(guān)各行

3、業(yè)和學(xué)科。在科學(xué)發(fā)展和相互滲透的基礎(chǔ)上，膜科學(xué)技術(shù)有了迅速的發(fā)展；同時，膜科學(xué)技術(shù)的研究和應(yīng)用，也促進(jìn)了有關(guān)學(xué)科的開拓和發(fā)展。 近xxxx年來，國際上應(yīng)用化學(xué)和化學(xué)工程學(xué)科對膜科學(xué)技術(shù)較為重視，因此膜科學(xué)技術(shù)在化學(xué)、化工領(lǐng)域中的應(yīng)用發(fā)展較為顯著，正在與材料科學(xué)、藥物學(xué)、電子工業(yè)學(xué)和生命科學(xué)等學(xué)科更好等交叉結(jié)合，以解決現(xiàn)代科學(xué)中的很多重要問題。 1.1.1膜的定義 一個包含各方面的精確的、完整的膜（membrane）定義是不容易得出的?，F(xiàn)代著名科學(xué)家霍金（stephen hawking ）認(rèn)為我們生活在一張大“膜”上，寫了“brane new world”（原書“the university i

4、n a nutshell”中第七章）把新世界的模型描寫為膜的世界?？梢院唵蔚卣f，我們生活在一個四維空間里，除了三維之外，另一維即為時空（space time）。他廣義的描述了膜及構(gòu)成的世界模型。一種最通用的廣義定義是把“膜”定義為兩相之間的一個不連續(xù)區(qū)間，其尺寸中，一維大大的小于其他二維，極薄。膜可分為氣相、液相和固相，或是它們的組合。定義中“區(qū)間”用以一種固體之間的相界面。一種氣體和一種液體之間的相界面，或一種氣體和一種固體之間的相界面，它們均不屬于這里所指的“膜”。廣義“膜”是指分隔兩相界面，并以特定的形式限制和傳遞各種化學(xué)物質(zhì)，有選擇性，它可以是均相的或非均相的；對稱型或非對稱型的；固體

5、的或液體的，大多為固體的；中性的或荷電性的。其厚度可以從幾微米到幾百微米。膜涉及多種物質(zhì)和多種結(jié)構(gòu)，也涉及各種不同的用途，因此其分類方法也有多種。 1.1.2膜科學(xué)技術(shù)的發(fā)展簡況 膜和膜技術(shù)的發(fā)現(xiàn)早在1948年abbe nollet發(fā)現(xiàn)水自發(fā)地透過豬膀胱滲透現(xiàn)象(osmosis)開始，19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)fick擴(kuò)散定理可用于透過膜的擴(kuò)散現(xiàn)象、氣體分離、滲析和滲透壓力等研究。xxxx年代以來，合成膜的研究、電滲析微孔過程和血液滲析等分離技術(shù)開始進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用。60年代loeb和saurirajan共同研制成高脫鹽率、高透水能力的非對稱型醋酸纖維素的反滲透膜，使反滲透技術(shù)進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用。70年代超濾技術(shù)

6、進(jìn)入工業(yè)化。80年代開始，膜分離技術(shù)用于氣體分離，如：monsanto公司 的prism系統(tǒng)的建成，分離h2/n2，dow公司建成n2/o2分離裝置等。80年代至90年代，滲透汽化研究有了新進(jìn)展，如1998年由原gft公司在法國建成日產(chǎn)15萬升無水酒精裝置，以及meoh/mtbe分離等。90年代以來新的膜分離過程，膜-基平衡分離(membrance-based equilidrium separation），如液-液分離的膜萃取，氣-液分離的膜吸收、膜氣提、膜真空蒸餾等，當(dāng)前常以膜接觸器（contactor）的研究出現(xiàn)，其他還有促進(jìn)傳遞過程，膜反應(yīng)器、傳感器、控制釋放等膜技術(shù)發(fā)展很快，可攜帶能

7、源燃料電池因膜技術(shù)的研究開發(fā)，使之可在工業(yè)上應(yīng)用，因而為膜科學(xué)研究者倍加關(guān)注，并已成為最新的一個熱點(diǎn)。 我國的膜科學(xué)技術(shù)開始于1958年離子交換膜的研究，xxxx年代研究反滲透膜，曾組織全國海水淡化會戰(zhàn)，大大促進(jìn)了我國膜科學(xué)技術(shù)的發(fā)展；70年代就已開發(fā)出反滲透、超濾、微濾和電滲析等器件設(shè)備，隨后投入工業(yè)應(yīng)用；80年代繼續(xù)發(fā)展液體分離之外，氣體膜分離和滲透汽化等也進(jìn)入開發(fā)和研究階段，有的已工業(yè)應(yīng)用或建成中試裝置，其它新技術(shù)也在不斷研究開發(fā)之中。 1.1.3主要的膜科學(xué)專著與文獻(xiàn)介紹 1.1.3.1有關(guān)提供背景材料和許多專題深度研究的專著 1.1.3.2研究合成膜及膜分離技術(shù)的過程 1.1.3.3

8、近年來出版的主要新書簡介 我國編寫的有關(guān)膜和膜過程的書 時均，袁權(quán)，高從楷等編著. 膜技術(shù)手冊.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，xxxx年來，無機(jī)材料膜，特別是硅酸鹽半透膜，及其以化學(xué)性能穩(wěn)定、耐高溫和耐腐蝕等特點(diǎn)制成的復(fù)合膜和載有催化劑的多孔膜的研究，正在蓬勃興起。這些膜及其應(yīng)用，將適當(dāng)闡述。 根據(jù)各物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，一般可將膜分為下列幾種基本類別：微孔膜（多孔膜）；均質(zhì)膜（非多孔膜）；非對稱型膜；復(fù)合膜；荷電膜；液膜。 復(fù)合膜中新開發(fā)的有混合結(jié)構(gòu)（mixed-matric membrance），荷電膜中當(dāng)前最關(guān)注的是高分子導(dǎo)電膜（pem, polymer electrolyte membrance

9、） 1.2.1微孔膜 1.2.2均質(zhì)膜 1.2.3非對稱膜 1.2.4復(fù)合膜 1.2.5荷電膜 1.2.6液膜 1.3膜過程和技術(shù)的基本原理 1.3.1膜分離過程 在膜分離過程中，通過膜相際有三種基本傳質(zhì)方式，如圖1-9所示。 圖1-9（a）示最簡單的形式，成為“被動傳質(zhì)”（passive transport）為熱力學(xué)“下坡”過程，其中膜的作用就像一物理的平板屏障。所有通過膜的組分均以化學(xué)勢梯度為推動力。組分在膜中化學(xué)勢梯度，可以是膜兩側(cè)的壓力差、濃度差、溫度差或電勢差。 圖1-9（b）示“促進(jìn)轉(zhuǎn)遞”（facilitated transport）過程，在此過程中，各組分通過膜的傳質(zhì)推動力仍是膜

10、兩側(cè)的化學(xué)勢梯度。各組分中有其特定的載體載入膜中。促進(jìn)傳遞是一種具有高選擇性的被動傳遞。 圖1-9（c）所示“主動轉(zhuǎn)遞”（active transport），與前兩者情況不同，各組分可以逆其化學(xué)勢梯度而傳遞，為熱力學(xué)“上坡”過程。其推動力是由膜內(nèi)某化學(xué)反應(yīng)提供。主要發(fā)現(xiàn)于生命膜。 現(xiàn)在工業(yè)化的主要膜分離過程只有8-9種見表1-7，均為被動傳質(zhì)過程。 這些過程的推動力主要是濃度梯度、電勢梯度和壓力梯度，也可以歸結(jié)為化學(xué)勢梯度。但某種過程中這些梯度互有聯(lián)系，形成了一種新的現(xiàn)象，如溫度不僅造成熱流，也造成物流，這一現(xiàn)象形成了“熱擴(kuò)散”或“熱滲透”。靜壓差不僅造成流體的流動，也形成濃度梯度，反滲透就是

11、這種現(xiàn)象。在膜過程中，通常多種推動力同時存在，稱為伴生過程或耦合過程（coupling）。過程各組分的流動也有伴生（或耦合）現(xiàn)象，如反滲透過程中，溶劑透過膜時，伴隨著部分溶質(zhì)同時透過。 過程 目的（或目的的產(chǎn)物） 溶液中大分子和小分子的分離 沒有離子的溶劑 有離子溶質(zhì)的溶液濃縮 離子置換 電解產(chǎn)物的分離 電解質(zhì)的分離 表1-7 主要已工業(yè)的膜分離過程的基本特性 溶質(zhì)和膜主要傳遞推動力 的臨界性分離機(jī)制 物 質(zhì) 立體形狀/溶解度 擴(kuò)散/溶解,篩分 小分子的物質(zhì) 用膜類型 滲析d 濃度梯度 對稱微孔膜 離子的活動（包括電化學(xué)勢梯度 形狀和價鍵因素） 離子交換能力（膜） 經(jīng)過離子膜的逆向傳遞 離子交

12、換膜 電滲析ed 離子 微孔過濾mf 沒有顆粒的溶液 沒有大分子溶質(zhì)壓力梯度10100kpa 立體形狀大小 篩分 溶液 對稱型多孔膜 超濾uf 的溶液 溶液中的個別大分子溶質(zhì) 沒有任何溶質(zhì)的溶劑 濃縮溶液 壓力梯度50500kpa 立體形狀大小 篩分 溶液小非對稱型分子溶質(zhì) 多孔膜 溶液 反滲透ro(和納濾nf) 壓力梯度 xxxx年研究，現(xiàn)由于在膜技術(shù)上的突破，成為當(dāng)前的一個熱點(diǎn)。 燃料電池技術(shù)，被稱為21世紀(jì)的一個關(guān)鍵技術(shù)，它是一種清潔能源，來自空氣中的氧和氫（來自天然氣，甲烷或甲醇），通過電化作用，產(chǎn)生電能、熱能和水，不經(jīng)過燃燒，沒有污染，是便于攜帶的清潔能源，可供多方面應(yīng)用。從xxxx

13、年代開始研究，80年代英國皇家海軍曾用于潛水艇，90年代美國lanl國家實(shí)驗室與texax a and m大學(xué)由于大大減少燃料電池中所用貴重材料 ,使得燃料電池的應(yīng)用大大的擴(kuò)展了，他們計劃用于長時間航天飛機(jī)，將于xxxx年首次在汽車上使用燃料電池，并把fchv(fuel-cell power hybrid vehicle)， 性能良好的技術(shù)提供給政府?83?，現(xiàn)在已有許多公司將fc 技術(shù)用于公路交通，如 gh and toyota, nissan, daimlerehryoler bellard power system, bmw國際燃料電池等 估計xxxx年將廣為應(yīng)用。有關(guān)原理，基本結(jié)構(gòu)等詳

14、見有關(guān)章節(jié)介紹。 1.3.2其他膜技術(shù) 其他膜技術(shù)種類也很多，當(dāng)前發(fā)展和應(yīng)用深受重視者有膜催化反應(yīng)器、含酶膜反應(yīng)器、控制釋放系統(tǒng)、醫(yī)用人造膜和膜傳感器等。 1 膜反應(yīng)器 膜反應(yīng)器主要有兩種：一種是以合成膜的優(yōu)良分離性能，與化學(xué)催化反應(yīng)相結(jié)合，使化學(xué)反應(yīng)器技術(shù)得到新發(fā)展，成為膜催化反應(yīng)器。另一種是膜分離與生物反應(yīng)相結(jié)合，稱為膜生化反應(yīng)器（mbr）。因此，膜反應(yīng)器適用于化學(xué)合成，藥物中間體的轉(zhuǎn)化和生物制藥及其純化過程。膜反應(yīng)器從結(jié)構(gòu)上分，大體分為兩類：一類是反應(yīng)和分離同在一裝置中進(jìn)行，另一反應(yīng)器和膜分離組分間分開，相連和循環(huán)。膜催化反應(yīng)其用途寬廣如石油化工生產(chǎn)過程的脫氫、加氧過程、丁烯脫氫與丁二烯丙烷脫氫為丙烯等，可用硅酸鹽膜催化器。膜生化反應(yīng)器采用酶或微生物為催化劑，含酶膜反應(yīng)器具有選擇性高，且可以在常溫常壓下作用，可得高轉(zhuǎn)化率、高純度產(chǎn)品。多用于食品工業(yè)和制藥工業(yè)，國內(nèi)已有研究。膜生物反應(yīng)器在廢水處理中應(yīng)用發(fā)展最快。多用膜組件直接浸于生物反應(yīng)器中成為浸沒式膜生物反應(yīng)器。近年來，在日本、歐美等國家列為國家重點(diǎn)計劃，有大規(guī)模的應(yīng)