膜分離工程第一章ppt課件

1、膜分離工程,第1章 緒論 第2章 膜材料與膜制備 第3章 膜分離工程學概述 第4章 微濾、超濾 第5章 納濾、反滲透 第6章 滲透汽化 第7章 膜生物反應器MBR 第8章 膜過程設計 第9章 膜污染與控制 第10章 膜前沿-膜與環(huán)境,緒論,1、膜的概念 2、膜科學發(fā)展史 3、膜的分類 4、膜過程的一些重要概念 5、膜的主要應用 6、膜分離其他內容,膜分離工程參考教材,參考書 邵剛編著. 膜法水處理技術. 冶金工業(yè)出版社. 2000 時鈞,袁權,高從堦主編. 膜技術手冊. 化學工業(yè)出版社. 2001,教材 安樹林主編 天津市“十五”重點建設教材 膜科學技術實用教程 化學工業(yè)出版社 2005,膜,

2、料液,水,小分子,大分子,滲透液,定義：具有選擇性分離的功能薄膜材料。,美國官方文件 “18世紀電器改變了整個工業(yè)進程，而20世紀膜技術將改變整個世界的面貌”，“目前沒有一種技術，能像膜技術這么廣泛地被應用” “21世紀的多數工業(yè)中，膜技術扮演著戰(zhàn)略的角色” “誰掌握了膜技術，誰就掌握了21世紀化工的未來”,膜分離概述,1、膜分離概述,概念：用半透膜作為選擇障礙層，利用膜的選擇性（孔徑大小），以膜的兩側存在的能量差作為推動力，允許某些組分透過而保留混合物中其它組分，從而達到分離目的的技術。,顯微鏡下膜的照片,膜斷面結構,海綿狀結構,指狀結構,2、膜科學的發(fā)展史,續(xù)表：,1861年，施密特（A.

3、 Schmidt）首先提出了超過濾的概念。他提出，用比濾紙孔徑更小的棉膠膜或賽璐酚膜過濾時，若在溶液側施加壓力，使膜的兩側產生壓力差，即可分離溶液中的細菌、蛋白質、膠體等微小粒子，其精度比濾紙高得多。這種過濾可稱為超過濾。按現代觀點看，這種過濾應稱為微孔過濾。,1864年Traube成功研制了人類歷史上第一張人造膜（亞鐵氰化銅膜） 1918年Zsigmondy提出了商品微濾膜的制備方法，并將其應用于微生物、微粒等方面的分離和富集； 1950年W.Juda成功研制了第一張具有實用價值的離子交換膜,電滲析過程得到迅速的發(fā)展;,1960年Loeb和Sourirajan以相轉化法制備出第一張具有高透水

4、性和高脫鹽率的不對稱膜（醋酸纖維素反滲透膜），是膜分離技術發(fā)展的一個里程碑。它不僅使反滲透過程從實驗室走向工業(yè)應用，而且這種新的制膜工藝引起科技和工業(yè)界的廣泛重視；推動了膜分離技術進入了實用和裝置的研制階段。,1961年，米切利斯（A. S. Michealis）等人用各種比例的酸性和堿性的高分子電介質混合物以水丙酮溴化鈉為溶劑，制成了可截留不同分子量的膜，這種膜是真正的超過濾膜。美國Amicon公司首先將這種膜商品化。,膜工業(yè)的發(fā)展史,1967年，DuPont公司研制成功了以尼龍66為主要組分的中空纖維反滲透膜組件。同一時期，丹麥DDS公司研制成功平板式反滲透膜組件。反滲透膜開始工業(yè)化。,自

5、上世紀60年代中期以來，膜分離技術真正實現了工業(yè)化。首先出現的分離膜是超過濾膜（簡稱UF膜）、微孔過濾膜（MF膜）和反滲透膜（RO膜）。以后又開發(fā)了許多其它類型的分離膜。80年代氣體分離膜的研制成功，使功能膜的地位又得到了進步提高。,具有分離選擇性的人造液膜是馬?。∕artin）在60年代初研究反滲透時發(fā)現的，這種液膜是覆蓋在固體膜之上的，為支撐液膜。 60年代中期，美籍華人黎念之博士發(fā)現含有表面活性劑的水和油能形成界面膜，從而發(fā)明了不帶有固體膜支撐的新型液膜。 70年代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功含流動載體的液膜，使液膜分離技術具有更高的選擇性。,膜分離發(fā)展過程和趨勢,我國1958

6、年開始研究離子交換膜和電滲析，1966年開始研究RO、UF、MF、液膜、氣體分離等膜分離過程應用與開發(fā)研究。80年代后期又陸續(xù)開展了滲透汽化、膜萃取、膜蒸餾和膜反應等新膜過程的研究，并著手進行膜技術的推廣應用工作。 國內主要的膜研究和推廣單位： 1）氣體分離：大連化學物理研究所（天邦膜公司） 2）液體分離：杭州水處理技術中心（西斗門公司） 天津工業(yè)大學（膜天公司） 3）無機膜（陶瓷膜）：南京工業(yè)大學（久吾高科）,我國膜技術發(fā)展史,國內膜分離技術發(fā)展概況,1967年上海化工廠聚乙烯異相離子交換膜正式投產，開始全國海水淡化大會戰(zhàn)。 20世紀80年代，開發(fā)膜技術列入科技攻關和發(fā)展計劃，形成了一定規(guī)模

7、的膜產業(yè)。 1995年中國膜工業(yè)協會成立，進入規(guī)模發(fā)展的新階段。,膜的種類,根據膜的材質,固體膜,液體膜,根據材料來源,天然膜,合成膜,無機材料膜,有機高分子膜,根據膜的結構,多孔膜,致密膜,離子交換膜,滲析膜,微孔過濾膜,超過濾膜,反滲透膜,滲透汽化膜,氣體滲透膜,根據膜的功能,固體膜,根據膜斷面的物理形態(tài),根據固體膜的形態(tài),對稱膜,不對稱膜,復合膜,平板膜,管式膜,中空纖維膜,卷式膜,固體膜按結構分類 分為： 對稱膜(Symmetric Membrane) 非對稱膜(Asymmetric Membrane) 復合膜(Composite Membrane),膜分離的形式錯流過濾,終端過濾 污

8、染嚴重,錯流過濾 污染輕,膜過程的一些術語-錯流,錯流過濾的優(yōu)點： (1)便于連續(xù)化操作過程中控制循環(huán)比； (2)流體流動平行于過濾表面，產生的表面剪切力帶走膜表面的沉積物，防止污染層積累，使之處于動態(tài)平衡，從而有效地改善液體分離過程，使過濾操作可以在較長的時間內連續(xù)進行； (3)錯流過濾所產生的流體剪切力和慣性舉力能促進膜表面的溶質向流體主體的反向運動，提高過濾速度。,膜過程的一些術語,膜過程的一些術語-通量、拉伸強度、選擇性,通量：在一定操作條件下，單位時間通過單位面積膜的體積流量。單位L/m2.h 拉伸強度：定義為拉斷膜絲時的拉伸力/材料截面積，單位Pa 選擇性：將混合物總的組分分離開來

9、的能力。 1）液體分離的選擇性常用截留率表示： R1Cp/Cf 2）氣體分離或有機溶劑混合物的分離常用分離因子表示選擇性：A/B(yA/yB)/(xA/xB),截斷曲線,得到的截留率與分子量之間的關系稱為截斷曲線。 質量好的膜應有陡直的截斷曲線,可使不同分子量的溶質分離完全； 反之，斜坦的截斷曲線會導致分離不完全。,水通量：純水在一定壓力，溫度(0.35MPa，25)下試 驗，透過水的速度L / hm2。 JW = W / A t 同類膜，孔徑，水通量Jw。 水通量Jw不能代表處理大分子料液的透過速度，因為大分子 溶質會沉積在膜表面，使濾速下降（約為純水通量的10%） 由Jw的數值可了解膜是否

10、污染和清洗是否徹底。,水通量,孔徑常用泡點法（bubble-point method）測定，對微孔膜尤為適用。 將膜表面復蓋一層溶劑（通常為水），從下面通入空氣，逐漸增大空氣壓力，當有穩(wěn)定氣泡冒出時的壓力，稱為泡點壓力 根據下式，即可計算出孔徑： d4 COSP （17-3） 式中d為孔徑，為液體的表面張力，為液體與膜間的接觸角，P為泡點壓力。 孔徑和孔徑分布也可直接用電子顯微鏡觀察得到，特別是微孔膜，其孔隙大小在電鏡的分辨范圍內。,膜過程的一些術語- 孔道特征-孔徑,本法用于試驗膜和組件是否完整或滲漏。 將微、超濾器保留液出口封閉，透過液出口接上一倒置的滴定管。自料液進口處通入一定壓力的壓縮

11、空氣，當達到穩(wěn)態(tài)時，測定氣泡逸出速度，如大于規(guī)定值，表示膜不合格。,膜過程的一些術語- 完整性實驗,膜過程的一些術語-濃差極化,濃差極化：在膜分離過程中，一部分溶質被截留，在膜表面及靠近膜表面區(qū)域的濃度越來越高，造成從膜表面到本體溶液之間產生濃度梯度，這一現象稱為“濃差極化”。,1 2 3,Cf Cm Cp 濃差 膜層 滲透側 極化層 極化層,克服濃差極化的方法,濃差極化的減少,降低壓力,降低膜表面的濃度,降低溶質在料液中的濃度,垂直于膜 的混合,排除膜表面 的濃集物,槳式混合器,靜態(tài)混合器,提高膜面粒子 反向傳遞,膜污染,膜使用中最大的問題是膜污染 膜污染：指處理物料中的微粒、膠體粒子或溶質

12、大分子由于與膜存在物理化學相互作用或機械作用而引起的在膜表面或膜孔內吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產生滲透通量與分離特性的不可逆變化現象。 1、物理污染包括膜表面的沉積，膜孔內的阻塞，這與膜孔結構、膜表面的粗糙度、溶質的尺寸和形狀等有關。 2、化學污染包括膜表面和膜孔內的吸附，這與膜表面的電荷性、親水性、吸附活性點及溶質的荷電性、親水性、溶解度等有關。,膜過程的一些術語-膜污染,7、膜技術的應用,膜,海水淡化,工業(yè)廢水處理,城市廢水資源化,天然氣,生物質利用,能源,水資源,傳統工業(yè),生態(tài)環(huán)境,除塵,CO2 控制,制 藥,食 品,化工與石化,電 子,冶 金,燃料電池,潔凈燃燒,膜分離技術的

13、應用,應用,水的脫鹽和凈化,食品工業(yè),醫(yī)療、衛(wèi)生方面,石油、化工方面,環(huán)境工程,其他方面,海水與苦咸水淡化,電廠鍋爐供水脫鹽,超純水制備,城市家庭飲用水的凈化,乳品加工,酒類生產,果汁加工,酶制劑生產,醫(yī)療、衛(wèi)生用水,藥品生產,醫(yī)療應用,中藥提煉,回收有機蒸氣,制取富氧空氣,無水乙醇生產,膜與生物技術,國防上的應用,交通、運輸方面,脫氣膜,電泳漆廢水,電鍍廢水,纖維工業(yè)廢水,造紙工業(yè)廢水,其他廢水,典型的膜分離技術及應用領域,微孔過濾（Microfiltration，MF） 超濾（Ultrafiltration，UF） 反滲透（Reverse osmosis，RO） 納濾（Nanofiltra

14、tion，NF） 氣體膜分離（Gas separation） 電滲析（Electrodialysis，ED） 液膜（Liquid membrane，LM） 滲透蒸發(fā)（Pervaporation， PV）,微孔過濾（MF）：,透過組分:溶液,氣體 截留組分：0.02-10mm粒子 推動力：壓力差（100kPa） 傳遞機理：篩分 膜類型：多孔膜,目的：溶液脫除顆粒,氣體脫粒子,超濾（UF）：,透過組分:小分子溶液 截留組分：1-20nm大分子溶質 推動力：壓力差（1001000kPa） 傳遞機理：篩分 膜類型：非對稱性膜,目的：溶液脫大分子，大分子溶液脫小分子，大分子分級。,超濾膜裝置,納濾（NF

15、）：,透過組分:溶劑,低價小分子溶質 截留組分：1nm以上溶質 推動力：壓力差（5001500kPa） 傳遞機理：溶解、擴散 ,Donnan效應 膜類型：非對稱性膜或復合膜,目的：溶劑脫有機組分，脫高價離子,軟化脫色濃縮等。,反滲透（RO）：,透過組分:溶劑 截留組分：0.1-1nm小分子溶質 推動力：壓力差（100010000kPa） 傳遞機理：優(yōu)先吸附毛細管流動及溶解、擴散 膜類型：非對稱性膜或復合膜,目的：溶劑脫溶質，小分子溶質溶液濃縮。,工業(yè)應用的反滲透裝置,微濾 0.110m： 細菌、煤灰、發(fā)酵細胞、顏料、 蛋白等,超濾 0.005 0.1m： 蛋白、顏料、多糖、大分子,納濾 0.0

16、0050.005m： 低聚糖、染料、多價離子,反滲透0.00010.001m： 電解質、大于100Da的有機溶質,水、小于100Da的有機溶質,膜的適用范圍,m,A,Relative size of common material 過濾對象,Molecular weight 分子量,0.001,10,0.01,100,0.1,1000,1.0,10,4,10,10,5,100,1000,10,6,10,7,100,200,5,000,20,000,150,000,500,000,Aqueous salts 中水鹽份,Metal ions 金屬離子,Sugars 蔗糖,Filtration Te

17、chnology 過濾方法,Pyrogens 熱源,Virus 病毒,Colloidal silica 膠體硅,Albumin protein 白蛋白,Bacteria 細菌,Carbon black 碳黑,Paint pigment 顏料色素,Yeast cells 酵母,Milled flour 面粉,Beach sand 海灘沙礫,Pollens 花粉,RO 反滲透,Ultrafiltration 超濾,Microfiltration 微濾,Particle filtration 一般過濾,THE FILTRATION SPECTRUM 過濾譜圖,NF 納濾,電滲析（ED）：,透過物：小

18、離子組分 截留組分：同名離子，大離子和水 推動力：電化學勢 傳遞機理：反離子經離子交換膜的遷移 膜類型：離子交換膜,目的：溶液脫小離子，小離子溶質的濃縮、小離子的分級。,實際應用的電滲析器,氣體分離（GS）：,透過：較小組分或膜中易溶組分 截留：較大組分 推動力：壓力差（100010000kPa），濃度差 傳遞機理：溶解-擴散 膜類型：均質膜、非對稱性膜或復合膜,目的：氣體混合物分離、富集或特殊組分脫除。,滲透蒸發(fā)（PVAP）：,透過物：易溶解組分或易揮發(fā)組分 截留組分：不易溶解組分或較大、較難揮發(fā)物 推動力：分壓差，濃度差 傳遞機理：溶解-擴散 膜類型：均質膜、非對稱性膜或復合膜,目的：揮發(fā)

19、性液體混合物分離。,膜的分離機理,篩分機理 截留比膜孔徑大或與孔徑相當的微粒,溶解-擴散機理 膜的選擇性吸附和選擇性擴散共同作用機理,荷電機理 膜中存在固定基團電荷的吸附、排斥產生選擇滲透性,多孔膜分離,荷電膜分離,致密膜分離,膜分離過程的基本傳質形式,被動傳遞：為熱力學“下坡”過程，其中膜的作用就像是一物理的平板屏障。 促進傳遞：組分由特定的載體帶入膜中，具有高選擇性的被動傳遞。 主動傳遞：推動力是由膜內某化學反應提供，主要存在于生命膜。,物質透過膜的主要三種方式：,被動傳遞,促進傳遞,主動傳遞, 被動傳遞： 物質由高化學位相向低化學位相傳遞， 這一化學位的差就是膜分離過程的推動力。,壓力差

20、 濃度差 電位差 溫度差,推動力, 促進傳遞：膜內有載體，在高化學位一側，載體同被傳遞的物質發(fā)生反應，而在低化學位一側又將被傳遞的物質釋放，這種傳遞過程有很高的選擇性。, 主動傳遞：膜中的載體同被傳遞物質在低化學位側發(fā)生反應并釋放能量，使被傳遞物質由低化學位一側被傳遞到高化學位一側，物質的傳遞方向為逆化學位梯度方向。,膜分離技術的特點,一 膜分離通常是一個高效的分離過程； 例如：機械分離最小極限為微米級，而膜分離可將分子量幾百的物質進行分離，對應的粒子大小為納米級；乙醇-水體系在共沸點處相對揮發(fā)度為1，用蒸餾法難以分離，而滲透蒸發(fā)的分離系數為數百，較易分離。,各種海水淡化方法所需要的能量,二

21、膜分離過程的能耗通常比較低。 膜分離過程不發(fā)生相變，因此能量轉化的效率高。,三 膜分離過程在常溫下進行，特別適合熱敏性物料的分離。,濃縮技術對西蓮果汁影響,四 操作簡便，維護容易，操作方式靈活； 五 無二次污染，一般不需要從外界加入其它物質。 六 分離系數大，適用范圍廣。,膜分離過程,膜結構,膜材料,膜分離技術的關鍵問題,膜科學與基礎科學的關系,膜材料選擇與改性-材料化學與物理 膜材料合成-有機化學 膜制備-相平衡-物理化學 膜分離-化學工程 膜器設計-數學、機械、系統工程、自控,膜科學技術的未來,研究新材料與開發(fā)制膜新工藝 開發(fā)集成膜分離技術 開發(fā)膜分離與傳統分離技術相結合的新型膜分離過程

22、開發(fā)膜分離與反應過程相結合的膜反應器,MTM的變形 藍色代表科技 深淺藍色代表膜的過濾特性（濃縮與凈化） 圓形代表中空纖維膜 意涵公司不斷創(chuàng)新發(fā)展 的理念,公司發(fā)展沿革圖,1974年,1992年,1999年,天津紡織 工學院 膜分離技 術研究所,天津紡織 工學院 膜天膜技 術工程 公司,天津膜天膜 工程技術 有限公司,2003年,香港華益集團 有限公司,2007年,中國高新投資 有限公司,天津膜天 膜科技有 限公司,中國紡織工業(yè)對外 經濟技術合作公司,天津工業(yè)大學,公司的產業(yè)鏈,國家中空維膜產業(yè)化示范基地,位于天津經濟技術開發(fā)區(qū)第十一大街，占地100畝，建筑面積2萬余平方米，年產300萬平方米

23、中空纖維膜，是目前亞洲最大的膜制造基地之一。,膜 工程實驗測試評價中心,建筑面積5000平方米的膜工程實驗測試評價中心樓將于2009年在開發(fā)區(qū)建成投入使用。,公司目前擁有10條自行設計的紡絲設備和生產線，4條自動化的澆注生產線以及生產、質檢、技術等環(huán)節(jié)所需的儀器設備。,先進的生產線及制膜設備,我公司制造的不同品種、規(guī)格的膜組件,我公司生產制造多種材質（PVDF、PS、PES、PAN、PE等）、各種規(guī)格的內壓型和外壓型中空纖維超濾、微濾、管式膜組件及裝置。,國家級獎項,新型功能中空纖維膜制備技術及其產業(yè)化應用項目榮獲2008年度國家技術發(fā)明獎二等獎,由我公司首席科學家肖長發(fā)教授主持的該項目是根據熱力學相容性理論和聚合物共混界面相分離原理開發(fā)出的一種全新的中空纖維多孔膜制備技術，并且已成功地將此項技術產業(yè)化。這一世界領先的技術發(fā)明及其相關產品投入工程化應用，大大增強了國產聚合物中空纖維液體分離膜制備技術和產品的核心競爭力，為污水資源化提供了更為優(yōu)秀的技術和產品。,國家級獎項,高性能聚偏氟乙烯中空纖維膜制備及在污水資源化應用中的關鍵技術項目榮獲2012年度國家技術發(fā)明獎二等獎,膜天膜公司的