膜分離原理技術(shù)與設(shè)備

1、一、膜分離的基本原理一、膜分離的基本原理 1、什么是膜分離、什么是膜分離 o 膜分離（膜分離（MembraneSeparation）是以選擇）是以選擇 性透過膜為分離介質(zhì)，在膜兩側(cè)一定推動性透過膜為分離介質(zhì)，在膜兩側(cè)一定推動 力的作用下，使原料中的某組分選擇性地力的作用下，使原料中的某組分選擇性地 透過膜，從而使混合物得以分離，以達到透過膜，從而使混合物得以分離，以達到 提純、濃縮等目的的分離過程。提純、濃縮等目的的分離過程。 2、膜分離的推動力、膜分離的推動力 o （1）借助外界能量，物質(zhì)發(fā)生由低位到高）借助外界能量，物質(zhì)發(fā)生由低位到高 位的流動；位的流動； o （2）借助本身的化學(xué)位差，物

2、質(zhì)發(fā)生由高）借助本身的化學(xué)位差，物質(zhì)發(fā)生由高 位到低位的流動。位到低位的流動。 3、膜分離方法、膜分離方法 （1）壓力推動）壓力推動 o 反滲透、納濾、超濾、微濾均為壓力推動反滲透、納濾、超濾、微濾均為壓力推動 的膜過程，即在壓力的作用下，溶劑及小的膜過程，即在壓力的作用下，溶劑及小 分子通過膜，而鹽、大分子、微粒等被截分子通過膜，而鹽、大分子、微粒等被截 留，其截留程度取決于膜結(jié)構(gòu)。留，其截留程度取決于膜結(jié)構(gòu)。 o 反滲透膜反滲透膜幾乎無孔，可以截留大多數(shù)溶質(zhì)（包幾乎無孔，可以截留大多數(shù)溶質(zhì)（包 括離子）而使溶劑通過，操作壓力較高，一般為括離子）而使溶劑通過，操作壓力較高，一般為2 10MP

3、a； o 納濾膜納濾膜孔徑為孔徑為25nm，能截留部分離子及有，能截留部分離子及有 機物，操作壓力為機物，操作壓力為0.73MPa； o 超濾膜超濾膜孔徑為孔徑為220nm，能截留小膠體粒子、，能截留小膠體粒子、 大分子物質(zhì)，操作壓力為大分子物質(zhì)，操作壓力為0.11MPa； o 微濾膜微濾膜孔徑為孔徑為0.0510m，能截留膠體顆粒、，能截留膠體顆粒、 微生物及懸浮粒子，操作壓力為微生物及懸浮粒子，操作壓力為0.050.5MPa。 （2）其他推動力）其他推動力 o 電滲析電滲析采用帶電的離子交換膜，在電場采用帶電的離子交換膜，在電場 作用下膜能允許陰、陽離子通過，可用于溶作用下膜能允許陰、陽離

4、子通過，可用于溶 液去除離子。液去除離子。 o 氣體分離氣體分離是依據(jù)混合氣體中各組分在膜是依據(jù)混合氣體中各組分在膜 中滲透性的差異而實現(xiàn)的膜分離過程。中滲透性的差異而實現(xiàn)的膜分離過程。 o 滲透汽化滲透汽化是在膜兩側(cè)濃度差的作用下，是在膜兩側(cè)濃度差的作用下， 原料液中的易滲透組分通過膜并汽化，從而原料液中的易滲透組分通過膜并汽化，從而 使原液體混合物得以分離的膜過程。使原液體混合物得以分離的膜過程。 膜分離法膜分離法 傳質(zhì)推動傳質(zhì)推動 力力 分離原理分離原理應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 微微濾（濾（MF） 壓差壓差 0.050.5 篩分篩分 除菌，回收菌，分離除菌，回收菌，分離 病毒病毒 超濾超濾 壓差

5、壓差 0.11.0 篩分篩分 蛋白質(zhì)、多肽和多糖蛋白質(zhì)、多肽和多糖 的回收和濃縮的回收和濃縮 反滲透反滲透 壓差壓差 1.010 篩分篩分 鹽、氨基酸、糖的濃鹽、氨基酸、糖的濃 縮、淡水制造縮、淡水制造 滲析滲析濃差濃差篩分篩分脫鹽，除變性劑脫鹽，除變性劑 電滲析電滲析電位差電位差電荷、篩分電荷、篩分 脫鹽，氨基酸和有機脫鹽，氨基酸和有機 酸分離酸分離 滲透氣化滲透氣化 壓差、溫壓差、溫 差差 溶質(zhì)與膜的親溶質(zhì)與膜的親 和作用和作用 有機溶劑與水的分離，有機溶劑與水的分離， 共沸物的分離共沸物的分離 各種膜分離法的原理和應(yīng)用范圍各種膜分離法的原理和應(yīng)用范圍 二、膜材料及分類二、膜材料及分類 1

6、、常用膜材料、常用膜材料 o 有機高聚物膜有機高聚物膜：纖維素類、聚砜類、聚酰：纖維素類、聚砜類、聚酰 胺類、聚酯類、含氟高聚物、聚烯烴等胺類、聚酯類、含氟高聚物、聚烯烴等 o 無機分離膜無機分離膜：陶瓷膜、玻璃膜、金屬膜和：陶瓷膜、玻璃膜、金屬膜和 分子篩炭膜等分子篩炭膜等 2、膜的種類、膜的種類 o（1）對稱膜對稱膜：又稱為均質(zhì)膜，是一種又稱為均質(zhì)膜，是一種 均勻的薄膜，膜兩側(cè)截面的結(jié)構(gòu)及形態(tài)均勻的薄膜，膜兩側(cè)截面的結(jié)構(gòu)及形態(tài) 完全相同。包括致密的無孔膜和對稱的完全相同。包括致密的無孔膜和對稱的 多孔膜兩種。多孔膜兩種。 n 傳質(zhì)阻力由膜的總厚度決定，降低膜的傳質(zhì)阻力由膜的總厚度決定，降低

7、膜的 厚度可以提高透過速率。厚度可以提高透過速率。 o（2）非對稱膜非對稱膜：橫斷面具有不對稱結(jié)橫斷面具有不對稱結(jié) 構(gòu)。包括一體化非對稱膜和復(fù)合膜兩類。構(gòu)。包括一體化非對稱膜和復(fù)合膜兩類。 n 分離效能主要或完全由很薄的皮層決定，分離效能主要或完全由很薄的皮層決定， 傳質(zhì)阻力小，其透過速率較對稱膜高得多。傳質(zhì)阻力小，其透過速率較對稱膜高得多。 醋酸纖維素膜的結(jié)構(gòu)示意圖醋酸纖維素膜的結(jié)構(gòu)示意圖 三、膜分離的特點三、膜分離的特點 （1）膜分離是一個高效分離過程，可以實現(xiàn)高純度的分離；膜分離是一個高效分離過程，可以實現(xiàn)高純度的分離； （2）大多數(shù)膜分離過程不發(fā)生相變化，因此能耗較低；）大多數(shù)膜分離過

8、程不發(fā)生相變化，因此能耗較低； （3）膜分離通常在常溫下進行，特別適合處理熱敏性物料；）膜分離通常在常溫下進行，特別適合處理熱敏性物料； （4）膜分離設(shè)備本身沒有運動的部件，可靠性高，操作、維）膜分離設(shè)備本身沒有運動的部件，可靠性高，操作、維 護都十分方便；護都十分方便； （5）處理能力和規(guī)模選擇性強；）處理能力和規(guī)模選擇性強； （6）體積小，占地少。）體積小，占地少。 第第2節(jié)節(jié) 膜分離裝置膜分離裝置 一、膜分離系統(tǒng)組成一、膜分離系統(tǒng)組成 1、膜分離系統(tǒng)的構(gòu)成、膜分離系統(tǒng)的構(gòu)成 o 膜器件、泵、過濾器、閥、儀表、管路等膜器件、泵、過濾器、閥、儀表、管路等 2、常用膜器件的類型、常用膜器件的類

9、型 o 板框式、圓管式、螺旋卷式、中空纖維式、板框式、圓管式、螺旋卷式、中空纖維式、 毛細管式毛細管式 二、常用的膜器件二、常用的膜器件 （一）板框式膜器件（一）板框式膜器件 1、基本部件、基本部件 o 平板膜、支撐盤、平板膜、支撐盤、 間隔盤。三種部間隔盤。三種部 件相互交替、重件相互交替、重 疊、壓緊。疊、壓緊。 2、特點、特點 o 組裝比較簡單，可以簡單地增加膜的層數(shù)組裝比較簡單，可以簡單地增加膜的層數(shù) 以提高處理量；以提高處理量； o 操作比較方便。操作比較方便。 o 板框式膜組件組裝零件太多；裝填密度低；板框式膜組件組裝零件太多；裝填密度低； 膜的機械強度要求較高。膜的機械強度要求較

10、高。 3、應(yīng)用、應(yīng)用 o 超濾（超濾（UF）、微濾（）、微濾（MF）、反滲透（）、反滲透（RO）、）、 電滲析（電滲析（ED） 4、板框式反滲透膜組件、板框式反滲透膜組件 季緊螺栓型季緊螺栓型- -裝配圖裝配圖 （1） 結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)單元 o 承壓板、多孔支撐板、濾膜組成濾板承壓板、多孔支撐板、濾膜組成濾板 （2）結(jié)構(gòu)形式）結(jié)構(gòu)形式 o 多層濾板堆疊，經(jīng)密封后，由季緊螺栓固多層濾板堆疊，經(jīng)密封后，由季緊螺栓固 定。定。 進水進水 透過水透過水 濃縮水濃縮水 耐壓容器耐壓容器 透水板透水板 半透膜半透膜 （3）工作過程）工作過程 板板 式式 超超 濾濾 膜膜 裝裝 置置 （二）圓管式膜器件（二）圓

11、管式膜器件 1、基本部件、基本部件 o 管狀膜、圓筒形支撐體、管束板、不銹鋼外殼、端管狀膜、圓筒形支撐體、管束板、不銹鋼外殼、端 部密封部密封 2、特點、特點 o 流動狀態(tài)好，流速易控制；流動狀態(tài)好，流速易控制； o 結(jié)構(gòu)簡單，容易清洗，安裝、操作方便；結(jié)構(gòu)簡單，容易清洗，安裝、操作方便； o 裝填密度較小，單位體積內(nèi)有效膜面積??；裝填密度較小，單位體積內(nèi)有效膜面積??； o 耐高壓，無死角，適宜于處理高黏度及固體含量耐高壓，無死角，適宜于處理高黏度及固體含量 較高的料液，比其他形式應(yīng)用更為廣泛。較高的料液，比其他形式應(yīng)用更為廣泛。 3、類型與結(jié)構(gòu)、類型與結(jié)構(gòu) o 管式膜組件管式膜組件 又分為內(nèi)

12、壓又分為內(nèi)壓 型和外壓型型和外壓型 兩種。兩種。 o 內(nèi)壓型有單內(nèi)壓型有單 管式和管束管式和管束 式兩種。式兩種。 （三）螺旋卷式膜器件（三）螺旋卷式膜器件 1、基本部件、基本部件 o 膜、多孔支撐層、原料水隔網(wǎng)、多孔中心膜、多孔支撐層、原料水隔網(wǎng)、多孔中心 管管 o 構(gòu)成：兩層膜三邊封口，構(gòu)成信封狀膜袋，構(gòu)成：兩層膜三邊封口，構(gòu)成信封狀膜袋， 膜袋內(nèi)填充多孔支撐層，一層膜袋襯一層膜袋內(nèi)填充多孔支撐層，一層膜袋襯一層 隔網(wǎng)，從膜袋開口端開始繞多孔中心管卷隔網(wǎng)，從膜袋開口端開始繞多孔中心管卷 繞而形成螺旋卷式膜器件。繞而形成螺旋卷式膜器件。 密封密封 密封密封 密封密封 螺旋卷式膜組件一個膜葉結(jié)

13、構(gòu)示意圖螺旋卷式膜組件一個膜葉結(jié)構(gòu)示意圖 多孔透水材料多孔透水材料 膜，上下兩層膜，上下兩層 2、特點、特點 o 結(jié)構(gòu)緊湊，裝填密度高結(jié)構(gòu)緊湊，裝填密度高 o 制作簡單，安裝、操作方便制作簡單，安裝、操作方便 o 適合低流速、低壓下操作適合低流速、低壓下操作 o 制作工藝復(fù)雜，膜清洗困難制作工藝復(fù)雜，膜清洗困難 3、工作過程、工作過程 原料從端部進入組件后，在隔網(wǎng)中的原料從端部進入組件后，在隔網(wǎng)中的 流道沿平行于中心管方向流動，而透過物流道沿平行于中心管方向流動，而透過物 進入膜袋后旋轉(zhuǎn)著沿螺旋方向流動，最后進入膜袋后旋轉(zhuǎn)著沿螺旋方向流動，最后 匯集在中心收集管中再排出，濃液則從組匯集在中心收

14、集管中再排出，濃液則從組 件另一端排出。件另一端排出。 進進 水水 口口 耐壓容器耐壓容器 連連 接接 器器 膜膜 組組 件件 密密 封封 圈圈 端端 蓋蓋 透過透過 液液 濃縮濃縮 液液 4、膜組件的結(jié)構(gòu)與組裝、膜組件的結(jié)構(gòu)與組裝 （四）中空纖維式膜器件（四）中空纖維式膜器件 1、基本構(gòu)成、基本構(gòu)成 （1）中空纖維膜）中空纖維膜 o 將膜材料制成外徑為將膜材料制成外徑為80400m、內(nèi)徑為、內(nèi)徑為 40100m的空心管，即為中空纖維膜。的空心管，即為中空纖維膜。 （2）中空纖維膜組件）中空纖維膜組件 o 將大量的中空纖維一端封死，另一端用環(huán)氧將大量的中空纖維一端封死，另一端用環(huán)氧 樹脂澆注成

15、管板，裝在圓筒形壓力容器中，樹脂澆注成管板，裝在圓筒形壓力容器中， 就構(gòu)成了中空纖維膜組件。就構(gòu)成了中空纖維膜組件。 2、特點、特點 o 結(jié)構(gòu)緊湊，裝填密度很高；結(jié)構(gòu)緊湊，裝填密度很高； o 清洗困難；清洗困難； o 中空纖維膜一旦損壞無法維修，只能中空纖維膜一旦損壞無法維修，只能 更換膜組件；更換膜組件； o 液體在管內(nèi)流動時阻力很大，易阻塞。液體在管內(nèi)流動時阻力很大，易阻塞。 3、工作過程工作過程 （1）內(nèi)壓式）內(nèi)壓式 o料液從空心纖維管料液從空心纖維管 內(nèi)流過，透過液經(jīng)纖內(nèi)流過，透過液經(jīng)纖 維管膜流出管外，這維管膜流出管外，這 是常用的操作方式。是常用的操作方式。 （2）外壓式）外壓式

16、o料液從一端經(jīng)分布管在纖維管外流動，透過液料液從一端經(jīng)分布管在纖維管外流動，透過液 則從纖維膜管內(nèi)流出。則從纖維膜管內(nèi)流出。 4、中空纖維膜設(shè)備操作、中空纖維膜設(shè)備操作 （1）操作過程）操作過程 o 過濾、濃縮過濾、濃縮反洗反洗清清 洗洗正洗正洗 （2）操作注意事項）操作注意事項 o 中空纖維組件必須在濕態(tài)下使用與保存。中空纖維組件必須在濕態(tài)下使用與保存。 長期停用時，用長期停用時，用0.5%甲醛或次氯酸鈉水溶甲醛或次氯酸鈉水溶 液保存。液保存。 三、電滲析器三、電滲析器 （一）電滲析原理和特點（一）電滲析原理和特點 1、電滲析的基本原理、電滲析的基本原理 電滲析是在直流電場的作用下，以電位差

17、電滲析是在直流電場的作用下，以電位差 為推動力，利用陰、陽離子交換膜對溶液中陰、為推動力，利用陰、陽離子交換膜對溶液中陰、 陽離子的選擇透過性陽離子的選擇透過性(即陽膜只允許陽離子通過，即陽膜只允許陽離子通過， 陰膜只允許陰離子通過），而使溶液中的溶質(zhì)陰膜只允許陰離子通過），而使溶液中的溶質(zhì) 與水分離的一種物理化學(xué)過程。從而實現(xiàn)溶液與水分離的一種物理化學(xué)過程。從而實現(xiàn)溶液 的濃縮、淡化、精制和提純的一種膜過程。的濃縮、淡化、精制和提純的一種膜過程。 o 離子交換膜的選擇透過性主要是由于離子交換膜的選擇透過性主要是由于膜上膜上 孔隙孔隙和和膜上離子膜上離子基團的作用?；鶊F的作用。 o 膜上的孔隙

18、容許膜上的孔隙容許 離子進出和通過。離子進出和通過。 o 膜上的離子基團膜上的離子基團 容許電性相反的容許電性相反的 離子通過。離子通過。 2、電滲析法的特點、電滲析法的特點 （1）耗電能與鹽溶液的濃度成正比，不適合）耗電能與鹽溶液的濃度成正比，不適合 與濃溶液與濃溶液 （2）不能除去不帶電荷的雜質(zhì)）不能除去不帶電荷的雜質(zhì) （二）電滲析器的結(jié)構(gòu)（二）電滲析器的結(jié)構(gòu) 1、構(gòu)造、構(gòu)造 o 電滲析器由膜堆、極區(qū)和壓緊裝置三部分構(gòu)電滲析器由膜堆、極區(qū)和壓緊裝置三部分構(gòu) 成。成。 （1）膜堆）膜堆 o 膜堆是由相當數(shù)量的膜對組裝而成的。膜堆是由相當數(shù)量的膜對組裝而成的。 o 膜對：是由一張陽離子交換膜，

19、一張隔板甲膜對：是由一張陽離子交換膜，一張隔板甲 （或乙）；一張陰膜，一張隔板乙（或甲）（或乙）；一張陰膜，一張隔板乙（或甲） 組成。組成。 （2）極區(qū)）極區(qū) o 包括電極、極框和導(dǎo)水板。包括電極、極框和導(dǎo)水板。 （3）壓緊裝置）壓緊裝置 o 壓緊裝置是用來壓緊電滲析器，使膜堆、壓緊裝置是用來壓緊電滲析器，使膜堆、 電極等部件形成一個整體，不致漏水。電極等部件形成一個整體，不致漏水。 2、組裝方式、組裝方式 o 電滲析器的組裝是用電滲析器的組裝是用“級級”和和“段段”來表來表 示，一對電極之間的膜堆稱為示，一對電極之間的膜堆稱為“一級一級”。 水流同向的每一個膜堆稱為水流同向的每一個膜堆稱為“

20、一段一段”。增。增 加段數(shù)就等于增加脫鹽流程，也就是提高加段數(shù)就等于增加脫鹽流程，也就是提高 脫鹽效率，增加膜對數(shù)，可提高水處理量。脫鹽效率，增加膜對數(shù)，可提高水處理量。 o 一般有以下幾種組裝形式：一級一段；一一般有以下幾種組裝形式：一級一段；一 級多段；多級一段；多級多段。級多段；多級一段；多級多段。 （三）電滲析工藝流程（三）電滲析工藝流程 1.循環(huán)操作流程循環(huán)操作流程 2.三級連續(xù)操作三級連續(xù)操作 （四）應(yīng)用（四）應(yīng)用 1.水的純化水的純化 生產(chǎn)制藥工藝用水生產(chǎn)制藥工藝用水 2.鹽溶液濃縮鹽溶液濃縮 3.脫除有機物和有機物脫酸脫除有機物和有機物脫酸 4.廢水處理廢水處理 第第3節(jié)節(jié) 超

21、濾與微濾超濾與微濾 1、超濾過程、超濾過程 o 膜膜: 非對稱性膜非對稱性膜,表面活性層孔徑表面活性層孔徑120nm微微 孔孔, 能截留分子量能截留分子量500以上大分子或膠體微以上大分子或膠體微 粒。粒。 o 原理原理: 原料液在壓差作用下，小分子物質(zhì)原料液在壓差作用下，小分子物質(zhì) 與小分子量與小分子量 物質(zhì)透過膜上微孔，流到低壓物質(zhì)透過膜上微孔，流到低壓 側(cè)，大分子物質(zhì)被截留。側(cè)，大分子物質(zhì)被截留。 o 機理機理: 篩分篩分 2、微濾過程、微濾過程(微孔過濾微孔過濾) o 膜膜: 微孔微孔,均質(zhì)的多孔膜均質(zhì)的多孔膜,孔徑孔徑0.02-10微孔微孔, 能截留直徑為能截留直徑為0.05-10的

22、微?；蚍肿恿看蟮奈⒘；蚍肿恿看?于于106的高分子的高分子 o 原理原理: 原料液在壓差作用下，小分子物質(zhì)原料液在壓差作用下，小分子物質(zhì) 與小分子量物質(zhì)透過膜上微孔，流到低壓與小分子量物質(zhì)透過膜上微孔，流到低壓 側(cè)，懸浮微粒和分子膠體被截留。側(cè)，懸浮微粒和分子膠體被截留。 o 機理機理: 篩分篩分 3、濃差極化、濃差極化 （1）概念）概念 膜傳質(zhì)過程中，靠近膜表面的邊界層處膜傳質(zhì)過程中，靠近膜表面的邊界層處 會存在濃度梯度或分壓差，對于給定的主體會存在濃度梯度或分壓差，對于給定的主體 流體濃度，邊界層阻力的存在降低了膜分離流體濃度，邊界層阻力的存在降低了膜分離 的傳質(zhì)推動力，滲透物的通量也降低

23、。由于的傳質(zhì)推動力，滲透物的通量也降低。由于 傳質(zhì)阻力而引起邊界層組分濃度的增加或降傳質(zhì)阻力而引起邊界層組分濃度的增加或降 低的現(xiàn)象被稱為低的現(xiàn)象被稱為濃差極化濃差極化。 （2）濃差極化對膜分離過程的不利影響）濃差極化對膜分離過程的不利影響 o 引起滲透壓的增大，減小傳質(zhì)推動力；引起滲透壓的增大，減小傳質(zhì)推動力； o 增加透過阻力；增加透過阻力； o 改變膜的分離特性；改變膜的分離特性； o 惡化膜的性能；惡化膜的性能； o 嚴重的濃差極化導(dǎo)致結(jié)晶析出，阻塞流嚴重的濃差極化導(dǎo)致結(jié)晶析出，阻塞流 道，運行惡化。道，運行惡化。 （3）減輕濃差極化的方法）減輕濃差極化的方法 o 改變流向、提高流速；

24、改變流向、提高流速； o 設(shè)置湍流促進器；設(shè)置湍流促進器； o 脈沖加料法；脈沖加料法； o 攪拌法；攪拌法； o 適當提高原料側(cè)溫度。適當提高原料側(cè)溫度。 4、切向流、切向流 o 概念：料液流向與膜平面平行。概念：料液流向與膜平面平行。 5、超濾的影響因數(shù)、超濾的影響因數(shù) （1）操作壓差）操作壓差(推動力推動力) o 壓差大，通量大，能耗大壓差大，通量大，能耗大; （2）料液流速）料液流速 o 采用錯流裝置，使料液與膜面平行流動，采用錯流裝置，使料液與膜面平行流動， 流速高，傳質(zhì)系數(shù)大，有利于提高滲透流速高，傳質(zhì)系數(shù)大，有利于提高滲透 通量。通量。 5、超濾的影響因數(shù)、超濾的影響因數(shù) （3）溫度）溫度 o 溫度高溫度高,料液粘度小，擴散系數(shù)大，有利于料液粘度小，擴散系數(shù)大，有利于 提高滲透通量。提高滲透通量。 （4）截留液濃度）截留液濃度 o 濃度增加，濃度邊界層增厚，易形成凝膠濃度增加，濃度邊界層增厚，易形成凝膠 層，使?jié)B透通量減小。層，使?jié)B透通量減小。 6、應(yīng)用、應(yīng)用 （1）水純化）水純化 o 純化水、注射用水、眼藥水純化水、注射用水、眼藥水 （2）廢水處理，回收有用的物質(zhì)）廢水處理，回收有用的物質(zhì) （3）產(chǎn)品加工）產(chǎn)品加工 o 各種大分子物質(zhì)分離，濃縮。各種大分子物質(zhì)分離，濃縮。 o 反滲透膜反滲透膜幾乎無孔，可以截