膜分離技術(shù)課件

1、6.3.1 6.3.2 膜分離技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史膜分離技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史50年代初，為從海水或苦咸水中獲取淡水，開(kāi)始了年代初，為從海水或苦咸水中獲取淡水，開(kāi)始了反滲透膜反滲透膜的研究。的研究。真正意義上的分離膜出現(xiàn)在真正意義上的分離膜出現(xiàn)在20世紀(jì)世紀(jì)60年代。年代。1961年，米切利年，米切利斯（斯（A. S. Michealis）等人用各種比例的酸性和堿性的高分子）等人用各種比例的酸性和堿性的高分子電介質(zhì)混合物以水電介質(zhì)混合物以水-丙酮丙酮-溴化鈉為溶劑，制成了可截留不同分溴化鈉為溶劑，制成了可截留不同分子量的膜，這種膜是真正的子量的膜，這種膜是真正的超過(guò)濾膜超過(guò)濾膜。美國(guó)。美國(guó)Amicon公司首公司

2、首先將這種膜商品化。先將這種膜商品化。1967年，年，DuPont公司研制成功了以尼龍公司研制成功了以尼龍-66為主要組分的中空為主要組分的中空纖維反滲透膜組件。同一時(shí)期，丹麥纖維反滲透膜組件。同一時(shí)期，丹麥DDS公司研制成功公司研制成功平板平板式反滲透膜組件式反滲透膜組件。反滲透膜開(kāi)始工業(yè)化。反滲透膜開(kāi)始工業(yè)化。 自上世紀(jì)自上世紀(jì)60年代中期以來(lái)，膜分離技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了工業(yè)年代中期以來(lái)，膜分離技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。首先出現(xiàn)的分離膜是化。首先出現(xiàn)的分離膜是超過(guò)濾膜超過(guò)濾膜（簡(jiǎn)稱（簡(jiǎn)稱UF膜）、膜）、微孔過(guò)微孔過(guò)濾膜濾膜（簡(jiǎn)稱（簡(jiǎn)稱MF膜）和膜）和反滲透膜反滲透膜（簡(jiǎn)稱（簡(jiǎn)稱RO膜）。以后又開(kāi)發(fā)膜

3、）。以后又開(kāi)發(fā)了許多其它類(lèi)型的分離膜。了許多其它類(lèi)型的分離膜。 在此期間，除上述三大膜外，其他類(lèi)型的膜也獲得很大在此期間，除上述三大膜外，其他類(lèi)型的膜也獲得很大的發(fā)展。的發(fā)展。80年代年代氣體分離膜氣體分離膜的研制成功，使功能膜的地位又的研制成功，使功能膜的地位又得到了進(jìn)一步提高。得到了進(jìn)一步提高。 具有分離選擇性的人造具有分離選擇性的人造液膜液膜是馬丁（是馬?。∕artin）在）在60年代初研年代初研究反滲透時(shí)發(fā)現(xiàn)的，這種液膜是覆蓋在固體膜之上的，為支撐究反滲透時(shí)發(fā)現(xiàn)的，這種液膜是覆蓋在固體膜之上的，為支撐液膜。液膜。 60年代中期，美籍華人黎念之博士發(fā)現(xiàn)含有表面活性劑的水年代中期，美籍華人

4、黎念之博士發(fā)現(xiàn)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，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，并于并于1968年獲得純粹液膜的第一項(xiàng)專利。年獲得純粹液膜的第一項(xiàng)專利。 70年代初，卡斯勒（年代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功）又研制成功含流動(dòng)載體的含流動(dòng)載體的液膜液膜，使液膜分離技術(shù)具有更高的選擇性。，使液膜分離技術(shù)具有更高的選擇性。 膜分離：以天然或合成薄膜為質(zhì)量分離劑，以壓力差、化學(xué)位差等為推動(dòng)力，根據(jù)膜分離：以天然或合成薄膜為質(zhì)量分離劑，以壓力差、化學(xué)位差等為推動(dòng)力，根據(jù)液體或氣體混合物的不同組分通過(guò)膜的滲透率的差異實(shí)現(xiàn)組分的分離、

5、分級(jí)、提純液體或氣體混合物的不同組分通過(guò)膜的滲透率的差異實(shí)現(xiàn)組分的分離、分級(jí)、提純或富集的過(guò)程。或富集的過(guò)程。 6.3.1 膜膜膜應(yīng)具備下述兩個(gè)特性：膜應(yīng)具備下述兩個(gè)特性：第一：膜必須具有兩個(gè)界面，分別與上游側(cè)與下游側(cè)的第一：膜必須具有兩個(gè)界面，分別與上游側(cè)與下游側(cè)的流體物質(zhì)互相接觸。流體物質(zhì)互相接觸。第二：膜應(yīng)具有選擇透過(guò)性。第二：膜應(yīng)具有選擇透過(guò)性。 膜的種類(lèi)膜的種類(lèi)根據(jù)膜的材質(zhì)固體膜液體膜根據(jù)材料來(lái)源天然膜合成膜無(wú)機(jī)材料膜有機(jī)高分子膜根據(jù)膜的結(jié)構(gòu)多孔膜致密膜離子交換膜滲析膜微孔過(guò)濾膜超過(guò)濾膜反滲透膜滲透汽化膜氣體滲透膜根據(jù)膜的功能膜材料選擇膜材料選擇 選擇依據(jù)：膜材料本身的物理化學(xué)性質(zhì)，

6、以及膜材料與分離體系中組分間的相互作選擇依據(jù)：膜材料本身的物理化學(xué)性質(zhì)，以及膜材料與分離體系中組分間的相互作用。用。 選擇方法：溶解度參數(shù)選擇法、選擇方法：溶解度參數(shù)選擇法、 Lansdale 膜材料選擇法、高效液相色譜法、膜材膜材料選擇法、高效液相色譜法、膜材料含水率法、分子模擬法等。料含水率法、分子模擬法等。 常用有機(jī)膜材料：常用有機(jī)膜材料： 纖維素衍生物、聚砜類(lèi)、乙烯類(lèi)高分子、含硅高分子、聚烯烴纖維素衍生物、聚砜類(lèi)、乙烯類(lèi)高分子、含硅高分子、聚烯烴（聚乙烯、聚丙烯等）、聚酰胺類(lèi)及雜環(huán)含氮高聚物（最常用的是聚酰亞胺、含氟（聚乙烯、聚丙烯等）、聚酰胺類(lèi)及雜環(huán)含氮高聚物（最常用的是聚酰亞胺、含

7、氟高分子（聚四氟乙烯等）。高分子（聚四氟乙烯等）。 膜的制備方法1 1、高分子膜的制備、高分子膜的制備定向拉伸法、核徑跡法（痕跡刻蝕法）、定向拉伸法、核徑跡法（痕跡刻蝕法）、熔融擠壓法、溶出法等。熔融擠壓法、溶出法等。2 2、無(wú)機(jī)膜的制備、無(wú)機(jī)膜的制備燒結(jié)法、溶膠燒結(jié)法、溶膠- -凝膠法、化學(xué)提取法、凝膠法、化學(xué)提取法、高溫分解法、化學(xué)氣相沉積法、電化學(xué)沉積法等高溫分解法、化學(xué)氣相沉積法、電化學(xué)沉積法等四、膜的分離性能：四、膜的分離性能：a. 用截留率表示用截留率表示： （R） 截留率；表示膜對(duì)溶質(zhì)的截留能力，可用小數(shù)或百分?jǐn)?shù)表示。截留率；表示膜對(duì)溶質(zhì)的截留能力，可用小數(shù)或百分?jǐn)?shù)表示。 %10

8、0)1(%100FPFPFCCCCCR原料濃度透過(guò)物濃度原料濃度b. 分離系數(shù)分離系數(shù)：AAAAxyxyAA11原料中其它組分濃度透過(guò)物其它組分濃度濃度原料濃度透過(guò)物.wVJS t3、 通量率減系數(shù)通量率減系數(shù)膜滲透通量隨時(shí)間衰減膜滲透通量隨時(shí)間衰減率率減減系系數(shù)數(shù)（小小數(shù)數(shù)）時(shí)時(shí)的的滲滲透透通通量量時(shí)時(shí)間間使使用用時(shí)時(shí)間間mhmkgJJJm 20/.wVJS t2 2、透過(guò)性通常用單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位膜面積的透過(guò)物量、透過(guò)性通常用單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位膜面積的透過(guò)物量Jw表示表示1、膜分離過(guò)程的機(jī)理非常復(fù)雜膜分離過(guò)程的機(jī)理非常復(fù)雜, ,這是由于分離具有這是由于分離具有多樣性決定的。多樣性決定的。2

9、、目前，比較常用的機(jī)理模型有篩分機(jī)理、溶解目前，比較常用的機(jī)理模型有篩分機(jī)理、溶解- -擴(kuò)散機(jī)理和孔流機(jī)理等。擴(kuò)散機(jī)理和孔流機(jī)理等。6.3.2 膜組件1.1.膜分離裝置的核心是膜組件膜分離裝置的核心是膜組件2.2.一個(gè)性能良好的膜組件一般應(yīng)具備下述要求：一個(gè)性能良好的膜組件一般應(yīng)具備下述要求：原料側(cè)與透過(guò)側(cè)的流體有良好的流動(dòng)狀態(tài)，以減少返混、濃差極化和膜污染；原料側(cè)與透過(guò)側(cè)的流體有良好的流動(dòng)狀態(tài)，以減少返混、濃差極化和膜污染；具有盡可能高地裝填密度，使單位體積的膜組件中具有較高的有效膜面積；具有盡可能高地裝填密度，使單位體積的膜組件中具有較高的有效膜面積；對(duì)膜能提供足夠高的機(jī)械支撐，密封性良好

10、，膜的安裝和更換方便；對(duì)膜能提供足夠高的機(jī)械支撐，密封性良好，膜的安裝和更換方便；設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)低；設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)低；（1）板框式膜組件（2）卷式膜具 由四層組成膜膜鹽水鹽水中心管中心管多孔支撐材多孔支撐材料料進(jìn)料液隔網(wǎng)進(jìn)料液隔網(wǎng)淡化水流淡化水流（3）管式膜具纖維束管纖維束管中心分布管中心分布管透過(guò)液透過(guò)液濃縮液濃縮液料液料液（4）.濃差極化濃差極化 對(duì)于液體混合物的膜分離過(guò)程，對(duì)于液體混合物的膜分離過(guò)程，其在邊界層的擴(kuò)散很慢，濃差其在邊界層的擴(kuò)散很慢，濃差極化往往不能忽略。極化往往不能忽略。濃差極化對(duì)過(guò)程的不利影響：濃差極化對(duì)過(guò)程的不利影響：濃差極化使膜表面被截留的溶質(zhì)濃度增高，引起滲透壓的

11、增大，濃差極化使膜表面被截留的溶質(zhì)濃度增高，引起滲透壓的增大，從而減小傳質(zhì)推動(dòng)力；從而減小傳質(zhì)推動(dòng)力； 當(dāng)膜表面溶質(zhì)濃度達(dá)到其飽和濃度時(shí)，便會(huì)在膜表面形成沉積當(dāng)膜表面溶質(zhì)濃度達(dá)到其飽和濃度時(shí)，便會(huì)在膜表面形成沉積或凝膠層，增加透過(guò)阻力；或凝膠層，增加透過(guò)阻力； 膜表面沉積或凝膠層的形成會(huì)改變膜的分離特性；膜表面沉積或凝膠層的形成會(huì)改變膜的分離特性； 當(dāng)有機(jī)溶質(zhì)在膜表面達(dá)到一定濃度則有可能對(duì)膜發(fā)生溶脹或溶當(dāng)有機(jī)溶質(zhì)在膜表面達(dá)到一定濃度則有可能對(duì)膜發(fā)生溶脹或溶解，惡化膜的性能；解，惡化膜的性能；嚴(yán)重的濃差極化導(dǎo)致結(jié)晶析出，阻塞流道，運(yùn)行惡化。嚴(yán)重的濃差極化導(dǎo)致結(jié)晶析出，阻塞流道，運(yùn)行惡化。 1、減

12、少邊界層厚度、減少邊界層厚度2、提高傳質(zhì)系數(shù)、提高傳質(zhì)系數(shù)方法：方法：1，增加料液流速；增加湍流速度；，增加料液流速；增加湍流速度；2，提高溫度；清洗膜面。，提高溫度；清洗膜面。6.3.3 膜分離過(guò)程膜分離過(guò)程膜分離過(guò)程推動(dòng)力：壓力差、濃度差、電位差等。膜分離過(guò)程推動(dòng)力：壓力差、濃度差、電位差等。 圖圖 6-44 各種膜分離過(guò)程的應(yīng)用范圍各種膜分離過(guò)程的應(yīng)用范圍 1 1）多數(shù)膜分離過(guò)程無(wú)相變發(fā)生，能耗通常較低。）多數(shù)膜分離過(guò)程無(wú)相變發(fā)生，能耗通常較低。 2 2）一般無(wú)需從外界加入其他物質(zhì)，可節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境。）一般無(wú)需從外界加入其他物質(zhì)，可節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境。 3 3）可使分離與濃縮、分離與

13、反應(yīng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)，大大提高了分離效率）可使分離與濃縮、分離與反應(yīng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)，大大提高了分離效率。 4 4）通常在溫和條件下進(jìn)行，因而特別適用于熱敏性物質(zhì)的分離、）通常在溫和條件下進(jìn)行，因而特別適用于熱敏性物質(zhì)的分離、分級(jí)、濃縮與富集。分級(jí)、濃縮與富集。 5 5 應(yīng)用范圍廣。應(yīng)用范圍廣。 6 6）規(guī)模和處理能力可在很大范圍內(nèi)變化，而效率、設(shè)備單價(jià)、運(yùn)）規(guī)模和處理能力可在很大范圍內(nèi)變化，而效率、設(shè)備單價(jià)、運(yùn)行費(fèi)用等都變化不大。行費(fèi)用等都變化不大。 7 7）膜組件結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，可在頻繁的啟停下工作，易自控）膜組件結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，可在頻繁的啟停下工作，易自控和維修，且可直接插入已有的生產(chǎn)工藝流程。

14、和維修，且可直接插入已有的生產(chǎn)工藝流程。 膜分離過(guò)程的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)：膜分離過(guò)程的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)：圖圖6-45 各種膜分離過(guò)程的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)各種膜分離過(guò)程的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 一、過(guò)程原理：一、過(guò)程原理：1.1.超濾過(guò)程超濾過(guò)程膜膜: : 非對(duì)稱性膜，表面活性層孔徑非對(duì)稱性膜，表面活性層孔徑10-200微孔，微孔， 能截留分子量能截留分子量500以上大分子或膠體微粒。以上大分子或膠體微粒。壓差壓差: :0.1-0.5MPa性能性能: :透過(guò)性能以純水的透過(guò)速度表示，截留性能透過(guò)性能以純水的透過(guò)速度表示，截留性能 以截留相對(duì)分子質(zhì)量表示。以截留相對(duì)分子質(zhì)量表示。機(jī)理機(jī)理: :篩分機(jī)理。篩分機(jī)理。

15、超濾：超濾：進(jìn)料進(jìn)料溶劑、水溶劑、水膠體大分子應(yīng)用：應(yīng)用：1. 純水制造純水制造電子工業(yè)：超純水；醫(yī)藥工業(yè)：注射劑、眼藥水。電子工業(yè)：超純水；醫(yī)藥工業(yè)：注射劑、眼藥水。 2. 廢水處理廢水處理 回收有用的物質(zhì)回收有用的物質(zhì) 3. 產(chǎn)品加工產(chǎn)品加工 各種大分子物質(zhì)分離，濃縮。各種大分子物質(zhì)分離，濃縮。2.微濾過(guò)程微濾過(guò)程(微孔過(guò)濾微孔過(guò)濾)膜膜: : 微孔，均質(zhì)的多孔膜，孔徑微孔，均質(zhì)的多孔膜，孔徑0.02-幾十微米幾十微米， 能截留直徑為能截留直徑為0.05-10微米的微粒。微米的微粒。 壓差壓差: : 0.01-0.2MPa。原理原理: : 原料液在壓差作用下，小分子物質(zhì)與小分原料液在壓差作

16、用下，小分子物質(zhì)與小分 子量物質(zhì)透過(guò)膜上微孔，流到低壓側(cè)。子量物質(zhì)透過(guò)膜上微孔，流到低壓側(cè)。機(jī)理機(jī)理: : 篩分機(jī)理。篩分機(jī)理。三、工藝流程和應(yīng)用三、工藝流程和應(yīng)用1. 超、微濾流程超、微濾流程透過(guò)液原料膜組件儲(chǔ)槽儲(chǔ)槽2.超濾應(yīng)用(1)食品、飲料工業(yè)超濾超濾反滲透反滲透1.反滲透是最早工業(yè)化和最成熟的膜分離過(guò)程之一，其工業(yè)應(yīng)用是從海水、苦咸反滲透是最早工業(yè)化和最成熟的膜分離過(guò)程之一，其工業(yè)應(yīng)用是從海水、苦咸水的脫鹽開(kāi)始的，現(xiàn)又有許多新的應(yīng)用。水的脫鹽開(kāi)始的，現(xiàn)又有許多新的應(yīng)用。2.納濾是新近發(fā)展起來(lái)的介于反滲透和超濾之間的壓力驅(qū)動(dòng)膜分離過(guò)程，因其能納濾是新近發(fā)展起來(lái)的介于反滲透和超濾之間的壓力

17、驅(qū)動(dòng)膜分離過(guò)程，因其能夠截留納米級(jí)物質(zhì)，故得名納濾，又稱低壓反滲透。夠截留納米級(jí)物質(zhì)，故得名納濾，又稱低壓反滲透。3.反滲透和納濾過(guò)程的傳質(zhì)模型：微孔模型、孔隙開(kāi)閉理論和溶解反滲透和納濾過(guò)程的傳質(zhì)模型：微孔模型、孔隙開(kāi)閉理論和溶解- -擴(kuò)散理論。擴(kuò)散理論。 滲透率滲透率P:m3/m(m3.s.Pa)。 滲透系數(shù)滲透系數(shù)J：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位膜面積、：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位膜面積、單位推動(dòng)力作用下所透過(guò)的氣體的量，常用單位為單位推動(dòng)力作用下所透過(guò)的氣體的量，常用單位為cm3/(cm2.s.cmHg) 分離因子分離因子 (2) (2) 氣體膜分離過(guò)程氣體膜分離過(guò)程jiijJJ/ 類(lèi)型：真空滲透汽化、載氣吹掃滲

18、透汽化、熱滲透汽化或溫度梯度滲透汽化、溶劑吸收滲類(lèi)型：真空滲透汽化、載氣吹掃滲透汽化、熱滲透汽化或溫度梯度滲透汽化、溶劑吸收滲透汽化等。透汽化等。主要特點(diǎn)：主要特點(diǎn)： 分離選擇性高。分離選擇性高。 分離作用不受組分汽液平衡的限制，而主要受組分在膜內(nèi)的滲透速率的控制。分離作用不受組分汽液平衡的限制，而主要受組分在膜內(nèi)的滲透速率的控制。 滲透通量低，一般小于滲透通量低，一般小于1000g/m2h 。 過(guò)程中有相變過(guò)程中有相變。 在操作過(guò)程中，進(jìn)料側(cè)原則上不需加壓，所以不會(huì)導(dǎo)致膜的壓密。在操作過(guò)程中將形成在操作過(guò)程中，進(jìn)料側(cè)原則上不需加壓，所以不會(huì)導(dǎo)致膜的壓密。在操作過(guò)程中將形成溶脹活性層及所謂膜的

19、溶脹活性層及所謂膜的“干區(qū)干區(qū)”，膜可自動(dòng)轉(zhuǎn)化為非對(duì)稱膜。，膜可自動(dòng)轉(zhuǎn)化為非對(duì)稱膜。 從混合液中分離出少量物質(zhì)，如有機(jī)物中少量水的脫除，水中少量揮發(fā)性有機(jī)物的脫除；從混合液中分離出少量物質(zhì)，如有機(jī)物中少量水的脫除，水中少量揮發(fā)性有機(jī)物的脫除； 有機(jī)混合物的分離；有機(jī)混合物的分離； 與反應(yīng)過(guò)程結(jié)合，強(qiáng)化反應(yīng)過(guò)程。與反應(yīng)過(guò)程結(jié)合，強(qiáng)化反應(yīng)過(guò)程。 分離性能評(píng)價(jià)指標(biāo)：分離性能評(píng)價(jià)指標(biāo)： 1 1）分離因子（）分離因子（6-167） 2 2）滲透通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位膜面積、單位推動(dòng)力作用下所透過(guò)的物質(zhì)的量，）滲透通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位膜面積、單位推動(dòng)力作用下所透過(guò)的物質(zhì)的量， 3 3）滲透汽化分離指數(shù)）滲透

20、汽化分離指數(shù) PSI ： 電滲析：電滲析：在直流電場(chǎng)的作用下，利用離子交在直流電場(chǎng)的作用下，利用離子交換膜的選擇滲透性，產(chǎn)生陰陽(yáng)離子的定向遷換膜的選擇滲透性，產(chǎn)生陰陽(yáng)離子的定向遷移。移。（4 4）電滲析）電滲析2.電滲析過(guò)程陽(yáng)膜陽(yáng)膜陰膜陰膜陰膜陰膜陽(yáng)膜陽(yáng)膜+-陽(yáng)級(jí)陽(yáng)級(jí)陰級(jí)陰級(jí)+12345濃縮室濃縮室濃縮室濃縮室淡化室淡化室N+ +aN+ +aN+ +aN+ +a Cl Cl Cl Cl ClN+ +aN+ +a Cl過(guò)程：過(guò)程： 1. 兩電極間交替放置陰陽(yáng)離子膜；兩電極間交替放置陰陽(yáng)離子膜； 2. 在二膜形成的隔室中充入含離子水溶液；在二膜形成的隔室中充入含離子水溶液； 3. 接上電源后，溶液中帶正點(diǎn)荷離子在電場(chǎng)作用下，向陰接上電源后，溶液中帶正點(diǎn)荷離子在電場(chǎng)作用下，向陰極方向運(yùn)動(dòng)，易穿過(guò)陽(yáng)膜，被陰膜擋住，帶負(fù)電荷離子反之。極方向運(yùn)動(dòng)，易穿過(guò)陽(yáng)膜，被陰膜擋住，帶負(fù)電荷離子反之。 4. 結(jié)果結(jié)果 2、4隔室中離子濃度增加，隔室中離子濃度增加，3室離子濃度下降。室離子濃度下降。二、電滲析中傳遞過(guò)程二、電滲析中傳遞過(guò)程（1