膜分離技術(shù)簡介ppt課件

1、膜分離技術(shù)簡介王振芳1;膜分離過程特點膜分離過程特點 所有的分離過程都是利用在某種環(huán)境中混合物中各組分性質(zhì)的差異進行分離。過濾操作是指流體中兩種或兩種以上組分基于尺寸差異的分離過程。常規(guī)的過濾一般是指固液分離或氣液分離。膜分離過程將這一應(yīng)用擴展到了固體或液體溶液中溶解性物質(zhì)的分離。即以選擇性透過膜為分離介質(zhì)，在兩側(cè)加以某種推動力時，原料側(cè)組分選擇性地透過膜，從而達到分離或提純的目的。不同的膜分離過程中所用的膜具有一定的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和選擇特性;被隔開的兩相可以是液態(tài)，也可以是氣態(tài);推動力可以是壓力梯度、濃度梯度或電位梯度，所以不同的膜分離過程的分離體系和適用范圍也不同 。膜分離有希望代替精餾。從國

2、內(nèi)情況看，實驗室研制應(yīng)用好，但轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)規(guī)模有難度。尤其是膜的質(zhì)量、膜的組裝、密封等。2;3;膜技術(shù)的應(yīng)用膜的商業(yè)應(yīng)用：20C60S第一代膜技術(shù)，液體分離，微濾、超濾、反滲 透、電滲析。20C70S，第二代膜技術(shù)，氣體分離膜技術(shù)。 20C80S第三代膜技術(shù)，滲透汽化深度處理-是指在常規(guī)處理工藝后，采用適當(dāng)?shù)奶幚矸椒?，將常?guī)處理工藝不能去除的污染物或消毒副產(chǎn)物的前體物加以去除，提高和保證水質(zhì)。常用深度處理的方法主要有:活性炭吸附，臭氧氧化，生物活性炭，膜技術(shù)等，其中，膜技術(shù)看來是最有前途的一種方法。膜處理法具有良好的調(diào)節(jié)水質(zhì)的能力，去除的污染物范圍比較廣，從顆粒雜質(zhì)到離子，細菌和病毒無一幸免。并

3、且其能耗低、操作簡單、出水水質(zhì)良好且穩(wěn)定.在水處理領(lǐng)域，反滲透、微濾、超濾、納濾等壓力驅(qū)動膜分離過程的應(yīng)用更為廣泛。而與反滲透相比，超濾由于操作壓力低，能耗小等獨特的優(yōu)點在國外常常被用于替代常規(guī)處理或深度處理，并且其應(yīng)用研究日益受到廣泛關(guān)注。由于我國近幾年在膜生產(chǎn)的技術(shù)和工藝上有很大改進，使得超濾技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛。它在處理含油廢水，電鍍廢水，含酚廢水，食品加工廢水等方面具有明顯的優(yōu)勢和巨大的潛力。超濾法可使紡織漿的聚乙烯醇(PVA)廢液濃縮回用，使印染廢水中的染料和水同時回用。此外，超濾還可成為每年數(shù)億噸含油廢水回注的關(guān)鍵技術(shù)。 4;各種膜過程的分離機理 5;符號縮寫D-Dialysis 滲

4、析 RO-Reverse Osmosis 反滲透UF-Ultra-filtration 超濾MF-Micro-filtration 微濾GS-Gas Separation 氣體膜分離PV-Per-vaporation 滲透蒸發(fā)MD-Membrane Distillation 膜蒸餾ME-Membrane Extraction 膜萃取ED-Electro-dialysis 電滲析6;不同壓力推動膜的孔徑范圍7;壓力過濾的分離范圍0.0004-0.02m -10 m -1000 m 離子 大分子 顆粒反滲透 0.00010.001 m超濾 0.001-0.02 m微孔過濾0.02-10 m過濾8;

5、膜材料及種類用于分離膜的種類很多。以高分子材料制成的聚合膜居多。用于制膜的高分子材料：纖維素酯、脂肪族和芳香族聚酰胺、聚砜、聚丙烯腈、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、硅橡膠等。無機膜的制備已成為研究熱點，其增長速度遠快于聚合物膜。以金屬及氧化物、陶瓷、多孔玻璃和某些熱固性聚合物為材料。其熱力學(xué)、化學(xué)穩(wěn)定性好，使用壽命長。陶瓷膜的應(yīng)用較好。根據(jù)分離過程和分離對象選擇合適的膜材料9;膜的分類10;膜的性能膜的基本性能包括膜的分離透過特性和物化穩(wěn)定性兩方面。物化穩(wěn)定性：膜的空隙率、孔結(jié)構(gòu)、表面特性、機械強度、化學(xué)穩(wěn)定性、允許使用壓力、溫度、pH值、游離氯允許最高濃度以及對有機溶劑和各種化學(xué)藥品如的抵抗性。其中

6、孔結(jié)構(gòu)和表面特性對使用過程中的膜污染、膜的滲透流率及分離性能具有很大的影響，化學(xué)性能如膜的耐壓性、耐高溫性、耐清洗性、耐生物降解性等在某些工業(yè)應(yīng)用中也非常重要。分離透過特性：滲透通量、分離效率、通量衰減系數(shù)。滲透通量：單位時間透過單位膜面積的透過物量分離效率：不同的膜分離過程和分離對象，表示方法不同。如截留率、脫鹽率等通量衰減：由于過程的濃差極化、膜的壓密及膜孔堵塞等原因造成的膜滲透通量隨時間的減小。11;膜分離設(shè)備膜的分離裝置主要包括：膜組件、泵、過濾器、閥門、儀表、管路等。常用膜組件：板框式、圓管式、螺旋卷式、和中空纖維式。12;反滲透簡介我國反滲透技術(shù)開發(fā)始于20世紀60年代196719

7、69年全國海水淡化會戰(zhàn)為乙酸纖維素不對稱反滲透膜的開發(fā)打下了基礎(chǔ)，70年代進行中空纖維和卷式反滲透組件的研究開發(fā)，80年代進行反滲透復(fù)合膜的研究開發(fā)，開始步人產(chǎn)業(yè)化，反滲透技術(shù)已廣泛應(yīng)用于海水苦咸水淡化，純水、超純水制備，化工分離、濃縮、提純等領(lǐng)域工程遍布電力、電子、化工、輕工煤炭、環(huán)保、醫(yī)藥、食品等行業(yè)反滲透膜技術(shù)及其工程應(yīng)用的發(fā)展方向主要集中于研究開發(fā)具有低能耗、抗污染、耐高溫、高壓和特種分離等性能的反滲透膜組器超低壓反滲透膜能在保持原脫鹽率的情況下，操作壓力下降2540，從而降低了系統(tǒng)的能耗和設(shè)備材料的要求抗污染反滲透膜的開發(fā)，減少了膜清洗的能耗，延長了膜的使用壽命，廣泛地應(yīng)用于污水回用

8、和化工原材料的濃縮提純帶正電荷反滲透膜可直接應(yīng)用于二級、三級反滲透系統(tǒng)制備14MQ、1015MQ電阻率的純水、超純水，實現(xiàn)無酸堿廢水污染的潔凈工藝耐高溫反滲透膜具有90耐溫性能，可用于食品、醫(yī)藥等行業(yè)需采用高溫殺菌消毒的反滲透裝置耐高壓反滲透膜具有90MPa以上的耐壓性能，用于二級海水淡化反滲透裝置、可使水回收率達到60近20年來，多種高性能和特殊用途的新型反滲透膜組器的研制成功，有力地推進了反滲透應(yīng)用工程的發(fā)展反滲透工程應(yīng)用的另一個發(fā)展方向是反滲透膜組器與超濾、微濾、納濾、EDI等組器的有機地組合應(yīng)用，充分發(fā)揮各種膜分離技術(shù)的特性，形成一個完整的系統(tǒng)工程，達到濃縮、分離、提純的目的13;反滲

9、透分離原理滲透是自發(fā)過程，而反滲透是非自發(fā)過程。反滲透同樣可以視作溶液中水的化學(xué)勢不同引起的水的移動過程。當(dāng)兩溶液的壓力差大于其滲透壓差時，水的流動可實現(xiàn)非自發(fā)過程反滲透過程。用只能讓水分子透過，而不允許溶質(zhì)透過的半透膜將純水與咸水分開，則水分子將從純水一側(cè)通過膜向咸水一側(cè)透過，結(jié)果使咸水一側(cè)的液位上升，直到某一高度，此所謂滲透過程；當(dāng)滲透達到動態(tài)平衡狀態(tài)時，半透膜兩側(cè)存在一定的水位差或壓力差，此為在指定溫度下的溶液滲透壓；當(dāng)咸水一側(cè)施加的壓力P大于該溶液的滲透壓，可迫使?jié)B透反向，實現(xiàn)反滲透過程。此時，在高于滲透壓的壓力作用下，咸水中水的化學(xué)位升高，并超過純水的化學(xué)位，水分子從咸水一側(cè)反向地通

10、過膜透過到純水一側(cè)，使咸水得到淡化，反滲透除鹽法即基于此原理。一般反滲透膜微孔尺寸在10A左右，操作壓力為1.0-10.0Mpa,切割分子量小于500，能截留鹽或小分子量有機物，可使水中離子的含量降低96-99%。 14;反滲透影響因素分析 壓差對脫鹽率、膜通量、傳質(zhì)系數(shù)的影響15;反滲透通量的影響因素操作壓差壓差越大，滲透通量越大，但濃差極化比增大，膜表面溶液滲透壓升高，推動力不能按比例增大溫度溫度升高，純水透過系數(shù)增大，同時濃差極化減小，滲透壓降低，推動力增大，通量增大。料液流速流速大，傳質(zhì)系數(shù)增大，濃差極化比減小，滲透通量增大。料液的濃縮程度濃縮程度高，水的回收率高。但滲透壓高，滲透通量

11、小，且已造成膜污染。膜材料和結(jié)構(gòu)決定膜滲透通量的基本因素。16;反滲透過程的濃差極化反滲透過程中，大部分溶質(zhì)被截留，溶質(zhì)在膜表面附近積累，因此從料液主體到膜表面建立起有濃度梯度的濃度邊界層，溶質(zhì)在膜表面的濃度高于料液主體濃度，這種現(xiàn)象稱為濃差極化。17;濃差極化比隨時間的變化18;濃差極化對過程的不利影響膜表面濃度升高，溶液的滲透壓升高，當(dāng)操作壓差一定，推動力下降，滲透通量下降。隨著滲透通量的增加，濃差極化比急劇增加，溶質(zhì)的滲透通量也增加，截流率降低。濃差極化使膜表面溶液的滲透壓增高，由此引起水通量下降和通過膜的鹽遷移量的上升。倘若在邊界層中溶解溶質(zhì)的濃度超過它的溶解度，則在膜表面上將有沉淀或

12、結(jié)垢發(fā)生。在如此高的濃度下，膠體物質(zhì)變得較不穩(wěn)定，因而它會凝聚和污染膜表面。減輕濃差極化的有效途徑是提高料液流速；增強料液的湍流程度；提高操作溫度；對膜面進行定期清洗等。19;超濾超濾 (UF)是一種篩孔分離過程，在靜壓差為推動力作用下，原料液中溶劑和小溶質(zhì)粒子從高壓的料液側(cè)透過膜到低壓側(cè)，一般稱為透過液或滲透液，而大粒子組分被膜所阻攔，使它們在濾剩液中濃度增大。 超濾膜的分離性能主要是指膜的透過率和脫除率，這與膜的孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，它是以膜對不同分子量的截留率來描述的，相當(dāng)與分離分級曲線。20;中空纖維膜圖2.1.1 中空纖維超濾器示意圖21;22;壓差對透過率的影響020040060080010

13、0012000 .0 20 .0 30 .0 30 .0 30 .0 40 .0 40 .0 40 .0 50 .0 60 .0 8壓 差 M P a透過率L/h m223;壓差對脫除率的影響4050607080901001100 .0 2 30 .0 2 60 .0 2 90 .0 3 20 .0 3 50 .0 4 20 .0 5 20 .0 60 .0 7 8壓 差 M P a脫除率 %24;超濾的滲透通量影響因素操作壓差料液流速溫度截留物濃度25;膜的主要傳質(zhì)機理溶解-擴散模型，膜的選擇透過性是由于不同組分在膜中的溶解度和擴散系數(shù)不同而造成的?？啄Ｐ秃Y分模型優(yōu)先吸附-毛細管流動模型26;膜傳質(zhì)膜表面上傳質(zhì)膜內(nèi)傳質(zhì)27;膜傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)聯(lián)式 層流時： （Re1800） Grber 等提出 Sh=0.664（Re）0.5（Sc）0.33（dh/L）0.5 即k與U的指數(shù)關(guān)系經(jīng)驗式： k=0.664(U/L)1/2D2/3/0.17 湍流時： Dittus和 Boelter 1961年New York提出 Sh=0.023（Re）0.8（Sc）0.33 即k=0.023