第六章膜分離2ppt課件

1、 是介于反滲透與超濾之間的液相膜處理新技術(shù)。其特點為：（1能截留小分子的有機(jī)物并可同時透析除 鹽，集濃縮透析為一體；（2操作壓力遠(yuǎn)比反滲透低，具有節(jié)約動力的 優(yōu)點。 大多數(shù)的納濾膜是由多層聚合物薄膜組成。活性層通常帶荷負(fù)電化學(xué)基團(tuán)。一般認(rèn)為納濾膜是多孔性的，其平均孔徑為2nm。作為一般規(guī)律，通常分子量截留范圍為100一200道爾頓，納濾膜具有良好的熱穩(wěn)定性，pH穩(wěn)定性和有機(jī)溶劑的穩(wěn)定性。 納濾膜不僅具有依靠篩分作用進(jìn)行分離，也顯示有建立在離子電荷密度基礎(chǔ)上的選擇性，因為膜的離子選擇性，對于含有不同自由離子的溶液，透過膜的離子分布是不相同的(透過率隨離子濃度的變化而變化)，這就是Donnan效應(yīng)

2、。 對于荷電膜脫鹽，多用Donnan平衡模型來解釋。 水相 膜相 溶液相 平衡前 H2O Na+(x) Na+(C0) P-(x) Cl-(C0) 水相 膜相 溶液相 平衡后Na+(C1+) Na+(C2+) Na+(C0 - C3+)Cl-(C1-) P-(x) Cl-(C0 - C3- )Cl(C2-) 當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡時，膜相、水相、溶液相的離子的化學(xué)電位應(yīng)該達(dá)到平衡態(tài)。雖然，利用Donna平衡理論來說明荷電膜的脫鹽機(jī)理有所依據(jù)，而對于在壓力下透過膜的機(jī)理，還不能從膜、進(jìn)料及傳質(zhì)過程等多方面來定量描述。u 膜材料u 膜組件及其操作特性u纖維素衍生物u醋酸纖維素：由纖維素和醋酸反應(yīng)制得。是反

3、滲u（CA） 透膜、微濾和超濾的膜材料。u優(yōu)點：價格便宜，膜的分離和透過性能良好；u缺陷：pH使用范圍窄pH=48），容易被微生u 物分解以及在高壓操作下時間長了容易產(chǎn)u 生壓密，引起透量下降。硝酸纖維素：由纖維素和硝酸反應(yīng)制得。價格便硝酸纖維素：由纖維素和硝酸反應(yīng)制得。價格便（CN） 宜，廣泛用作透析膜和微濾膜材料。宜，廣泛用作透析膜和微濾膜材料。 為了增加膜的強(qiáng)度，一般與醋酸纖為了增加膜的強(qiáng)度，一般與醋酸纖 維素混合使用。維素混合使用。再生纖維素：纖維素溶于某些溶劑如銅氨溶液并再生纖維素：纖維素溶于某些溶劑如銅氨溶液并 在溶解過程中發(fā)生降解，在成膜過在溶解過程中發(fā)生降解，在成膜過 程中又回

4、復(fù)到纖維素的結(jié)構(gòu)，稱為程中又回復(fù)到纖維素的結(jié)構(gòu)，稱為 再生纖維素。再生纖維素。 廣泛用于人工腎透析膜材料和微濾、超濾膜材料。廣泛用于人工腎透析膜材料和微濾、超濾膜材料。u 聚砜類u 是一類具有高機(jī)械強(qiáng)度的工程塑料。是目前u最重要、生產(chǎn)量最大的高分子聚合膜。u用途：超濾和微濾的膜材料，多種商品復(fù)合膜的u 支撐層膜材料。u優(yōu)點：耐酸、耐堿u缺陷：耐有機(jī)溶劑的性能差。u 聚砜類材料可以通過化學(xué)反應(yīng)，制成帶有負(fù)電荷或u正電荷的膜材料或膜。荷電聚砜可以直接用作反滲透膜u資料。用它制成的荷電超濾膜抗污染性能特別好。經(jīng)磺u化的聚砜醚SPES-C可用于制造均相離子交換膜。u聚酰胺類及雜環(huán)含氮高聚物u類型：芳香

5、聚酰胺APA）、芳香聚酰胺-酰肼u （APAH）、聚苯砜酰胺APSA）、聚苯并咪唑u （PBI）、聚苯并咪唑酮PBIL）u用途：反滲透膜材料，目前最好的反滲透復(fù)合膜u 超薄皮層都是芳香含氮化合物，脫鹽率可u 達(dá)99.99%.u優(yōu)點：分離透過性能好、耐高壓。u缺陷：耐氯性能差。u 乙烯類高聚物u聚丙烯腈PAN）：u 是僅次于聚砜和醋酸纖維的超濾和微濾膜材u料，也用來作為滲透汽化復(fù)合膜的支撐體。u聚乙烯醇PVA）：u 是目前唯一獲得應(yīng)用的滲透汽化膜，由聚乙u烯醇與聚丙烯腈制成的滲透汽化復(fù)合膜的透量遠(yuǎn)u遠(yuǎn)大于聚乙烯醇與聚砜支撐體制成的復(fù)合膜。目前常用的膜組件分為以下三種形式：平板式螺旋卷式中空纖維式

6、過濾模型1） 在微濾、超濾等高孔率膜的過濾過程中，水在膜中的流動一般是層流，可應(yīng)用Hagen-poiseuille公式，其過濾流速可表示如下： lprJv82其中：JV過濾流率 - 多孔率 - 溶液黏度 - 擴(kuò)散曲折率，為實際毛細(xì)管長度和膜厚之比 - 有效膜厚 此公式成立的條件是流體為牛頓、不可壓縮流體，層流流動，流速與時間無關(guān)，忽略邊界效應(yīng)。 lTpp21pppT21過濾模型2 和化工原理中過濾操作一樣，透過膜的通量ms-1可表示為： 其中，Rm為純粹由膜產(chǎn)生的阻力 此公式適用于新膜， Rm以水進(jìn)行試驗求得。 由于過濾過程中，溶質(zhì)會吸附在膜上，或形成濃差極化層，也會形成阻力，所以有 vJmv

7、RpJsmRRR 目前，膜在使用過程中存在的一個突出問題是，膜的透過量隨運(yùn)行時間延長而降低，其影響因素有： （1濃差極化 （2膜污染l在分離過程中，料液中溶劑在壓力驅(qū)動下透過膜，溶質(zhì)被截留，于是在膜表面與鄰近膜面區(qū)域濃度越來越高。在濃度梯度作用下，溶質(zhì)由膜面向本體溶液擴(kuò)散，形成邊界層，使流體阻力與局部滲透壓增加，從而導(dǎo)致溶液透過流量下降。溶劑向膜面流動(對流)引起溶質(zhì)向膜面流動，當(dāng)溶質(zhì)向膜面的流動速度與濃度梯度使溶質(zhì)向本體溶液擴(kuò)散速度達(dá)到平衡時，在膜面附近存在一個穩(wěn)定的濃度梯度區(qū)，這一區(qū)域稱為濃度極化邊界層，這一現(xiàn)象稱為濃差極化。 取膜面上一單元薄層 ，對此單元薄層作物料衡算。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，溶

8、質(zhì)因?qū)α鬟M(jìn)入單元薄層的速度等于透過膜的速度和反擴(kuò)散之和。邊界條件為將這一方程沿邊界層進(jìn)行積分 0 x,ccbdxVpvccdcJJDdx)()(lnkppvccccJbmx,ccmDk 如果溶質(zhì)分子在膜上完全被截留，則上式可簡化為：)()(lnkppgvccccJbbccJgvlnk)k/exp(vgJccb當(dāng)凝膠層穩(wěn)定時，gmcc 或 被成為極化膜數(shù)。 以上模型僅在與壓力無關(guān)的范圍內(nèi)是有效的。 Kd可以使用準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式估算。bmcc /bcc /g33. 08 . 0)(Re)023. 0ScSh 微濾：膠體溶液和大顆粒懸浮液的錯流微濾比錯 流超濾更為復(fù)雜，存在著不同的機(jī)制，不 可能用單一的方

9、程預(yù)測其透過量。 膠體溶液中的過濾通量一般要比模型預(yù)測值高幾倍，主要原因是：（1大分子溶質(zhì)和細(xì)胞之間的大小不同，構(gòu)成 的凝膠層不夠致密；（2主體溶液中的大尺寸顆粒對凝膠層的破壞 作用。濃差極化方程： 當(dāng)U 時，幾乎不存在濃差極化現(xiàn)象。而在通常的反滲透過程中，流速不能太高，因為隨著流速的增加，流動阻力增加，能耗增加，通常采用合適的流速，這樣就存在一定的濃差極化，即膜表面的滲透壓增加。awfbfmbUJexp)(濃差極化對反滲透的影響（1降低脫鹽率；（2降低水通量；（3導(dǎo)致膜上沉淀污染和增加流道阻力。降低濃差極化的途徑（1合理設(shè)計膜組件，使其流體分布均勻，湍 流促進(jìn)等；（2適當(dāng)控制操作流速，降低濃

10、差極化度，極 化度一般控制為1.2;（3適當(dāng)提高溫度，降低流體黏度和提高擴(kuò)散 系數(shù)。 濃差極化是影響超濾速度的主要因素，因此，在超濾中，為減少濃差極化，通常采用錯流操作。在錯流操作中，影響超濾通量的因素有以下幾個因素。 水通量水通量滲透壓滲透壓截留率截留率液質(zhì)截留率液質(zhì)截留率100%水通量或截留率水通量或截留率(1)壓力的影響壓力的影響（2當(dāng)形成凝膠層后，透量J與lnCb成反比。（3） 溫度的影響 因為溫度升高使物料的粘度降低和擴(kuò)散系 數(shù)增大。所以操作溫度的選擇原則是：在不影響料液的活性和膜的穩(wěn)定性范圍內(nèi)，盡量選擇較高的溫度。（4流速的影響 增大流速，會減少濃差極化層厚度，使傳質(zhì)系數(shù)增大因而通

11、量增大。 膜污染是指處理物料中的微粒、膠體離子或溶質(zhì)分子與膜發(fā)生物理、化學(xué)的相互作用或因濃差極化使某些溶質(zhì)在膜表面濃度超過其溶解度及機(jī)械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附，使膜產(chǎn)生透過流量與分離特性的不可逆變化的現(xiàn)象。 低流速、高溶質(zhì)濃度、高濃縮比最容易造成膜污染，需要及時清洗，恢復(fù)其性能。1 粒子或溶質(zhì)的尺寸、形狀 粒子或溶質(zhì)的大小與膜孔相近時，由于壓力的作用，易產(chǎn)生堵塞，球形蛋白質(zhì)、支鏈聚合物及支鏈線性聚合物也會導(dǎo)致膜污染；2 溶質(zhì)和膜的相互作用 盡量避免溶質(zhì)和膜的吸附作用3 膜的結(jié)構(gòu)和性能 雙皮層的中空纖維膜比單皮層的中空纖維膜更易污染，且不好清洗。4 溶液特性 鹽的種類與濃度，pH值、溫

12、度、黏度等。多價鹽類對反滲透和超濾污染可能性增大。5 膜的物理性質(zhì) 膜面光滑，孔徑分布窄耐污染6 操作參數(shù) 壓力、流速、溫度1 料液預(yù)處理 熱處理物料：目的是滅菌 pH調(diào)節(jié)：對于蛋白質(zhì)，要注意等電點問題和離子化問題； 離子交換：主要去除多價離子； 預(yù)過濾：去除顆粒物，防止堵塞管道或損傷膜； 2 膜材料的選擇 親水膜及膜材料電荷與溶質(zhì)電荷相同的膜較耐污染。3 膜孔徑或截留分子量的選擇 選擇膜孔徑小于粒子或溶質(zhì)尺寸的膜。4 膜結(jié)構(gòu)的選擇 對于錯流微濾，不對稱膜比對稱膜更耐污染5 組件結(jié)構(gòu)選擇 對于截留物是產(chǎn)物，且要高倍濃縮，選組件結(jié)構(gòu)要慎重，錯流過濾的中空纖維膜更為適合。6 溶液pH 盡量將溶液的

13、pH值調(diào)離蛋白質(zhì)的等電點。7 溶液中鹽濃度的影響 通過兩條途徑產(chǎn)生影響，一是無機(jī)鹽及其復(fù)合物會在孔內(nèi)沉積污染膜；二是無機(jī)鹽改變了溶液的離子強(qiáng)度，影響到蛋白質(zhì)的構(gòu)形與懸浮狀態(tài)，從而影響凝膠層的疏密程度，鹽濃度的提高對某些蛋白質(zhì)和酶的分離有利。8 溶液溫度的影響 對不同的物料，有不同的影響。對某些蛋白質(zhì)溶液，溫度升高，使蛋白質(zhì)溶解度下降，在膜表面的吸附量增大。9 溶質(zhì)濃度、料液流速與壓力控制 壓力、流速對脫脂牛奶19.1%的固含量） 對透水率的影響 流速： -1.97m/s , -1.53m/s -1.11m/s, -0.71m/s, -0.34m/sA A 機(jī)械方法機(jī)械方法 加海綿球，增大流速，逆洗加海綿球，增大流速，逆洗( (對中空纖維超濾對中空纖維超濾器器) )，脈沖流動，超聲波等。，脈沖流動，超聲波等。B B 化學(xué)方法化學(xué)方法 1 1起溶解作用的物質(zhì)起溶解作用的物質(zhì) 酸、堿、酶酸、堿、酶( (蛋白酶蛋白酶) )， 螯合劑，表面活性劑。螯合劑，表面活性劑。 2) 2) 起切斷離子結(jié)合作用的方法起切斷離子結(jié)合作用的方法 改變離子強(qiáng)度、改變離子強(qiáng)度、 pHpH、電位。、電位。 3) 3) 起氧化作用的物質(zhì)起氧化作用的物質(zhì) 過氧化氫、次氯酸鹽。過氧化氫、次氯酸鹽。 4) 4) 起滲透作用的物質(zhì)起滲透作用的物質(zhì) 磷酸鹽