無機(jī)膜與有機(jī)膜的一些性能比較ppt課件

1、無機(jī)膜與有機(jī)膜 楊彬彬一、膜的發(fā)展史一、膜的發(fā)展史 膜分離現(xiàn)象的揭示可以追溯到200多年以前。1748年阿培諾來發(fā)現(xiàn)動(dòng)物膀胱里充滿酒精，然后浸入水中，膀胱就逐漸脹大，甚至破裂。相反，膀胱中充滿水，再把它浸入酒精中，則情況相反，膀胱中的水會(huì)向外滲透，膀胱收縮。還發(fā)現(xiàn)，凡是和膀胱同類性質(zhì)的薄膜，都具有這種滲透功能。又經(jīng)過100多年，于1886年范特荷甫從現(xiàn)象提高到理論，歸納了范特荷甫滲透定律對(duì)稀溶液來說，滲透壓與溶液的濃度和溫度成正比，它的比例常數(shù)就是氣體狀態(tài)方程式中的常數(shù)R ）。但膜分離技術(shù)在工業(yè)上獲得重要應(yīng)用并取得高速發(fā)展卻是近四、五十年的事。 膜分離的關(guān)鍵是膜材料。根據(jù)成膜材料不同，膜技術(shù)可

2、分為有機(jī)膜和無機(jī)膜兩大類，其中，有機(jī)膜也稱為高分子分離膜。 國際上無機(jī)膜的研制起始于20世紀(jì)40年代，在上世紀(jì)上半葉，高分子膜和電滲析膜的研發(fā)應(yīng)用占據(jù)很大比重，而無機(jī)膜主要用于早期核工業(yè)燃料鈾的濃縮工藝。至上世紀(jì)80年代才由于其獨(dú)特性能得以在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)展起來。 經(jīng)過50多年的發(fā)展，我國膜產(chǎn)業(yè)已經(jīng)步入快速成長期。超濾、微濾、反滲透等膜技術(shù)在能源電力、有色冶金、海水淡化、給水處理、污水回用及醫(yī)藥食品等領(lǐng)域的工程應(yīng)用規(guī)模迅速擴(kuò)大，多個(gè)具有標(biāo)志性意義的大型膜法給水工程、污水回用工程及海水淡化工程已經(jīng)相繼建成。我國膜產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值已經(jīng)從1994年2億元上升到2019年近400億元。 解體前的蘇聯(lián)十分重視

3、無機(jī)剛性膜的開發(fā)與研究，它有著廣闊的開發(fā)前景。當(dāng)時(shí)有學(xué)者預(yù)言，雖然它的制造成本要比目前常用的高分子膜貴24倍，但未來的無機(jī)膜將取代大部分有機(jī)高分子聚合膜。這是膜材料的發(fā)展趨勢(shì)。也可以稱無機(jī)膜為“未來膜”，這是因?yàn)闊o機(jī)膜具有有高分子膜無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。二、無機(jī)膜與有機(jī)膜的一些性能比較二、無機(jī)膜與有機(jī)膜的一些性能比較 1、材質(zhì)特點(diǎn) 根據(jù)相似相容原理，一般的有機(jī)膜材料與大多數(shù)有機(jī)溶劑有機(jī)污染物等均具有非極性或弱極性特點(diǎn)，這就造成未經(jīng)改性處理的有機(jī)膜易受到有機(jī)料液和化學(xué)試劑吸附侵蝕甚至溶解，影響到膜抗污能力分離效果和適用范圍，降低使用壽命 。雖然隨著有機(jī)膜制備技術(shù)的不斷改進(jìn)，多種工程高分子膜表現(xiàn)出非疏水

4、性或親水性，對(duì)反應(yīng)體系污染程度和pH值等具有較寬的適應(yīng)范圍。但是，仍無法比擬無機(jī)膜。 與有機(jī)膜相比，無機(jī)膜的材質(zhì)特點(diǎn)及優(yōu)良性能主要體現(xiàn)在： （1優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性；（2溫度適用范圍廣；（3耐污染能力強(qiáng)，由于無機(jī)材料具有較強(qiáng)極性，使油類蛋白等非極性污染物對(duì)膜表面與膜孔內(nèi)部的粘附功較?。唬?機(jī)械強(qiáng)度高，更適用于高黏度高固含量含硬性顆粒的復(fù)雜流體物料的分離，對(duì)物料的預(yù)處理要求相對(duì)較低；（5分離效率高，孔徑分布窄和非對(duì)稱膜結(jié)構(gòu)可顯著提高對(duì)特征污染物或特定分子量范圍溶質(zhì)的去除率；（6易于實(shí)現(xiàn)膜再生，無機(jī)膜元件使用壽命長達(dá)有機(jī)高分子膜的35倍以上。2、應(yīng)用領(lǐng)域 膜分離技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油化工生物醫(yī)藥食品加工和

5、環(huán)保工程等眾多領(lǐng)域，但由于膜特性的區(qū)別，有機(jī)膜適用范圍往往局限于濃度較低或微污染等相對(duì)簡單的反應(yīng)體系中當(dāng)原料體系具有強(qiáng)酸強(qiáng)堿強(qiáng)腐蝕性高溫及高濃度有機(jī)溶劑的污染特征時(shí)，有機(jī)膜易發(fā)生膜孔堵塞且難以恢復(fù)，與高腐蝕性物料通過化學(xué)反應(yīng)會(huì)大幅度縮減使用壽命，溶于有機(jī)廢液后還將引入二次污染問題。 反觀無機(jī)膜分離技術(shù)，無機(jī)膜系統(tǒng)具有較高的膜滲透通量及分離效率，在受到高濃度物料污染后可采用多種化學(xué)清洗劑進(jìn)行正向清洗和反向脈沖在線清洗，或進(jìn)行高溫消毒清除生物型污染物，同時(shí)具備回收酸堿高腐蝕性物料表面活性劑重金屬離子以及熱能的功能特點(diǎn)，可顯著降低資源和能源消耗。3、過濾方式 膜工藝過濾方式基本可分為死端過濾和錯(cuò)流過

6、濾。 由于錯(cuò)流過濾操作比膜過濾消耗更多的單位濾液能耗，較高的膜面流速會(huì)在一定程度上消減膜污染程度，且無機(jī)膜往往具備更高的過濾操作壓力和反沖洗壓力，所以無機(jī)膜過濾效果會(huì)好一點(diǎn)。4、經(jīng)濟(jì)成本 從投資成本來看，相同處理規(guī)模的國產(chǎn)無機(jī)膜比國產(chǎn)有機(jī)膜造價(jià)偏高，但考慮到無機(jī)膜在苛刻處理?xiàng)l件下的廣泛適用性及更長的使用壽命，故國產(chǎn)無機(jī)膜在投資成本方面與國產(chǎn)有機(jī)膜相差不多。 對(duì)于膜系統(tǒng)運(yùn)行成本，由于錯(cuò)流過濾操作比死端過濾消耗更多的單位濾液能耗，較高的膜面流速會(huì)在一定程度上消減膜污染程度，且無機(jī)膜往往具備更高的過濾操作壓力和反沖洗壓力，因此，無機(jī)膜系統(tǒng)的單位處理成本一般不低于或略高于有機(jī)膜分離系統(tǒng)。5、膜的保存條

7、件 保存條件是影響膜元件使用壽命的重要因素之一，無機(jī)膜和有機(jī)膜在保養(yǎng)方法上存在較大差異。無機(jī)陶瓷膜管應(yīng)進(jìn)行干態(tài)保存，放置在陰涼干燥通風(fēng)的環(huán)境中，在保存及運(yùn)輸過程中應(yīng)防止碰撞有機(jī)膜可進(jìn)行濕法保存和干法保存，主要目的是防止膜水解、微生物滋生及膜收縮變形等。相比較而言，無機(jī)膜保存方式較為簡便，不會(huì)受到膜體水解微生物侵蝕等危害，而有機(jī)膜對(duì)存儲(chǔ)溫度、相對(duì)濕度、pH值以及濕膜轉(zhuǎn)為干法保存的處理方法均具有較嚴(yán)格的要求。6、膜污染控制方法比較 （1原料液預(yù)處理 無機(jī)膜對(duì)原料液進(jìn)行預(yù)處理的目的在于去除大粒徑懸浮物和硬性顆粒，使微小懸浮物和溶解性污染物生成易碎而無黏聚力的絮凝物，而有機(jī)膜預(yù)防污染的特殊性在于防止膜

8、的生物性劣化防止料液溫度和pH值超出適當(dāng)范圍等。（2膜面改性與修飾 通過采取各種方法形成親水性的聚合物表面，削弱膜表面結(jié)構(gòu)對(duì)蛋白質(zhì)、油類、菌體等污染物的吸附作用。在無機(jī)膜領(lǐng)域，一方面選用TiO2、ZrO2等具有催化活性和親水特質(zhì)的成膜改性材料提高膜分離性能，另一方面無機(jī)膜表面的官能團(tuán)可與其他官能團(tuán)、高分子鏈接或反應(yīng)而得到修飾；與無機(jī)膜面改性不同的是，高能射線輻射接枝可通過紫外光、等離子體使有機(jī)膜分子發(fā)生氧化、刻蝕、裂解、交聯(lián)等作用，在不改變截流率的條件下增加膜透水性和耐污染性能。（3膜組件及流道設(shè)計(jì)和優(yōu)化 通過改變進(jìn)料液的流動(dòng)狀態(tài)形成良好的操作條件、改善膜分離效率和減小膜過程污染，常采用自然對(duì)

9、流、紊流、脈沖流、螺旋流等流動(dòng)狀態(tài)部分有機(jī)膜類型如板式膜、中空纖維膜在設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)膜結(jié)構(gòu)、改變流道形狀和加設(shè)激湍構(gòu)件時(shí)存在困難，而管式陶瓷膜卻非常適合組件和流道方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。7、膜再生和清洗方法比較 膜的使用壽命不僅指膜的微觀形貌和機(jī)械構(gòu)造保持完好，更重要的是指膜的有效過濾時(shí)間。膜再生和清洗方法基本可分為物理清洗和化學(xué)清洗兩大類，前者包括正反雙向清洗、氣液混洗、脈沖清洗、靜置浸泡、機(jī)械刮除等，后者涉及的清洗劑包括強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、有機(jī)酸、表面活性劑、強(qiáng)氧化劑、配位劑和酶清洗劑等，不同種類的清洗劑具有相應(yīng)的去除機(jī)理和作用效果。無機(jī)膜在強(qiáng)化學(xué)清洗的條件下通常可以達(dá)到70%90%的再生效率，而有機(jī)膜需根據(jù)膜

10、材料的耐受能力選擇適當(dāng)強(qiáng)度的清洗劑和清洗方式。 在膜清洗操作條件方面，兩大類膜有所區(qū)別并由此導(dǎo)致對(duì)膜清洗效果產(chǎn)生不同程度的影響。無機(jī)膜的高機(jī)械強(qiáng)度使其可采用較高的跨膜壓差TMP進(jìn)行膜清洗，有研究表明，TMP在一定范圍內(nèi)升高會(huì)使膜通量隨之增加，但過高的TMP使得膜面污染層受滲透曳力壓縮而致密，繼而造成滲透通量下降。有機(jī)膜清洗應(yīng)在較低的操作壓力0.1 MPa左右下進(jìn)行，以免引起膜絲斷裂等膜結(jié)構(gòu)損壞。作為無機(jī)膜清洗獨(dú)特的方法之一，熱清洗可達(dá)130 ）甚至高溫灼燒可耐250 ）可以對(duì)膜面附著的細(xì)菌、蛋白等生物質(zhì)型污染物進(jìn)行徹底消毒和清除，但應(yīng)考慮膜組件密封材料的耐熱性能和受熱形變匹配等問題。8、其他性

11、能比較 在裝填密度和占地面積大小方面，有機(jī)膜具有較為顯著的優(yōu)勢(shì)，尤其是常見的平板式膜、卷式膜、中空纖維膜等，裝填密度范圍可達(dá)到50030000 m2/m3。但無機(jī)膜在這方面就遜色了。對(duì)于已達(dá)到使用壽命或失去分離功能的離子交換膜、反滲透膜等有機(jī)膜元件，國內(nèi)已有研究者在廢棄膜材料回用或高等級(jí)膜的低端化應(yīng)用方面進(jìn)行研發(fā)和市場(chǎng)開拓。關(guān)于廢棄無機(jī)膜的回用尚未見到相關(guān)報(bào)道。三、小結(jié) 由以上的比較可知，無機(jī)膜有它更多有機(jī)膜不具備的特點(diǎn)。目前，國際上的無機(jī)膜技術(shù)產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模，隨著無機(jī)膜在新的領(lǐng)域如燃料電池膜催化反應(yīng)器中的應(yīng)用，市場(chǎng)份額必然會(huì)有所增加。世界各國都對(duì)無機(jī)膜的研究及應(yīng)用技術(shù)開發(fā)給予了很大的重視，將其作為一門新興的高技術(shù)前沿學(xué)科進(jìn)行研究。 隨著催化、生物技術(shù)在解決全球經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用，尤其是對(duì)環(huán)境生態(tài)保護(hù)、高效能源與資源優(yōu)化利用及改善人類健康與生活質(zhì)量的重大作用，無機(jī)膜技術(shù)的研究將會(huì)受到更廣泛的重視,并在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用。當(dāng)然隨著膜技術(shù)的發(fā)展，高分子有機(jī)膜有它可觀的一面，如在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。但是有時(shí)單一高分子聚合物物制成的膜材料往往難以滿足分離的要求，需要對(duì)聚合物進(jìn)行改性處理，使所制備膜材料具有優(yōu)良的性能?？梢酝ㄟ^無機(jī)共混改性，有機(jī)與無機(jī)材料優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，來提高改性膜的性能，提高膜的機(jī)械強(qiáng)