第六章_膜分離技術(shù)

1、1膜分離技術(shù)膜分離技術(shù)水處理工程（一）水處理工程（一）2純水廢水純水廢水純水廢水(a)滲透(b)滲透平衡(c)反滲透反滲透原理示意圖反滲透膜P水處理工程（一）水處理工程（一）3電滲析分離原理圖+濃淡濃淡濃淡陽陰陽陰陽陰陽濃水淡水原水極水極 室極 室陽極陰極水處理工程（一）水處理工程（一）4壓力大分子供水水 鹽超濾過程超濾膜壓力（要大于滲透壓力）大分子供水水反滲透反滲透膜 鹽超濾與反滲透的區(qū)別示意5黎念之黎念之(NormanN.Li)博士小傳博士小傳黎念之化學(xué)工程學(xué)家。美國國籍黎念之化學(xué)工程學(xué)家。美國國籍1932年年12月月25日生于中國上海，原籍湖南湘潭。日生于中國上海，原籍湖南湘潭。1954

2、年獲臺(tái)灣大學(xué)化學(xué)工程學(xué)士學(xué)位。年獲臺(tái)灣大學(xué)化學(xué)工程學(xué)士學(xué)位。1959年獲美國密執(zhí)安州立韋恩大學(xué)碩士學(xué)位年獲美國密執(zhí)安州立韋恩大學(xué)碩士學(xué)位1963年獲美國史蒂文斯理工學(xué)院博士學(xué)位年獲美國史蒂文斯理工學(xué)院博士學(xué)位1995年迄今任北美膜科學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)長和恩理（年迄今任北美膜科學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)長和恩理（NL）化學(xué)技術(shù)公司董事長。化學(xué)技術(shù)公司董事長。1990年起任美國國家工程院院士年起任美國國家工程院院士1996年起任臺(tái)灣年起任臺(tái)灣“中央研究院中央研究院”院士院士1998年當(dāng)選為中國科學(xué)院外籍院士年當(dāng)選為中國科學(xué)院外籍院士2000年獲被譽(yù)為化學(xué)工業(yè)界諾貝爾獎(jiǎng)的普金獎(jiǎng)?wù)履戢@被譽(yù)為化學(xué)工業(yè)界諾貝爾獎(jiǎng)的普金獎(jiǎng)?wù)?001年

3、榮獲世界化工大會(huì)授予的終身成就獎(jiǎng)年榮獲世界化工大會(huì)授予的終身成就獎(jiǎng) 膜科學(xué)的主要奠基人之一。他發(fā)明的液體膜技術(shù)已形成一膜科學(xué)的主要奠基人之一。他發(fā)明的液體膜技術(shù)已形成一項(xiàng)重要的技術(shù)。著作項(xiàng)重要的技術(shù)。著作13部，論文及專利共有一百五十余篇部，論文及專利共有一百五十余篇（項(xiàng)），應(yīng)邀在美國、中國、日本、歐洲等地作學(xué)術(shù)演講（項(xiàng)），應(yīng)邀在美國、中國、日本、歐洲等地作學(xué)術(shù)演講一百二十余次，擔(dān)任過約六十次重大國際化學(xué)、化工、膜一百二十余次，擔(dān)任過約六十次重大國際化學(xué)、化工、膜科學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議主席科學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議主席。6目錄目錄l1膜技術(shù)概述膜技術(shù)概述l2膜分離裝置膜分離裝置l3極化、污染現(xiàn)象和控制極化、污染現(xiàn)象和

4、控制l4典型的膜分離技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域典型的膜分離技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域71膜技術(shù)概述膜技術(shù)概述81.1 1.1 基本概念基本概念9 所謂的所謂的膜膜，是指在一種流體相內(nèi)或是在兩種流體，是指在一種流體相內(nèi)或是在兩種流體相之間有一層薄的相之間有一層薄的凝聚相凝聚相，它把流體相分隔為互不相，它把流體相分隔為互不相通的兩部分，并能使這兩部分之間產(chǎn)生傳質(zhì)作用。通的兩部分，并能使這兩部分之間產(chǎn)生傳質(zhì)作用。 膜的特性膜的特性： 不管膜多薄不管膜多薄, , 它必須有兩個(gè)界面。這兩個(gè)界面分別它必須有兩個(gè)界面。這兩個(gè)界面分別與兩側(cè)的流體相接觸與兩側(cè)的流體相接觸 膜傳質(zhì)有選擇性，它可以使流體相中的一種或幾種膜傳質(zhì)有選擇性，它

5、可以使流體相中的一種或幾種物質(zhì)透過，而不允許其它物質(zhì)透過。物質(zhì)透過，而不允許其它物質(zhì)透過。膜膜(Membrane)是什么？有何特性？是什么？有何特性？10膜分離過程原理膜分離過程原理：以選擇性透膜為分離介質(zhì)，通過在膜兩邊施加一個(gè)推動(dòng)力（如濃度差、壓推動(dòng)力（如濃度差、壓力差或電位差等）力差或電位差等）時(shí)，使原料側(cè)組分選擇性地透過膜，以達(dá)到分離提純的目的。通常膜原料側(cè)稱為膜上游膜上游，透過側(cè)稱為膜下游膜下游。膜上游 透膜 膜下游選擇性透膜選擇性透膜11 分離膜種類分離膜種類分離膜分離膜高分子膜高分子膜液體膜液體膜生物膜生物膜帶電膜帶電膜非帶電膜非帶電膜陽離子膜陽離子膜陰離子膜陰離子膜過濾膜過濾膜精

6、密過濾膜精密過濾膜超濾膜超濾膜反滲透膜反滲透膜納米濾膜納米濾膜12高分子膜的分離功能很早就已發(fā)現(xiàn)。高分子膜的分離功能很早就已發(fā)現(xiàn)。1748年，耐年，耐克特（克特（A.Nelkt）發(fā)現(xiàn)水能自動(dòng)地?cái)U(kuò)散到裝有酒精）發(fā)現(xiàn)水能自動(dòng)地?cái)U(kuò)散到裝有酒精的豬膀胱內(nèi)，開創(chuàng)了的豬膀胱內(nèi)，開創(chuàng)了膜滲透膜滲透的研究。的研究。1.2膜分離技術(shù)發(fā)展簡史膜分離技術(shù)發(fā)展簡史131861年，施密特（年，施密特（A.Schmidt）首先提出了）首先提出了超過超過濾濾的概念。他提出，用比濾紙孔徑更小的棉膠膜的概念。他提出，用比濾紙孔徑更小的棉膠膜或賽璐酚膜過濾時(shí)，若在溶液側(cè)施加壓力，使膜或賽璐酚膜過濾時(shí)，若在溶液側(cè)施加壓力，使膜的兩

7、側(cè)產(chǎn)生壓力差，即可分離溶液中的細(xì)菌、蛋的兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，即可分離溶液中的細(xì)菌、蛋白質(zhì)、膠體等微小粒子，其精度比濾紙高得多。白質(zhì)、膠體等微小粒子，其精度比濾紙高得多。這種過濾可稱為超過濾。按現(xiàn)代觀點(diǎn)看，這種過這種過濾可稱為超過濾。按現(xiàn)代觀點(diǎn)看，這種過濾應(yīng)稱為濾應(yīng)稱為微孔過濾微孔過濾。14然而，真正意義上的分離膜出現(xiàn)在然而，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，米切利斯（年，米切利斯（A.S.Michealis）等人用各種）等人用各種比例的酸性和堿性的高分子電介質(zhì)混合物以水比例的酸性和堿性的高分子電介質(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子量溴化鈉為溶劑，制

8、成了可截留不同分子量的膜，這種膜是真正的的膜，這種膜是真正的超過濾膜超過濾膜。美國。美國Amicon公公司首先將這種膜商品化。司首先將這種膜商品化。1550年代初，為從海水或苦咸水中獲取淡水，開始年代初，為從海水或苦咸水中獲取淡水，開始了了反滲透膜反滲透膜的研究。的研究。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為主為主要組分的中空纖維反滲透膜組件。同一時(shí)期，丹要組分的中空纖維反滲透膜組件。同一時(shí)期，丹麥麥DDS公司研制成功公司研制成功平板式反滲透膜組件平板式反滲透膜組件。反滲。反滲透膜開始工業(yè)化。透膜開始工業(yè)化。16自上世紀(jì)自上世紀(jì)60年代中期以來，膜分離技術(shù)真

9、正實(shí)年代中期以來，膜分離技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。首先出現(xiàn)的分離膜是現(xiàn)了工業(yè)化。首先出現(xiàn)的分離膜是超過濾膜超過濾膜（簡稱（簡稱UF膜）、膜）、微孔過濾膜微孔過濾膜（簡稱（簡稱MF膜）和膜）和反滲透膜反滲透膜（簡稱（簡稱RO膜）膜）。以后又開發(fā)了許多其它類型的分離。以后又開發(fā)了許多其它類型的分離膜。膜。在此期間，除上述三大膜外，其他類型的膜也在此期間，除上述三大膜外，其他類型的膜也獲得很大的發(fā)展。獲得很大的發(fā)展。80年代年代氣體分離膜氣體分離膜的研制成功，的研制成功，使功能膜的地位又得到了進(jìn)使功能膜的地位又得到了進(jìn)步提高。步提高。17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?。ㄊ邱R丁（M

10、artin）在）在60年代初研究反滲透時(shí)發(fā)現(xiàn)的，這種液膜是覆蓋在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，為支撐液膜。固體膜之上的，為支撐液膜。60年代中期，美籍華人年代中期，美籍華人黎念之博士黎念之博士發(fā)現(xiàn)含有表面活發(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，并于體膜支撐的新型液膜，并于1968年獲得純粹液膜的年獲得純粹液膜的第一項(xiàng)專利。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)載含流動(dòng)載體的液膜體的液膜，使液膜分離技術(shù)具有更高的選擇性。，使液膜分離技

11、術(shù)具有更高的選擇性。181.3膜的分類膜的分類1.按膜的材料分類按膜的材料分類 表表1膜材料的分類膜材料的分類192.按膜的分離原理及適用范圍分類按膜的分離原理及適用范圍分類根據(jù)分離膜的分離原理和推動(dòng)力的不同，可將根據(jù)分離膜的分離原理和推動(dòng)力的不同，可將其分為微孔膜、超過濾膜、反滲透膜、納濾膜、滲其分為微孔膜、超過濾膜、反滲透膜、納濾膜、滲析膜、電滲析膜、滲透蒸發(fā)膜等。析膜、電滲析膜、滲透蒸發(fā)膜等。3.按膜的形態(tài)分類按膜的形態(tài)分類 按膜的形狀分為平板膜按膜的形狀分為平板膜(FlatMembrane)、管、管式膜式膜(TubularMembrane)和中空纖維膜和中空纖維膜(HollowFibe

12、r)。204.按膜的結(jié)構(gòu)分類按膜的結(jié)構(gòu)分類按膜的結(jié)構(gòu)分為：按膜的結(jié)構(gòu)分為： 對(duì)稱膜對(duì)稱膜(Symmetric Membrane)(Symmetric Membrane) 非對(duì)稱膜非對(duì)稱膜(Asymmetric Membrane)(Asymmetric Membrane) 復(fù)合膜復(fù)合膜(Composite Membrane)(Composite Membrane)211.4 膜過濾的基礎(chǔ)理論膜過濾的基礎(chǔ)理論l通透量理論通透量理論：一種基于粒子懸濁液在毛細(xì)管內(nèi)流一種基于粒子懸濁液在毛細(xì)管內(nèi)流動(dòng)的毛細(xì)管理論。動(dòng)的毛細(xì)管理論。l水通量（水通量（Jw）和截留率（）和截留率（R）lW透水量，透水量，A膜的

13、有效面積，膜的有效面積，時(shí)間時(shí)間lc1料液中溶質(zhì)濃度，料液中溶質(zhì)濃度， c2透過液中溶質(zhì)濃度透過液中溶質(zhì)濃度AWJw121cccR221.5膜分離過程的類型膜分離過程的類型分離膜的基本功能是從物質(zhì)群中有選分離膜的基本功能是從物質(zhì)群中有選擇地透過或輸送特定的物質(zhì)，如顆粒、分擇地透過或輸送特定的物質(zhì)，如顆粒、分子、離子等?；蛘哒f，物質(zhì)的分離是通過子、離子等?；蛘哒f，物質(zhì)的分離是通過膜的選擇性透過實(shí)現(xiàn)的。幾種主要的膜分膜的選擇性透過實(shí)現(xiàn)的。幾種主要的膜分離過程及其傳遞機(jī)理如表離過程及其傳遞機(jī)理如表2所示。所示。23表表2幾種主要分離膜的分離過程幾種主要分離膜的分離過程24續(xù)上表續(xù)上表251.6膜材料

14、膜材料 用作分離膜的材料包括廣泛的天然的和人工合用作分離膜的材料包括廣泛的天然的和人工合成的成的有機(jī)高分子材料有機(jī)高分子材料和和無機(jī)材料無機(jī)材料。 原則上講，凡能成膜的高分子材料和無機(jī)材料原則上講，凡能成膜的高分子材料和無機(jī)材料均可用于制備分離膜。但實(shí)際上，真正成為工業(yè)化均可用于制備分離膜。但實(shí)際上，真正成為工業(yè)化膜的膜材料并不多。這主要決定于膜的一些特定要膜的膜材料并不多。這主要決定于膜的一些特定要求，如分離效率、分離速度等。此外，也取決于膜求，如分離效率、分離速度等。此外，也取決于膜的制備技術(shù)。的制備技術(shù)。2627目前，實(shí)用的有機(jī)高分子膜材料有：目前，實(shí)用的有機(jī)高分子膜材料有：纖維素酯纖維

15、素酯類、聚砜類、聚酰胺類及其他材料類、聚砜類、聚酰胺類及其他材料。從品種來說，。從品種來說，已有成百種以上的膜被制備出來，其中約已有成百種以上的膜被制備出來，其中約40多種已多種已被用于工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室中。以日本為例，纖維素酯類被用于工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室中。以日本為例，纖維素酯類膜占膜占53，聚砜膜占，聚砜膜占33.3，聚酰胺膜占，聚酰胺膜占11.7，其，其他材料的膜占他材料的膜占2，可見纖維素酯類材料在膜材料中，可見纖維素酯類材料在膜材料中占主要地位。占主要地位。281.纖維素酯類膜材料纖維素酯類膜材料 纖維素是由幾千個(gè)纖維素是由幾千個(gè)椅式構(gòu)型的葡萄糖基通過椅式構(gòu)型的葡萄糖基通過1,4甙鏈甙鏈連接起來的

16、天然線性高分子化合物，連接起來的天然線性高分子化合物，其結(jié)構(gòu)式為：其結(jié)構(gòu)式為：OHOHOHHOH HOHHCH2OHHHOH HOHHOCH2OHOOHOHOHHOH HOHHCH2OHHHHOH HOHHOCH2OHHn_2229 從結(jié)構(gòu)上看，每個(gè)葡萄糖單元上有三個(gè)羥基。從結(jié)構(gòu)上看，每個(gè)葡萄糖單元上有三個(gè)羥基。在催化劑（如硫酸、高氯酸或氧化鋅）存在下，能在催化劑（如硫酸、高氯酸或氧化鋅）存在下，能與冰醋酸、醋酸酐進(jìn)行酯化反應(yīng)，得到二醋酸纖維與冰醋酸、醋酸酐進(jìn)行酯化反應(yīng)，得到二醋酸纖維素或三醋酸纖維素。素或三醋酸纖維素。C6H7O2+(CH3CO)2OC6H7O2(OCOCH3)2+H2OC6

17、H7O2+3(CH3CO)2OC6H7O2(OCOCH3)3+2CH2COOH30 醋酸纖維素是當(dāng)今最重要的膜材料之一。醋酸纖維素是當(dāng)今最重要的膜材料之一。醋酸醋酸纖維素性能穩(wěn)定，但在高溫和酸、堿存在下易發(fā)生纖維素性能穩(wěn)定，但在高溫和酸、堿存在下易發(fā)生水解。水解。纖維素醋類材料纖維素醋類材料易受微生物侵蝕，易受微生物侵蝕，pH值適應(yīng)值適應(yīng)范圍較窄，不耐高溫和某些有機(jī)溶劑或無機(jī)溶劑范圍較窄，不耐高溫和某些有機(jī)溶劑或無機(jī)溶劑。因此發(fā)展了非纖維素酯類（合成高分子類）膜。因此發(fā)展了非纖維素酯類（合成高分子類）膜。3132醋酸纖維素膜的結(jié)構(gòu)示意圖99表皮層，孔徑表皮層，孔徑（810）1010m過渡層，孔

18、徑過渡層，孔徑2001010m多孔層，孔徑多孔層，孔徑（10004000）1010m1%33顯顯微微鏡鏡下下膜膜的的照照片片342.非纖維素酯類膜材料非纖維素酯類膜材料常用于制備分離膜的合成高分子材料有常用于制備分離膜的合成高分子材料有聚聚砜、聚酰胺、芳香雜環(huán)聚合物和離子聚合砜、聚酰胺、芳香雜環(huán)聚合物和離子聚合物物等。等。35聚砜類樹脂聚砜類樹脂具有良好的化學(xué)、熱學(xué)和水解穩(wěn)定具有良好的化學(xué)、熱學(xué)和水解穩(wěn)定性，強(qiáng)度也很高，性，強(qiáng)度也很高，pH值適應(yīng)范圍為值適應(yīng)范圍為113，最高使，最高使用溫度達(dá)用溫度達(dá)120，抗氧化性和抗氯性都十分優(yōu)良。因抗氧化性和抗氯性都十分優(yōu)良。因此已成為重要的膜材料之一。

19、此已成為重要的膜材料之一。36早期使用的聚酰胺是早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺脂肪族聚酰胺，如尼龍，如尼龍4、尼龍、尼龍66等制成的中空纖維膜。這類產(chǎn)品對(duì)鹽水等制成的中空纖維膜。這類產(chǎn)品對(duì)鹽水的分離率在的分離率在8090之間，但透水率很低，僅之間，但透水率很低，僅0.076ml/cm2h。以后發(fā)展了以后發(fā)展了芳香族聚酰胺芳香族聚酰胺，用它們制成的分離膜，用它們制成的分離膜，pH適用范圍為適用范圍為311，分離率可達(dá)，分離率可達(dá)99.5（對(duì)鹽水），（對(duì)鹽水），透水速率為透水速率為0.6ml/cm2h。長期使用穩(wěn)定性好。由于。長期使用穩(wěn)定性好。由于酰胺基團(tuán)易與氯反應(yīng)，故這種膜對(duì)水中的游離氯有酰胺基

20、團(tuán)易與氯反應(yīng)，故這種膜對(duì)水中的游離氯有較高要求較高要求。37聚酰亞胺聚酰亞胺具有很好的熱穩(wěn)定性和耐有機(jī)溶劑能具有很好的熱穩(wěn)定性和耐有機(jī)溶劑能力，因此是一類較好的膜材料。例如，下列結(jié)構(gòu)的力，因此是一類較好的膜材料。例如，下列結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺膜對(duì)分離氫氣有很高的效率。聚酰亞胺膜對(duì)分離氫氣有很高的效率。NCCOONCCOOArn38離子性聚合物離子性聚合物可用于制備離子交換膜。與離子可用于制備離子交換膜。與離子交換樹脂相同，離子交換膜也可分為交換樹脂相同，離子交換膜也可分為強(qiáng)酸型陽離子強(qiáng)酸型陽離子膜、弱酸型陽離子膜、強(qiáng)堿型陰離子膜和弱堿型陰膜、弱酸型陽離子膜、強(qiáng)堿型陰離子膜和弱堿型陰離子膜離子膜等。在

21、淡化海水的應(yīng)用中，主要使用的是強(qiáng)等。在淡化海水的應(yīng)用中，主要使用的是強(qiáng)酸型陽離子交換膜。酸型陽離子交換膜。 磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最常用的兩種離是最常用的兩種離子聚合物膜。子聚合物膜。39用作膜材料的用作膜材料的乙烯基聚合物乙烯基聚合物包括聚乙烯醇、聚包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯、聚丙烯酰胺等。共聚物包括：聚丙烯醇烯、聚丙烯酰胺等。共聚物包括：聚丙烯醇/苯乙烯苯乙烯磺酸、聚乙烯醇磺酸、聚乙烯醇/磺化聚苯醚、聚丙烯腈磺化聚苯醚、聚丙烯腈/甲基丙烯甲基丙烯酸酯、聚乙烯酸酯、聚乙烯/乙烯醇等。聚乙烯

22、醇乙烯醇等。聚乙烯醇/丙烯腈接枝共丙烯腈接枝共聚物也可用作膜材料。聚物也可用作膜材料。40常見材料的最高允許使用溫度41l無機(jī)膜多以無機(jī)膜多以金屬及其氧化物金屬及其氧化物、多孔玻璃多孔玻璃、陶瓷陶瓷為為材料。從結(jié)構(gòu)上可分為致密膜、多孔膜和復(fù)合非材料。從結(jié)構(gòu)上可分為致密膜、多孔膜和復(fù)合非對(duì)稱修正膜三種。對(duì)稱修正膜三種。421.7膜的制備膜的制備1.分離膜制備工藝類型分離膜制備工藝類型膜的制備工藝對(duì)分離膜的性能十分重要。同樣膜的制備工藝對(duì)分離膜的性能十分重要。同樣的材料，由于不同的制作工藝和控制條件，其性能的材料，由于不同的制作工藝和控制條件，其性能差別很大。合理的、先進(jìn)的制膜工藝是制造優(yōu)良性差別

23、很大。合理的、先進(jìn)的制膜工藝是制造優(yōu)良性能分離膜的重要保證。能分離膜的重要保證。目前，國內(nèi)外的制膜方法很多，其中最實(shí)用的目前，國內(nèi)外的制膜方法很多，其中最實(shí)用的是相轉(zhuǎn)化法（流涎法和紡絲法）和復(fù)合膜化法。是相轉(zhuǎn)化法（流涎法和紡絲法）和復(fù)合膜化法。432.相轉(zhuǎn)化制膜工藝相轉(zhuǎn)化制膜工藝相轉(zhuǎn)化是指將均質(zhì)的制膜液通過溶劑的揮發(fā)或相轉(zhuǎn)化是指將均質(zhì)的制膜液通過溶劑的揮發(fā)或向溶液加入非溶劑或加熱制膜液，使液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔蛉芤杭尤敕侨軇┗蚣訜嶂颇ひ?，使液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟倪^程。相轉(zhuǎn)化制膜工藝中最重要的方法是相的過程。相轉(zhuǎn)化制膜工藝中最重要的方法是LS型制膜法型制膜法。它是由加拿大人勞勃（。它是由加拿大人勞勃（S.Le

24、ob）和索里）和索里拉金（拉金（S.Sourirajan）發(fā)明的，并首先用于制造醋）發(fā)明的，并首先用于制造醋酸纖維素膜。酸纖維素膜。44將制膜材料用溶劑形成均相制膜液，在模具中將制膜材料用溶劑形成均相制膜液，在模具中流涎成薄層，然后控制溫度和濕度，使溶液緩緩蒸流涎成薄層，然后控制溫度和濕度，使溶液緩緩蒸發(fā)，經(jīng)過相轉(zhuǎn)化就形成了由液相轉(zhuǎn)化為固相的膜，發(fā)，經(jīng)過相轉(zhuǎn)化就形成了由液相轉(zhuǎn)化為固相的膜，其工藝框圖可表示如下：其工藝框圖可表示如下：45聚合物溶劑添加劑均質(zhì)制膜液流涎法制成平板型、圓管型；紡絲法制成中空纖維蒸出部分溶劑凝固液浸漬水洗后處理非對(duì)稱膜圖圖LS法制備法制備分離膜工藝流程框圖分離膜工藝流

25、程框圖463.復(fù)合制膜工藝復(fù)合制膜工藝由由LS法制的膜，起分離作用的僅是接觸空氣法制的膜，起分離作用的僅是接觸空氣的極薄一層，稱為表面致密層。它的厚度約的極薄一層，稱為表面致密層。它的厚度約0.251m，相當(dāng)于總厚度的，相當(dāng)于總厚度的1/100左右。理論研究表明可左右。理論研究表明可知，膜的透過速率與膜的厚度成反比。而用知，膜的透過速率與膜的厚度成反比。而用LS法法制備表面層小于制備表面層小于0.1m的膜極為困難。為此，發(fā)展的膜極為困難。為此，發(fā)展了了復(fù)合制膜工藝復(fù)合制膜工藝，其方框圖如圖，其方框圖如圖3所示。所示。47多孔支持膜涂覆交聯(lián)加熱形成超薄膜親水性高分子溶液的涂覆復(fù)合膜形成超薄膜的溶

26、液交聯(lián)劑圖圖復(fù)合制膜工藝流程框圖復(fù)合制膜工藝流程框圖481.8膜的保存膜的保存分離膜的保存對(duì)其性能極為重要。主要應(yīng)防止分離膜的保存對(duì)其性能極為重要。主要應(yīng)防止微生物、水解、冷凍對(duì)膜的破壞和膜的收縮變形微生物、水解、冷凍對(duì)膜的破壞和膜的收縮變形。微生物的破壞微生物的破壞主要發(fā)生在醋酸纖維素膜；主要發(fā)生在醋酸纖維素膜；而而水解和冷凍水解和冷凍破壞則對(duì)任何膜都可能發(fā)生。溫破壞則對(duì)任何膜都可能發(fā)生。溫度、度、pH值不適當(dāng)和水中游離氧的存在均會(huì)造成膜的值不適當(dāng)和水中游離氧的存在均會(huì)造成膜的水解。冷凍會(huì)使膜膨脹而破壞膜的結(jié)構(gòu)。水解。冷凍會(huì)使膜膨脹而破壞膜的結(jié)構(gòu)。49膜的收縮膜的收縮主要發(fā)生在濕態(tài)保存時(shí)的失

27、水。收縮主要發(fā)生在濕態(tài)保存時(shí)的失水。收縮變形使膜孔徑大幅度下降，孔徑分布不均勻，嚴(yán)重變形使膜孔徑大幅度下降，孔徑分布不均勻，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成膜的破裂。當(dāng)膜與高濃度溶液接觸時(shí)，時(shí)還會(huì)造成膜的破裂。當(dāng)膜與高濃度溶液接觸時(shí)，由于膜中水分急劇地向溶液中擴(kuò)散而失水，也會(huì)造由于膜中水分急劇地向溶液中擴(kuò)散而失水，也會(huì)造成膜的變形收縮。成膜的變形收縮。502膜分離裝置膜分離裝置51將膜、固定膜的支撐材料、間隔物或管式外殼等組裝將膜、固定膜的支撐材料、間隔物或管式外殼等組裝成的一個(gè)單元稱為膜組件。膜組件的結(jié)構(gòu)及型式取決成的一個(gè)單元稱為膜組件。膜組件的結(jié)構(gòu)及型式取決于膜的形狀于膜的形狀, ,工業(yè)上應(yīng)用的膜組件主要有

28、工業(yè)上應(yīng)用的膜組件主要有中空纖維式、中空纖維式、管式、螺旋卷式、板框式管式、螺旋卷式、板框式等四種型式。管式和中空纖等四種型式。管式和中空纖維式組件也可以分為內(nèi)壓式和外壓式兩種。維式組件也可以分為內(nèi)壓式和外壓式兩種。 膜組件膜組件(Membrane Module)(Membrane Module)5253(1)、板框式、板框式(Plate-and-Frame)膜組件膜組件 板框式是最早使用的一種膜組件。其設(shè)計(jì)類似于板框式是最早使用的一種膜組件。其設(shè)計(jì)類似于常規(guī)的板框過濾裝置常規(guī)的板框過濾裝置, 膜被放置在可墊有濾紙的多孔膜被放置在可墊有濾紙的多孔的支撐板上的支撐板上,兩塊多孔的支撐板疊壓在一起

29、形成的料液兩塊多孔的支撐板疊壓在一起形成的料液流道空間流道空間,組成一個(gè)膜單元組成一個(gè)膜單元,單元與單元之間可并聯(lián)或單元與單元之間可并聯(lián)或串聯(lián)連接。不同的板框式設(shè)計(jì)的主要差別在于料液流串聯(lián)連接。不同的板框式設(shè)計(jì)的主要差別在于料液流道的結(jié)構(gòu)上。道的結(jié)構(gòu)上。5455(2)、管式、管式(Tubular)膜組件膜組件 管式膜組件有外壓式和內(nèi)壓式兩種。對(duì)內(nèi)壓式膜管式膜組件有外壓式和內(nèi)壓式兩種。對(duì)內(nèi)壓式膜組件組件,膜被直接澆鑄在多孔的不銹鋼管內(nèi)或用玻璃纖維膜被直接澆鑄在多孔的不銹鋼管內(nèi)或用玻璃纖維增強(qiáng)的塑料管內(nèi)。加壓的料液流從管內(nèi)流過增強(qiáng)的塑料管內(nèi)。加壓的料液流從管內(nèi)流過,透過膜的透過膜的滲透溶液在管外側(cè)

30、被收集。對(duì)外壓式膜組件滲透溶液在管外側(cè)被收集。對(duì)外壓式膜組件,膜則被澆膜則被澆鑄在多孔支撐管外側(cè)面。加壓的料液流從管外側(cè)流過鑄在多孔支撐管外側(cè)面。加壓的料液流從管外側(cè)流過,滲透溶液則由管外側(cè)滲透通過膜進(jìn)入多孔支撐管內(nèi)。滲透溶液則由管外側(cè)滲透通過膜進(jìn)入多孔支撐管內(nèi)。無論是內(nèi)壓式還是外壓式無論是內(nèi)壓式還是外壓式,都可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成串聯(lián)都可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成串聯(lián)或并聯(lián)裝置?；虿⒙?lián)裝置。5657(3)、螺旋卷式、螺旋卷式(Spiral Wound)膜組件膜組件 目前目前,螺旋卷式膜組件被廣泛地應(yīng)用于多種膜分螺旋卷式膜組件被廣泛地應(yīng)用于多種膜分離過程。離過程。 膜、料液通道網(wǎng)、以及多孔的膜支撐體等通過適

31、膜、料液通道網(wǎng)、以及多孔的膜支撐體等通過適當(dāng)?shù)姆绞奖唤M合在一起當(dāng)?shù)姆绞奖唤M合在一起,然后將其裝人能承受壓力的外然后將其裝人能承受壓力的外殼中制成膜組件。通過改變料液和過濾液流動(dòng)通道的殼中制成膜組件。通過改變料液和過濾液流動(dòng)通道的形式形式,這類膜組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也可被設(shè)計(jì)成多種不同的這類膜組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也可被設(shè)計(jì)成多種不同的形式。形式。5859(4)、中空纖維、中空纖維(Hollow Fiber)膜組件膜組件 中空纖維膜組件的最大特點(diǎn)是單位裝填膜面積比中空纖維膜組件的最大特點(diǎn)是單位裝填膜面積比所有其他組件大所有其他組件大, 最高可達(dá)到最高可達(dá)到30000m2/m3。中空纖。中空纖維膜組件也分為外壓

32、式和內(nèi)壓式。將大量的中空纖維維膜組件也分為外壓式和內(nèi)壓式。將大量的中空纖維安裝在一個(gè)管狀容器內(nèi)安裝在一個(gè)管狀容器內(nèi),中空纖維的一端以環(huán)氧樹脂與中空纖維的一端以環(huán)氧樹脂與管外殼壁固封制成膜組件。料液從中空纖維組件的一管外殼壁固封制成膜組件。料液從中空纖維組件的一端流人端流人, 沿纖維外側(cè)平行于纖維束流動(dòng)沿纖維外側(cè)平行于纖維束流動(dòng),透過液則滲透透過液則滲透通過中空纖維壁進(jìn)入內(nèi)腔通過中空纖維壁進(jìn)入內(nèi)腔,然后從纖維在環(huán)氧樹脂的固然后從纖維在環(huán)氧樹脂的固封頭的開端引出封頭的開端引出,原液則從膜組件的另一端流出。原液則從膜組件的另一端流出。 60616263各種膜組件的傳質(zhì)特性和綜合性能的比較分別見下表。

33、各種膜組件的傳質(zhì)特性和綜合性能的比較分別見下表。643濃差極化、污染現(xiàn)象和控制濃差極化、污染現(xiàn)象和控制65濃 差 極 化 定 義在膜分離操作中，所有溶質(zhì)均被透過液傳送在膜分離操作中，所有溶質(zhì)均被透過液傳送到膜表面上，不能完全透過膜的溶質(zhì)受到膜到膜表面上，不能完全透過膜的溶質(zhì)受到膜的截留作用，在膜表面附近濃度升高。這種的截留作用，在膜表面附近濃度升高。這種在膜表面附近濃度高于主體濃度的現(xiàn)象稱為在膜表面附近濃度高于主體濃度的現(xiàn)象稱為濃度極化或濃差極化濃度極化或濃差極化(concentrationpolarization)。66濃差極化特性 它是一個(gè)可逆過程。只有在膜過程運(yùn)行它是一個(gè)可逆過程。只有在

34、膜過程運(yùn)行 中產(chǎn)生存在，停止運(yùn)行，濃差極化逐漸中產(chǎn)生存在，停止運(yùn)行，濃差極化逐漸 消失。消失。 它與操作條件相關(guān)，可通過降低膜兩側(cè)壓差，它與操作條件相關(guān)，可通過降低膜兩側(cè)壓差，減小料液中溶質(zhì)濃度，改善膜面流體力學(xué)條減小料液中溶質(zhì)濃度，改善膜面流體力學(xué)條件，來減輕濃差極化程度，提高膜的透過流件，來減輕濃差極化程度，提高膜的透過流量。量。67l膜表面附近濃度升高，增大了膜兩側(cè)的滲透膜表面附近濃度升高，增大了膜兩側(cè)的滲透壓差，使有效壓差減小，透過通量降低。當(dāng)壓差，使有效壓差減小，透過通量降低。當(dāng)膜表面附近的濃度超過溶質(zhì)的溶解度時(shí)，溶膜表面附近的濃度超過溶質(zhì)的溶解度時(shí)，溶質(zhì)會(huì)析出，形成凝膠層。當(dāng)分離含

35、有菌體、質(zhì)會(huì)析出，形成凝膠層。當(dāng)分離含有菌體、細(xì)胞或其他固形成分的料液時(shí)，也會(huì)在膜表細(xì)胞或其他固形成分的料液時(shí)，也會(huì)在膜表面形成凝膠層。這種現(xiàn)象稱為面形成凝膠層。這種現(xiàn)象稱為凝膠極化凝膠極化(gelpolarization)68 膜分離過程中遇到的最大問題是膜污染膜分離過程中遇到的最大問題是膜污染(membranefouling)，膜污染的主要原因來，膜污染的主要原因來自以下幾個(gè)方面。自以下幾個(gè)方面。凝膠極化引起的凝膠層凝膠極化引起的凝膠層; ;溶質(zhì)在膜表面的吸附層溶質(zhì)在膜表面的吸附層; ;膜孔堵塞膜孔堵塞; ; 膜孔內(nèi)的溶質(zhì)吸附膜孔內(nèi)的溶質(zhì)吸附. .69膜污染不僅造成透過通量的大幅度下降，膜

36、污染不僅造成透過通量的大幅度下降，而且影響目標(biāo)產(chǎn)物的回收率。為保證膜分而且影響目標(biāo)產(chǎn)物的回收率。為保證膜分離操作高效穩(wěn)定地進(jìn)行，必須對(duì)膜進(jìn)行定離操作高效穩(wěn)定地進(jìn)行，必須對(duì)膜進(jìn)行定期清洗，除去膜表面及膜孔內(nèi)的污染物，期清洗，除去膜表面及膜孔內(nèi)的污染物，恢復(fù)膜的透過性能?；謴?fù)膜的透過性能。70 膜的清洗一般選用膜的清洗一般選用水、鹽溶液、稀酸、稀堿、水、鹽溶液、稀酸、稀堿、表面活性劑、絡(luò)合劑、氧化劑和酶溶液表面活性劑、絡(luò)合劑、氧化劑和酶溶液等為清洗等為清洗劑。具體用何種清洗劑應(yīng)根據(jù)膜的性質(zhì)和污染物劑。具體用何種清洗劑應(yīng)根據(jù)膜的性質(zhì)和污染物的性質(zhì)而決定，使用的清洗劑要具有良好的去污的性質(zhì)而決定，使用

37、的清洗劑要具有良好的去污能力，同時(shí)又不能損害膜的過濾性能。能力，同時(shí)又不能損害膜的過濾性能。71如果用清水清洗就恢復(fù)膜的透過性能，則不如果用清水清洗就恢復(fù)膜的透過性能，則不需使用其他清洗劑。對(duì)于蛋白質(zhì)的嚴(yán)重吸附需使用其他清洗劑。對(duì)于蛋白質(zhì)的嚴(yán)重吸附所引起的膜污染，用蛋白酶所引起的膜污染，用蛋白酶(如胃蛋白酶、如胃蛋白酶、胰蛋白酶等胰蛋白酶等)溶液清洗，效果較好。溶液清洗，效果較好。72l 清洗操作是膜分離過程不可缺少的步驟，但清洗清洗操作是膜分離過程不可缺少的步驟，但清洗操作是造成膜分離過程成本增高的重要原因。因操作是造成膜分離過程成本增高的重要原因。因此，在采用有效的清洗操作的同時(shí)，得采取必

38、要此，在采用有效的清洗操作的同時(shí)，得采取必要的措施防止或減輕膜污染。例如，選用高親水性的措施防止或減輕膜污染。例如，選用高親水性膜或?qū)δみM(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理膜或?qū)δみM(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理(如聚砜膜用乙醇溶液如聚砜膜用乙醇溶液浸泡浸泡)，均可緩解污染程度。，均可緩解污染程度。l此外，對(duì)料液進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理此外，對(duì)料液進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理(如進(jìn)行預(yù)過濾、如進(jìn)行預(yù)過濾、調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)pH值值)，也可相當(dāng)程度地減輕污染的發(fā)生。，也可相當(dāng)程度地減輕污染的發(fā)生。73 如何防止膜污染以及開發(fā)高效節(jié)能的污染清除如何防止膜污染以及開發(fā)高效節(jié)能的污染清除技術(shù)是進(jìn)一步普及膜分離技術(shù)的關(guān)鍵之一，也是產(chǎn)技術(shù)是進(jìn)一步普及膜分離技術(shù)的關(guān)鍵之一

39、，也是產(chǎn)學(xué)界孜孜以求的目標(biāo)。研究表明，膜分離過程存在學(xué)界孜孜以求的目標(biāo)。研究表明，膜分離過程存在臨界操作壓力臨界操作壓力，在臨界壓力以下進(jìn)行膜分離操作，在臨界壓力以下進(jìn)行膜分離操作，可長時(shí)間維持較高的透過通量。降低對(duì)清洗操作的可長時(shí)間維持較高的透過通量。降低對(duì)清洗操作的依賴程度，提高膜分離效率。依賴程度，提高膜分離效率。74膜分離技術(shù)應(yīng)用中需注意的幾個(gè)問題膜分離技術(shù)應(yīng)用中需注意的幾個(gè)問題 膜材料的選擇膜材料的選擇膜孔徑或截留分子量的選擇膜孔徑或截留分子量的選擇膜結(jié)構(gòu)選擇膜結(jié)構(gòu)選擇組件結(jié)構(gòu)選擇組件結(jié)構(gòu)選擇溶液溶液pH控制控制溶液溫度影響溶液溫度影響溶質(zhì)濃度，料液流速與壓力的控制溶質(zhì)濃度，料液流速

40、與壓力的控制754典型的膜分離技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域典型的膜分離技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域典型的膜分離技術(shù)有微孔過濾典型的膜分離技術(shù)有微孔過濾(MF)、超濾、超濾(UF)、反滲透反滲透(RO)、納濾、納濾(NF)、滲析、滲析(D)、電滲析、電滲析(ED)、液膜、液膜(LM)及滲透蒸發(fā)及滲透蒸發(fā)(PV)等，下面分等，下面分別介紹之。別介紹之。7677微濾（微濾（MicroFiltration）超濾（超濾（UltraFiltration）納濾納濾(NanoFiltration)反滲透反滲透(ReverseOsmosis)78 NF 納濾79膜形態(tài)推 動(dòng) 力膜 過 程應(yīng) 用 實(shí) 例對(duì)稱非對(duì)稱復(fù)合壓力差反滲透超 濾微 濾

41、納 濾氣體分離海水淡化超純水/白蛋白濃縮前處理/終端過濾醫(yī)藥/啤酒氣體/蒸汽分離*電位差電滲析海水淡化/廢水*濃度差濃度差濃度差（分壓差）濃度差化學(xué)反應(yīng)滲析控制釋放滲透蒸發(fā)液膜人工腎醫(yī)用/農(nóng)藥無水乙醇金屬分離/廢水*80PressureMF0.1m mm-10m mmUF5-100nm(10kD-1MD)NF900.643.5NaCl，1032.5kPa芳香聚酰膜920.443.5NaCl，10132.5kPaCA混合膜980.4海水，6079.5kPaCA3中空纖維膜981.0海水，10132.2kPaCA3復(fù)合膜900.81NaCl，5066.3kPaCA2.5膜脫鹽率/%透水性測試條件品

42、種幾種反滲透膜的性能幾種反滲透膜的性能109反滲透技術(shù)反滲透技術(shù)所分離的物質(zhì)的分子量一般小于所分離的物質(zhì)的分子量一般小于500，操作壓力為操作壓力為2100MPa。用于實(shí)施反滲透操作的膜為用于實(shí)施反滲透操作的膜為反滲透膜反滲透膜。反滲透。反滲透膜大部分為不對(duì)稱膜，膜大部分為不對(duì)稱膜，孔徑小于孔徑小于0.5nm，可截留溶，可截留溶質(zhì)分子。質(zhì)分子。110制備反滲透膜的材料主要有制備反滲透膜的材料主要有醋酸纖維素、芳香醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯等。等。反滲透膜的分離機(jī)理至

43、今尚有許多爭論，主要有反滲透膜的分離機(jī)理至今尚有許多爭論，主要有氫鍵理論、選擇吸附氫鍵理論、選擇吸附毛細(xì)管流動(dòng)理論、溶解擴(kuò)散毛細(xì)管流動(dòng)理論、溶解擴(kuò)散理論等。理論等。 膜的結(jié)構(gòu)膜的結(jié)構(gòu)醋酸纖維素是沒有強(qiáng)烈氫鍵的無定形鏈狀高醋酸纖維素是沒有強(qiáng)烈氫鍵的無定形鏈狀高分子化合物。分子化合物。制膜過程是將其溶解在丙酮中并加入甲酰胺制膜過程是將其溶解在丙酮中并加入甲酰胺作添加劑，經(jīng)混合調(diào)制、過濾、鑄塑成型，作添加劑，經(jīng)混合調(diào)制、過濾、鑄塑成型，然后再經(jīng)蒸發(fā)、冷水浸漬、熱處理，即可得然后再經(jīng)蒸發(fā)、冷水浸漬、熱處理，即可得到醋酸纖維素到醋酸纖維素 (cellulose acetate,CA) (cellulos

44、e acetate,CA)膜。膜。外觀為乳白色、半透明，有一定的韌性，膜外觀為乳白色、半透明，有一定的韌性，膜厚厚l00l00250250m mmm。這種膜有不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，表面結(jié)構(gòu)致密，這種膜有不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，表面結(jié)構(gòu)致密，孔隙很小，通稱為表皮層或致密層、活孔隙很小，通稱為表皮層或致密層、活化層；下層結(jié)構(gòu)較疏松，孔隙較大，通化層；下層結(jié)構(gòu)較疏松，孔隙較大，通稱為多孔層或支撐層。稱為多孔層或支撐層。示意示意CACA膜是被水充分溶脹了的凝膠體。膜是被水充分溶脹了的凝膠體。由于鑄膜液中的所有添加劑及溶劑由于鑄膜液中的所有添加劑及溶劑在制膜過程中先后被除去，膜中僅在制膜過程中先后被除去，膜中僅含水分。含水分

45、。鏈接鏈接醋酸纖維素膜的結(jié)構(gòu)示意圖99表皮層，孔徑表皮層，孔徑（810）1010m過渡層，孔徑過渡層，孔徑2001010m多孔層，孔徑多孔層，孔徑（10004000）1010m1%顯顯微微鏡鏡下下膜膜的的照照片片在相對(duì)濕度為在相對(duì)濕度為100100時(shí)，膜的含水量高達(dá)時(shí)，膜的含水量高達(dá)6060，其中表皮層只含，其中表皮層只含10102020，且主，且主要是以氫鍵形式結(jié)合的所謂一級(jí)結(jié)合水和要是以氫鍵形式結(jié)合的所謂一級(jí)結(jié)合水和少量的二級(jí)結(jié)合水。少量的二級(jí)結(jié)合水。多孔層中除上述兩種結(jié)合水外，較大的孔多孔層中除上述兩種結(jié)合水外，較大的孔隙中還充滿著毛細(xì)管水，此層中含水率較隙中還充滿著毛細(xì)管水，此層中含水

46、率較高。高。正由于膜中存在這幾種不同性質(zhì)的水，決正由于膜中存在這幾種不同性質(zhì)的水，決定了定了CACA膜具有良好的脫鹽性能和適宜的透膜具有良好的脫鹽性能和適宜的透水性能。水性能。膜必須保存在水中膜必須保存在水中。 CA CA膜的性質(zhì)膜的性質(zhì)（a a）膜的方向性：）膜的方向性：由于由于CACA膜是一種不對(duì)稱膜，因此，在進(jìn)膜是一種不對(duì)稱膜，因此，在進(jìn)行反滲透時(shí)，必須保持表層與待處理的行反滲透時(shí)，必須保持表層與待處理的溶液或廢水接觸，而決不能倒置，否則溶液或廢水接觸，而決不能倒置，否則達(dá)不到處理的目的。達(dá)不到處理的目的。（b b）選擇透過性：）選擇透過性：CACA膜對(duì)無機(jī)電解質(zhì)和有機(jī)物具有選擇透膜對(duì)無

47、機(jī)電解質(zhì)和有機(jī)物具有選擇透過性過性。對(duì)電解質(zhì)，離子價(jià)越高，或同價(jià)離子水合對(duì)電解質(zhì)，離子價(jià)越高，或同價(jià)離子水合半徑越大，則脫除效果越好。半徑越大，則脫除效果越好。陽離子的脫除順序?yàn)椋宏栯x子的脫除順序?yàn)椋篠r2+Ba2+Li+Na+ K+。陰離子的脫除。陰離子的脫除順序?yàn)椋簷幟仕岣樞驗(yàn)椋簷幟仕岣剖岣剖岣鵖O42-CH3COO-Cl-Br-NO3-I-SCN-。對(duì)有機(jī)物，一般是水溶性好的、非解離性對(duì)有機(jī)物，一般是水溶性好的、非解離性的、分子量小的脫除效果較差。而解離性的、分子量小的脫除效果較差。而解離性大的、分子量大于大的、分子量大于200200的有機(jī)物，則脫除的有機(jī)物，則脫除效果較好。對(duì)

48、同一類有機(jī)物，隨分子量增效果較好。對(duì)同一類有機(jī)物，隨分子量增大，脫除效率增加。對(duì)同分子量有機(jī)物，大，脫除效率增加。對(duì)同分子量有機(jī)物，隨分子支鏈的增加，脫除效果變得更好。隨分子支鏈的增加，脫除效果變得更好。（c c）壓密效應(yīng)：）壓密效應(yīng)：CA膜在壓力作用下，外觀厚度一般減少膜在壓力作用下，外觀厚度一般減少2550，同時(shí)，透水性及對(duì)溶質(zhì)的，同時(shí)，透水性及對(duì)溶質(zhì)的脫除率也相應(yīng)降低，這種現(xiàn)象稱為膜的脫除率也相應(yīng)降低，這種現(xiàn)象稱為膜的壓密效應(yīng)。這種塑性變形是不可逆的，壓密效應(yīng)。這種塑性變形是不可逆的，因此膜的性能在壓力消失后不會(huì)恢復(fù)。因此膜的性能在壓力消失后不會(huì)恢復(fù)。（d）膜的水解作用和生物分解作用：）

49、膜的水解作用和生物分解作用：CA膜是一種酯，易于水解，水解速率與膜是一種酯，易于水解，水解速率與pH值和水的溫度有關(guān)。一般在堿性介質(zhì)值和水的溫度有關(guān)。一般在堿性介質(zhì)中的水解速率比在酸性介質(zhì)中大，在中的水解速率比在酸性介質(zhì)中大，在pH4.55.2時(shí)最低。時(shí)最低。 (1) 這是最早提出的反滲透膜透過理論。該理論認(rèn)為，水透過膜是由于水分子和膜的活化點(diǎn)(或極性基團(tuán)，如CA膜的羥基和?；?形成氫鍵及斷開氫鍵之故。即在高壓作用下，溶液中水分子和膜表皮層活化點(diǎn)締合，原活化點(diǎn)上的結(jié)合水解離出來，解離出來的水分子繼續(xù)和下一個(gè)活化點(diǎn)締合，又解離出下一個(gè)結(jié)合水。這樣，水分子通過一連串的締合-解離過程(即氫鍵形成-斷

50、開過程)，依次從一個(gè)活化點(diǎn)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)活化點(diǎn)，直至離開表皮層，進(jìn)入多孔層。由于膜的多孔層含大量的毛細(xì)管水，水分子便能暢通流出膜外。由上可知，溶質(zhì)能否透過膜與表皮層厚度關(guān)系不大。換言之，只要表皮層僅含一級(jí)結(jié)合水，而又無缺陷和破洞，不管其厚薄如何，溶質(zhì)均不能透過。 根據(jù)氫鍵理論，只有適當(dāng)極性的高聚物才能作為反滲透膜材料，許多實(shí)驗(yàn)也說明了這一結(jié)論。 圖 1 4 - 5 毛 細(xì) 管 流 機(jī) 理2 n m 時(shí) ， 臨 界 孔 徑2 t親 水 性tt 毛細(xì)管流理論優(yōu)先吸附-毛細(xì)管流理論把反滲透膜看作一種微細(xì)多孔結(jié)構(gòu)物質(zhì)，它有選擇吸附水分子而排斥溶質(zhì)分子的化學(xué)特性。當(dāng)水溶液同膜接觸時(shí)，膜表面優(yōu)先吸附水分子，

51、在界面上形成一層不含溶質(zhì)的純水分于層，其厚度視界面性質(zhì)而異，或?yàn)閱畏肿訉踊驗(yàn)槎喾肿訉印Ｔ谕鈮鹤饔孟?，界面水層在膜孔?nèi)產(chǎn)生毛細(xì)管流，連續(xù)地透過膜，溶質(zhì)則被膜截留下來。毛細(xì)管流機(jī)理122(3)溶解溶解- -擴(kuò)散機(jī)理擴(kuò)散機(jī)理 溶劑與溶質(zhì)透膜的機(jī)理是由于溶劑溶劑與溶質(zhì)透膜的機(jī)理是由于溶劑與溶質(zhì)在膜中的溶解，然后在化學(xué)位差與溶質(zhì)在膜中的溶解，然后在化學(xué)位差的推動(dòng)力下，從膜的一側(cè)向另一側(cè)進(jìn)行的推動(dòng)力下，從膜的一側(cè)向另一側(cè)進(jìn)行擴(kuò)散，直至透過膜。擴(kuò)散，直至透過膜。 1232.反滲透與超濾、微孔過濾的比較反滲透與超濾、微孔過濾的比較反滲透、超濾和微孔過濾都是以壓力差為推動(dòng)反滲透、超濾和微孔過濾都是以壓力差為推動(dòng)

52、力使溶劑通過膜的分離過程，它們組成了分離溶液力使溶劑通過膜的分離過程，它們組成了分離溶液中的離子、分子到固體微粒的三級(jí)膜分離過程。中的離子、分子到固體微粒的三級(jí)膜分離過程。124一般來說，一般來說，分離溶液中分子量低于分離溶液中分子量低于500的低分子的低分子物質(zhì)，應(yīng)該采用反滲透膜；分離溶液中分子量大于物質(zhì)，應(yīng)該采用反滲透膜；分離溶液中分子量大于500的大分子或極細(xì)的膠體粒子可以選擇超濾膜，而的大分子或極細(xì)的膠體粒子可以選擇超濾膜，而分離溶液中的直徑分離溶液中的直徑0.110m的粒子應(yīng)該選微孔膜的粒子應(yīng)該選微孔膜。以上關(guān)于反滲透膜、超濾膜和微孔膜之間的分以上關(guān)于反滲透膜、超濾膜和微孔膜之間的分

53、界并不是十分嚴(yán)格、明確的，它們之間可能存在一界并不是十分嚴(yán)格、明確的，它們之間可能存在一定的相互重疊。定的相互重疊。125表表3反滲透、超濾和微孔過濾技術(shù)的原理反滲透、超濾和微孔過濾技術(shù)的原理和操作特點(diǎn)比較和操作特點(diǎn)比較126127128129130atmpppp0atmpppp01313.反滲透膜技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域反滲透膜技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域反滲透膜最早應(yīng)用于苦咸水淡化。隨著膜技術(shù)的反滲透膜最早應(yīng)用于苦咸水淡化。隨著膜技術(shù)的發(fā)展，反滲透技術(shù)已擴(kuò)展到化工、電子及醫(yī)藥等領(lǐng)發(fā)展，反滲透技術(shù)已擴(kuò)展到化工、電子及醫(yī)藥等領(lǐng)域。反滲透過程主要是從水溶液中分離出水，分離域。反滲透過程主要是從水溶液中分離出水，分離過程無相

54、變化，不消耗化學(xué)藥品，這些基本特征決過程無相變化，不消耗化學(xué)藥品，這些基本特征決定了它以下的應(yīng)用范圍。定了它以下的應(yīng)用范圍。132（1）海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水軟化）海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水軟化制備鍋爐用水，高純水的制備制備鍋爐用水，高純水的制備。近年來，反滲透技。近年來，反滲透技術(shù)在家用飲水機(jī)及直飲水給水系統(tǒng)中的應(yīng)用更體現(xiàn)術(shù)在家用飲水機(jī)及直飲水給水系統(tǒng)中的應(yīng)用更體現(xiàn)了其優(yōu)越性。了其優(yōu)越性。（2）在醫(yī)藥、食品工業(yè)中用以濃縮藥液、果汁、咖）在醫(yī)藥、食品工業(yè)中用以濃縮藥液、果汁、咖啡浸液等啡浸液等。與常用的冷凍干燥和蒸發(fā)脫水濃縮等工。與常用的冷凍干燥和蒸發(fā)脫水濃縮等工藝比較

55、，反滲透法脫水濃縮成本較低，而且產(chǎn)品的藝比較，反滲透法脫水濃縮成本較低，而且產(chǎn)品的療效、風(fēng)味和營養(yǎng)等均不受影響。療效、風(fēng)味和營養(yǎng)等均不受影響。（3）印染、食品、造紙等工業(yè)中用于處理污水）印染、食品、造紙等工業(yè)中用于處理污水，回，回收利用廢業(yè)中有用的物質(zhì)等。收利用廢業(yè)中有用的物質(zhì)等。 制定工藝流程應(yīng)考慮的因素：制定工藝流程應(yīng)考慮的因素：對(duì)溶液的分離有不同的質(zhì)量要求。對(duì)溶液的分離有不同的質(zhì)量要求。膜元件的使用壽命。膜元件的使用壽命。反滲透工藝中的級(jí)與段：反滲透工藝中的級(jí)與段：段（段（concentrate staging)：指指膜組件的濃縮液膜組件的濃縮液(濃水濃水)流到下一組膜組件處流到下一組膜

56、組件處理。流經(jīng)理。流經(jīng)n組膜組件，即稱為組膜組件，即稱為n段。段。級(jí)級(jí)(permeate staging)：指膜組件指膜組件的產(chǎn)品水再經(jīng)下一組膜組件處理。透過液產(chǎn)的產(chǎn)品水再經(jīng)下一組膜組件處理。透過液產(chǎn)品水經(jīng)品水經(jīng)n次膜組件處理，稱為次膜組件處理，稱為n級(jí)。級(jí)。一級(jí)一段的不同方式一級(jí)一段連續(xù)式一級(jí)一段連續(xù)式一級(jí)一段循環(huán)式一級(jí)一段循環(huán)式可保證出水水質(zhì)，可保證出水水質(zhì)，但水回收率低但水回收率低可以提高水的回收可以提高水的回收率，但出水水質(zhì)有率，但出水水質(zhì)有可能下降可能下降一級(jí)多段連續(xù)式一級(jí)多段連續(xù)式水回收率高，濃縮液量少，濃度高，有利水回收率高，濃縮液量少，濃度高，有利于回收其中的有用物質(zhì)。但出水水

57、質(zhì)差。于回收其中的有用物質(zhì)。但出水水質(zhì)差。一級(jí)多段循環(huán)式濃縮液濃度高，出水水質(zhì)較好。濃縮液濃度高，出水水質(zhì)較好。二級(jí)五段連續(xù)式第二級(jí)第二級(jí)ppccffcQcQcQcfccffmQQcQcQcmmpRcc1 按上面的公式用試算法可以簡便地求出凈化水質(zhì)。由于cp很小，故先假定cp0，則有 式中Y為水的回收率，YQpQf。 由此得 在已知Q、cf、Rm及取定Y值的條件下，將按公式(938)算得的cp初步值代入公式(9-33)至公式(9-35)，求得cp的新值。重復(fù)計(jì)算幾次就可獲得較精確的cp值。ccffcQcQYcQQcQQcQcffcfcfffm22/122mfPRYcc122 pKFWscccP

58、FPfyy143工工業(yè)業(yè)應(yīng)應(yīng)用用的的反反滲滲透透裝裝置置144工業(yè)工業(yè)應(yīng)用應(yīng)用的反的反滲透滲透裝置裝置的膜的膜組件組件之間之間的連的連接接1454.4納濾技術(shù)納濾技術(shù)（nanofiltration,NF）1.納濾膜的特點(diǎn)納濾膜的特點(diǎn)納濾膜是八十年代在反滲透復(fù)合膜基礎(chǔ)上開發(fā)納濾膜是八十年代在反滲透復(fù)合膜基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，是超低壓反滲透技術(shù)的延續(xù)和發(fā)展分支，出來的，是超低壓反滲透技術(shù)的延續(xù)和發(fā)展分支，早期被稱作早期被稱作低壓反滲透膜低壓反滲透膜或或松散反滲透膜松散反滲透膜。目前，。目前，納濾膜已從反滲透技術(shù)中分離出來，成為獨(dú)立的分納濾膜已從反滲透技術(shù)中分離出來，成為獨(dú)立的分離技術(shù)。離技術(shù)。146l

59、納濾膜的孔徑為納米級(jí)，介于反滲透膜納濾膜的孔徑為納米級(jí)，介于反滲透膜(RO)和超和超濾膜濾膜(UF)之間，因此稱為之間，因此稱為“納濾納濾”。l納濾膜的表層較納濾膜的表層較RO膜的表層要疏松得多，但較膜的表層要疏松得多，但較UF膜的要致密得多。因此其制膜關(guān)鍵是合理調(diào)節(jié)膜的要致密得多。因此其制膜關(guān)鍵是合理調(diào)節(jié)表層的疏松程度，以形成大量具納米級(jí)的表層孔。表層的疏松程度，以形成大量具納米級(jí)的表層孔。147納濾膜主要用于納濾膜主要用于截留粒徑在截留粒徑在0.11nm，分子量，分子量為為1000左右的物質(zhì)，可以使一價(jià)鹽和小分子物質(zhì)透左右的物質(zhì)，可以使一價(jià)鹽和小分子物質(zhì)透過，具有較小的操作壓（過，具有較小

60、的操作壓（0.51MPa）。其被分離。其被分離物質(zhì)的尺寸介于反滲透膜和超濾膜之間，但與上述物質(zhì)的尺寸介于反滲透膜和超濾膜之間，但與上述兩種膜有所交叉。兩種膜有所交叉。148 納濾恰好填補(bǔ)了超濾與反滲透之間的空白納濾恰好填補(bǔ)了超濾與反滲透之間的空白,它能截它能截留透過超濾膜的那部分小分子量的有機(jī)物留透過超濾膜的那部分小分子量的有機(jī)物,透析被反滲透析被反滲透膜所截留的無機(jī)鹽。而且，納濾膜對(duì)不同價(jià)態(tài)離子透膜所截留的無機(jī)鹽。而且，納濾膜對(duì)不同價(jià)態(tài)離子的截留效果不同的截留效果不同,對(duì)單價(jià)離子的截留率低對(duì)單價(jià)離子的截留率低(10%-80%),對(duì)對(duì)二價(jià)及多價(jià)離子的截留率明顯高于單價(jià)離子二價(jià)及多價(jià)離子的截留率