第十章膜分離技術(shù)0

1、第十章 膜分離技術(shù)一、一、膜技術(shù)概述膜技術(shù)概述二、二、膜的基本理論膜的基本理論三、膜的應(yīng)用三、膜的應(yīng)用選擇性透膜選擇性透膜膜分離過(guò)程原理：膜分離過(guò)程原理：以選擇性透膜為分離介質(zhì)，通過(guò)在膜兩邊施加一以選擇性透膜為分離介質(zhì)，通過(guò)在膜兩邊施加一個(gè)個(gè)推動(dòng)力（如濃度差、壓力差或電位差等）推動(dòng)力（如濃度差、壓力差或電位差等）時(shí)，使原料側(cè)組分選擇時(shí)，使原料側(cè)組分選擇性地透過(guò)膜，以達(dá)到分離提純的目的。通常膜原料側(cè)稱(chēng)為性地透過(guò)膜，以達(dá)到分離提純的目的。通常膜原料側(cè)稱(chēng)為膜上游膜上游，透過(guò)側(cè)稱(chēng)為透過(guò)側(cè)稱(chēng)為膜下游。膜下游。膜上游膜上游 透膜透膜 膜下游膜下游膜：膜：是指在一種流體相內(nèi)或是在兩種流體相之間有一層薄是指在

2、一種流體相內(nèi)或是在兩種流體相之間有一層薄的的凝聚相凝聚相，它把流體相分隔為互不相通的兩部分，并能使，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)生這兩部分之間產(chǎn)生傳質(zhì)作用傳質(zhì)作用。 分離膜種類(lèi)分離膜種類(lèi)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(yáng)離子膜陽(yáng)離子膜陰離子膜陰離子膜過(guò)濾膜過(guò)濾膜超濾膜超濾膜反滲透膜反滲透膜納米濾膜納米濾膜一、膜技術(shù)概述一、膜技術(shù)概述（一）膜分離技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史（一）膜分離技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史u 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)。17481748年，耐年，耐克特（克特（A. Nelkt）發(fā)現(xiàn)水能自動(dòng)地

3、擴(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(kāi)創(chuàng)了的豬膀胱內(nèi)，開(kāi)創(chuàng)了膜滲透膜滲透的研究。的研究。u 認(rèn)識(shí)到膜的功能并用于為人類(lèi)服務(wù)，卻經(jīng)歷了認(rèn)識(shí)到膜的功能并用于為人類(lèi)服務(wù)，卻經(jīng)歷了200多年的漫長(zhǎng)過(guò)程。人們對(duì)膜進(jìn)行科學(xué)研究則是近幾多年的漫長(zhǎng)過(guò)程。人們對(duì)膜進(jìn)行科學(xué)研究則是近幾十年來(lái)的事。十年來(lái)的事。u 30年代微孔過(guò)濾年代微孔過(guò)濾u 40年代透析年代透析u 50年代電滲析年代電滲析u 60年代反滲透年代反滲透u 70年代超濾和液膜年代超濾和液膜u 80年代氣體分離年代氣體分離u 90年代滲透汽化年代滲透汽化發(fā)展歷史發(fā)展歷史 此外以膜為基礎(chǔ)的其它新型分離過(guò)程，以及膜分離與其此外以膜為基

4、礎(chǔ)的其它新型分離過(guò)程，以及膜分離與其它分離過(guò)程結(jié)合的集成過(guò)程它分離過(guò)程結(jié)合的集成過(guò)程(Integrated Membrane Process)也日益得到重視和發(fā)展。也日益得到重視和發(fā)展。（二）（二） 膜的分類(lèi)膜的分類(lèi)1. 按膜的材料分類(lèi)按膜的材料分類(lèi)類(lèi)類(lèi) 別別膜材料膜材料舉舉 例例纖維素酯類(lèi)纖維素酯類(lèi)纖維素衍生物類(lèi)纖維素衍生物類(lèi)醋酸纖維素，硝酸纖維素醋酸纖維素，硝酸纖維素，乙基纖維素等，乙基纖維素等非纖維素酯類(lèi)非纖維素酯類(lèi)聚砜類(lèi)聚砜類(lèi)聚砜聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚酰聚酰( (亞亞) )胺類(lèi)胺類(lèi)聚砜酰胺聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亞胺芳香族聚酰胺，含氟聚

5、酰亞胺等等聚酯、烯烴類(lèi)聚酯、烯烴類(lèi)滌綸，聚碳酸酯，滌綸，聚碳酸酯，聚乙烯聚乙烯，聚丙烯腈等，聚丙烯腈等含氟含氟( (硅硅) )類(lèi)類(lèi)聚四氟乙烯聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等烷等其他其他殼聚糖殼聚糖，聚電解質(zhì)等，聚電解質(zhì)等微孔膜微孔膜超過(guò)濾膜超過(guò)濾膜反滲透膜反滲透膜納濾膜納濾膜滲析膜滲析膜電滲析膜電滲析膜滲透蒸發(fā)膜滲透蒸發(fā)膜根據(jù)分離膜的根據(jù)分離膜的分離原理和推動(dòng)力分離原理和推動(dòng)力的不同，可將其分為的不同，可將其分為: :2. 按膜的分離原理及適用范圍分類(lèi)按膜的分離原理及適用范圍分類(lèi)3. 按膜的形態(tài)分類(lèi)按膜的形態(tài)分類(lèi)按膜的形狀分為按膜的形狀分為: :平板膜平板膜(

6、 (Flat Membrane) )管式膜管式膜( (Tubular Membrane) )中空纖維膜中空纖維膜( (Hollow Fiber Membrane) )螺旋卷繞膜螺旋卷繞膜( (Spiral Wound Membrane) )4. 按膜的結(jié)構(gòu)分類(lèi)按膜的結(jié)構(gòu)分類(lèi)對(duì)稱(chēng)膜對(duì)稱(chēng)膜( (Symmetric Membrane) )非對(duì)稱(chēng)膜非對(duì)稱(chēng)膜( (Asymmetric Membrane) )復(fù)合膜復(fù)合膜( (Composite Membrane) )對(duì)稱(chēng)膜：對(duì)稱(chēng)膜：結(jié)構(gòu)與方向無(wú)關(guān)。結(jié)構(gòu)與方向無(wú)關(guān)。非對(duì)稱(chēng)膜：非對(duì)稱(chēng)膜：由分離層（薄而致密）和多孔支撐層組由分離層（薄而致密）和多孔支撐層組成。

7、成。分離層為活性膜分離層為活性膜，孔徑大小和表皮的性質(zhì)決，孔徑大小和表皮的性質(zhì)決定了分離特性，厚度決定傳遞速度，分離操作時(shí)，定了分離特性，厚度決定傳遞速度，分離操作時(shí)，該層必須朝向待濃縮的原溶液。該層必須朝向待濃縮的原溶液。復(fù)合膜：復(fù)合膜：選擇性膜層沉積于具有微孔的底膜表面上。選擇性膜層沉積于具有微孔的底膜表面上。其性能決定于有選擇性的其性能決定于有選擇性的表面薄層表面薄層，微，微孔支撐結(jié)孔支撐結(jié)構(gòu)、孔徑、孔分布和多孔率構(gòu)、孔徑、孔分布和多孔率等。等。5. 膜分離過(guò)程的類(lèi)型膜分離過(guò)程的類(lèi)型 分離膜的基本功能是分離膜的基本功能是從物質(zhì)群中有選從物質(zhì)群中有選擇地透過(guò)或輸送特定的物質(zhì)擇地透過(guò)或輸送特

8、定的物質(zhì)，如顆粒、，如顆粒、分子、離子等?；蛘哒f(shuō)，分子、離子等?；蛘哒f(shuō)，物質(zhì)的分離是物質(zhì)的分離是通過(guò)膜的選擇性透過(guò)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)膜的選擇性透過(guò)實(shí)現(xiàn)的。幾種主要分離膜的分離過(guò)程幾種主要分離膜的分離過(guò)程膜過(guò)程膜過(guò)程推動(dòng)力推動(dòng)力傳遞機(jī)理傳遞機(jī)理透過(guò)物透過(guò)物截留物截留物膜類(lèi)型膜類(lèi)型微濾微濾壓力差壓力差顆粒大小形狀顆粒大小形狀水、溶劑溶解物水、溶劑溶解物懸浮物顆粒懸浮物顆粒纖維多孔膜纖維多孔膜超濾超濾壓力差壓力差分子特性大小形分子特性大小形狀狀水、溶劑小分子水、溶劑小分子膠體和超過(guò)膠體和超過(guò)截留分子量截留分子量的分子的分子非對(duì)稱(chēng)性膜非對(duì)稱(chēng)性膜納濾納濾壓力差壓力差離子大小及電荷離子大小及電荷水、一價(jià)離子、水

9、、一價(jià)離子、多價(jià)離子多價(jià)離子有機(jī)物有機(jī)物復(fù)合膜復(fù)合膜反滲透反滲透壓力差壓力差溶劑的擴(kuò)散傳遞溶劑的擴(kuò)散傳遞水、溶劑水、溶劑溶質(zhì)、鹽溶質(zhì)、鹽非對(duì)稱(chēng)性膜、非對(duì)稱(chēng)性膜、復(fù)合膜復(fù)合膜膜過(guò)程膜過(guò)程推動(dòng)力推動(dòng)力傳遞機(jī)理傳遞機(jī)理透過(guò)物透過(guò)物截留物截留物膜類(lèi)型膜類(lèi)型滲析滲析濃度差濃度差溶質(zhì)的擴(kuò)散傳溶質(zhì)的擴(kuò)散傳遞遞低分子量物、離低分子量物、離子子溶劑溶劑非對(duì)稱(chēng)性膜非對(duì)稱(chēng)性膜電滲析電滲析電位差電位差電解質(zhì)離子的電解質(zhì)離子的選擇傳遞選擇傳遞電解質(zhì)離子電解質(zhì)離子非電解質(zhì)，非電解質(zhì)，大分子物質(zhì)大分子物質(zhì)離子交換膜離子交換膜氣體分離氣體分離壓力差壓力差氣體和蒸汽的氣體和蒸汽的擴(kuò)散滲透擴(kuò)散滲透氣體或蒸汽氣體或蒸汽難滲透性氣難

10、滲透性氣體或蒸汽體或蒸汽均相膜、復(fù)均相膜、復(fù)合膜，非對(duì)合膜，非對(duì)稱(chēng)膜稱(chēng)膜滲透蒸發(fā)滲透蒸發(fā)壓力差壓力差選擇傳遞選擇傳遞易滲溶質(zhì)或溶劑易滲溶質(zhì)或溶劑難滲透性溶難滲透性溶質(zhì)或溶劑質(zhì)或溶劑均相膜、復(fù)均相膜、復(fù)合膜，非對(duì)合膜，非對(duì)稱(chēng)膜稱(chēng)膜液膜分離液膜分離濃度差濃度差反應(yīng)促進(jìn)和反應(yīng)促進(jìn)和擴(kuò)散傳遞擴(kuò)散傳遞雜質(zhì)雜質(zhì)溶劑溶劑乳狀液膜、乳狀液膜、支撐液膜支撐液膜（三）膜材料（三）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(wú)機(jī)材料無(wú)機(jī)材料。 原則上講，凡能成膜的高分子材料和無(wú)機(jī)材料原則上講，凡能成膜的高分子材料和無(wú)機(jī)材料均可用于制

11、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，如求，如分離效率分離效率、分離速度分離速度等。此外，也取決于等。此外，也取決于膜膜的制備技術(shù)的制備技術(shù)。 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：纖維素酯纖維素酯類(lèi)、聚砜類(lèi)、聚酰胺類(lèi)及其他材料類(lèi)、聚砜類(lèi)、聚酰胺類(lèi)及其他材料。從品種來(lái)說(shuō)，。從品種來(lái)說(shuō)，已有成百種以上的膜被制備出來(lái)，其中約已有成百種以上的膜被制備出來(lái)，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(lèi)被用于工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室中。以

12、日本為例，纖維素酯類(lèi)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(jiàn)，可見(jiàn)纖維素酯類(lèi)材料纖維素酯類(lèi)材料在膜材料中在膜材料中占主要地位。占主要地位。 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(guò)椅式構(gòu)型的葡萄糖基通過(guò)1, 4甙鏈甙鏈連接起來(lái)的天然線性高分子化合物，連接起來(lái)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_221. 纖維素酯類(lèi)膜材料纖維素酯類(lèi)膜材料 從結(jié)構(gòu)上看，每個(gè)葡

13、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)2O C6H7O2(OCOCH3)2 + H2O C6H7O2 + 3(CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)3 + 2 CH2COOH醋酸纖維素膜的結(jié)構(gòu)示意圖醋酸纖維素膜的結(jié)構(gòu)示意圖99 表皮層，孔徑表皮層，孔徑（810）1010m過(guò)渡層，孔徑過(guò)渡層，孔徑2001010m多孔層，孔

14、徑多孔層，孔徑（10004000）1010m1%醋酸纖維膜的優(yōu)點(diǎn)醋酸纖維膜的優(yōu)點(diǎn) 從水滲透流率高，截留率好，適宜于制備反滲透膜從水滲透流率高，截留率好，適宜于制備反滲透膜原料來(lái)源豐富，價(jià)格便宜原料來(lái)源豐富，價(jià)格便宜無(wú)毒，制膜工藝簡(jiǎn)單，便于工業(yè)化生產(chǎn)無(wú)毒，制膜工藝簡(jiǎn)單，便于工業(yè)化生產(chǎn)醋酸纖維膜的缺點(diǎn)醋酸纖維膜的缺點(diǎn)熱穩(wěn)定性差熱穩(wěn)定性差抗氧化性能差，使用壽命短抗氧化性能差，使用壽命短易水解，易壓密易水解，易壓密抗微生物侵蝕性能較弱，難以貯存抗微生物侵蝕性能較弱，難以貯存 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)聚合物和離子聚合物砜、聚酰胺、芳香雜

15、環(huán)聚合物和離子聚合物等。等。2. 非纖維素酯類(lèi)膜材料非纖維素酯類(lèi)膜材料 聚砜類(lèi)樹(shù)脂聚砜類(lèi)樹(shù)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。此已成為重要的膜材料之一。 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、尼龍龍66等制成的中空纖維膜。這類(lèi)產(chǎn)品對(duì)鹽水的分離率等制成的中空纖維膜。這類(lèi)產(chǎn)品對(duì)鹽水的分離率在在8090之間，但之間，但透水率很低透水率很低，

16、僅，僅0.076 ml/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），透水（對(duì)鹽水），透水速率為速率為0.6 ml/cm2h。長(zhǎng)期使用穩(wěn)定性好。長(zhǎng)期使用穩(wěn)定性好。由于。由于酰胺基團(tuán)酰胺基團(tuán)易與氯反應(yīng)，故這種膜對(duì)水中的易與氯反應(yīng)，故這種膜對(duì)水中的游離氯游離氯有較高要求有較高要求。 聚酰亞胺聚酰亞胺具有很好的具有很好的熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性和和耐有機(jī)溶劑耐有機(jī)溶劑能能力，因此是一類(lèi)較好的膜材料。例如，下列結(jié)構(gòu)的力，因此是一類(lèi)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

17、的效率。聚酰亞胺膜對(duì)分離氫氣有很高的效率。NCCOONCCOOArn 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(shù)脂相同，離子交換膜也可分為交換樹(shù)脂相同，離子交換膜也可分為強(qiáng)酸型陽(yáng)離子強(qiáng)酸型陽(yáng)離子膜、弱酸型陽(yáng)離子膜、強(qiáng)堿型陰離子膜和弱堿型陰膜、弱酸型陽(yáng)離子膜、強(qiáng)堿型陰離子膜和弱堿型陰離子膜離子膜等。在淡化海水的應(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(yáng)離子交換膜。酸型陽(yáng)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。 用作膜材料的用作膜材料的乙烯基聚合物乙烯基

18、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。常見(jiàn)材料的最高允許使用溫度常見(jiàn)材料的最高允許使用溫度名稱(chēng)名稱(chēng)溫度溫度CA 聚酰胺聚酰胺 聚苯并咪唑聚苯并咪唑 聚苯并咪唑酮聚苯并咪唑酮 磺化聚苯醚磺化聚苯醚 磺化聚砜磺化聚

19、砜 聚醚砜酮聚醚砜酮35 35 9070 70 120 160 無(wú)機(jī)膜多以無(wú)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、陶瓷陶瓷為材料。從結(jié)構(gòu)上可分為為材料。從結(jié)構(gòu)上可分為: : 致密膜致密膜 多孔膜多孔膜 復(fù)合非對(duì)稱(chēng)修正膜復(fù)合非對(duì)稱(chēng)修正膜3. 無(wú)機(jī)膜材料無(wú)機(jī)膜材料（四）（四） 膜的制備膜的制備1. 分離膜制備工藝類(lèi)型分離膜制備工藝類(lèi)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，由于的材料，由于不同的制作工藝和控制條件不同的制作工藝和控制條件，其性能，其性能差別很大。合理的、先進(jìn)的制膜工藝是制造優(yōu)良性差別很大。合理的、先進(jìn)的制膜工藝是制

20、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(guó)內(nèi)外的制膜方法很多，其中最實(shí)用的目前，國(guó)內(nèi)外的制膜方法很多，其中最實(shí)用的是是相轉(zhuǎn)化法（流涎法和紡絲法）和復(fù)合膜化法相轉(zhuǎn)化法（流涎法和紡絲法）和復(fù)合膜化法。2. 相轉(zhuǎn)化制膜工藝相轉(zhuǎn)化制膜工藝 相轉(zhuǎn)化相轉(zhuǎn)化是指將均質(zhì)的制膜液通過(guò)溶劑的揮發(fā)或是指將均質(zhì)的制膜液通過(guò)溶劑的揮發(fā)或向溶液加入非溶劑或加熱制膜液，向溶液加入非溶劑或加熱制膜液，使液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣淌挂合噢D(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟倪^(guò)程相的過(guò)程。 相轉(zhuǎn)化制膜工藝中最重要的方法是相轉(zhuǎn)化制膜工藝中最重要的方法是LS型制膜型制膜法法。它是由加拿大人勞勃（。它是由加拿大人勞勃（S. Leob）和索里拉金）和索里拉金（

21、S.Sourirajan）發(fā)明的，并首先用于制造醋酸纖維）發(fā)明的，并首先用于制造醋酸纖維素膜。素膜。u 制備澆鑄液制備澆鑄液u 在適宜的支持物上把澆鑄液鋪開(kāi)在適宜的支持物上把澆鑄液鋪開(kāi)u 控制溫度和濕度控制溫度和濕度蒸發(fā)一部分溶劑蒸發(fā)一部分溶劑u 凝膠形成凝膠形成u 熱處理（退火）熱處理（退火） 相轉(zhuǎn)化制膜過(guò)程相轉(zhuǎn)化制膜過(guò)程聚合物聚合物溶劑溶劑添加劑添加劑均質(zhì)制膜液均質(zhì)制膜液流涎法流涎法制成平板型、圓管型；制成平板型、圓管型；紡絲法紡絲法制成中空纖維制成中空纖維蒸出部分溶劑蒸出部分溶劑凝固液浸漬凝固液浸漬水洗水洗后處理后處理非對(duì)稱(chēng)膜非對(duì)稱(chēng)膜LS法制備分離膜法制備分離膜工藝流程框圖工藝流程框圖

22、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(chēng)為的極薄一層，稱(chēng)為表面致密層表面致密層。它的厚度約。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(guò)速率與膜的厚度成反比。而用知，膜的透過(guò)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。3. 復(fù)合制膜工藝復(fù)合制膜工藝多孔支持膜多孔支持膜涂覆涂覆交聯(lián)交聯(lián)加熱加熱形成超薄膜形成超薄膜親水性高分子溶液的涂覆

23、親水性高分子溶液的涂覆復(fù)合膜復(fù)合膜形成超薄膜的溶液形成超薄膜的溶液交聯(lián)劑交聯(lián)劑 復(fù)合制膜工藝流程框圖復(fù)合制膜工藝流程框圖 取顆粒大小一定的膜材料細(xì)粉置于一定的模具內(nèi)，取顆粒大小一定的膜材料細(xì)粉置于一定的模具內(nèi)，嚴(yán)格控制溫度和壓力嚴(yán)格控制溫度和壓力，使細(xì)粒子的表面由軟變?nèi)郏M(jìn)而，使細(xì)粒子的表面由軟變?nèi)郏M(jìn)而互相黏結(jié)而形成多孔體，最后經(jīng)機(jī)械加工即得?；ハ囵そY(jié)而形成多孔體，最后經(jīng)機(jī)械加工即得。 制膜過(guò)程中常加入另一種制膜過(guò)程中常加入另一種不相熔合的添加劑不相熔合的添加劑，待燒，待燒結(jié)完成后，再?gòu)哪?nèi)萃取出。結(jié)完成后，再?gòu)哪?nèi)萃取出。4. 燒結(jié)法燒結(jié)法 將晶體聚烯烴在低溫熔融溫度下擠壓成膜，然后延伸將

24、晶體聚烯烴在低溫熔融溫度下擠壓成膜，然后延伸得到高的熔融應(yīng)力，在無(wú)張力條件下退火，拉伸即得。得到高的熔融應(yīng)力，在無(wú)張力條件下退火，拉伸即得。6. 拉伸拉伸法法5. 核徑跡核徑跡法法 將將515m薄膜于放射性物質(zhì)下接受粒子照射，使高薄膜于放射性物質(zhì)下接受粒子照射，使高分子主干的分子主干的化學(xué)鍵斷裂形成徑跡化學(xué)鍵斷裂形成徑跡。再將照射的膜用。再將照射的膜用酸堿腐酸堿腐蝕蝕，使材料刻蝕形成垂直孔道。，使材料刻蝕形成垂直孔道。（五）（五） 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

25、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)。 膜的收縮膜的收縮主要發(fā)生在濕態(tài)保存時(shí)的失水。收主要發(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，縮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)嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成膜的破裂。當(dāng)膜與高濃度溶液接膜與高濃度溶液接觸觸時(shí)，由于膜中水

26、分急劇地向溶液中擴(kuò)散而失水，時(shí)，由于膜中水分急劇地向溶液中擴(kuò)散而失水，也會(huì)造成膜的變形收縮。也會(huì)造成膜的變形收縮。u 膜分離是借助于膜而實(shí)現(xiàn)各種分離的過(guò)程。膜分離是借助于膜而實(shí)現(xiàn)各種分離的過(guò)程。u 膜分離是利用天然或人工合成的，具有膜分離是利用天然或人工合成的，具有選擇透過(guò)性選擇透過(guò)性的的薄膜，以薄膜，以外界能量或化學(xué)位差外界能量或化學(xué)位差為推動(dòng)力，對(duì)雙組分或?yàn)橥苿?dòng)力，對(duì)雙組分或多組分體系進(jìn)行分離、分級(jí)、提純和濃縮的方法。多組分體系進(jìn)行分離、分級(jí)、提純和濃縮的方法。u 分離用的膜具有分離用的膜具有選擇滲透性選擇滲透性，也就是說(shuō)，膜只能使，也就是說(shuō)，膜只能使某某些分子通過(guò)些分子通過(guò)，這對(duì)生物工業(yè)

27、具有重要的意義，膜可以，這對(duì)生物工業(yè)具有重要的意義，膜可以有效地把發(fā)酵液中的有效成分與其他成分分開(kāi)。有效地把發(fā)酵液中的有效成分與其他成分分開(kāi)。（六）膜分離技術(shù)在分離工程中的作用（六）膜分離技術(shù)在分離工程中的作用u 分離物質(zhì)過(guò)程中分離物質(zhì)過(guò)程中不涉及相變，對(duì)能量要求低不涉及相變，對(duì)能量要求低，其費(fèi)用約，其費(fèi)用約為蒸發(fā)濃縮或冷凍濃縮的為蒸發(fā)濃縮或冷凍濃縮的1/31/31/81/8；u 條件一般都較溫和條件一般都較溫和 是生化物質(zhì)分離的合適方式：是生化物質(zhì)分離的合適方式：u 無(wú)化學(xué)變化無(wú)化學(xué)變化 典型的物理分離過(guò)程，不用化學(xué)試劑和添典型的物理分離過(guò)程，不用化學(xué)試劑和添加劑，產(chǎn)品不受污染；加劑，產(chǎn)品不

28、受污染；u 選擇性好選擇性好 可在分子級(jí)內(nèi)進(jìn)行物質(zhì)分離，具有普遍濾材可在分子級(jí)內(nèi)進(jìn)行物質(zhì)分離，具有普遍濾材無(wú)法取代的卓越性能；無(wú)法取代的卓越性能；u 適應(yīng)性強(qiáng)適應(yīng)性強(qiáng) 處理規(guī)模可大可小，可以連續(xù)也可以間歇進(jìn)處理規(guī)模可大可小，可以連續(xù)也可以間歇進(jìn)行，易于自動(dòng)化。行，易于自動(dòng)化。 1. 膜分離技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)膜分離技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)2. 存在的問(wèn)題存在的問(wèn)題（1）在操作中膜面會(huì)）在操作中膜面會(huì)發(fā)生污染發(fā)生污染，使膜性能降低，故有，使膜性能降低，故有 必要采用與工藝相適應(yīng)的膜面清洗方法；必要采用與工藝相適應(yīng)的膜面清洗方法；（2）從目前獲得的膜性能來(lái)看，其）從目前獲得的膜性能來(lái)看，其耐藥性、耐熱性、耐藥性、耐熱性、

29、 耐溶劑能力都是有限的耐溶劑能力都是有限的，故使用范圍受限；，故使用范圍受限；（3）單獨(dú)采用膜分離技術(shù)效果有限單獨(dú)采用膜分離技術(shù)效果有限，因此往往都將膜，因此往往都將膜 分離工藝與其他分離工藝組合起來(lái)使用。分離工藝與其他分離工藝組合起來(lái)使用。 在一個(gè)容器中，用膜把它隔成兩部分，膜的兩側(cè)是在一個(gè)容器中，用膜把它隔成兩部分，膜的兩側(cè)是濃度不同的溶液，通常小分子的溶劑透過(guò)膜向稀溶液側(cè)移動(dòng)。濃度不同的溶液，通常小分子的溶劑透過(guò)膜向稀溶液側(cè)移動(dòng)。 滲析滲析( (水分、小分子溶質(zhì)）水分、小分子溶質(zhì)）滲透滲透（僅水分）（僅水分）（一）膜分離過(guò)程的機(jī)理（一）膜分離過(guò)程的機(jī)理二、二、膜的基本理論膜的基本理論 為

30、熱力學(xué)為熱力學(xué)“下坡下坡”過(guò)程，其過(guò)程，其中中膜的作用就像是一物理的膜的作用就像是一物理的平板屏平板屏障障。所有通過(guò)膜的組分均。所有通過(guò)膜的組分均以化學(xué)以化學(xué)勢(shì)梯度為推動(dòng)力勢(shì)梯度為推動(dòng)力，可以是膜兩側(cè)，可以是膜兩側(cè)的的壓力差壓力差、濃度差濃度差或或電勢(shì)差電勢(shì)差。( (a) )被動(dòng)傳遞被動(dòng)傳遞1. 膜分離過(guò)程的基本傳質(zhì)形式膜分離過(guò)程的基本傳質(zhì)形式 各組分通過(guò)膜的各組分通過(guò)膜的推動(dòng)力推動(dòng)力仍是仍是膜兩側(cè)的化學(xué)膜兩側(cè)的化學(xué)勢(shì)梯度勢(shì)梯度。組分由特定的。組分由特定的載體載體帶人膜中，具有高帶人膜中，具有高選擇性的被動(dòng)傳遞。選擇性的被動(dòng)傳遞。 ( (b) )促進(jìn)傳遞促進(jìn)傳遞推動(dòng)力是由推動(dòng)力是由膜內(nèi)某化學(xué)膜

31、內(nèi)某化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)提供提供，主要存在于主要存在于生命膜生命膜。( (c) )主動(dòng)傳遞：主動(dòng)傳遞：( (1) )膜過(guò)程中的物質(zhì)傳遞膜過(guò)程中的物質(zhì)傳遞 ( (用典型的非對(duì)稱(chēng)膜為例用典型的非對(duì)稱(chēng)膜為例) )2. 膜分離過(guò)程的機(jī)理膜分離過(guò)程的機(jī)理主流體系區(qū)間主流體系區(qū)間( () ) 邊界層區(qū)間邊界層區(qū)間( () ) 表面區(qū)間表面區(qū)間( () )表皮層區(qū)間表皮層區(qū)間多孔支撐區(qū)間多孔支撐區(qū)間 表面區(qū)間表面區(qū)間( () ) 邊界層區(qū)間邊界層區(qū)間( () ) 主流體區(qū)間主流體區(qū)間( () )主流體系區(qū)間主流體系區(qū)間( () )：溶質(zhì)的濃度均勻溶質(zhì)的濃度均勻，垂直于膜表，垂直于膜表 面的方向無(wú)濃度梯度。面的方向無(wú)

32、濃度梯度。 邊界層區(qū)間邊界層區(qū)間( () )：有有濃度極化濃度極化現(xiàn)象，是造成膜或膜現(xiàn)象，是造成膜或膜 體系效率下降的主要因素。體系效率下降的主要因素。 表面區(qū)間表面區(qū)間( () )：溶質(zhì)擴(kuò)散的同時(shí)溶質(zhì)擴(kuò)散的同時(shí)有對(duì)流現(xiàn)象有對(duì)流現(xiàn)象；溶質(zhì)；溶質(zhì) 吸附表面而溶入膜中。在膜的致密表層靠近邊界吸附表面而溶入膜中。在膜的致密表層靠近邊界 的溶質(zhì)濃度比在溶液中邊界層的溶質(zhì)濃度低得的溶質(zhì)濃度比在溶液中邊界層的溶質(zhì)濃度低得多多。表皮層區(qū)間：表皮層區(qū)間：非對(duì)稱(chēng)膜皮層的特征是對(duì)非對(duì)稱(chēng)膜皮層的特征是對(duì)溶質(zhì)的溶質(zhì)的 脫除脫除 性性。愈薄愈好，可增加膜的滲透率。愈薄愈好，可增加膜的滲透率。 溶質(zhì)和滲透物質(zhì)的傳遞是以溶

33、質(zhì)和滲透物質(zhì)的傳遞是以分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散為主。為主。 多孔支撐區(qū)間：多孔支撐區(qū)間：主要對(duì)表皮層起支撐作用，主要對(duì)表皮層起支撐作用， 而對(duì)滲透物質(zhì)的流動(dòng)而對(duì)滲透物質(zhì)的流動(dòng)有一定的阻力有一定的阻力。 表面區(qū)間表面區(qū)間( () )：此區(qū)間相似于此區(qū)間相似于中所描述的區(qū)間，中所描述的區(qū)間， 溶質(zhì)在產(chǎn)品邊膜內(nèi)的濃度與離開(kāi)膜流入低壓邊流溶質(zhì)在產(chǎn)品邊膜內(nèi)的濃度與離開(kāi)膜流入低壓邊流 體中的濃度幾乎相等。體中的濃度幾乎相等。 邊界層區(qū)間邊界層區(qū)間( () )：此區(qū)間與此區(qū)間與中區(qū)間相似，物質(zhì)中區(qū)間相似，物質(zhì) 擴(kuò)散方向與膜垂直。但擴(kuò)散方向與膜垂直。但無(wú)濃差極化現(xiàn)象無(wú)濃差極化現(xiàn)象，濃度，濃度 隨流動(dòng)方向而降低。隨流動(dòng)

34、方向而降低。 主流體區(qū)間主流體區(qū)間( () )：此區(qū)間相似于此區(qū)間相似于 ，溶質(zhì)濃度穩(wěn)溶質(zhì)濃度穩(wěn) 定定，垂直于膜表面的方向，垂直于膜表面的方向無(wú)濃度梯度無(wú)濃度梯度。 ( (2) )孔模型孔模型 描繪描繪微孔過(guò)濾、超濾微孔過(guò)濾、超濾等過(guò)程所用的高孔率膜等過(guò)程所用的高孔率膜。 以以壓力為推動(dòng)力壓力為推動(dòng)力的膜分離技術(shù)，的膜分離技術(shù)，按不同按不同膜孔徑膜孔徑來(lái)來(lái)選擇分離溶液中的微?；虼蠓肿舆x擇分離溶液中的微?；虼蠓肿?，比膜孔小的物質(zhì)和，比膜孔小的物質(zhì)和溶劑溶劑( (水水) )一起運(yùn)過(guò)膜而較大的物質(zhì)則被截留。一起運(yùn)過(guò)膜而較大的物質(zhì)則被截留。 溶劑的滲透流率取決于溶劑的滲透流率取決于膜的孔隙率、孔徑、溶

35、液的膜的孔隙率、孔徑、溶液的粘度、溶劑在膜中的擴(kuò)散曲折途徑和膜上、下游壓力粘度、溶劑在膜中的擴(kuò)散曲折途徑和膜上、下游壓力差。差。溶液通量溶液通量 溶液通量：溶液通量： 膜的孔隙率膜的孔隙率 d 圓柱型孔道的直徑圓柱型孔道的直徑(m) L 膜的有效厚度，為擴(kuò)散曲折率膜的有效厚度，為擴(kuò)散曲折率 膜厚膜厚( m) p膜兩側(cè)壓力差膜兩側(cè)壓力差(kPa) 溶液的粘度溶液的粘度(Pas)通量和壓力成正比，和粘度成反比。通量和壓力成正比，和粘度成反比。 反滲透膜上的微孔孔徑約為反滲透膜上的微孔孔徑約為 2nm，而無(wú)機(jī)鹽，而無(wú)機(jī)鹽離子的直徑僅為離子的直徑僅為0.10.3nm，水合離子的直徑，水合離子的直徑為為

36、0.30.6nm，明顯小于孔徑，明顯小于孔徑，分子篩分分子篩分原理原理無(wú)法解釋該分離現(xiàn)象。無(wú)法解釋該分離現(xiàn)象。問(wèn) 題( (3) )溶解溶解擴(kuò)散模型擴(kuò)散模型 溶解擴(kuò)散模型：膜是無(wú)孔的溶解擴(kuò)散模型：膜是無(wú)孔的“完整的膜完整的膜”。 在均相的，高選擇性的膜（如反滲透膜）中，在均相的，高選擇性的膜（如反滲透膜）中，溶質(zhì)和溶劑都能溶解于均質(zhì)的非多孔膜表面，然后溶質(zhì)和溶劑都能溶解于均質(zhì)的非多孔膜表面，然后在在化學(xué)勢(shì)化學(xué)勢(shì)推動(dòng)下擴(kuò)散通過(guò)膜，再?gòu)哪は掠谓馕?。推?dòng)下擴(kuò)散通過(guò)膜，再?gòu)哪は掠谓馕?物質(zhì)的滲透能力，不僅取決于物質(zhì)的滲透能力，不僅取決于擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)，而且，而且還決定于物質(zhì)還決定于物質(zhì)在膜中的溶解度

37、在膜中的溶解度。溶劑質(zhì)量通量：溶劑質(zhì)量通量：Jl = Al( (p- p滲滲) ) Al溶液溶液滲透系數(shù)；滲透系數(shù)； p膜上下游壓力差；膜上下游壓力差； p滲滲滲透壓。滲透壓。溶質(zhì)質(zhì)量通量：溶質(zhì)質(zhì)量通量：J2 = -Bc c膜厚乘兩邊濃度差；膜厚乘兩邊濃度差； B含膜厚、分配、擴(kuò)散系數(shù)含膜厚、分配、擴(kuò)散系數(shù) 當(dāng)壓力升高對(duì)，溶劑質(zhì)量通量線性增加，但當(dāng)壓力升高對(duì)，溶劑質(zhì)量通量線性增加，但 溶質(zhì)通常與壓力無(wú)關(guān)，因而透過(guò)液濃度降低。溶質(zhì)通常與壓力無(wú)關(guān)，因而透過(guò)液濃度降低。( (4) )優(yōu)先吸附優(yōu)先吸附毛細(xì)管流動(dòng)模型毛細(xì)管流動(dòng)模型 溶解溶解擴(kuò)散模型適合無(wú)機(jī)鹽的反滲透過(guò)程，但擴(kuò)散模型適合無(wú)機(jī)鹽的反滲透過(guò)程

38、，但對(duì)對(duì)有機(jī)物常不能適用有機(jī)物常不能適用。當(dāng)壓力升高對(duì)，某些有機(jī)物透過(guò)。當(dāng)壓力升高對(duì)，某些有機(jī)物透過(guò)液濃度反而升高。液濃度反而升高。 膜的表面如對(duì)料液中某一組分（有機(jī)物）的吸附膜的表面如對(duì)料液中某一組分（有機(jī)物）的吸附能力較強(qiáng)，則該組分就在膜面上形成一層吸附層。在能力較強(qiáng)，則該組分就在膜面上形成一層吸附層。在壓力下通過(guò)毛細(xì)管。壓力下通過(guò)毛細(xì)管。 例如用醋酸纖維膜處理例如用醋酸纖維膜處理 氯酚溶液時(shí)，由于后者氯酚溶液時(shí)，由于后者的親水性，使透過(guò)液中的濃度反而增大。的親水性，使透過(guò)液中的濃度反而增大。u優(yōu)先被吸附的組分在膜面上形成一層吸附層，吸附優(yōu)先被吸附的組分在膜面上形成一層吸附層，吸附力弱的組

39、分在膜上濃度急驟下降，在外壓作用下，力弱的組分在膜上濃度急驟下降，在外壓作用下，優(yōu)先被吸附的組分通過(guò)膜毛細(xì)孔而透過(guò)膜。優(yōu)先被吸附的組分通過(guò)膜毛細(xì)孔而透過(guò)膜。 u由由Sourirajan于于1963年建立。年建立。u他認(rèn)為用于水溶液中脫鹽的反滲透膜是多孔的并有他認(rèn)為用于水溶液中脫鹽的反滲透膜是多孔的并有一定親水性，而對(duì)鹽類(lèi)有一定排斥性質(zhì)。一定親水性，而對(duì)鹽類(lèi)有一定排斥性質(zhì)。u在膜面上始終存在著一層純水層，其厚度可為幾個(gè)在膜面上始終存在著一層純水層，其厚度可為幾個(gè)水分子的大小水分子的大小。在壓力下，就可連續(xù)地使純水層流。在壓力下，就可連續(xù)地使純水層流經(jīng)毛細(xì)孔。經(jīng)毛細(xì)孔。u與與膜表面化學(xué)性質(zhì)膜表面化

40、學(xué)性質(zhì)和和孔結(jié)構(gòu)孔結(jié)構(gòu)等多種因素有關(guān)等多種因素有關(guān)。膜表面對(duì)水的優(yōu)先吸附壓力壓力主體溶液主體溶液界面界面水 在膜表面處的流動(dòng)如果毛細(xì)孔直徑恰等于如果毛細(xì)孔直徑恰等于2倍純水層的厚度，則可倍純水層的厚度，則可使純水的透過(guò)速度最大，而又不致令鹽從毛細(xì)孔使純水的透過(guò)速度最大，而又不致令鹽從毛細(xì)孔中漏出，即同時(shí)達(dá)到最大程度的脫鹽。中漏出，即同時(shí)達(dá)到最大程度的脫鹽。（二）膜的性能、參數(shù)（二）膜的性能、參數(shù)孔徑：孔徑：有最大孔徑和平均孔徑，它們都在一定程度上有最大孔徑和平均孔徑，它們都在一定程度上 反映了孔的大小，但各有其局限性。反映了孔的大小，但各有其局限性。孔徑分布：孔徑分布：指膜中一定大小的孔的體積

41、占整個(gè)孔體積指膜中一定大小的孔的體積占整個(gè)孔體積 的百分?jǐn)?shù)。由此可以判別膜的好壞，即的百分?jǐn)?shù)。由此可以判別膜的好壞，即孔徑分孔徑分 布窄的膜比孔徑分布寬的膜要好。布窄的膜比孔徑分布寬的膜要好?？紫抖龋嚎紫抖龋褐刚麄€(gè)膜中孔所占的體積百分?jǐn)?shù)。指整個(gè)膜中孔所占的體積百分?jǐn)?shù)。 孔徑的測(cè)定可用孔徑的測(cè)定可用壓汞法、泡壓法、電鏡觀測(cè)法壓汞法、泡壓法、電鏡觀測(cè)法等等1. 孔道特征孔道特征泡壓法泡壓法 將膜表面覆蓋一層溶劑，從下面通入空氣，逐漸將膜表面覆蓋一層溶劑，從下面通入空氣，逐漸增大空氣的壓力，當(dāng)有穩(wěn)定的氣泡冒出時(shí)，稱(chēng)為泡點(diǎn)增大空氣的壓力，當(dāng)有穩(wěn)定的氣泡冒出時(shí)，稱(chēng)為泡點(diǎn)，即可計(jì)算出孔徑：，即可計(jì)算出孔徑

42、： d=4cos/ d孔徑（孔徑（mm） 液體表面張力（液體表面張力（N/m） 液體與固體間的接觸角液體與固體間的接觸角 泡點(diǎn)壓力（泡點(diǎn)壓力（MPa）2. 水通量水通量水通量：水通量：每單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位膜面積的水體積流量，每單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位膜面積的水體積流量， 也叫也叫透水率，即水透過(guò)膜的速率透水率，即水透過(guò)膜的速率。 其大小取決于膜的其大小取決于膜的物理特性物理特性( (如厚度、化學(xué)成分、孔如厚度、化學(xué)成分、孔隙度隙度) )和和系統(tǒng)的條件系統(tǒng)的條件( (如溫度、膜兩側(cè)的壓力差、接觸膜的如溫度、膜兩側(cè)的壓力差、接觸膜的溶液的鹽濃度及料液平行通過(guò)膜表面的速度溶液的鹽濃度及料液平行通過(guò)膜表面的

43、速度) )。 在實(shí)際使用中，水通量將很快降低，在實(shí)際使用中，水通量將很快降低，通量決定于通量決定于膜表面狀態(tài)。膜表面狀態(tài)。3. 截留率和截?cái)喾肿恿拷亓袈屎徒財(cái)喾肿恿拷亓袈剩航亓袈剩菏侵笇?duì)一定相對(duì)分子質(zhì)量的物質(zhì)，膜能截留的程度。是指對(duì)一定相對(duì)分子質(zhì)量的物質(zhì)，膜能截留的程度。 = 1 - Cp / CB Cp透過(guò)液濃度；透過(guò)液濃度； CB 截留液濃度。截留液濃度。 如如 1，則，則Cp 0，表示溶質(zhì)全部被截留；，表示溶質(zhì)全部被截留； 如如 0，則，則Cp CB，表示溶質(zhì)能自由透過(guò)膜。，表示溶質(zhì)能自由透過(guò)膜。 截?cái)嗲€：截?cái)嗲€：截留率與相對(duì)分子質(zhì)量之間的關(guān)系。截留率與相對(duì)分子質(zhì)量之間的關(guān)系。 截?cái)?/p>

44、分子量截?cái)喾肿恿? (MWCO) )：定義為相當(dāng)于一定截留率定義為相當(dāng)于一定截留率( (通常通常為為90或或95) )的相對(duì)分子質(zhì)量。的相對(duì)分子質(zhì)量。 影響截留率的因素：影響截留率的因素： （1）溶質(zhì)分子的大?。┤苜|(zhì)分子的大小 （2）分子的形狀）分子的形狀 （3）吸附作用）吸附作用 （4）其他高分子溶質(zhì)的影響）其他高分子溶質(zhì)的影響 （5）其他因素）其他因素較好的膜截?cái)嗲€陡直，可使不同相對(duì)分子質(zhì)量的較好的膜截?cái)嗲€陡直，可使不同相對(duì)分子質(zhì)量的溶質(zhì)完全分離，斜坦的截?cái)嗲€會(huì)導(dǎo)致分離不完全。溶質(zhì)完全分離，斜坦的截?cái)嗲€會(huì)導(dǎo)致分離不完全。截留率越高，截?cái)喾肿恿康姆秶秸哪ぴ胶媒亓袈试礁撸財(cái)喾肿恿?/p>

45、的范圍越窄的膜越好（三）膜的使用壽命（三）膜的使用壽命1膜的壓密作用膜的壓密作用 控制操作壓力和溫度，改進(jìn)膜結(jié)構(gòu)。控制操作壓力和溫度，改進(jìn)膜結(jié)構(gòu)。2膜的水解作用膜的水解作用 控制進(jìn)料控制進(jìn)料pH和溫度。和溫度。3濃差極化濃差極化 造成截留率、水通量降低，結(jié)垢阻塞。造成截留率、水通量降低，結(jié)垢阻塞。（1 1）濃差極化定義）濃差極化定義 在膜分離操作中，所有溶質(zhì)均被透過(guò)在膜分離操作中，所有溶質(zhì)均被透過(guò)液傳送到膜表面上，不能完全透過(guò)膜的溶液傳送到膜表面上，不能完全透過(guò)膜的溶質(zhì)受到膜的截留作用，在膜表面附近濃度質(zhì)受到膜的截留作用，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升高。這種在膜表面附

46、近濃度高于主體濃度 的 現(xiàn) 象 稱(chēng) 為度 的 現(xiàn) 象 稱(chēng) 為 濃 度 極 化 或 濃 差 極 化濃 度 極 化 或 濃 差 極 化( (concentration polarization) )。（2 2）濃差極化特性）濃差極化特性u(píng) 它是一個(gè)它是一個(gè)可逆過(guò)程可逆過(guò)程。只有在。只有在膜過(guò)程運(yùn)行膜過(guò)程運(yùn)行中產(chǎn)中產(chǎn) 生存在，停止運(yùn)行，濃差極化逐漸消失。生存在，停止運(yùn)行，濃差極化逐漸消失。u 它與它與操作條件操作條件相關(guān)，可通過(guò)降低膜兩側(cè)壓相關(guān)，可通過(guò)降低膜兩側(cè)壓 差，減小料液中溶質(zhì)濃度，改善膜面流體差，減小料液中溶質(zhì)濃度，改善膜面流體 力學(xué)條件，來(lái)減輕濃差極化程度，提高膜力學(xué)條件，來(lái)減輕濃差極化程

47、度，提高膜 的透過(guò)流量。的透過(guò)流量。4.膜污染膜污染( (membrane fouling) )u 膜污染：膜污染：膜在使用中，盡管操作條件保持不膜在使用中，盡管操作條件保持不變，但通量仍逐漸降低的現(xiàn)象。變，但通量仍逐漸降低的現(xiàn)象。u 膜與料液中某一溶質(zhì)的相互作用，或吸附在膜與料液中某一溶質(zhì)的相互作用，或吸附在膜上的溶質(zhì)和其它溶質(zhì)的相互作用而引起的，膜上的溶質(zhì)和其它溶質(zhì)的相互作用而引起的，即即產(chǎn)生附著層和堵塞。產(chǎn)生附著層和堵塞。u 與濃差極化的區(qū)別與濃差極化的區(qū)別？ 膜分離過(guò)程中遇到的最大問(wèn)題是膜污染，膜分離過(guò)程中遇到的最大問(wèn)題是膜污染，膜污染的主要原因來(lái)自以下幾個(gè)方面：膜污染的主要原因來(lái)自以

48、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. .（1）造成膜污染的原因）造成膜污染的原因通量隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。通量隨時(shí)間變化的趨勢(shì)?？梢詮闹袇^(qū)別濃差極化和污染可以從中區(qū)別濃差極化和污染造成通量持續(xù)下降的原因是膜的污染造成通量持續(xù)下降的原因是膜的污染（2）減輕膜污染的方法）減輕膜污染的方法 料液的有效處理：料液的有效處理：預(yù)過(guò)濾預(yù)過(guò)濾 改善膜的性質(zhì)：改善膜的性質(zhì)：選用高親水性膜或?qū)δみM(jìn)行選用高親水性膜或?qū)δみM(jìn)行 適當(dāng)?shù)念A(yù)處理適當(dāng)?shù)念A(yù)處理 改變操作條件：改變操作條件：調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)pH值

49、值 如何如何防止膜污染防止膜污染以及開(kāi)發(fā)以及開(kāi)發(fā)高效節(jié)能的污染清除技術(shù)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)學(xué)界孜孜是進(jìn)一步普及膜分離技術(shù)的關(guān)鍵之一，也是產(chǎn)學(xué)界孜孜以求的目標(biāo)。研究表明，膜分離過(guò)程存在以求的目標(biāo)。研究表明，膜分離過(guò)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，可長(zhǎng)時(shí)間維持較高的在臨界壓力以下進(jìn)行膜分離操作，可長(zhǎng)時(shí)間維持較高的透過(guò)通量透過(guò)通量, ,降低對(duì)清洗操作的依賴(lài)程度，提高膜分離效率。降低對(duì)清洗操作的依賴(lài)程度，提高膜分離效率。 膜污染不僅造成透過(guò)通量的大幅度下降，而且影響膜污染不僅造成透過(guò)通量的大幅度下降，而且影響目標(biāo)產(chǎn)物的回收率。為保

50、證膜分離操作高效穩(wěn)定地進(jìn)行，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)行必須對(duì)膜進(jìn)行定期清洗定期清洗，除去膜表面及膜孔內(nèi)的污染物，除去膜表面及膜孔內(nèi)的污染物，恢復(fù)膜的透過(guò)性能。恢復(fù)膜的透過(guò)性能。 清洗劑的選擇應(yīng)根據(jù)清洗劑的選擇應(yīng)根據(jù)膜的性質(zhì)和污染物的性質(zhì)膜的性質(zhì)和污染物的性質(zhì)而決而決定，使用的清洗劑要具有良好的去污能力，同時(shí)又不能定，使用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(guò)濾性能。損害膜的過(guò)濾性能。（3）膜污染的處理）膜污染的處理 物理清洗方法：物理清洗方法： 加海綿球，增大流速，逆洗，脈沖流動(dòng)，超聲波加海綿球，增大流速，逆洗，脈沖流動(dòng)，超聲波化學(xué)清洗方法：化學(xué)

51、清洗方法： 起溶解作用的物質(zhì)起溶解作用的物質(zhì)：酸、堿、酶，螯合劑，表面活性劑：酸、堿、酶，螯合劑，表面活性劑 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 起氧化作用的物質(zhì)起氧化作用的物質(zhì)：過(guò)氧化氫、次氯酸鹽：過(guò)氧化氫、次氯酸鹽 起滲透作用的物質(zhì)起滲透作用的物質(zhì)：磷酸鹽、聚磷酸鹽：磷酸鹽、聚磷酸鹽 清洗操作是膜分離過(guò)程不可缺少的步驟，但清洗清洗操作是膜分離過(guò)程不可缺少的步驟，但清洗操作是造成膜分離過(guò)程成本增高的重要原因。操作是造成膜分離過(guò)程成本增高的重要原因。u 膜分離裝置的核心部分是膜組件，即膜的規(guī)則排列膜分離裝置的核心部分是膜組件，即

52、膜的規(guī)則排列u 良好的膜組件具備的條件：良好的膜組件具備的條件：（1）沿膜面的流動(dòng)情況好，以利于減少濃差極化）沿膜面的流動(dòng)情況好，以利于減少濃差極化（2）較大的膜面積與壓力容器體積比）較大的膜面積與壓力容器體積比（3）組件的價(jià)格低）組件的價(jià)格低（4）清洗和膜的更新方便）清洗和膜的更新方便（5）保留體積小，且無(wú)死角）保留體積小，且無(wú)死角（一）（一）膜組件的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)膜組件的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)三、三、膜的應(yīng)用膜的應(yīng)用 將膜、固定膜的支撐材料、間隔物或管式外將膜、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(chēng)為殼等組裝成的一個(gè)單元稱(chēng)為膜組件膜組件。膜組件的結(jié)。膜組件的結(jié)構(gòu)及型式取決于膜的形狀構(gòu)及型式

53、取決于膜的形狀, ,工業(yè)上應(yīng)用的膜組件主工業(yè)上應(yīng)用的膜組件主要有要有: : 中空纖維式中空纖維式 管式管式 螺旋卷式螺旋卷式 板框式板框式膜組件膜組件( (Membrane Module) ) 管式膜組件有管式膜組件有外壓式外壓式和和內(nèi)壓式內(nèi)壓式兩種。兩種。 內(nèi)壓式膜組件內(nèi)壓式膜組件，膜被直接澆鑄在，膜被直接澆鑄在多孔的不銹鋼管內(nèi)多孔的不銹鋼管內(nèi)或用玻璃纖維增強(qiáng)的塑料管內(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)。加壓的料液流從管內(nèi)流過(guò)，透過(guò)膜的滲透溶液在管外側(cè)被收集。流過(guò)，透過(guò)膜的滲透溶液在管外側(cè)被收集。 外壓式膜組件外壓式膜組件，膜則被澆鑄在，膜則被澆鑄在多孔支撐管外側(cè)面多孔支撐管外側(cè)

54、面。加壓的料液流從管外側(cè)流過(guò)，滲透溶液則由管外側(cè)滲加壓的料液流從管外側(cè)流過(guò)，滲透溶液則由管外側(cè)滲透通過(guò)膜進(jìn)入多孔支撐管內(nèi)。透通過(guò)膜進(jìn)入多孔支撐管內(nèi)。 根據(jù)需要設(shè)計(jì)成根據(jù)需要設(shè)計(jì)成串聯(lián)或并聯(lián)裝置串聯(lián)或并聯(lián)裝置。1. 管式管式(Tubular)膜組件膜組件管式膜組件又分為內(nèi)壓式和外壓式內(nèi)壓式管式膜組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖特點(diǎn)特點(diǎn):v 水力條件好，安裝、水力條件好，安裝、清洗、維修比較方便。清洗、維修比較方便。v 能耐高壓，可以處能耐高壓，可以處理高粘度的原水。理高粘度的原水。v 缺點(diǎn)是膜的有效面缺點(diǎn)是膜的有效面積小，裝置體積大，積小，裝置體積大，而且兩端要較多的聯(lián)而且兩端要較多的聯(lián)結(jié)裝置。結(jié)裝置。淡水

55、淡水膜表皮層膜表皮層玻璃纖維管玻璃纖維管進(jìn)進(jìn)水水2.中空纖維式中空纖維式( (Hollow Fiber) )組件組件u 中空纖維膜組件是由中空纖維膜制成的。中空纖維膜組件是由中空纖維膜制成的。u 中空纖維外徑中空纖維外徑50200 m，內(nèi)徑，內(nèi)徑25 42 m。u 將數(shù)萬(wàn)至數(shù)十萬(wàn)根中空纖維制成膜束，膜束外側(cè)覆以保將數(shù)萬(wàn)至數(shù)十萬(wàn)根中空纖維制成膜束，膜束外側(cè)覆以保護(hù)性格網(wǎng)，內(nèi)部中間放置供分配原水用的多孔管，膜束護(hù)性格網(wǎng)，內(nèi)部中間放置供分配原水用的多孔管，膜束兩端用環(huán)氧樹(shù)脂加固。兩端用環(huán)氧樹(shù)脂加固。u 將其一端切斷，使纖維膜呈開(kāi)口狀，并在這一側(cè)放置多將其一端切斷，使纖維膜呈開(kāi)口狀，并在這一側(cè)放置多孔

56、支撐板。將整個(gè)膜束裝在耐壓筒內(nèi)。孔支撐板。將整個(gè)膜束裝在耐壓筒內(nèi)。 中空纖維膜組件的最大特點(diǎn)是單位裝填中空纖維膜組件的最大特點(diǎn)是單位裝填膜面積膜面積比所比所有其他組件有其他組件大大，最高可達(dá)到，最高可達(dá)到30000m2/m3。中空纖維膜。中空纖維膜組件也分為組件也分為外壓式和內(nèi)壓式外壓式和內(nèi)壓式。 將大量的中空纖維安裝在一個(gè)管狀容器內(nèi)，中空纖將大量的中空纖維安裝在一個(gè)管狀容器內(nèi)，中空纖維的一端以環(huán)氧樹(shù)脂與管外殼壁固封制成膜組件。料維的一端以環(huán)氧樹(shù)脂與管外殼壁固封制成膜組件。料液從中空纖維組件的一端流入，液從中空纖維組件的一端流入， 沿纖維外側(cè)平行于纖沿纖維外側(cè)平行于纖維束流動(dòng)，透過(guò)液則滲透通過(guò)

57、中空纖維壁進(jìn)入內(nèi)腔，維束流動(dòng)，透過(guò)液則滲透通過(guò)中空纖維壁進(jìn)入內(nèi)腔，然后從纖維在環(huán)氧樹(shù)脂的固封頭的開(kāi)端引出，原液則然后從纖維在環(huán)氧樹(shù)脂的固封頭的開(kāi)端引出，原液則從膜組件的另一端流出。從膜組件的另一端流出。Mitsubishi Rayon Hydrophilic Hollow Fiber Membrane 進(jìn)水濃水濃水透過(guò)水透過(guò)水多孔進(jìn)水管多孔進(jìn)水管濃水出口濃水出口淡水出口淡水出口密封密封中空纖維膜中空纖維膜外徑外徑50200內(nèi)徑內(nèi)徑2542密封密封耐壓容器耐壓容器中空纖維反滲透組件簡(jiǎn)圖中空纖維反滲透組件簡(jiǎn)圖中空纖維超濾膜設(shè)備中空纖維超濾膜設(shè)備 目前，螺旋卷式膜組件被廣泛地應(yīng)用于多種目前，螺旋卷式

58、膜組件被廣泛地應(yīng)用于多種膜分離過(guò)程。膜分離過(guò)程。 膜、料液通道網(wǎng)、以及多孔的膜支撐體膜、料液通道網(wǎng)、以及多孔的膜支撐體等通等通過(guò)適當(dāng)?shù)姆绞奖唤M合在一起，然后將其裝入能承過(guò)適當(dāng)?shù)姆绞奖唤M合在一起，然后將其裝入能承受壓力的外殼中制成膜組件。通過(guò)改變料液和過(guò)受壓力的外殼中制成膜組件。通過(guò)改變料液和過(guò)濾液流動(dòng)通道的形式，這類(lèi)膜組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也濾液流動(dòng)通道的形式，這類(lèi)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?？杀辉O(shè)計(jì)成多種不同的形式。3.螺旋卷式螺旋卷式(Spiral Wound)膜組件膜組件密封密封密封密封密封密封螺旋卷式膜組件一個(gè)膜葉結(jié)構(gòu)示意圖螺旋卷式膜組件一個(gè)膜葉結(jié)構(gòu)示意圖多孔透水材料多孔透水材

59、料膜，上下兩層膜，上下兩層膜葉膜葉透水網(wǎng)狀材料透過(guò)水透過(guò)水濃濃水水進(jìn)進(jìn)水水螺旋卷式膜組件組合示意圖螺旋卷式膜組件組合示意圖膜組件的組裝示意圖進(jìn)進(jìn)水水口口耐壓耐壓容器容器連連接接器器膜膜組組件件密密封封圈圈端端蓋蓋透透過(guò)過(guò)液液濃濃縮縮液液工業(yè)應(yīng)用的反滲透裝置工業(yè)應(yīng)用的反滲透裝置 板框式是板框式是最早使用的一種膜組件最早使用的一種膜組件。其設(shè)計(jì)類(lèi)似。其設(shè)計(jì)類(lèi)似于常規(guī)的板框過(guò)濾裝置，于常規(guī)的板框過(guò)濾裝置， 膜被放置在墊有濾紙的膜被放置在墊有濾紙的多孔的支撐板上，兩塊多孔的支撐板疊壓在一起多孔的支撐板上，兩塊多孔的支撐板疊壓在一起形成的料液流道空間，組成一個(gè)膜單元，形成的料液流道空間，組成一個(gè)膜單元，

60、單元與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)單元之間可并聯(lián)或串聯(lián)連接。不同的板框式設(shè)計(jì)的主要差別在于的主要差別在于料液流道料液流道的結(jié)構(gòu)上。的結(jié)構(gòu)上。4.板框式板框式(Plate-and-Frame)膜組件膜組件板框式反滲透膜組件板框式反滲透膜組件裝配圖裝配圖進(jìn)水進(jìn)水透過(guò)水透過(guò)水濃縮水濃縮水耐壓容器耐壓容器透水板透水板半透膜半透膜板框式膜組件工板框式膜組件工作過(guò)程示意圖作過(guò)程示意圖特點(diǎn)：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積比管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積比管式的小。式的小。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：裝卸復(fù)裝卸復(fù)雜，單雜，單位體積位體積膜表面膜表面積小。積小。120板式超濾膜裝置板式超濾膜裝置各種膜組件的傳質(zhì)特性和綜合性能的比較