第九章 膜分離過程

1、第 九 章 膜 分 離 過 程緒 言 工業(yè)應(yīng)用中的膜分離過程用的是人工合成的無生命的 膜，膜是分離過程的核心。膜可定義為兩相之間不連續(xù)的區(qū)間。 膜過濾的機理、操作方式各異，但它們具有相同的優(yōu)點，過程一般較簡單，費用較低，效率較高，往往沒有相變，可在常溫下操作，既節(jié)省能耗，又特別適合用于熱敏物質(zhì)的處理，因此在食品加工、醫(yī)藥、生化技術(shù)領(lǐng)域有其獨特的實用性。第 一 節(jié) 膜和膜分離過程的分類與特性第 一 節(jié) 膜和膜分離過程的分類與特性一 膜的分類 根據(jù)各種物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，可將膜分為下列幾種： 1 對稱膜對稱膜 結(jié)構(gòu)與方向無關(guān)的膜，根據(jù)制造方法不同，這些膜或者具有不規(guī)則的孔結(jié)構(gòu)，或所有的孔具有確定的

2、直徑。2 非對稱膜非對稱膜 非對稱膜有一個很薄的，但比較致密的分離層和多孔支撐層。分離層為活性膜，孔徑的大小和表皮的性質(zhì)決定了分離特性，厚度決定傳遞速度，該層必需朝向待濃縮的原溶液。多孔支持層只起支撐作用。第 一 節(jié) 膜和膜分離過程的分類與特性3 復(fù)合膜復(fù)合膜 選擇性膜層沉積于具有微孔的支撐層上。只是兩層材料不同，而非對稱膜則是同一材料。其性能不僅取決于有選擇性的表面薄層，而且受微孔支撐結(jié)構(gòu)、孔徑、孔分布和多孔率的影響。4 荷電膜荷電膜 即離子交換膜，是一種對稱膜，含有高濃度的溶脹膠載著固定的正電荷或負電荷，帶有正電荷的膜為陰離子交換膜，從周圍流體中吸引陰離子。帶有負電荷的膜稱為陽離子交換膜。

3、5 液膜液膜 將在后面詳細介紹第一節(jié) 膜和膜分離過程的分類與特性6 微孔膜微孔膜 孔徑為0.0520m的膜7 動態(tài)膜動態(tài)膜 在多孔介質(zhì)上沉積一層顆粒物作為有選擇作用的膜。沉積層與溶液處于動態(tài)平衡。第 一 節(jié) 膜和膜分離過程的分類與特性二 膜分離過程的介紹第一節(jié) 膜和膜分離過程的分類與特性1 滲透和透析 滲透是一個擴散過程，在膜的兩側(cè)滲透壓差的作用下，溶劑產(chǎn)生流動，可對溶液進行稀釋。透析是利用膜兩側(cè)的濃度差從溶液中，分離出小分子物質(zhì)的過程。一般的 透析原則上與滲透相重疊。2 反滲透和超濾、微過濾 反滲透：在滲透裝置的膜兩側(cè)造一成一個壓力差，并使其大于滲透壓，使溶劑發(fā)生倒流，進一步濃縮溶液的過程。

4、第一節(jié) 膜和膜分離過程的分類與特性 超濾：按粒徑選擇分離溶液中所含的微粒和大分子的膜分離過程。 微過濾：以多孔微小薄膜為過濾介質(zhì)，使不溶物濃縮的過濾操作。3 電滲透 在電場中交替裝配的陰離子和陽離子交換膜，在電場中形成一個個隔室，使溶液中的離子有選擇性的分離或富集。4 氣體分離 利用微孔膜或無孔膜進行氣體分離。 第一節(jié) 膜和膜分離過程的分類與特性三 膜的制造 膜的要求：較大的透過速度，較高的選擇性，機械強度好，耐熱，耐化學(xué)和細菌侵蝕，耐凈化和殺菌處理，成本低。 常用制膜材料有纖維素和聚砜。醋酸纖維素膜的優(yōu)點：水滲透流率高，截留率好；來源廣，價格便宜；無毒，制作簡單。缺點：熱穩(wěn)定性差；抗氧化能力

5、差；易水解，易壓密。 聚砜膜的優(yōu)點：耐熱、耐酸堿、耐生物腐蝕。第一節(jié) 膜和膜分離過程的分類與特性膜的制作方法有如下幾種：相轉(zhuǎn)變法 是最重要的制膜方法，不僅能制備對稱性反滲透膜和超濾膜，也能制備微孔膜。首先將粘稠的澆鑄液在一適宜的襯墊上展成薄膜，在室溫（醋酸纖維素）或較高溫度的干燥箱中（聚芳香胺膜）蒸發(fā)一部分溶劑，導(dǎo)致表面層聚合物的濃縮和活性層的預(yù)先定向。然后將多層膜片浸泡在沉淀液（冰水）中，由于溶劑和沉淀液發(fā)生交換而形成凝膠。凝膠形成后通常在熱水中退火，從而改善了分離能力，并且提高了機械強度，但滲透能力卻有所下降。 燒結(jié)法 取顆粒大小一定的膜材料細粉置于一定的模具內(nèi)，嚴格控制溫度和壓力，使細粒

6、子的表面由軟變?nèi)?，進而互相粘結(jié)而形成多孔體，最后經(jīng)機械加工即得。常加入另一種不相熔合的添加劑，待燒結(jié)完成后，再從膜內(nèi)萃取出。此法多用于制備硅酸鹽聚乙烯及聚四氟乙烯微孔膜，也可以制備復(fù)合膜的支撐體，由平整不易變型和耐高溫的優(yōu)點。 第一節(jié) 膜和膜分離過程的分類與特性核經(jīng)跡法 第一步將厚度為515m的薄膜于放射性物質(zhì)下接受粒子（如粒子或中子）照射，使高分子主干的化學(xué)鍵斷裂形成徑跡?？椎拿芏扔烧丈鋾r間控制。 第二步將膜用酸堿性液腐蝕，使照射的材料刻蝕形成垂直孔道?？讖接煽涛g的時間和溫度控制。 這種膜的特點是表面光滑，孔道直且大小均勻，適宜聚碳酸酯和聚乙酯作微孔膜。 第一節(jié) 膜和膜分離過程的分類與特性拉

7、伸法 先將晶態(tài)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，再在無張力條件下退火，最后拉伸即得。主要用于以聚烯烴等為基材的膜制備。也適用于作微孔膜。制備復(fù)合膜 在多孔支撐層上制作聚合物膜，一種方法是把稀薄的聚合物溶液浸漬在支撐材料上，另一種方法是在多孔支撐表面上進行相界面聚合作用。第一節(jié) 膜和膜分離過程的分類與特性第 二 節(jié)膜 的 基 本 理 論第二節(jié) 膜的基本理論一 膜分離過程的機理 1 膜分離過程的基本傳質(zhì)形式 被動傳遞：以化學(xué)勢梯度為推動力，如壓力差、濃度差或電勢差；促進傳遞過程，各組分由特定的載體帶入膜，但推動力仍是膜兩側(cè)的化學(xué)勢梯度，具有高選擇性；主動傳遞,推動力由膜內(nèi)化

8、學(xué)反應(yīng)提供，主要存在于生命膜。 2 膜分離過程的機理 不同物理、化學(xué)性質(zhì)和傳遞屬性的分離物質(zhì)，對于不同的膜其滲透情況不同，機理各異，因此物質(zhì)傳遞模型有多種，在應(yīng)用上各有其局限性。第二節(jié) 膜的基本理論（1）孔模型孔模型 用來描繪微孔過濾、超濾等過程所用的高孔率膜。是一種以壓力為推動力的膜分離技術(shù)，按不同膜孔徑來選擇分離溶液中所含的微粒或大分子，比膜孔小的物質(zhì)和溶劑一起透過膜而較大的物質(zhì)則被截留。溶劑的滲透流率取決于孔隙率、孔徑、溶液的粘度、溶劑在膜中的擴散曲折途徑和壓力差。 第二節(jié) 膜的基本理論（2）溶解擴散模型溶解擴散模型 反滲透膜的表皮層在電子顯微鏡下沒有發(fā)現(xiàn)孔道。于是假設(shè)溶質(zhì)和溶劑都能溶解

9、于均質(zhì)的非多孔膜表面，然后在化學(xué)推動下擴散通過膜，在從膜下游解吸。由于膜的選擇性使得混合物得以分離。物質(zhì)的滲透能力不僅取決于擴散系數(shù)，還決定于在膜中的溶解度。適用于均相的，高選擇性的膜。 第二節(jié) 膜的基本理論（3）優(yōu)先吸附毛細管流動模型 膜的表面如對料液中的某一組分的吸附能力較強，則該組分就在膜面上形成一層吸附層。如醋酸纖維膜的親水性較強，因而在膜面上形成一層水層，膜面上的水就在壓力下通過毛細管。能很好的解釋反滲透過程中有機物在透過液中的濃度反而增大。 第二節(jié) 膜的基本理論二 膜的性能和參數(shù) 1 孔道特征孔道特征 包括孔徑、孔徑分布和孔隙度。孔徑有最大孔徑和平均孔徑；孔徑分布是指膜中一定大小的

10、孔的體積占整個孔體積的百分數(shù)，孔徑分布窄的膜要好于寬的；孔隙度是指整個膜中孔所占的體積百分數(shù)。 第二節(jié) 膜的基本理論 2 水通量水通量 即單位時間內(nèi)通過單位面積膜的水體積流量，也叫透水率。水通量取決于膜的物理性質(zhì)（如厚度、化學(xué)成分、孔隙度）和系統(tǒng)條件（如溫度、壓力差、接觸膜的溶液的鹽濃度及料液的通過速度）。 第二節(jié) 膜的基本理論 3 截留率和截斷分子量截留率和截斷分子量 截流率是對一定相對分子量的物質(zhì)，膜能截流的程度。截斷分子量（MWCO）定義為相當于一定截流率的相對分子質(zhì)量。顯然，截流率越高，截斷分子量的范圍越窄的膜越好。截流率不僅于溶質(zhì)的分子的大小有關(guān)，還受如下因素影響:分子的形狀吸附作用

11、其他分子溶質(zhì)的影響其他因素，如溫度、濃度、錯流速度、pH和離子強度。 第二節(jié) 膜的基本理論三 膜的使用壽命 膜的使用壽命受許多因素影響，除了儲存條件外，還受下列因素的影響： 1 膜的壓密作用； 2 膜的水解作用； 3 膜的濃差積化； 4 膜污染。第二節(jié) 膜的基本理論第 三 節(jié) 膜 的 應(yīng) 用第三節(jié) 膜的應(yīng)用一 膜組件的結(jié)構(gòu)和特點 膜組件（膜件），即膜的規(guī)則排列，是膜分離裝置的核心部分。良好的膜組件應(yīng)具備下列條件： 1 沿膜面的流動情況良好，利于減少濃差 積化，如有相當快的流速或較高的剪切率； 2 較大的膜面積與壓力容器體積比； 3 價格低； 4 清洗和膜的更新方便； 5 保留體積小，無死角。第

12、三節(jié) 膜的應(yīng)用 根據(jù)膜的形式或排列方式，膜區(qū)可分為管式、中空纖維式、平板式和螺旋卷繞式四種。 第三節(jié) 膜的應(yīng)用2反滲透 反滲透主要用來截留無機鹽類小分子（小于10倍水相對分子量的分子），所以反滲透需施加較高的壓力。因此反滲透膜的基本性能一般包括透水率、透鹽率和抗壓密性等。 反滲透的顯著優(yōu)點：相態(tài)不變、無需加熱、設(shè)備簡單、效率高、占地小、操作方便和能耗少等。第三節(jié) 膜的應(yīng)用反滲透常見的基本流程有以下四種形式： （1）一級流程 指在有效橫斷面保持不變的情況下，原水一次通過反滲透裝置就能達到要求的流程，其操作最為簡單能耗最少。（2）一級多段流程 當作為濃縮過程時，如果一次濃縮達不到要求，可采用多段濃

13、縮流程方式。它與一級流程不同的是，有效橫斷面逐段遞減。（3）二級流程 如果反滲透濃縮一級流程達不到濃縮和淡化的要求，可采用二級流程方式。其工藝路線是：把由一級流程得到的產(chǎn)品，送入另一個反滲透單元區(qū)，進行再次淡化。（4）多級流程 多級分離可以達到更高的分離程度，對產(chǎn)品的凈化和濃縮程度很高。但由于多次重復(fù)，操作繁瑣，能耗大。第三節(jié) 膜的應(yīng)用3超濾（UF） 超濾是指能截留相對分子量在500以上的高分子的膜分離過程，是從小分子溶劑或溶質(zhì)中將較大的溶質(zhì)分子篩分出來。因此超濾膜的基本性能主要包括：水通量、截流率、合適的孔徑尺寸、孔徑的均一性與孔隙率，以及物理化學(xué)穩(wěn)定性。 其優(yōu)點有：相態(tài)不變、無需加熱、設(shè)備

14、簡單、占地少、能耗低，以及操作壓力低，泵和管對材料的要求不高。第三節(jié) 膜的應(yīng)用超濾系統(tǒng)的分類： 超濾系統(tǒng)可以采用間歇和連續(xù)操作。在間歇操作中又分為濃縮模式和透析過濾模式，在實際應(yīng)用中，常在開始時采用濃縮模式，達到一定濃度后在轉(zhuǎn)變?yōu)橥肝瞿Ｊ?。連續(xù)操作又有單級和多級之分。 連續(xù)操作中產(chǎn)品在系統(tǒng)中的停留時間短，有利于對熱敏感和對剪切力敏感的物質(zhì)，主要用于大規(guī)模生產(chǎn)。間歇操作通量高，所需膜面積小，裝備簡單，成本較低，適用于藥物和生物制品。第三節(jié) 膜的應(yīng)用 在超濾中，引起收率降低的原因主要有：經(jīng)過泵的剪切力使得蛋白失活；膜表面的吸附有些對酶起穩(wěn)定作用的離子被除去。 待超濾的原液最好預(yù)處理，除去高分子及大

15、顆粒物質(zhì)，并在操作中加大原液的流量，甚至采用湍流促進器以減小濃差積化的影響。 超濾與反滲透相比，通水量大，動力費用就大。而且濃縮程度有限，進一步濃縮還需采用其他方法。第三節(jié) 膜的應(yīng)用4微孔過濾（MF） 微孔過濾主要用于分離流體中0.110m的微生物和微粒子。微孔膜厚度薄，孔徑均一，孔隙率高。因此微孔過濾具有率速快，吸附少和無介質(zhì)脫落等優(yōu)點。 但微孔膜由于本身性脆易碎，機械強度差，因而在實際使用時，必須把它襯貼在平滑的多孔支撐體上。第三節(jié) 膜的應(yīng)用微孔過濾的應(yīng)用 在實驗室中，微孔濾膜是檢驗有形微細雜質(zhì)的重要工具，主要用于微生物檢測、微粒子檢測。在工業(yè)上主要用于滅菌液體的生產(chǎn)，反滲透和超濾的我前處理，電子工業(yè)中超純水制造和空氣過濾