膜技術(shù)五種經(jīng)典的膜分離過(guò)程

關(guān)于膜技術(shù)五種經(jīng)典的膜分離過(guò)程第1頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六微濾是指大于0.1um的顆?；蚩扇芪锉唤亓舻膲毫︱?qū)動(dòng)型膜過(guò)程；超濾是指小于0.1um大于2nm的顆粒或可溶物被截留的壓力驅(qū)動(dòng)型膜過(guò)程；反滲透是指高壓下溶劑逆著其滲透壓而選擇性透過(guò)的膜過(guò)程；納濾是指小于2nm的顆?；蚩扇芪锉唤亓舻膲毫︱?qū)動(dòng)型膜過(guò)程。壓力驅(qū)動(dòng)膜過(guò)程回顧第2頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六2第3頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六3第4頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六4?

微濾又稱(chēng)微孔過(guò)濾，利用膜的"篩分"作用進(jìn)行分離的膜過(guò)程。在靜壓差的作用下，小于膜孔的粒子通過(guò)膜，大于膜孔的粒子則被阻攔在膜的表面上，使大小不同的粒子得以分離，其作用相當(dāng)于過(guò)濾，由于微孔濾膜孔徑相對(duì)較大，空隙率高，因而阻力小、過(guò)濾速度快，實(shí)際操作壓力也較低（1-2atm）。?

微濾主要從氣相和液相物質(zhì)中截留微米及亞微米的細(xì)小懸浮物、微生物、微粒、細(xì)菌、酵母、紅血球、污染物等以達(dá)到凈化、分離和濃縮的目的。?

盡管普遍認(rèn)為微濾的分離機(jī)理是類(lèi)似于"篩分"，但這種"篩分"過(guò)程中，微濾膜的結(jié)構(gòu)起著決定性的作用，膜的結(jié)構(gòu)不同，截留機(jī)理也有較大差異。1基本原理及操作模式-微濾第5頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六5第6頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六6第7頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六7第8頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六8第9頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六9第10頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六10第11頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六112.基本原理及操作模式-超濾原理：超濾同微濾類(lèi)似，也是利用膜的“篩分”作用進(jìn)行分離的膜過(guò)程。在靜壓差的作用下，小于膜孔的粒子通過(guò)膜，大于膜孔的粒子則被阻攔在膜的表面上，使大小不同的粒子得以分離，不過(guò)其過(guò)濾精度更高，因而膜孔更小，實(shí)際的操作壓力也比微濾略高，一般為0.1－0.5Mpa。對(duì)象：超濾主要用于從液相物質(zhì)中分離大分子化合物（蛋白質(zhì)，核酸聚合物，淀粉，天然膠，酶等）、膠體分散液（黏土，顏料，礦物料，乳液粒子，微生物）以及乳液（潤(rùn)滑脂，洗滌劑，油水乳液）。采用先與適合的大分子結(jié)合的方法也可以從水溶液中分離金屬離子、可溶型溶質(zhì)和高分子物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、酶、病毒），以達(dá)到凈化、濃縮的目的。超濾膜一般為非對(duì)稱(chēng)膜，由一層極薄（通常為0.1－1um）具有一定孔徑的表皮層和一層較厚（通常為125um）具有海綿狀或指狀結(jié)構(gòu)的多孔層組成，前者起篩分作用，后者其支撐作用。第12頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六12分離機(jī)理?一般認(rèn)為超濾過(guò)程的分離機(jī)理為篩孔分離過(guò)程，但膜表面的化學(xué)性質(zhì)也是影響超濾分離的重要因素，即超濾過(guò)程中溶質(zhì)的截留包括在膜表面上的機(jī)械截留（篩分）、在膜孔中的停留（阻塞）、在膜表面及膜孔內(nèi)的吸附三種方式。

?超濾的操作模式和微濾類(lèi)似，基本上是死端過(guò)濾和錯(cuò)流過(guò)濾兩種，但由于超濾的功能與微濾有所不同，微濾多數(shù)是除雜，產(chǎn)物是過(guò)濾液；而超濾著重是分離，產(chǎn)物既可是滲透液，也可是截留液或者二者兼而有之，因此在這兩種基本模式的基礎(chǔ)上又發(fā)展了多種模式。第13頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六133.基本原理及操作模式-納濾?

納濾(Nanofiltration)是一種介于反滲透和超濾之間的壓力驅(qū)動(dòng)膜分離過(guò)程，納濾膜的孔徑范圍在幾個(gè)納米左右。與其他壓力驅(qū)動(dòng)型膜分離過(guò)程相比，出現(xiàn)較晚。它的出現(xiàn)可追溯到70年代J.E.Cadotte的ＮＳ-300膜的研究，之后，納濾膜大多從反滲透膜衍化而來(lái)，但與反滲透相比，其操作壓力更低，因此納濾又被稱(chēng)作“低壓反滲透”或“疏松反滲透”。?

與超濾或反滲透相比，納濾過(guò)程對(duì)單價(jià)離子和分子量低于200的有機(jī)物截留較差，而對(duì)二價(jià)或多價(jià)離子及分子量介于200～500之間的有機(jī)物有較高脫除率，基于這一特性，納濾過(guò)程主要應(yīng)用于水的軟化、凈化以及相對(duì)分子質(zhì)量在百級(jí)的物質(zhì)的分離、分級(jí)和濃縮（如染料、抗生素、多肽、多醣等化工和生物工程產(chǎn)物的分級(jí)和濃縮）、脫色和去異味等。第14頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六14分離原理?

與超濾膜相比，納濾膜有一定的荷電容量，對(duì)不同價(jià)態(tài)的離子存在Donnan效應(yīng)；與反滲透膜相比，納濾膜又不是完全無(wú)孔的，因此其分離機(jī)理在存在共性的同時(shí)，也存在差別。其對(duì)大分子的分離機(jī)理與超濾相似，但對(duì)無(wú)機(jī)鹽的分離行為不僅由化學(xué)勢(shì)梯度控制（溶解擴(kuò)散原理），也受電勢(shì)梯度的影響，即納濾膜的分離行為與其荷電特性、溶質(zhì)荷電狀態(tài)以及二者的相互作用均有關(guān)系，在現(xiàn)存的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)中，關(guān)于納濾膜的分離機(jī)理模型有空間位阻－孔道模型、溶解擴(kuò)散模型、空間電荷模型、固定電荷模型、靜電排斥和立體位阻模型、Donnan平衡模型等等。第15頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六154.基本原理及操作模式-反滲透?

反滲透是最精細(xì)的過(guò)程，因此又稱(chēng)“高濾”（hyperfiltration），它是利用反滲透膜選擇性地只能透過(guò)溶劑而截留離子物質(zhì)的性質(zhì)，以膜兩側(cè)靜壓差為推動(dòng)力，克服溶劑的滲透壓，使溶劑通過(guò)反滲透膜而實(shí)現(xiàn)對(duì)液體混合物進(jìn)行分離的膜過(guò)程,反滲透過(guò)程的操作壓差一般為，截留組分為（1-10）*10-10m小分子溶質(zhì)；

?

水處理是反滲透用的最多的場(chǎng)合，包括水的脫鹽、軟化、除菌除雜等，此外其應(yīng)用也擴(kuò)展到化工、食品、制藥、造紙工業(yè)中某些有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的分離等。第16頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六16滲透過(guò)程:稀溶液rh

滲透膜濃溶液溶液會(huì)升高至此點(diǎn),以達(dá)到壓力平衡正常的滲透的過(guò)程是水由較稀溶液通過(guò)滲透膜流向較濃溶液滲透第17頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六17稀溶液反滲透膜濃溶液外來(lái)壓力-反滲透過(guò)程是利用外來(lái)壓力將水分子從較濃溶液經(jīng)過(guò)反滲透膜壓迫流向較稀溶液.-由此可利用反滲透原理,達(dá)到分離溶液內(nèi)成分的目的.例如:將水和溶解物質(zhì)的分離.反滲透第18頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六18分離機(jī)理?

反滲透的分離機(jī)理與其他壓力驅(qū)動(dòng)膜過(guò)程有所不同，分離行為除與孔的大小有關(guān)外，極大程度地取決于透過(guò)組分在膜中的溶解、吸附和擴(kuò)散，因此與膜的化學(xué)、物理性質(zhì)以及透過(guò)組分與膜之間的相互作用有密切關(guān)系，因此該過(guò)程的理論模型研究較多，至少可以歸納以下幾個(gè)方面：?

現(xiàn)象學(xué)（非可逆熱力學(xué)）模型：如Kedem-Katchasky模型、Spiegler-Kedem模型和帶電離子遷移模型等；?

溶解－擴(kuò)散模型和不完全溶解－擴(kuò)散模型；?

優(yōu)先吸附－毛細(xì)孔流動(dòng)模型；?

摩擦模型；?

孔道擴(kuò)散模型等。第19頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六19反滲透示意圖

濃水給水H2OH2OH2OH2OMgClFe++HCO3CaSO4Na+++++

膜H2OH2OH2OH2OH2OH2O

產(chǎn)水第20頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六20操作模式：反滲透的操作模式與上述其他膜分離過(guò)程類(lèi)似，但由于反滲透膜多為卷式或中空行為結(jié)構(gòu)，通常以單元組件（膜胞）形式，因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)為了達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的處理能力和分離效果，需進(jìn)行多個(gè)膜胞的串聯(lián)或并聯(lián)，為此引出了“段”和“級(jí)”的概念。所謂“段”，指膜組件的濃縮液不經(jīng)過(guò)泵而流到下一組件進(jìn)行處理，流經(jīng)n組膜組件稱(chēng)為n段；所謂“級(jí)”，指膜組件的透過(guò)液（產(chǎn)品水）再經(jīng)過(guò)泵到下一組件進(jìn)行處理，透過(guò)液經(jīng)n次膜組件處理稱(chēng)為n級(jí)。按照"級(jí)"和"段"的概念，反滲透的操作模式有多種。第21頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六21一級(jí)一段連續(xù)式一級(jí)一段連續(xù)式：經(jīng)過(guò)膜組件的透過(guò)水和濃縮液被連續(xù)引出系統(tǒng)，該方式水的回收率不高，實(shí)際工業(yè)中較少采用。

第22頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六22一級(jí)一段循環(huán)式

一級(jí)一段循環(huán)式：經(jīng)過(guò)膜組件的濃縮液部分返回進(jìn)料槽與原有的料液混合再通過(guò)組件進(jìn)行分離，由于濃縮液中溶質(zhì)濃度比進(jìn)料液高，透過(guò)水的水質(zhì)有所下降第23頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六23一級(jí)多段連續(xù)式一級(jí)多段連續(xù)式:適合大處理量的場(chǎng)合，能得到高的水回收率。圖中是最簡(jiǎn)單的一級(jí)多段連續(xù)式，它把第一段的濃縮液作為第二段的進(jìn)料液，再把第二段的濃縮液作為下一段的進(jìn)料液，而各段的透過(guò)水連續(xù)排出，這種方式濃縮液的量少，濃縮液中溶質(zhì)濃度較高。第24頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六24一級(jí)多段循環(huán)式?

一級(jí)多段循環(huán)式:這種方式能獲得高濃度的濃縮液。它把第二段的透過(guò)液重新返回第一段作進(jìn)料液，再進(jìn)行分離。這是因?yàn)榈诙蔚倪M(jìn)料液濃度較第一段高，因而第二段的透過(guò)水質(zhì)較第一段差，濃縮液經(jīng)多段分離后，濃度得到很大提高，因此該模式適用于以濃縮為重要目的的分離。

第25頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六25并聯(lián)、串聯(lián)方式連接為了達(dá)到給定的回收率，同時(shí)保證水在系統(tǒng)內(nèi)的每個(gè)組件處于相同的流動(dòng)狀態(tài)以減少濃差極化而把膜組件排列成錐形的多段結(jié)構(gòu)，其中斷內(nèi)組件以并聯(lián)方式連接，段間組件以串聯(lián)方式連接。第26頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六26多級(jí)多段循環(huán)式多級(jí)多段循環(huán)式流程如圖所示，它是將第一級(jí)的透過(guò)水作為下一級(jí)的進(jìn)料液再次進(jìn)行反滲透分離，如此延續(xù)，將最后一級(jí)的透過(guò)水引出系統(tǒng)；而濃縮液后一級(jí)向前一級(jí)返回與前一級(jí)的進(jìn)料液進(jìn)行混合后再進(jìn)行分離，這種方式即提高了水的回收率，又提高了透過(guò)水的水質(zhì)，但泵的能耗加大，對(duì)某些過(guò)程如海水淡化由于前一級(jí)操作壓力很高，因此在技術(shù)上有很高的要求。不過(guò)如果采用多級(jí)循環(huán)式操作，可以降低操作壓力，同時(shí)對(duì)膜的脫鹽性能要求也較低，有較高的實(shí)用價(jià)值。第27頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六27重點(diǎn)微濾、超濾、納濾、反滲透定義微濾、超濾、納濾、反滲透原理微濾、超濾的主要操作方式（錯(cuò)流和死端操作）四種膜的應(yīng)用范疇（截留分子量）能舉出應(yīng)用示例第28頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六28思考題：試比較四種壓力驅(qū)動(dòng)型膜過(guò)程的特點(diǎn)及應(yīng)用范疇。某廠家排出的工業(yè)廢水，其主要成分為：雜質(zhì)、懸浮物、顆粒、大分子物質(zhì)（分子量大于一萬(wàn)）、一定量的電解質(zhì)。要使該廢水達(dá)標(biāo)排放，至少需使用那些膜過(guò)程？乳清是奶酪生產(chǎn)中的副產(chǎn)品，其中含有6%的固態(tài)溶解物，其中主要組分為乳糖、蛋白和鹽，試設(shè)計(jì)一套組合流程，以便回收不同的組分。在膜分離過(guò)程的工藝設(shè)計(jì)中，有“級(jí)”、“段”的概念，請(qǐng)解釋并繪制出一級(jí)四段連續(xù)式工藝設(shè)計(jì)圖。第29頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六29電位差——離子交換膜與電滲析第30頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六30第31頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六31電滲析的基本過(guò)程第32頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六32電滲析器的級(jí)與段一級(jí)一段一級(jí)兩段兩級(jí)一段兩級(jí)兩段一對(duì)正、負(fù)電極之間的膜堆稱(chēng)為一級(jí)具有同一水流方向的并聯(lián)膜堆稱(chēng)為一段第33頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六33第34頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六34第35頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六35第36頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)52分，星期六36第37頁(yè)，共43頁(yè)，2022年