分離膜和膜分離過程

關(guān)于分離膜和膜分離過程第一頁，共五十三頁，2022年，8月28日本章主要內(nèi)容分離膜和膜分離分離膜的種類分離膜的制備膜的分離特性第二頁，共五十三頁，2022年，8月28日第一節(jié)分離膜和膜分離分離膜廣義上指分隔兩相界面，并以特定的形式限制和傳遞各種化學(xué)物質(zhì)，有選擇性的膜。膜分離是指借助膜的選擇滲透作用，對(duì)混合物中的溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行分離、分級(jí)、提純和富集的方法。一、定義第三頁，共五十三頁，2022年，8月28日二、膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)分離技術(shù)區(qū)別機(jī)械分離過程顆粒大小不同，如篩分和過濾；重力和離心分離物體密度不同，如重力沉降、旋風(fēng)分離等；平衡分離過程體系處于平衡狀態(tài)時(shí)不同相態(tài)（氣液、氣固、液固）中濃度不同，如蒸餾、萃取、結(jié)晶、吸附、吸收等速率控制分離過程物質(zhì)分子在外力作用下遷移速率不同，如膜分離和電泳；第四頁，共五十三頁，2022年，8月28日各種分離法及適用范圍第五頁，共五十三頁，2022年，8月28日①膜中分布微細(xì)孔穴，不同孔穴選擇性滲透②膜中存在電荷，吸附、排斥產(chǎn)生選擇性滲透③被分離物在膜中的溶解、擴(kuò)散作用產(chǎn)生選擇滲透性※膜材料能夠選擇滲透的原因第六頁，共五十三頁，2022年，8月28日三、膜分離過程的特點(diǎn)多數(shù)無相變，對(duì)能量要求低；分離條件較溫和，適合于熱敏性物質(zhì)分離；操作方便、結(jié)構(gòu)緊湊、維修費(fèi)用低、易于自動(dòng)化。第七頁，共五十三頁，2022年，8月28日※膜在分離過程中具有如下功能①物質(zhì)的識(shí)別與透過使混合物中各組分之間實(shí)現(xiàn)分離的內(nèi)在因素②界面膜將透過液和保留液(料液)分為互不混合的兩相③反應(yīng)場(chǎng)膜從表面到孔內(nèi)表面含有與特定溶質(zhì)具有相互作用能力的官能團(tuán)，通過物理作用、化學(xué)反應(yīng)或生化反應(yīng)提高膜分離的選擇性和分離速度第八頁，共五十三頁，2022年，8月28日推動(dòng)力膜過程壓力差反滲透、超濾、微濾、納濾、氣體分離電位差電滲析、膜電解濃度差透析、膜傳感器溫度差膜蒸餾化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)膜※四、膜分離過程的分類第九頁，共五十三頁，2022年，8月28日五、膜分離的應(yīng)用領(lǐng)域化學(xué)/染料工業(yè)

活性染料的脫鹽、純化、濃縮與回收食品染料的脫鹽、純化、濃縮與回收催化劑與貴金屬的回收利用脫氧、氧化、酯化、皂化、磺化、硝化、脫氫反應(yīng)中液體的分離、純化甘油/己內(nèi)酰胺/苯/染料活性劑等有機(jī)化工原料的回收汽車/儀表及其它工業(yè)涂漆的濃縮回收第十頁，共五十三頁，2022年，8月28日

食品/飲料工業(yè)

啤酒/果酒/黃酒/葡萄酒的澄清除菌過濾蘋果、梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、檸檬等果汁的澄清除菌過濾蘋果、梨、鳳梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、檸檬等果汁的脫水濃縮葡萄酒/果酒/茶/咖啡芬香氣味的濃縮保留豆蛋白/乳清蛋白/白蛋白/單糖/多糖溶液的澄清與濃縮乳清、奶酶及其他乳品的澄清、脫鹽與濃縮蔬菜抽提汁/西紅柿汁的脫水濃縮

第十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日制藥/生物工程

抗生素、維生素、有機(jī)酸、氨基酸、酶等發(fā)酵液的澄清除菌過濾抗生素、維生素、有機(jī)酸、氨基酸等發(fā)酵液的蛋白剔除酶、蛋白質(zhì)、多糖制備過程中細(xì)胞碎片的剔除抗生素、氨基酸、維生素、有機(jī)酸、酶、多糖、蛋白質(zhì)的純化與濃縮中成藥、保健品口服液的澄清除菌過濾動(dòng)物血漿、血清的濃縮精制其他相關(guān)的脫鹽濃縮、澄清除菌、蛋白剔除、細(xì)胞收集等分離過程第十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日空氣過濾

噴霧干燥過程中染料、抗生素、奶粉等的回收

電池廠金屬鎘、氧化鉛粉塵的收集粉碎過程中磷酸鹽、氧化鎂、二氧化鈦、碳粉、水泥、碳酸鈣的回收包裝過程中砂糖、染料、奶粉、味精等的回收干燥過程中PVC、二氧化硅、活性碳、肥料等的回收合成氨尾氣中氫氣的回收利用

其他一切有關(guān)的粉塵收集及空氣除塵過程第十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日

水處理

飲用純水的制備醫(yī)藥工業(yè)中注射用水/洗瓶水及其他無菌水的制備電子工業(yè)中超純水的制備火力發(fā)電廠鍋爐補(bǔ)給水的制備飲料與化妝品工業(yè)中產(chǎn)品配方用水的制備飲用水純化/苦堿水脫鹽/海水淡化廢水循環(huán)與再生利用（零排放）染料、顏料、油漆、含油廢水的處理紙漿與造紙廢水的處理及木素磺酸鹽的回收金屬、食品、皮革、農(nóng)藥和除草劑廢水的處理紡織印染廢水的處理及絲光廢水的回收利用第十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日六、國內(nèi)膜分離技術(shù)主要應(yīng)用海水淡化污水再生凈化水第十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日第二節(jié)分離膜的種類一、高分子膜高分子膜的性能與高分子材料的特性密切相關(guān)高分子的結(jié)構(gòu)特征由以下因素決定相對(duì)分子量；高分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)與空間排列（構(gòu)造、主側(cè)鏈等）不同的大分子間的相互作用（氫鍵、偶極距等）第十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日親水性好，孔徑范圍較寬，較高通量，成本低，無毒；操作溫度窄（30℃），pH窄（3-6)，壓實(shí)現(xiàn)象，易生物降解包括天然纖維素、醋酸纖維素（二、三CA、CTA）、硝化（CN）、乙基（EC）、混合（CN-CA）1、纖維素類膜第十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日聚砜類樹脂具有良好的化學(xué)、熱學(xué)和水解穩(wěn)定性，強(qiáng)度也很高；pH值適應(yīng)范圍為1～13，最高使用溫度達(dá)120℃；抗氧化性和抗氯性都十分優(yōu)良；孔徑范圍較寬，超濾、微濾；疏水性，易被溶質(zhì)污染2、聚砜類膜第十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日3、聚酰胺類膜反滲透復(fù)合膜，多孔、力學(xué)強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性良好、pH（3-11）；對(duì)氯離子抵抗能力差，易受蛋白質(zhì)污染第十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日4、聚烯烴類膜PE、PP、PVC、PS、PAN、PMMA，國內(nèi)最早開發(fā)的膜材料5、其他類聚合物膜聚偏氟乙烯膜、再生纖維素膜、芳香雜環(huán)類、離子型聚合物、共混和嵌段、接枝共聚物膜第二十頁，共五十三頁，2022年，8月28日二、無機(jī)膜陶瓷膜、玻璃膜、金屬膜（含碳）和沸石膜等。耐溫，化學(xué)穩(wěn)定性好，機(jī)械強(qiáng)度大，抗微生物腐蝕，適用壽命長；無彈性、脆、不適用于熱強(qiáng)堿體系第二十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日第三節(jié)分離膜的制備膜的制備工藝有化學(xué)的和物理的方法或者二者結(jié)合。西村正人從高分子材料的選擇和膜材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)方面，總結(jié)出具有分離孔徑膜的10種化學(xué)方法和9種物理方法。第二十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日10種化學(xué)方法第二十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日9種物理方法第二十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日一、均質(zhì)對(duì)稱膜的制備對(duì)稱膜是指膜主體具有均一的結(jié)構(gòu)。1.致密均質(zhì)膜溶劑澆鑄法適于可溶性聚合物，將聚合物用溶劑溶解，然后用刮刀或壓延輥將聚合物溶液刮在平整的玻璃板或不銹鋼板上，然后讓溶劑揮發(fā)，對(duì)不同的聚合物找到合適的溶劑是關(guān)鍵。擠壓法適于不溶于溶劑的聚合物，將聚合物置于兩加熱板間，加熱溫度在聚合物軟化點(diǎn)以上，在高壓下保持一段時(shí)間，冷卻即可。第二十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日2.微孔均質(zhì)膜

拉伸法在接近聚合物熔點(diǎn)溫度下，擠壓聚合物膜，并配合以很快的拉出速度，在迅速冷卻下制成高度定向的結(jié)晶膜，冷卻后對(duì)膜進(jìn)行第二次拉伸，使膜的結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞，并產(chǎn)生裂縫狀的孔隙。

燒結(jié)法將粉狀的聚合物加熱，控制溫度及壓力，使粉粒間存在一定空隙，只使粉粒的表面熔融但不全熔，相互粘結(jié)形成多孔的薄層或塊狀物，再加工成濾膜。第二十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日溶出法在制膜基材中混入某些可溶出的高分子材料，或其他可溶的溶劑，或與水溶性固體細(xì)粉混煉。成膜后用溶劑將可溶性物質(zhì)溶出，從而形成多孔膜。核刻蝕法將均質(zhì)聚合物膜置于核反應(yīng)器的荷電離子束照射下，荷電粒子通過膜時(shí)，打斷了膜內(nèi)聚合物鏈節(jié)，留下感光徑跡，然后膜通過一刻蝕浴，其內(nèi)溶液優(yōu)先刻蝕掉聚合物中感光的核徑跡，形成孔。第二十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日膜受照射時(shí)間的長短膜孔數(shù)目刻蝕時(shí)間的長短決定膜孔的大小特點(diǎn):孔徑分布均勻，孔為圓柱形或圓錐形毛細(xì)管第二十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日二、非對(duì)稱膜的制備非對(duì)稱膜是指膜主體具有兩種或兩種以上的形貌結(jié)構(gòu)比對(duì)稱膜具有高得多的透過速率，是工業(yè)上用的最多的膜類致密的或具有微小細(xì)孔的選擇性透過薄層支撐在多開放孔的底膜上

第二十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日相轉(zhuǎn)化膜制備過程：相轉(zhuǎn)化是一種以某種控制方式使聚合物從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w的過程，這種過程通常是由一個(gè)均相液態(tài)轉(zhuǎn)變成兩個(gè)液態(tài)而引發(fā)。通過控制相轉(zhuǎn)化的初始階段，可以控制膜的形態(tài)。1）配制具有適當(dāng)?shù)木嗑酆衔锶芤海?）將聚合物溶液流涎成薄膜；3）蒸發(fā)部分溶劑；4）聚合物凝膠（沉淀）；5）熱處理。第三十頁，共五十三頁，2022年，8月28日在沉淀過程中形成液膜的聚合物溶液分為兩相，富聚合物的固相形成膜的皮層，富溶液的液相形成膜孔。第三十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日根據(jù)沉淀方式，又分為熱凝膠法和非溶劑凝膠法。熱凝膠法適合于聚合物在溶液中的溶解度受溫度變化較大的鑄膜液體系。非溶劑凝膠法適用于聚合物的溶解度受溫度影響不大，而且能在室溫或低溫溶解的情況。第三十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.熱凝膠法將加熱配制的均相制膜液流涎成膜后，然后冷卻，液膜發(fā)生沉淀、分相，溫度進(jìn)一步降低，沉淀分相進(jìn)一步進(jìn)行?？椎捏w積主要決定于制膜液的初始組成，孔的大小分布基本取決于冷卻速度，通常快速冷卻得到的較小孔徑的膜。第三十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日聚合物、溶劑與非溶劑的配伍關(guān)系2.非溶劑凝膠法非溶劑又稱凝膠劑，指對(duì)膜材料不溶而對(duì)溶劑能互溶的溶劑。第三十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日非溶劑凝膠法又分為溶劑蒸發(fā)凝膠法、吸入蒸氣凝膠法、控制蒸發(fā)凝膠法、浸漬凝膠法浸漬凝膠法（L-S法）最常用有機(jī)高分子膜制備方法，將聚合物溶液刮涂在適當(dāng)?shù)闹误w上，浸入含非溶劑的凝固浴中，溶劑/非溶劑的交換導(dǎo)致沉淀，得到膜的結(jié)構(gòu)由傳質(zhì)和相分離兩者共同決定。聚合物溶劑鑄膜液壓濾、脫泡非對(duì)稱多孔膜非溶劑凝膠浴中溶劑與非溶劑交換成膜成孔劑第三十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日溶劑蒸發(fā)凝膠法（目前CA膜使用最多）吸入蒸氣凝膠法控制蒸發(fā)凝膠法聚合物溶劑鑄膜液壓濾、脫泡刮涂在支撐體上溶劑在惰性環(huán)境中蒸發(fā)成膜聚合物溶劑鑄膜液壓濾、脫泡多孔膜被溶劑飽和的非溶劑環(huán)境中進(jìn)行非溶劑向膜中擴(kuò)散成膜聚合物混合溶劑鑄膜液壓濾、脫泡多孔膜控制溶劑蒸發(fā)速度成膜第三十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日三、復(fù)合膜制備工藝由同一種材料構(gòu)成皮層和多孔亞層；另一種是由不同的聚合物材料構(gòu)成皮層和亞層。層壓、浸涂、噴涂、旋轉(zhuǎn)涂敷；界面聚合、原位聚合、離子聚合、接枝等。第三十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日界面聚合將支撐體浸入含有活潑單體或預(yù)聚物水溶液中，然后將此膜浸入另一個(gè)含有另一種活潑單體的與水不溶的溶劑中，則兩種單體或預(yù)聚物在兩相界面處發(fā)生反應(yīng)，形成皮層。浸涂法將不對(duì)稱膜浸入含有聚合物、預(yù)聚物或單體的涂膜液中，然后取出支撐體，一薄層溶液附著其上，加熱使溶劑蒸發(fā)并發(fā)生交聯(lián)，從而使皮層固定在亞層上。第三十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日四、無機(jī)膜制備工藝第三十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日第四十頁，共五十三頁，2022年，8月28日第四十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日第四十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日第四十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日第四十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日分離膜的制備均質(zhì)對(duì)稱膜非對(duì)稱膜——相轉(zhuǎn)移法復(fù)合膜無機(jī)膜致密均質(zhì)膜——微孔均質(zhì)膜——拉伸法、燒結(jié)法核刻蝕、溶出法溶液澆鑄法、擠壓法溶劑蒸發(fā)凝膠法、蒸氣相凝膠法、熱凝膠法、控制蒸發(fā)凝膠法、浸漬凝膠法浸涂、噴涂、旋轉(zhuǎn)涂覆、界面聚合、原位聚合、等離子聚合、接枝燒結(jié)法、溶膠-凝膠法、刻蝕法、高溫分解法、沉積法第四十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日液膜的制備面第四十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日（a）油包水型液膜（b）水包油型液膜第四十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日第四節(jié)膜的分離特性1.膜的分離透過性能：分離效率和滲透通量脫除率或截留率Rα=1-cp/cb（cb原液濃度，cp透過液濃度）分離系數(shù)或分離因子（α）滲透通量——單位時(shí)間內(nèi)、單位面積膜上透過的溶液量，JV=V/At※孔徑是決定膜的分離透過性能的主要因素第四十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日孔徑,力學(xué)強(qiáng)度,化學(xué)和熱穩(wěn)定性,厚度、密度

、孔隙率等等膜孔徑測(cè)量方法：直接觀測(cè)法和間接法電子