化工分離過(guò)程膜分離概要

化工分離過(guò)程膜分離概要第1頁(yè)/共89頁(yè)膜與膜工程技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用膜制備技術(shù)膜分離過(guò)程膜與膜分離技術(shù)的分類

前言

與傳統(tǒng)反應(yīng)和分離技術(shù)的結(jié)合目錄

展望第2頁(yè)/共89頁(yè)如精餾、吸收、萃取等，借助于熱能、溶劑和吸附劑等媒介，使均相混合物變成兩相，原料中各組分在兩相間選擇性分配；對(duì)分離過(guò)程進(jìn)行工藝計(jì)算時(shí)，可以簡(jiǎn)化為一個(gè)個(gè)的平衡理論級(jí)來(lái)考慮，分離效果由相平衡關(guān)系決定。常規(guī)分離過(guò)程——平衡分離過(guò)程膜分離過(guò)程——速率分離過(guò)程而膜分離過(guò)程（主要是固膜分離）是以選擇性透過(guò)膜為分離介質(zhì)，在兩側(cè)加以某種推動(dòng)力，利用原料側(cè)各組分透過(guò)膜的擴(kuò)散速率的差異，從而達(dá)到混合物分離的過(guò)程；分離效果的好壞，由各組分通過(guò)膜的速率快慢來(lái)決定。所有分離過(guò)程都是利用在某種環(huán)境中混合物中各組分性質(zhì)的差異進(jìn)行分離。5.1前言第3頁(yè)/共89頁(yè)推動(dòng)力：

P,C或

膜分離過(guò)程第4頁(yè)/共89頁(yè)被動(dòng)傳遞

通過(guò)膜相際的組分均以化學(xué)勢(shì)梯度為推動(dòng)力，可以是膜兩側(cè)的壓力差、濃度差、溫度差或電勢(shì)差。促進(jìn)傳遞通過(guò)膜的組分仍以化學(xué)勢(shì)梯度為推動(dòng)力，各組分由特定的載體帶入膜中。促進(jìn)傳遞是一種高選擇性的被動(dòng)傳遞主動(dòng)傳遞與前二者不同，各組分可以逆化學(xué)勢(shì)梯度而傳遞，其推動(dòng)力由膜內(nèi)某種化學(xué)反應(yīng)提供，這類現(xiàn)象主要存在于生命膜通過(guò)膜相際有3種基本的傳質(zhì)形式：第5頁(yè)/共89頁(yè)

不同的膜分離過(guò)程中所用的膜具有一定結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和選擇特性；被膜隔開(kāi)的兩相可以是液態(tài)，也可以是氣態(tài)；推動(dòng)力可以是壓力梯度、濃度梯度、電位梯度或溫度梯度，所以不同的膜分離過(guò)程的分離體系和適用范圍也不同。

本章主要簡(jiǎn)述反滲透、納濾、超濾、微濾、透析、電滲析、載體促進(jìn)傳遞、滲透汽化、膜精餾、膜萃取和氣體分離等膜分離過(guò)程。第6頁(yè)/共89頁(yè)膜分離技術(shù)的發(fā)展歷史膜分離過(guò)程國(guó)家年份應(yīng)用微濾德國(guó)1920實(shí)驗(yàn)室規(guī)模超濾德國(guó)1930實(shí)驗(yàn)室規(guī)模血液滲析荷蘭1950人工腎(實(shí)驗(yàn)室規(guī)模)電滲析美國(guó)1955脫鹽(工業(yè)規(guī)模)反滲透美國(guó)1960海水淡化(工業(yè)規(guī)模)超濾美國(guó)1960大分子濃縮(工業(yè)規(guī)模)氣體分離美國(guó)1979氫氣回收(工業(yè)規(guī)模)膜蒸餾德國(guó)1981水溶液濃縮(工業(yè)規(guī)模)滲透汽化德國(guó)/荷蘭1982有機(jī)溶劑脫水(工業(yè)規(guī)模)第7頁(yè)/共89頁(yè)美國(guó)膜與膜組件的實(shí)際銷售額與預(yù)測(cè)額單位:百萬(wàn)美元2000年，美國(guó)膜產(chǎn)品的銷售額總計(jì)14.62億US$；世界范圍內(nèi)100億US$，而國(guó)內(nèi)銷售額僅占0.5%左右。第8頁(yè)/共89頁(yè)膜分離過(guò)程及其應(yīng)用領(lǐng)域第9頁(yè)/共89頁(yè)幾種典型溶質(zhì)分子大小和對(duì)應(yīng)的膜第10頁(yè)/共89頁(yè)各種膜分離過(guò)程的分離機(jī)理膜過(guò)程相1*2推動(dòng)力分離機(jī)理滲透物截留物膜結(jié)構(gòu)微濾LL壓力差(0.01-0.2MPa)篩分水、溶劑溶解物懸浮物、顆粒、纖維和細(xì)菌(0.01-10m)對(duì)稱和不對(duì)稱多孔膜超濾LL壓力差(0.1-0.5MPa)篩分水、溶劑、離子和小分子(分子量1000)生化制品、膠體和大分子(分子量1000-300000)具有皮層的多孔膜納濾LL壓力差(0.5-2.0MPa)篩分+溶解/擴(kuò)散水和溶劑(分子量200)溶質(zhì)、二價(jià)鹽、糖和染料(分子量200-1000)致密不對(duì)稱膜和復(fù)合膜反滲透

LL壓力差(1.0-10.0MPa)溶解/擴(kuò)散水和溶劑全部懸浮物、溶質(zhì)和鹽致密不對(duì)稱膜和復(fù)合膜電滲析LL電位差離子交換電解離子非解離和大分子物質(zhì)離子交換膜滲析LL濃度差擴(kuò)散離子、低分子量有機(jī)質(zhì)、酸和堿分子量大于1000的溶解物和懸浮物不對(duì)稱膜和離子交換膜滲透蒸發(fā)LG分壓差溶解/擴(kuò)散溶質(zhì)或溶劑(易滲透組份的蒸汽)溶質(zhì)或溶劑(難滲透組份的液體)復(fù)合膜和均質(zhì)膜膜蒸餾LL溫度差氣-液平衡溶質(zhì)或溶劑(易汽化與滲透的組份)溶質(zhì)或溶劑(難汽化與滲透的組份)多孔膜氣體分離GG

壓力差(1.0-10.0MPa)(分壓差)溶解/擴(kuò)散易滲透的氣體和蒸汽難滲透的氣體和蒸汽復(fù)合膜和均質(zhì)膜液膜LL化學(xué)反應(yīng)與濃度差反應(yīng)促進(jìn)和擴(kuò)散傳遞電解質(zhì)離子非電解質(zhì)離子載體膜膜接觸器LLGLLG濃度差濃度差(分壓差)濃度差(分壓差)

分配系數(shù)

易擴(kuò)散與滲透的物質(zhì)

難擴(kuò)散與滲透的物質(zhì)

多孔膜和無(wú)孔膜第11頁(yè)/共89頁(yè)<CompanyName>按膜凝聚態(tài)分類復(fù)合膜存在于固體多孔支撐層中以乳液形式存在的固膜液膜對(duì)稱膜不對(duì)稱膜柱狀孔膜多孔膜均質(zhì)膜多孔膜具有皮層的多孔膜5.2膜與膜分離技術(shù)的分類第12頁(yè)/共89頁(yè)1.天然高分子材料主要是纖維素的衍生物，有醋酸纖維、硝酸纖維和再生纖維等。醋酸纖維：截留能力強(qiáng)，反滲透膜，也可作微濾膜和超濾膜，使用時(shí)的溫度和pH值受到限制，溫度低于45～50℃，pH3～8。2.合成高分子材料市場(chǎng)上大部分膜為合成高分子膜，種類很多，如聚砜、聚丙烯腈、聚酰亞胺、聚酰胺、聚烯類和含氟聚合物等。聚砜是最常用的材料之一，主要用于超濾膜，耐溫(70～80℃)、耐pH(pH1～13)，但耐壓較差。聚酰胺膜的耐壓能力較高，使用壽命長(zhǎng)，常用于反滲透。主要有陶瓷、微孔玻璃、不銹鋼和碳素等。機(jī)械強(qiáng)度高，耐高溫和腐蝕；加工不易，成本比有機(jī)膜高十倍以上。3.無(wú)機(jī)材料膜材料的分類

第13頁(yè)/共89頁(yè)有機(jī)材料纖維素類二醋酸纖維素、醋酸丙酸纖維素、硝酸纖維素等聚酰胺類尼龍－66、芳香聚酰胺、芳香聚酰胺酰肼等芳香雜環(huán)類聚哌嗪酰胺、聚酰亞胺、聚苯并咪唑、聚苯并咪唑酮等聚砜類聚砜、聚醚砜、磺化聚砜、磺化聚醚砜等。聚烯烴類聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯晴、聚乙烯醇、聚丙烯酸等硅橡膠類聚三甲基硅烷丙炔、聚乙烯基三甲基硅烷含氟聚合物聚全氟磺酸、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯等其它聚碳酸酯、聚電解質(zhì)無(wú)機(jī)材料陶瓷氧化鋁、氧化硅、氧化鋯等玻璃硼酸鹽玻璃金屬鋁、鈀、銀等第14頁(yè)/共89頁(yè)1.液體分離膜2.氣體分離膜分類1:按被分離物質(zhì)的狀態(tài)分類膜分離技術(shù)微濾、超濾、滲析、電滲析、納濾、反滲透、滲透汽化、膜蒸餾、膜萃取等氣體分離、蒸汽滲透、膜吸收等第15頁(yè)/共89頁(yè)1.固膜分離2.液膜分離分類2:按膜的狀態(tài)分類

過(guò)濾式膜分離：溶液或混合氣體置于固體膜的一側(cè)，在壓力的作用下，部分物質(zhì)透過(guò)膜而成為濾液或滲透氣，留下部分則成為濾余液或滲余氣。例如，超過(guò)濾、反滲透、氣體滲透。

滲析式膜分離：被處理溶液置于固體膜的一側(cè)，接受液是接納滲析組分的溶劑或溶液，置于膜另一側(cè)。液膜處于料液和接受液兩液相之間，由于選擇透過(guò)性，料液中某些組分透過(guò)液膜進(jìn)入接受液，實(shí)現(xiàn)組分的分離。液膜分離又稱液膜萃取。3.氣態(tài)膜分離第16頁(yè)/共89頁(yè)板式膜組件常用的膜組件(module)管式膜組件卷式膜組件毛細(xì)管膜組件中空纖維膜組件與平板式壓濾機(jī)相近。結(jié)構(gòu)和操作方式不同；在膜組件中，液體處于高速流動(dòng)的以減輕濃差極化。由支撐物與過(guò)濾膜組成。有內(nèi)壓式和外壓式之分。直徑10mm用平面膜卷制而成。類似于單管程管殼式熱交換器。直徑在0.5～10mm之間類似于單管程管殼式熱交換器。通常管間流物料，管內(nèi)匯集滲濾液。直徑0.5mm管式、毛細(xì)管式和中空纖維式皆為管狀膜，主要差別是直徑不同：管式膜直徑10mm；毛細(xì)管式膜直徑0.5～10mm；中空纖維膜直徑0.5mm。管狀膜直徑越小，則單位體積里的膜面積越大。第17頁(yè)/共89頁(yè)卷式組件第18頁(yè)/共89頁(yè)中空纖維膜組件第19頁(yè)/共89頁(yè)平板膜組件管式膜組件第20頁(yè)/共89頁(yè)反滲透（ReverseOsmosis)和納濾(Nanofiltration)滲透過(guò)程示意圖

反滲透原理：當(dāng)用一個(gè)半透性膜分離兩種不同濃度的溶液時(shí)，膜僅允許溶劑分子通過(guò)。由于濃溶液中溶劑的化學(xué)位低于它在稀溶液中的化學(xué)位，稀溶液中的溶劑分子會(huì)自發(fā)地透過(guò)半透膜向濃溶液中遷移。

5.3膜分離過(guò)程第21頁(yè)/共89頁(yè)反滲透過(guò)程的實(shí)現(xiàn)必須滿足兩個(gè)條件：1.高選擇性(對(duì)溶劑和溶質(zhì)的選擇透過(guò)性)和高透過(guò)通量（一般是透水）；2.操作壓力必須高于溶液的滲透壓。第22頁(yè)/共89頁(yè)比較項(xiàng)目管式板框式卷式中空纖維式填充密度(m2/m3)201502501800膜清洗內(nèi)壓式易外壓式難易難難（內(nèi)壓中空纖維超濾易）膜更換難易內(nèi)壓式難外壓式易一般易易原水預(yù)處理成本低中等高高相對(duì)價(jià)格高高低低四種膜組件用于反滲透和納濾時(shí)的性能及操作條件

第23頁(yè)/共89頁(yè)反滲透時(shí)溶劑通量JW=（ΔP-Δπ）/Rm

考慮濃差極化，反滲透過(guò)程的通量：反滲透膜對(duì)無(wú)機(jī)鹽的截留率較高，所以，CF＜＜CB，則此關(guān)系式可簡(jiǎn)化為：

上式變形后為溶質(zhì)通量為

JS=JWCF=JW(1—σ)CW

第24頁(yè)/共89頁(yè)

CW/CB稱為濃差極化比，其值越大，濃差極化現(xiàn)象越嚴(yán)重。

濃差極化對(duì)反滲透過(guò)程有嚴(yán)重影響：提高了滲透壓差，溶劑通量JW下降；產(chǎn)品產(chǎn)量下降提高了膜面溶質(zhì)濃度，使透過(guò)液中溶質(zhì)濃度CF上升；產(chǎn)品質(zhì)量下降膜面處溶質(zhì)濃度高于溶解度時(shí)，將析出沉淀增加膜阻力；因此水的濃縮比率受到限制為減輕濃度極化的影響，可采取以下措施：提高料液流速、增強(qiáng)料液的湍流強(qiáng)度，提高操作溫度，對(duì)膜面定期清洗第25頁(yè)/共89頁(yè)在海水和苦咸水淡化方面，反滲透技術(shù)的應(yīng)用到1980年代即已占到20%，可使海水一次脫鹽達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。海水、苦咸水淡化反滲透、超濾等膜技術(shù)和離子交換組合過(guò)程進(jìn)行純水生產(chǎn)，可使純水中的雜質(zhì)含量接近理論純水值，廣泛用于醫(yī)藥工業(yè)無(wú)菌純水和電子工業(yè)超純水的制造。純水制備反滲透也用于低分子量水溶性組分的濃縮過(guò)程，包括：食品工業(yè)中牛奶、果汁、糖、咖啡的濃縮；電鍍和印染工業(yè)中廢水的濃縮。濃縮過(guò)程反滲透的應(yīng)用第26頁(yè)/共89頁(yè)

對(duì)Na+和Cl-等一價(jià)離子的截留率較低，但對(duì)Ca2+、Mg2+、SO42-等二價(jià)離子及除草劑、農(nóng)藥、色素、染料、抗生素、多肽和氨基酸等小分子量（200-1000）物質(zhì)的截留率很高，而且水在納濾膜中的滲透速率遠(yuǎn)大于反滲透膜，所以當(dāng)需要對(duì)低濃度的二價(jià)離子和分子量在500到數(shù)千的溶質(zhì)進(jìn)行截留時(shí)，選擇納濾比使用反滲透經(jīng)濟(jì)。

納濾的應(yīng)用

第27頁(yè)/共89頁(yè)超濾(Ultrafiltration)

超濾是一種根據(jù)分子或離子的大小來(lái)進(jìn)行分離的膜過(guò)程。以壓力差為推動(dòng)力，通過(guò)膜孔的篩分機(jī)理來(lái)截留溶液中的大分子溶質(zhì)，實(shí)現(xiàn)大分子溶質(zhì)與溶劑和小分子溶質(zhì)分離。

超濾膜截留的大分子溶質(zhì)粒徑范圍在1-20nm，分子量300-300000。超濾膜的孔徑常用被截留分子的分子量大小來(lái)表征；膜的截留率與截留分子量有關(guān)。第28頁(yè)/共89頁(yè)

對(duì)于超濾過(guò)程：

CF—ConcentrationofsoluteintheFiltrateCB—ConcentrationofsoluteintheBulkofthefeed截留率σ(Retentivity)第29頁(yè)/共89頁(yè)

一般地，將截留曲線上截留率為90%的溶質(zhì)相對(duì)分子量定義為膜的截留相對(duì)分子質(zhì)量（relativemolecularweightcut-off,MWCO）第30頁(yè)/共89頁(yè)

膜孔徑分布的微小變化，就能造成截留能力的顯著變化，由于目前制膜工藝水平限制，還很難得到截留分布很窄的膜。超濾膜的截留分子量（=90%）和對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)平均孔徑第31頁(yè)/共89頁(yè)多級(jí)連續(xù)錯(cuò)流操作配置示意圖

第32頁(yè)/共89頁(yè)超濾裝置

第33頁(yè)/共89頁(yè)

超濾在需將尺寸較大的分子和微粒與低分子物質(zhì)或溶劑分離的領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用，超濾裝置可單獨(dú)運(yùn)行，也可與其它處理設(shè)備結(jié)合用于各種分離過(guò)程中。目前超濾膜除了用于水處理、生物制劑的提純以及在食品和醫(yī)藥工業(yè)外，正在向非水體系的應(yīng)用發(fā)展，無(wú)機(jī)超濾膜在這一領(lǐng)域有良好的前景。

超濾應(yīng)用第34頁(yè)/共89頁(yè)電子工業(yè)高純水的制備：原水—吸附—微孔過(guò)濾—反滲透—離子交換—超過(guò)濾醫(yī)藥工業(yè)中，超濾用于制劑水的除菌和除熱原。1.水的凈化是應(yīng)用膜技術(shù)最多的行業(yè)。乳制品生產(chǎn)中乳品的濃縮、精制和排水處理中、果汁和酒等的生產(chǎn)中，均廣泛使用著超濾等膜分離過(guò)程。（茶葉、果汁的澄清和濃縮）2.食品工業(yè)酶和蛋白質(zhì)等活性大分子產(chǎn)物的生產(chǎn)中，超濾操作條件溫和，不易使目標(biāo)生物大分子失活，被用于分離提取過(guò)程的各個(gè)階段。中草藥的濃縮3.生物化工汽車制造業(yè)中電泳涂料清洗用水的處理、含油廢水的處理、合成纖維生產(chǎn)中含聚乙烯醇廢水的處理、紙漿廢水的處理等。4.環(huán)保過(guò)程

超濾應(yīng)用第35頁(yè)/共89頁(yè)微濾(Microfiltration)

微濾膜各種截留作用的示意圖（a）膜的表面層截留；(b)膜內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)中截留

第36頁(yè)/共89頁(yè)死端過(guò)濾和錯(cuò)流過(guò)濾示意圖(a)死端過(guò)濾；(b)錯(cuò)流過(guò)濾

對(duì)濾液穿過(guò)小孔的流動(dòng)，壓強(qiáng)降可以用Poiseuille方程表示，即：第37頁(yè)/共89頁(yè)聚合物微濾膜(a)相轉(zhuǎn)化法；(b)拉伸法；(c)徑跡刻蝕法

陶瓷微濾膜（a）Anotec陽(yáng)極氧化法（表面）；(b)USFilter燒結(jié)法（橫斷面）

第38頁(yè)/共89頁(yè)

微濾是所有膜過(guò)程中應(yīng)用最普遍、銷售額最大的一項(xiàng)技術(shù)，其年銷售額大于其它所有膜過(guò)程銷售額的總和。工業(yè)上，微濾主要用于將大于0.1m的粒子與溶液分開(kāi)的場(chǎng)合。它的最大市場(chǎng)是制藥行業(yè)的除菌過(guò)濾和電子工業(yè)用高純水的制備，在食品工業(yè)的許多領(lǐng)域得到了成功的運(yùn)用，在各種與生物、生理有關(guān)的分析中細(xì)胞的捕獲、各種顆粒的富集等方面也得到了廣泛應(yīng)用。隨著水資源的日趨緊張及社會(huì)生活水平的提高，飲用水生產(chǎn)和城市污水處理成為微濾過(guò)程的兩個(gè)潛在的大市場(chǎng)。其最新的應(yīng)用領(lǐng)域是生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

微濾膜的應(yīng)用第39頁(yè)/共89頁(yè)滲析過(guò)程及濃度分布示意圖(a)滲析過(guò)程；(b)典型的濃度分布；(c)若存在邊界層阻力的濃度分布滲析(Dialysis)定義：滲析是溶質(zhì)分子在濃度差的推動(dòng)下選擇性透過(guò)膜的分離過(guò)程。透析原理：第40頁(yè)/共89頁(yè)

滲透主要用于從高分子量物質(zhì)中分離出低分子量組分。分離是基于不同組分物化性質(zhì)和分子尺寸的差異導(dǎo)致在膜擴(kuò)散速率不同而實(shí)現(xiàn)分離的。為了得到高的滲透速率，在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了努力：1)在材料強(qiáng)度允許的范圍內(nèi)，將使?jié)B析膜做得盡可能得薄，用銅氨法生產(chǎn)的再生纖維素制得僅0.005mm厚的滲析膜；2）當(dāng)膜兩側(cè)都是水溶液的時(shí)候，選用能被水溶脹或者潤(rùn)濕的材料。已經(jīng)應(yīng)用的材料有賽璐酚、纖維素、乙烯/乙烯醇共聚物、甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯等；3）當(dāng)滲析膜的一側(cè)是油相時(shí)，選用能被油相溶脹和潤(rùn)濕的材料，已經(jīng)應(yīng)用的有聚碳酸酯等.第41頁(yè)/共89頁(yè)

目前滲析最主要的用途是血液透析。透析膜代替腎除去尿素、肌酸酐、磷酸鹽和尿酸等有毒的低分子量組分，以緩解腎衰竭和尿毒癥患者的病情。該過(guò)程中血液被蠕動(dòng)泵加壓通過(guò)滲透器，在膜兩側(cè)液體所含溶質(zhì)的濃度差及所形成的滲透壓差的作用下，血液中的上述廢物過(guò)程通過(guò)膜進(jìn)入滲析液，滲析液中的某些組分則通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入血液，使血液達(dá)到需要的離子平衡。

滲析膜應(yīng)用

滲析膜與超濾相同，分離能透過(guò)膜的小分子溶質(zhì)；但滲析分離時(shí)有稀釋作用，傳輸速率慢，選擇性不高，許多工業(yè)分離都用超過(guò)濾而不用滲析。滲析過(guò)程較緩和，操作流速低，料液不加壓，因而不會(huì)損壞大分子溶質(zhì)。在生物分離中用于大分子溶液的脫除鹽分等小分子物質(zhì)；在醫(yī)療方面用作人工腎臟。第42頁(yè)/共89頁(yè)電滲析(Electrodialysis)

定義：利用離子能選擇性地通過(guò)離子交換膜的性質(zhì),使離子從各種水溶液中分離出來(lái)（脫鹽）。電滲析器基本組成形式1—壓緊板；2—墊板；3—電極；4—墊圈；5—導(dǎo)水、極水板；6—陽(yáng)膜；7—淡水隔板；8—陰膜；9—濃水隔板電滲析器的主體部分膜組件，由大量的離子交換膜和隔板按一定的格式相間疊加而成。第43頁(yè)/共89頁(yè)電滲析過(guò)程原理示意圖

第44頁(yè)/共89頁(yè)

要求：離子交換膜應(yīng)該有良好的選擇透過(guò)性，膜電阻小，較好的化學(xué)穩(wěn)定性，較高的機(jī)械強(qiáng)度，較低的擴(kuò)散性能。

分類：離子交換膜用粉狀離子交換樹(shù)脂與黏合劑混煉、拉片并加網(wǎng)熱壓制成。異相膜具有較好的化學(xué)性能和機(jī)械性能，但電化學(xué)性能較差。異相離子交換膜是將單體澆注聚合，以切削法成膜，再導(dǎo)入離子活性基團(tuán)或?qū)⒑谢钚越粨Q基團(tuán)的線性聚合物溶解，以流延法揮發(fā)溶劑成膜。均相膜具有制造方便、電化學(xué)性能好、適用性廣等優(yōu)點(diǎn)。均相離子交換膜半均相膜的結(jié)構(gòu)及性能均處于異相膜和均相膜之間。它的制備方法借鑒了異相膜和均相膜的制備工藝。半均相膜第45頁(yè)/共89頁(yè)隔室內(nèi)湍流流體中的濃度分布示意圖為了減輕濃差極化的影響，操作時(shí)電流密度不能過(guò)高，水的流速不能過(guò)低。提高溫度，加快流速，適當(dāng)減薄隔板的厚度，在一定程度上可以提高電滲析器的性能。

與超濾、反滲透等膜分離過(guò)程一樣，在電滲析過(guò)程中，也存在濃差極化的現(xiàn)象。第46頁(yè)/共89頁(yè)陰膜的濃差極化示意圖(a)末通電；(b)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；(c)極化

式中：Ji是離子i的遷移速度[mol/(cm2s)]；Ci是離子i濃度(mol/cm3)；Vx是流體在x方向上的平均速度，取流體重心的運(yùn)動(dòng)速度(cm/s)；x是x方向上的距離(cm)；Di是離子i的擴(kuò)散系數(shù)(cm2/s)；fi是離子i的活度系數(shù)；Zi是離子i的價(jià)數(shù)；F是法拉第數(shù)(96500)；R是氣體常數(shù)[=8.314J/(molC)]；T是溶液的絕對(duì)溫度(K)；是電位(V)。第47頁(yè)/共89頁(yè)各種電滲析器的組裝方式示意圖(a)一級(jí)一段并聯(lián)；(b)二級(jí)一段并聯(lián)；(c)一級(jí)二段串聯(lián)；(d)二級(jí)二段串聯(lián)

第48頁(yè)/共89頁(yè)1.各種水的脫鹽2.食品、醫(yī)藥和化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用目前電滲析已是一種相當(dāng)成熟的膜分離技術(shù)，主要用途是苦咸水淡化、生產(chǎn)飲用水、濃縮海水制鹽、以及從體系中脫除電解質(zhì)。電滲析應(yīng)用海水、苦水或咸水的淡化，制成生活用水；將各種自來(lái)水純化為鍋爐用水、化工生產(chǎn)用水或制備高純度水用的初級(jí)水。醫(yī)藥工業(yè)中葡萄糖、甘露醇等溶液的脫鹽；食品中牛乳、乳清的脫鹽；脫出果汁中引起酸味的過(guò)量檸檬酸等。第49頁(yè)/共89頁(yè)

在許多領(lǐng)域與其它方法相比，電滲析能有效地將生產(chǎn)過(guò)程與產(chǎn)品的分離過(guò)程融合起來(lái)，具有其它方法不能比擬的優(yōu)勢(shì)。比如，新出現(xiàn)的四室電滲析器提取乳酸新技術(shù)，不但將乳酸從發(fā)酵液中分離出來(lái)，同時(shí)將它由鈣鹽轉(zhuǎn)化成了酸的形式。與傳統(tǒng)工藝相比工序簡(jiǎn)單、耗能少/產(chǎn)率高。因此電滲析在節(jié)能和促進(jìn)傳統(tǒng)技術(shù)的升級(jí)方面具有很大的潛力。電滲析是目前所有膜分離過(guò)程中唯一涉及化學(xué)變化的分離過(guò)程(電極反應(yīng))。第50頁(yè)/共89頁(yè)液膜分離液膜分離是將第三種液體展開(kāi)成膜狀以分隔兩個(gè)液相，由于液膜的選擇性透過(guò)，使液體組分分離。分離用液膜三種形態(tài)：支撐液膜、液滴液膜和乳狀膜。液膜的形態(tài)第51頁(yè)/共89頁(yè)1.支撐液膜設(shè)備2.乳狀液膜的設(shè)備液膜設(shè)備

所用支撐物有聚砜、聚四氟乙烯、聚丙烯和纖維素的微孔膜，采用板框結(jié)構(gòu)或管殼式結(jié)構(gòu)。油型支撐液膜通過(guò)將微濾膜浸泡在有機(jī)溶劑中（帶有流動(dòng)載體）制備；膜相液體附著在微孔膜內(nèi)，只需適時(shí)補(bǔ)充和清理。料液和接受液分別在膜的兩側(cè)流過(guò)

。

乳狀液膜分離裝置由制乳、萃取和破乳設(shè)備組成。制乳—

攪拌槽萃取—

攪拌槽或轉(zhuǎn)盤塔破乳—

微液滴凝聚，分離成單獨(dú)的膜相和內(nèi)液相。破乳方法：加熱法、高壓靜電法和高速離心法等。第52頁(yè)/共89頁(yè)乳液膜連續(xù)萃取過(guò)程第53頁(yè)/共89頁(yè)兩類液膜的制備示意圖(a)乳化液膜（ELM）；(b)支撐液膜（SLM）

第54頁(yè)/共89頁(yè)

液膜分離的傳質(zhì)過(guò)程，涉及三個(gè)液相和兩個(gè)液液界面。在兩個(gè)相界面上有不同的平衡關(guān)系。液膜類型和設(shè)備類型多種多樣，液膜內(nèi)和上、下游邊界層內(nèi)的傳質(zhì)情況也較復(fù)雜。促進(jìn)傳遞是液膜分離中提高傳遞通量和分離選擇性的重要手段。促進(jìn)傳遞（FacilitatedTransportation）

偶合傳遞可分成兩類：

——同向偶合傳遞，兩種組分沿同一方向傳遞

——反向偶合傳遞，兩種組分沿相反方向傳遞

液膜分離中傳質(zhì)第55頁(yè)/共89頁(yè)選擇性滲透內(nèi)相有化學(xué)反應(yīng)偶合同向遷移偶合逆向遷移可以實(shí)現(xiàn)Ｍ+從低濃度到高濃度的遷移，有富集濃縮作用第56頁(yè)/共89頁(yè)促進(jìn)傳遞應(yīng)用載體介質(zhì)傳遞的載體種類很多，選擇性和傳質(zhì)速率很高，可用于陽(yáng)陰離子、有機(jī)分子、氣體分子的分離。如Cu2+、Hg2+、Ni2+、Cd2+等陽(yáng)離子和NO3-、Cr2O72-等陰離子均可用液膜有效回收。

第57頁(yè)/共89頁(yè)生物分離濕法冶金廢水處理從發(fā)酵液中提取氨基酸、有機(jī)酸等從銅礦酸浸液中回收銅，從鈾礦酸浸液中回收鈾含酚、氰、氨、汞、銅等的工業(yè)廢水，采用液膜處理，可富集濃縮并回收有用物質(zhì)。

在液膜的形成、分散、溶脹、滲漏、穩(wěn)定性、滲透性、傳遞過(guò)程和機(jī)理，促進(jìn)傳遞、支撐液膜、各種應(yīng)用試驗(yàn)以及投資和成本的預(yù)估等各個(gè)方面都進(jìn)行了廣泛和深入的研究。液膜分離要在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用，還有很多問(wèn)題需要解決，比如怎樣實(shí)現(xiàn)更好的破乳效果，進(jìn)一步減少溶劑損失等。只有達(dá)到高的溶劑回收率，很多僅在技術(shù)上可行的液膜工藝，才能在工業(yè)實(shí)際中得到應(yīng)用。液膜分離的應(yīng)用第58頁(yè)/共89頁(yè)滲透蒸發(fā)過(guò)程示意圖(a)真空滲透蒸發(fā)；(b)惰性氣體吹掃滲透蒸發(fā)

滲透蒸發(fā)(Pervaporation)定義：用于液體混合物的分離；采用高選擇性的均質(zhì)膜或復(fù)合膜，透膜的組分通過(guò)真空、溫差或其它方法使之汽化，過(guò)程的推動(dòng)力為分壓差。該過(guò)程中物質(zhì)的遷移包括：(1)液相溶質(zhì)溶入膜表面；(2)液體在膜內(nèi)的擴(kuò)散；(3)液體在膜的另一側(cè)表面蒸發(fā)、氣化。第59頁(yè)/共89頁(yè)滲透流通量：分離因子1：因?yàn)樵诜蛛x過(guò)程中涉及到相變過(guò)程，所以要真實(shí)地反映膜的優(yōu)先選擇性，應(yīng)扣去相變所引起的分離效果。故又定義了一個(gè)分離因子。分離因子2：第60頁(yè)/共89頁(yè)法國(guó)Betheniville日產(chǎn)150m3無(wú)水酒精的滲透蒸發(fā)示意圖

滲透汽化被認(rèn)為在許多場(chǎng)合可以代替精餾，并取得明顯的節(jié)能效果，尤其是對(duì)恒沸物、沸點(diǎn)相近的體系和稀溶液分離。用滲透汽化法從恒沸混合物生產(chǎn)99.8%無(wú)水乙醇已于1980年代實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，能耗約為恒沸精餾的30%～40%。滲透汽化還可以水中含有的微量或少量有機(jī)物，用于環(huán)保、有機(jī)物或溶劑的回收。第61頁(yè)/共89頁(yè)MTR公司用滲透蒸發(fā)從水中脫除1,1,2－三氯乙烷示意圖在化工與環(huán)保方面它是一項(xiàng)很有前途的分離技術(shù)，尤其在化工方面通過(guò)與各種傳統(tǒng)分離技術(shù)及分離過(guò)程相互耦合能極大地提高化工過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。滲透蒸發(fā)由于滲透汽化過(guò)程的核心部件—滲透蒸發(fā)膜的性能的限制，滲透蒸發(fā)過(guò)程的應(yīng)用還很有限，隨著關(guān)于滲透蒸發(fā)膜研究的不斷深入，滲透蒸發(fā)膜性能的提高，滲透蒸發(fā)過(guò)程將在有機(jī)溶劑脫水、水中除去有機(jī)物、極性/非極性有機(jī)物的分離、飽和/不飽和有機(jī)物的分離、有機(jī)物異構(gòu)體的分離等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。第62頁(yè)/共89頁(yè)氣體分離

1979年，Monsanto公司最早將中空纖維聚砜膜用于氣體混合物的分離。定義：氣體的滲透分離（GasPermeation），是以分壓差為推動(dòng)力，根據(jù)氣體分子通過(guò)膜的滲透率不同而進(jìn)行氣體組分分離。特點(diǎn)：氣體滲透可以采用無(wú)孔的致密膜，其分離選擇性不在分子的大小，而在于不同組分分子滲透通過(guò)膜的速率的快慢。第63頁(yè)/共89頁(yè)

氣體組分透過(guò)致密膜的過(guò)程包括：(1)在膜的高壓側(cè)，氣體混合物中易滲透組分溶解在膜表面；(2)溶解組分從高壓側(cè)通過(guò)分子擴(kuò)散傳遞到低壓側(cè)；(3)在膜的低壓側(cè)表面，滲透組分解吸釋放。第64頁(yè)/共89頁(yè)

氣體的膜分離發(fā)展異常迅猛，七十年代才進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段，1990年銷售收入已突破一億美元，1995年達(dá)到五億美元。膜分離回收氫氣是目前應(yīng)用最多、最成熟的一個(gè)領(lǐng)域，已廣泛應(yīng)用于合成氨工業(yè)、煉油工業(yè)和石油工業(yè)。氣體分離膜應(yīng)用第65頁(yè)/共89頁(yè)回收氫回收氦天然氣的凈化最早用于從合成氨馳放氣和石油煉廠氣中提氫，已得到了較大范圍推廣，取得可觀經(jīng)濟(jì)效益。膜分離回收氫氣是目前應(yīng)用最多、最成熟的領(lǐng)域。從天然氣中回收氦甲烷/二氧化碳分離富氧空氣的制備用空氣膜法富氧技術(shù)產(chǎn)生含氧量30-40%的富氧空氣，可用于鍋爐和工業(yè)窯爐的燃燒節(jié)能以及醫(yī)用空氣膜法富氮技術(shù)已用于油井和化工裝置的保護(hù)以及蔬菜和果品保鮮。(O2/N2分離)氣體分離膜應(yīng)用第66頁(yè)/共89頁(yè)用途最廣的相轉(zhuǎn)化法、界面縮聚法及無(wú)機(jī)膜制備方法簡(jiǎn)單介紹。膜分層的熱力學(xué)過(guò)程示意圖(a)瞬時(shí)分相；(b)延遲分相5.4膜制備技術(shù)第67頁(yè)/共89頁(yè)

平板膜的制備裝置示意圖管式膜的制備工藝示意圖第68頁(yè)/共89頁(yè)界面聚合法制復(fù)合膜示意圖等離子體聚合制復(fù)合膜示意圖第69頁(yè)/共89頁(yè)類型1萃取應(yīng)用領(lǐng)域有機(jī)酸分離提純、廢水中重金屬離子分離等2吸收BV熱鉀堿吸收CO2、檸檬酸吸收SO2等3精餾加鹽精餾、恒沸精餾等4吸附變壓吸附提純或回收H2、載銅活性吸附CO等5結(jié)晶海水和鹽鹵NaCl結(jié)晶分離傳統(tǒng)分離技術(shù)：5.5與傳統(tǒng)反應(yīng)和分離技術(shù)的耦合第70頁(yè)/共89頁(yè)萃取與反應(yīng)、萃取與膜分離、吸收與膜分離、滲透蒸發(fā)與化學(xué)反應(yīng)、反應(yīng)精餾等分離與反應(yīng)耦合氣體/液體分離膜與膜工程如恒沸物的滲透蒸發(fā)分離（MTBE與甲醇、ETBE與乙醇、DMC與甲醇等共沸物分離）、功能膜反應(yīng)器、CO2/CH4分離、富氧膜、酸性氣體膜分離、油/水分離超濾膜、廢水或污水膜分離（水回收再利用）等膜分離與傳統(tǒng)反應(yīng)技術(shù)的結(jié)合與傳統(tǒng)分離技術(shù)的結(jié)合膜分離與精餾、膜分離與萃取、膜分離與吸收、膜分離與吸附、膜分離與離子交換樹(shù)脂等

酶膜生物反應(yīng)器、鈀膜反應(yīng)器、滲透汽化膜反應(yīng)器等新型分離技術(shù)：第71頁(yè)/共89頁(yè)滲透蒸發(fā)膜滲透蒸發(fā)與精餾或反應(yīng)精餾結(jié)合的中試規(guī)模有：有機(jī)酸與醇反應(yīng)生成酯脫水、MTBE與甲醇、ETBE與乙醇、DMC與甲醇等共沸物分離第72頁(yè)/共89頁(yè)5.6膜與膜工程技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用超濾：蛋白質(zhì)與酶、活性多肽、熱原的去除、中草藥濃縮及果汁和茶葉的澄清和濃縮。納濾：染料、食用色素、抗生素、多肽和氨基酸等。微濾：空氣過(guò)濾除菌，以及牛奶、果汁、果酒、白酒、啤酒、飲料、飲用水等的除菌過(guò)濾。氣體分離：膜法H2回收、膜法富氧、膜法回收機(jī)蒸汽等。離子交換膜：燒堿生產(chǎn)1飲用水與工業(yè)用水2傳統(tǒng)工藝的改造3工業(yè)廢水與市政廢水處理和循環(huán)回用第73頁(yè)/共89頁(yè)海水淡化工藝流程各種海水淡化方法投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用第74頁(yè)/共89頁(yè)我國(guó)西北地區(qū)含鉻高氟低礦化苦咸水淡化工藝流程第75頁(yè)/共89頁(yè)由于省去了活性污泥的沉降槽，且活性污泥的膜分離可在較高濃度下操作，所以污泥濃縮貯留槽及曝氣槽體積小，裝置緊湊。裝置緊湊由于能夠保持曝氣槽內(nèi)活性污泥的高濃度，所以可適應(yīng)高濃度污水。引入膜分離后，對(duì)SS去除徹底，可得到十分澄清的處理水。適應(yīng)高濃度污水傳統(tǒng)生物學(xué)處理法，為了維持良好的處理水質(zhì)，對(duì)污泥管理須忖注很多勞力和精力。膜分離活性污泥法省去了沉降槽，對(duì)污泥濃度管理容易，設(shè)備占地面積小，操作自動(dòng)化程度高，管理人員少。維護(hù)管理容易污水膜生物技術(shù)的特點(diǎn)第76頁(yè)/共89頁(yè)1根據(jù)膜的使用形態(tài)2根據(jù)膜分離的形式3根據(jù)操作壓力膜生物反應(yīng)器4根據(jù)膜組件的類型循環(huán)型和浸漬型兩類。微濾膜生物反應(yīng)器，超濾膜生物反應(yīng)器