分離膜與膜分離組件課件

分離膜與膜分離組件

第一節(jié)分離膜的種類

膜是膜技術(shù)的核心，決定膜功能包括膜材料的化學(xué)性質(zhì)及膜的結(jié)構(gòu)，因而與膜的制備過程有關(guān)。

膜的主要品種是高分子膜，無機膜。膜材料主要有：無機膜材料：多孔石英玻璃、多孔陶瓷、多孔鎢（金膜）、ZrO2、ZnO2、Al2O3、TiO2、SiO2、活性炭；有機高分子膜材料：醋酸纖維素、聚砜類、聚酰胺類、聚丙烯腈類等。

應(yīng)用領(lǐng)域：液體分離膜材料：MF/UF/NF/RO；氣體分離膜材料:GS/PV；荷電膜材料:ED/DD/BPED。1第三節(jié)分離膜的分離特性與結(jié)構(gòu)

分離效率、滲透通量、通量衰減系數(shù)。1、分離效率：脫除率或截留率R－適于溶液脫鹽，高分子物質(zhì)脫除。

Cb-主體濃度，Cp-透過液濃度一、膜的分離透過特性2

分離系數(shù)α或β－混合物分離

YA－透過液中A的摩爾分率，XA－原液中A的摩爾分率。2、滲透通量：單位時間內(nèi)通過單位膜面積的透過物的量。

3二、分離膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)

高分子聚合物膜的結(jié)構(gòu)：

致密膜（對稱膜）：均勻的致密薄膜（均質(zhì)膜），物質(zhì)在膜內(nèi)各處的滲透率相同。膜厚5nm－5μm。使用較少。

微孔膜：平均孔徑0.02－10μm，膜孔有一較寬的分布范圍，孔道曲折，膜厚50－250μm，應(yīng)用較普遍。

非對稱膜：是使用最廣泛的一種分離膜。非對稱分離膜一般由兩層組成，表面活性層和支撐層。5

表面活性層非常薄，厚度0.1－1.5μm。表面活性層起分離作用(即選擇透過作用)，其孔徑和表皮性質(zhì)決定分離特性，厚度決定傳遞速率。表面活性層可以是致密的，也可以是多孔的。下面的支撐層起機械支撐作用，是多孔的，對分離特性和傳遞速率影響很小，厚度50－250μm。表面活性層與支撐層用同一種膜材料，在制膜過程中同時形成，習(xí)慣上稱這種膜為非對稱膜。

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復(fù)合膜（非對稱膜）：表面活性層與支撐層分兩次形成，先制成支撐膜，再把皮層復(fù)合到支撐膜的表面上，用這種方法制成的非對稱膜叫做復(fù)合膜，一般復(fù)合膜的表面活性層和支撐層是兩種膜材料。表面活性層厚度0.25－15μm。表面活性層可用各種材料，應(yīng)用廣泛。離子交換膜：為均質(zhì)膜，膜厚200μm，主要用于電滲析。7

2、支撐層對分離膜的性能也有一定影響：支撐層孔愈大、孔隙率高也能使膜的通量有所提高。

可見，高性能的分離膜除了選擇合適的膜材料外，它應(yīng)具有非對稱結(jié)構(gòu)，即具有致密(或多孔)的、無缺陷的、超薄的(幾十納米厚)表面活性層和孔隙率高的多孔支撐層。對復(fù)合膜來說，支撐膜表面要有合適的孔徑?？追植家?，且無大孔。

在生產(chǎn)商品膜過程中，要制造表面活性層這樣薄而無缺陷的膜，技術(shù)要求相當(dāng)高。9第四節(jié)分離膜的污染與劣化

1、膜的污染：

因為膜表面形成附著層或膜孔堵塞等外部因素導(dǎo)致膜性能發(fā)生變化的現(xiàn)象。膜污染一般導(dǎo)致膜的滲透通量下降，對截留率影響不定。

2、膜的劣化：

因為膜自身發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化等內(nèi)部因素導(dǎo)致膜性能發(fā)生變化的現(xiàn)象。膜劣化對滲透通量、截留率影響不定。103、膜劣化的原因：化學(xué)性劣化：由膜材料的水解或氧化反應(yīng)等化學(xué)因素造成的。例如PH值超出允許范圍導(dǎo)致反應(yīng)。物理性劣化：由膜結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)變形等物理因素造成的。例如高壓或干燥狀態(tài)下的變形。生物性劣化：由料液中微生物導(dǎo)致膜發(fā)生生物降解反應(yīng)等生物因素造成的。111.死端操作：

料液置于分離膜的上游，在壓差作用下進行。缺點：截留物在表面形成污染層，且隨時間增厚，阻力增加，若操作壓力不變，通量下降。污染層厚度滲透通量時間操作方式13

2.

錯流操作：

料液以切線方向流過分離膜表面。料液流經(jīng)膜表面所產(chǎn)生的高剪切力可使沉積在膜表面的顆粒擴散返回膜主流體，當(dāng)沉積速度與返回速度達平衡，表面污染層不再增厚，滲透通量可較長時間保持穩(wěn)定。污染層厚度滲透通量時間14第三章反滲透

第一節(jié)概述

在高于溶液滲透壓的壓力作用下，只有溶液中的水透過膜，而所有溶液中大分子、小分子有機物及無機鹽全被截留住。

理想的反滲透膜應(yīng)是無孔的，分離的基本原理是溶解擴散以及毛細孔流學(xué)說?！澳た讖健睘?到10埃，截留物為0.1~1nm小分子溶質(zhì)，采用壓力為1-10Mpa。

反滲透主要應(yīng)用領(lǐng)域是海水或苦咸水的淡化。15

稀溶液的Van’tHoff滲透壓公式：

π＝RT∑Cs

R＝0.082atm?L/(moL?K);Cs為各溶質(zhì)離子濃度總和mol/L;T為開爾文溫度K。

反滲透是滲透的一種反方向遷移運動，溶液濃度越高，π值越大。在反滲透過程中所要施加的實際壓力必須遠大于按滲透壓公式算出的溶液的π值。在系統(tǒng)和膜強度允許的范圍內(nèi)，一般為π值的幾倍到近十倍。

反滲透過程必須滿足兩個條件：1：有一種高選擇性和高透過率（一般是透水）的選擇性透過膜；2：操作壓力必須高于溶液的滲透壓。17三、反滲透過程傳質(zhì)機理

1、優(yōu)先吸附－毛細孔流動機理：1960年，sourirajan在Gibbas吸附方程基礎(chǔ)上，提出了優(yōu)先吸附-毛細孔流動機理，為反滲透膜的研制和過程的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)，而后按此機理發(fā)展為定量表達式，即表面力-孔流動模型。下圖表示水脫鹽過程的優(yōu)先吸附-毛細孔流動機理。在這過程中，溶劑是水，溶質(zhì)為氯化鈉。由于膜表面具有選擇性吸水而排斥鹽作用，水優(yōu)先吸附在膜表面上，因此在壓力的作用下優(yōu)先吸附的水滲透通過膜孔，就形成了脫鹽過程。18

當(dāng)水溶液與多孔膜接觸時，如果膜的物理化學(xué)性質(zhì)使膜對水優(yōu)先吸附，那么在膜與溶液界面附近就會形成一層被膜吸附的純水層，純水層的厚度與溶質(zhì)和膜表面的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。對于對稱電解質(zhì)水溶液的純水層厚度，可用matsuura提出的修正Gibbas等溫吸附方程計算:式中?為溶液中溶質(zhì)的活度系數(shù)；m為溶液的質(zhì)量摩爾濃度,mol/kg；CAb為氯化鈉的摩爾濃度，mol/m3。19

該機理假定溶劑和溶質(zhì)首先都溶解在均質(zhì)無孔膜的表皮層中，然后各組分在非偶合形式的化學(xué)位梯度作用下，從膜上游側(cè)向下游側(cè)擴散，再從下游側(cè)解吸。故溶劑和溶質(zhì)在膜中的溶解度和擴散系數(shù)是該機理的主要參數(shù)。溶質(zhì)傳遞通過膜的濃度分布21

Lonsdale等人通過費克定律來描述溶劑在膜內(nèi)的擴散。通過膜的水的滲透通量：

Jw=A(ΔP-

Δπ)

A為溶劑的滲透系數(shù),ΔP為膜兩側(cè)壓力差,

Δπ為膜兩側(cè)滲透壓差。通過膜的溶質(zhì)的滲透通量：

DWA為溶質(zhì)在膜中的有效擴散系數(shù)，δ為膜厚度，K為相平衡常數(shù)，CAi、CA2分別為膜的料液側(cè)表面和透過液中溶質(zhì)的濃度。

A、(DWA/δ)反映了溶劑和溶質(zhì)透過膜的特性，與溶劑、溶質(zhì)和膜材料的物理化學(xué)性質(zhì)，膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)、操作溫度、壓力等有關(guān)。22第四節(jié)膜分離工藝流程

為了達到設(shè)計所要求的處理能力和分離效果，需進行多個膜組件的串聯(lián)或并聯(lián)：通過組件的不同配置方式來滿足不同要求；膜元件的使用壽命與此有重要的影響；因此，在設(shè)計中應(yīng)重視膜組件數(shù)量的選擇和膜組件的合理排列組合。一、膜組件合理排列組合的意義231、一級一段連續(xù)式透過液的回收率不高，在工業(yè)中很少采用。

252、一級一段循環(huán)式部分濃縮液返回進料液貯槽與原有的進料液混合后，再次通過組件分離。因濃縮液中溶質(zhì)含量較原料液高，所以透過液的質(zhì)量有所下降。265、多段錐形排列這種方式得到的濃縮液由于經(jīng)過多段流動，壓力損失較大，生產(chǎn)率下降，為此需增設(shè)高壓泵。296、多級多段（實用價值高）3031對膜的選擇更廣泛每一級膜兩側(cè)的濃差減小，操作壓差可以降低對設(shè)備的要求降低；但各級多需要泵將料液提高到較高的壓力，能耗增加。32第五節(jié)反滲透的應(yīng)用1、海水和苦咸水的淡化反滲透過程已成功使用30多年，據(jù)統(tǒng)計，在全世界所有淡化過程生產(chǎn)11.5×106m3/d的飲用水中，反滲透法占23.4%。優(yōu)點：能耗和投資運行費用低，占地小，設(shè)備腐蝕輕，易建造、操作、維修，建廠時間短。33

一般分三個工序：

（1）預(yù)處理，去除懸浮物、雜質(zhì)；（2）脫鹽處理，一般采用RO預(yù)脫鹽；（3）后處理，最后精制，滅菌。

反滲透等膜分離技術(shù)已被普遍用于電子工業(yè)純水及醫(yī)藥工業(yè)無菌純水等的超純水制備系統(tǒng)中。

2、純水生產(chǎn)34

初級純水處理：

原水→預(yù)處理→離子交換→用水點

純水生產(chǎn)流程：

超純水生產(chǎn)流程：353、廢水處理

反滲透膜對陽離子基本上遵循感膠離子的順序攔截，即：

Al3+>Fe3+>Mg2+>Ca2+>Na+>NH4+>K+對陰離子的攔截順序為：SO42->

CO32->

Cl->

PO43->

F-=

CN->

NO3->

B4O72-例如：電鍍廢水，電廠污水，造紙污水，放射性廢水處理。36

用反滲透代替精餾，從水溶液中分離低分子量有機組分是當(dāng)前反滲透研究的一個重要領(lǐng)域。

對乙醇水混合物的分離已進行了大量研究工作。從乙醇水的相平衡曲線可知，用蒸餾法將5％(wt)以下濃度的乙醇濃縮到15％(wt)，把90％(wt)以上濃度的乙醇脫水，超過恒沸點制備無水乙醇是耗能非常大的過程，用RO進行這些分離可節(jié)省大量能耗。

從目前的研究看，在高濃度區(qū)(恒沸點附近)有以滲透蒸發(fā)膜過程代替蒸餾的趨勢。在低濃度區(qū)(稀乙醇)的濃縮則轉(zhuǎn)向反滲透。5、低分子量物質(zhì)水溶液的濃縮37第五章超濾與微濾

第一節(jié)超濾和微濾過程原理

一、超濾分離原理

超濾的分離原理主要是篩分原理，膜的表面活性層上孔的大小和形狀對截留率起主要作用，但膜表面的化學(xué)性質(zhì)也有重要影響。表面活性層上孔徑為10~200埃（0.001m-0.02m），可截留分子量500以上的可溶性大分子物質(zhì)，采用壓力為0.1~1MPa。38

分離原理是篩分原理，微濾膜的孔徑為0.02m-10m，截留直徑為0.05m-10m的微?；蚍肿恿看笥?06的高分子，采用壓力為0.01-0.2MPa。決定膜分離效率的是膜的物理結(jié)構(gòu)，孔的大小與形狀。

微濾是目前應(yīng)用最為廣泛的膜分離方法。二、微濾分離原理39第二節(jié)超濾膜和微濾膜

一、超濾膜

一般為非對稱膜，但與反滲透膜不同，超濾膜表層有孔，孔小且不規(guī)則。

常用超濾膜材料

聚合物：聚砜、聚醚砜、醋酸纖維素；無機材料：氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦；超濾過程中溶質(zhì)的截留機理包括：膜表面上的機械截留（篩分）、在膜孔中的停留（阻塞）、在膜表面和膜孔內(nèi)的吸附三種方式。

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對于篩分膜，普遍認為膜表層截留是通過三種方式實現(xiàn)的（1）比膜孔大的顆粒的機械截留；（2）顆粒之間的相互作用(如聚集、吸附)及顆粒與膜表面的吸附；（3）顆粒之間的架橋作用。對于“深層”膜，人們認為顆粒被截留在網(wǎng)絡(luò)孔的內(nèi)部，而不是在膜的表面。截留機理41截留機理42第三節(jié)超濾、微濾與反滲透的比較

微濾（MF)、超濾(UF)與反滲透(RO)都是壓力驅(qū)動膜分離過程，組成了分離溶液中的離子、分子到固體微粒的三級膜分離過程。43反滲透超濾微濾膜表層致密的非對稱膜、復(fù)合膜非對稱膜，表面有微孔微孔膜，多孔膜操作壓力MPa2~100.1~0.50.01~0.2分離物質(zhì)分子量小于500的小分子物質(zhì)分子量大于500的大分子物質(zhì)和細小膠體微粒粒徑大于0.1的微粒分離機理非簡單篩分，膜物化性質(zhì)起主要作用篩分，膜表面的物化性質(zhì)對分離有一定影響篩分，膜的物理結(jié)構(gòu)起決定作用水的滲透通量0.1~2.5m3/m2.d0.5~5m3/m2.d20~2000m3/m2.d微濾、超濾與反滲透的原理與操作性能比較444546第六章電滲析

第一節(jié)電滲析過程原理

電滲析是指在直流電場作用下，溶液中的帶電離子定向遷移，選擇性地透過離子交換膜過程，達到電解質(zhì)溶液的分離、提純和濃縮的目的。

一、離子交換膜膜狀的離子交換樹脂，包括三個基本組成部分，即高分子骨架、固定基團及基團上可移動（可解離）離子。

471、分類

按活性基團與骨架結(jié)合方式可分為：

均相膜，異相膜，半均相膜。按活性基團種類可分為：

陽離子交換膜，陰離子交換膜，特殊離子交換膜。

陽離子交換膜：強酸型，如磺酸型(-SO3H)，中強酸型，如磷酸型(-OPO3H)，弱酸型，如羧酸型(-COOH)，酚型（－－OH)，混合型，如苯酚磺酸型；48陰離子交換膜：

強堿型，如季胺型(－N(CH3)3OH)

中等和弱型，如伯胺型(－NH2)、仲胺型(-NHR)、叔胺型(NR2)，混合型，如混合胺型；特殊離子交換膜：

表面涂層膜，雙極膜，兩性膜，鑲嵌膜，其他膜。492、離子交換膜的選擇透過性孔隙作用

膜中孔隙對水合離子的篩分作用。靜電作用和擴散作用基膜上帶固定電荷的活性基團對離子的靜電作用。

50二電滲析原理陽膜陽膜陽膜陰膜陰膜淡化室淡化室淡化室濃縮室濃縮室濃縮室電解質(zhì)溶液51

直流電場下陰陽離子的定向遷移；離子交換膜的選擇滲透性。

在正負兩電極之間交替地平行放置陽離子和陰離子交換膜，依次構(gòu)成濃縮室和淡化室。陽離子在直流電場作用下定向遷移，通過陽膜而被陰膜阻擋；相反，陰離子通過陰膜而被陽膜阻擋。結(jié)果是濃縮室離子濃度增加，淡化室離子濃度下降。1.電滲析過程的基本條件：522.電滲析過程中的遷移過程533.電滲析中的電化學(xué)過程（1）陽極

H2O=H++OH-2OH-

–2e

→1/2O2+H2OCl-

–e

→1/2Cl2

H++Cl-

→HCl

（2）陰極

H2O=H++OH-2H＋

＋2e

→H2

Na++

OH-=NaOH電化學(xué)反應(yīng)54

電化學(xué)反應(yīng)結(jié)果：

陽極呈酸性，對電極產(chǎn)生腐蝕；

陰極呈堿性，易與Ca2+、Mg2+生成沉淀。

電極電位：

需大于平衡電極電位，兩者之差為過電位；膜電位電阻

由膜兩側(cè)濃差產(chǎn)生，與反離子遷移方向相反；

溶液電阻（極室,濃縮室,淡化室）和膜電阻；55

電滲析過程所需電壓為電極電位，膜電位，克服各種電阻所需電壓之和；電流電壓隨電流大小而異。

電流增加使離子遷移量增加，同時克服各種電阻所需電壓增加，電耗增加；

電極反應(yīng)消耗電能與膜對數(shù)量無關(guān)，所以為了降低能耗，一般采用多膜對串聯(lián)結(jié)構(gòu)。564.濃差極化

電滲析器運行時，在直流電場作用下，離子做定向遷移，傳遞一定電荷。根據(jù)膜的選擇透過性，反離子在膜中的遷移速度比在溶液中快，當(dāng)操作電流密度增大到一定程度時，離子遷移被強化，主體溶液內(nèi)的離子不能迅速補充到膜的界面，使膜界面內(nèi)反離子濃度趨于零，從而迫使水分子電離產(chǎn)生H＋和OH－來負載電流，這種現(xiàn)象稱為電滲析過程的濃差極化現(xiàn)象。57極限電流密度（膜界面內(nèi)反離子濃度趨近于零）：Z-陽離子A價數(shù)；F－法拉第常數(shù)；DA