常用的膜分離過程課件

膜的種類膜的功能分離驅(qū)動力透過物質(zhì)被截流物質(zhì)微濾多孔膜、溶液的微濾、脫微粒子壓力差水、溶劑和溶解物懸浮物、細(xì)菌類、微粒子、大分子有機(jī)物超濾脫除溶液中的膠體、各類大分子壓力差溶劑、離子和小分子蛋白質(zhì)、各類酶、細(xì)菌、病毒、膠體、微粒子反滲透和納濾脫除溶液中的鹽類及低分子物質(zhì)壓力差水和溶劑無機(jī)鹽、糖類、氨基酸、有機(jī)物等透析脫除溶液中的鹽類及低分子物質(zhì)濃度差離子、低分子物、酸、堿無機(jī)鹽、糖類、氨基酸、有機(jī)物等電滲析脫除溶液中的離子電位差離子無機(jī)、有機(jī)離子滲透氣化溶液中的低分子及溶劑間的分離壓力差、濃度差蒸汽液體、無機(jī)鹽、乙醇溶液

微濾孔徑范圍0.02μm-10μm之間。微孔過濾是以靜壓差為推動力，利用膜的“篩分”作用進(jìn)行分離的膜過程。微孔濾膜具有比較整齊、均勻的多孔結(jié)構(gòu)，在靜壓差的作用下，小于膜孔的粒子通過濾膜，比膜孔大的粒子則被阻攔在濾膜面上，使大小不同的組分得以分離，其作用相當(dāng)于“過濾”。由于每平方厘米濾膜中約包含1千萬至1億個小孔，孔隙率占總體積的70％-80％，故阻力很小，過濾速度較快。微濾主要從氣相和液相物質(zhì)中截留微米及亞微米級的細(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、其操作壓差為0.01-0.2MPa，被分離粒子直徑的范圍為0.1-10μm。目前，以MF的應(yīng)用最廣，經(jīng)濟(jì)價值最大，它是現(xiàn)代大工業(yè)，尤其是尖端技術(shù)工業(yè)中確保產(chǎn)品質(zhì)量的必要手段。微濾（MF）二、微濾分離原理四、微濾膜制備方法五、主要的微孔濾膜材料六、微濾設(shè)備和應(yīng)用微孔濾膜由于本身性脆易碎，機(jī)械強(qiáng)度較差，因而在實(shí)際使用時，必須把它襯貼在平滑的多孔支撐體上，最常用的支撐體是以燒結(jié)不銹鋼或燒結(jié)鎳等制成的，其他還有尼龍布或絲綢等均可，但需以密孔篩板作支撐。工業(yè)用做濾的組件有板框式、管式、螺旋卷式、中空纖維、普通筒式及折疊筒式等多種結(jié)構(gòu)。微孔濾膜具有孔徑均勻、孔隙率高、濾材薄等特點(diǎn)，因此主要用來對一些只含微量懸浮粒子的液體進(jìn)行精密過濾，以得到澄清度極高的液體；或用來檢測、分離某些液體中殘存的微量不溶性物質(zhì)，以及對氣體進(jìn)行類似的處理。簡而言之，微孔濾膜主要用于分離流體中尺寸為0.1-10μm的微生物和微粒子。七、微濾膜的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

超濾膜屬于壓力驅(qū)動型膜分離過程，它是利用孔徑在1～100nm左右的膜，通過篩分原理分離，選擇性透過溶劑和某些小分子溶質(zhì)的性質(zhì)，對料液側(cè)施加壓力(操作壓差范圍大約在0.9MPa～1.0MPa)，使大分子溶質(zhì)或細(xì)微粒子從溶液中分離出來的過程。超濾是一種機(jī)械分離方法，只有小于0.002μm粒子、水、鹽糖和芳香物等能夠通過超濾膜，超濾膜空隙尺寸在15~1000埃，過濾粒子尺寸范圍0.002~0.2μm。采用的濾膜較反滲透膜粗，類似鹽、糖的溶質(zhì)能夠通過濾膜，蛋白質(zhì)等大分子的溶質(zhì)被隔在膜外，超濾的濾膜分子量吸收限制值在500至幾十萬道爾頓，直徑大于0.1μm的溶質(zhì)，如蛋白質(zhì)、果膠、脂肪及所有微生物，尤其是酵母菌、霉菌，不能通過超濾膜。超濾（UF）

超濾膜一般由構(gòu)成膜骨架的有機(jī)高分子材料或無機(jī)材料以及溶劑和添加劑三部分組成。膜的結(jié)構(gòu)有兩種，一種是指狀結(jié)構(gòu)，一種是類似海綿狀的開放式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。一、超濾膜的結(jié)構(gòu)

一般認(rèn)為，超濾膜的結(jié)構(gòu)與形成機(jī)理是溶膠-凝膠的相互轉(zhuǎn)化。制膜后，溶劑首先從膜與空氣的界面處開始蒸發(fā)，由于表面溶劑的蒸發(fā)速度比溶劑從膜內(nèi)向溶劑表面遷移的速度快，因此形成了表面層。

常用的超濾膜材料有醋酸纖維超濾膜、聚砜超濾膜、聚砜酰胺超濾膜等。二、超濾膜材料和制備非對稱平板膜、管狀膜采用溶液澆注法中空纖維膜采用紡絲法

超濾膜裝置一般由若干超濾組件構(gòu)成。超濾過程的膜形式包括管式、板框式、卷簡式個字纖維式、薄層流道式以及平行葉片式。各種膜組件的特征及優(yōu)缺點(diǎn)見表。三、超濾膜設(shè)備

在實(shí)際使用中，究竟采用哪種組件形式，要針對膜材料和被處理液的性能而定。一般來說，當(dāng)原水含有易產(chǎn)生凝膠的溶質(zhì)或存在一定量懸濁物時，采用管式和板式組件為宜。不過，不論采用哪種形式的組件，對待超濾的原水最好都進(jìn)行一定的前處理，特別是對一些水質(zhì)較差、濁度較高的原水，均需要采取嚴(yán)格的前處理措施。例如加入某些乳化劑以防止沉淀聚結(jié)；加入絡(luò)合劑把可能形成污染的物質(zhì)絡(luò)合起來，防止它們形成沉淀；調(diào)節(jié)溶液的pH值使聚電解質(zhì)處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)等。管式平行葉片式四、超濾膜的應(yīng)用1．電泳漆回收在金屬電泳涂漆過程中，帶電荷的金屬物件浸入一個裝有帶相反電荷的涂料池內(nèi)。由于異電相吸，涂料使能在金屬表面形成一層均勻的涂層，金屬物件從池內(nèi)撈出井水洗除去隨帶出的涂料。為達(dá)到保護(hù)環(huán)境，節(jié)能閉合循環(huán)的目的，可采用超濾過程將聚合物樹脂及顏料顆粒阻留下來，而允許無機(jī)鹽、水及溶劑穿過超濾膜出去。阻留下來的組分再回至電泳漆貯罐中去，濾液用于淋洗剛從電泳漆中取出的新上漆的制件，以回收制件夾帶的多余的漆。

2．含油廢水的回收油水乳濁液在金屬機(jī)械加工過程中被廣泛用作工具和工件反復(fù)冷拔操作及金屬滾軋成形，切削操作的潤滑和冷卻，但出在使用過程中易混入金屬碎屑、菌體及清洗金屬加工表面的沖洗用水，導(dǎo)致其使用壽命非常短。單獨(dú)的油分子就其分子量而言小得可通過超濾膜，而對這些含油廢水超濾則能成功地分離出其油相，這是因?yàn)橛退缑鎻埩ψ銐蚴褂偷尾荒芡高^已被水浸濕的膜，經(jīng)過超濾后滲透液中的油濃度通常低于10g/m3，已達(dá)排放標(biāo)準(zhǔn)可排入陰溝，而濃縮液中最終含油達(dá)30％-60％可用來燃燒或它用。

3．膠束強(qiáng)化超濾(MEUF)用于合重金屬廢水的處理膠束強(qiáng)化超濾是最近發(fā)展起來的與表面活性劑技術(shù)相結(jié)合的一種超濾法。其原理如圖。在工業(yè)廢水中注入濃度高于臨界膠束濃度的表面活性劑，其疏水端向內(nèi)纏結(jié)，而帶負(fù)電的親水端排列在表面，因而使得該膠束表面帶有負(fù)電荷。廢水中的金屬陽離子由于靜電作用而吸附在上面，采用截留分子景小于膠束分子量的超濾膜，則可使金屬離子被截留。

4．乳品工業(yè)的應(yīng)用

乳品工業(yè)奶酪生產(chǎn)過程中將產(chǎn)生大量的乳清，據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅美國每年就有2500萬m3乳清產(chǎn)生，因而該領(lǐng)域成為超濾應(yīng)用的最大領(lǐng)域。如圖所示，通過超濾，可得到含蛋白質(zhì)10％的濃縮液，若將其通過噴霧干燥，可得到含蛋白質(zhì)65％的乳清粉，在面包含品中可代替脫脂奶粉。若將其進(jìn)一步脫鹽，則可得到蛋白質(zhì)含量高于80％的產(chǎn)品，可用于嬰兒食品。而含乳糖的滲透液經(jīng)濃縮十燥后可用作動物飼料。

5．果汁從蘋果中榨取的新鮮果汁，出于含有丹寧、果膠和苯酚等化合物而呈現(xiàn)混濁狀。傳統(tǒng)方法采用酶、皂土和明膠使其沉淀，然后取上清液過濾而獲得澄清的果汁。通過超濾或微濾來澄清果汁，只需先部分脫除果膠?？蓽p少酶的用量，省去皂上和明膠，節(jié)約了原材料，并且省工省時，同時果汁回收率也有所提高，達(dá)98％-99％。此外，經(jīng)超濾處理的果汁質(zhì)量也有所提高，濁度僅0.4-0.6NTU(傳統(tǒng)工藝為1.5-3.0NTU)。又因超濾可無熱除去果汁中的茵體，因而可延長果汁的保質(zhì)期。

6．中藥目前，我國衛(wèi)生部已將膜分離技術(shù)列入中藥的分離精制方法之一。超濾技術(shù)主要用于制備中藥注射液(如復(fù)方丹參注射液，茵桅黃注射液，五昧消毒飲注射液等)，提取有效成分和制備藥浸膏等方面。超濾法單獨(dú)或與活性炭、反滲透相結(jié)合還用以有效地除去細(xì)菌和熱原；制取中藥口服液(人參精口服液)，醫(yī)藥用純水制備，保健飲料。此外，超濾膜還可用于超純水制備，分離濃縮造紙廢液中的木質(zhì)素磺酸鹽等。

五、超濾的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景超濾已廣泛用于食品、醫(yī)藥、工業(yè)廢水處理、超純水制備及生物技術(shù)工業(yè)。其中最重要的是食品工業(yè)，乳清處理是其最大市場；在工業(yè)廢水處理方面應(yīng)用得最普遍的是電泳涂漆過程；在超純水制備中超濾是重要過程；城市污水處理及其他工業(yè)廢水處理以及生物技術(shù)領(lǐng)域那是超濾未來的發(fā)展方向。

反滲透是利用反滲透膜選擇性的只能透過溶劑(通常是水)而截留離子物質(zhì)的性質(zhì)，以膜兩側(cè)靜壓差為推動力，克服溶劑的滲透壓，使溶劑通過反滲透膜而實(shí)現(xiàn)對液體混合物進(jìn)行分離的膜過程。

反滲透同NF、UF、MF、GS一樣均屬于壓力驅(qū)動型膜分離技術(shù)。其操作壓差一般為1.5-10.5MPa，截留組分為(1-10)×10-10m小分子溶質(zhì)。除此之外，還可從液體混合物中去除全部懸浮物、溶解物和膠體。例如從水溶液中將水分離出來，以達(dá)到分離、純化等目的。反滲透的應(yīng)用領(lǐng)域已從早期的海水、苦咸水脫鹽淡化發(fā)展到化工、食品、制藥造紙工業(yè)中某些有機(jī)物反無機(jī)物的分離。反滲透（RO）一、反滲透膜的凈化機(jī)理滲透是一種物理現(xiàn)象。當(dāng)兩種含有不同鹽類的水，如用一張半滲透性的薄膜分開就會發(fā)現(xiàn)，含鹽量少的一邊的水分會透過膜滲到含鹽量高的水中，而所含的鹽分并不滲透，這樣，逐漸把兩邊的含鹽濃度融合到均等為止。如果在含鹽量高的水側(cè),試加一個壓力，其結(jié)果也可以使上述滲透停止，這時的壓力稱為滲透壓力。如果壓力再加大，可以使方向相反方向滲透，而鹽分剩下。因此,反滲透除鹽原理，就是在有鹽分的水中(如原水)，施以比自然滲透壓力更大的壓力，使?jié)B透向相反方向進(jìn)行，把原水中的水分子壓力到膜的另一邊，變成潔凈的水，從而達(dá)到除去水中雜質(zhì)、鹽分的目的。二、反滲透膜的分類

反滲透膜材料可分為纖維素系膜、芳香-雜環(huán)化合物系膜和復(fù)合膜

反滲透膜的主要種類及各自特點(diǎn)纖維素系膜醋酸纖維素脂醋酸纖維素丙酸脂水通量與脫鹽率與聚合物的乙?；让芮邢嚓P(guān)優(yōu)點(diǎn)：易于工業(yè)化制備，力學(xué)性能好，抗余氯等物質(zhì)的氧化性等。缺點(diǎn)：易水解、PH范圍窄(4~6)、不耐高溫(35度以下)及不耐微生物腐蝕等。反滲透膜的主要種類及各自特點(diǎn)芳香-雜環(huán)化合物系膜芳香共聚多酰胺芳香聚酰肼親水基團(tuán)增加水通量,剛性基團(tuán)交聯(lián)結(jié)構(gòu)改善膜的抗壓密性和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)點(diǎn)：克服了纖維素系膜易水解、PH范圍窄、不耐高溫及不耐微生物腐蝕等缺點(diǎn)。缺點(diǎn)：去除小分子有機(jī)溶劑方面，性能不是很理想。反滲透膜的主要種類及各自特點(diǎn)復(fù)合膜RC100/PA300復(fù)合膜將超薄的皮層經(jīng)不同方法附載在微孔支撐層上復(fù)合而成的膜克服了上述兩種膜的缺點(diǎn)，性能大幅度提高。四、反滲透膜的制備方法一、相轉(zhuǎn)化法

使均相制膜液中的溶劑蒸發(fā)，或在制膜液加入非溶劑，或使制膜液中的高分子熱凝固，都可以便制膜液由液相轉(zhuǎn)變成固相。這種相轉(zhuǎn)化的工藝，可以制作不對稱結(jié)構(gòu)的反滲透膜和超濾膜，也可以制作對稱結(jié)構(gòu)或非對稱的微孔濾膜。L-S型制膜工藝：

(1)高分子材料溶于溶劑中，并加入添加劑，配成制膜液；

(2)制膜液通過流涎法制成平板型、圓管型，或用紡絲法制成小空纖維型；

(3)使膜中的溶劑部分蒸發(fā)；

(4)將膜浸漬在對高分子是非溶劑的液體中(最常用的是水)，液相的膜在液體中便凝膠固化；

(5)進(jìn)行熱處理，對非醋酸纖維素膜，如芳香聚酰胺膜，一般不需要熱處理；

(6)膜的預(yù)壓處理。二、復(fù)合法

由于不對稱膜的過渡層極易壓密，這對壓力驅(qū)動膜來說是一嚴(yán)重的缺陷，從而提出了復(fù)合膜的概念，即用堅(jiān)韌的材料制備支撐基體，用高脫鹽的材料制備超薄層，這樣就可使兩者分別最佳化。五、反滲透膜的分離裝置1.實(shí)驗(yàn)室膜分離裝置2.工業(yè)膜分離裝置各種膜分離裝置主要包括膜組件和泵。目前工業(yè)上常用的反滲透膜組件形式主要有板框式、管式、螺旋卷式及中空纖維式等四種類型。六、反滲透膜的應(yīng)用反滲透技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用主要是苦咸水和海水淡化。純水制備及生活用水處理。難于用其他方法分離的混合物，例如合成或天然聚合物。對于制造受熱易分解的產(chǎn)品以及化學(xué)廠不穩(wěn)定的產(chǎn)品，例如生物制品、藥品以及食品等，來說有特殊的興趣，在這些制品的生產(chǎn)中若采用傳統(tǒng)的凈化與分離方法常常會導(dǎo)致產(chǎn)品的損失或味道的破壞。隨著反滲透膜的高度功能化和反滲透應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)，反滲透這一從海水淡化開始的膜技術(shù)也逐漸滲透到食品、醫(yī)藥、化工等部門的分離、精制、濃縮操作等方面。七、我國反滲透膜的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀反滲透膜，其原材料被國外化學(xué)巨頭所壟斷，目前全球被美、日、西歐等少數(shù)國家壟斷，國內(nèi)市場主要被美國陶氏化學(xué)、科氏、海得能、日東電工、日本旭化成以及日本東麗等幾家公司瓜分，國內(nèi)從事于反滲透膜的企業(yè)有一兩家，但目前還沒有一家能形成產(chǎn)業(yè)化，性能和國外的膜無法相比。我國反滲透膜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景經(jīng)測算，到2010年，我國城市污水處理率將達(dá)70%以上，膜市場需求將高達(dá)200億元，而且還將以年20%的速度遞增。

納濾(NF)是介于反滲透與超濾之間的一種壓力驅(qū)動型膜分離技術(shù)。它具有兩個特性：1.對水中的分子量為數(shù)百的有機(jī)小分子成分具有分離件能；2.對于不同價態(tài)的陰離子存在Donnan效應(yīng)，物料的荷電性。離子價數(shù)和濃度對胺的分離效應(yīng)有很大影響。納濾主要用于飲用水和工業(yè)用水的純化，廢水凈化處理，工藝流體中有價值成分的冰縮等方面，其操作壓差為0.5-2.0MPa(或0.345-1.035MPa)，截留分子量界限為200-1000(或200-500)，分子大小約為1nm的溶解組分的分離。納濾（NF）膜表面形態(tài)的示意圖一、荷電納濾膜電荷排斥效應(yīng)分離示意圖

納濾膜一個很大特征就是具電荷效應(yīng)(Donnan效應(yīng))，是指大多數(shù)膜表面存在帶電基團(tuán)，而且一般是負(fù)電荷。通過帶電基團(tuán)靜電相互作用，納濾膜可以阻礙多價離子的滲透，這就是納濾膜在很低壓力下仍具有較高脫鹽性能的重要原因。二、國內(nèi)外納濾技術(shù)的發(fā)展概況

納濾(NF)膜的研究始于20世紀(jì)70年代，美國Filmtec公司在20世紀(jì)80年代中期相繼開發(fā)出NF-40、NF-50、NF-70等型號的納濾膜。由于市場廣闊，各國紛紛立項(xiàng)，許多公司如美國的Osmonics公司、FluidSystems公司、日本電工、東麗公司等組織力量投入到開發(fā)納濾技術(shù)的領(lǐng)域中。納濾膜材料有醋酸纖維素、芳香聚酰胺、磺化聚醚砜等，膜品種不斷增加，并且已經(jīng)系列化；納濾膜的分離性能也不斷提高，對NaCI的脫除率可從5％～10％一直到65％。

我國從20世紀(jì)90年代初期開始了納濾膜的研究。近十幾年來我國在納濾膜的研制、納濾膜分離特性和納濾膜技術(shù)的應(yīng)用研究等方面做了大量的工作，取得了較顯著的進(jìn)展，并在海島高硬度苦咸水淡化和制藥工業(yè)等領(lǐng)域已實(shí)際應(yīng)用，為促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了較大的貢獻(xiàn)。

與國外納濾膜技術(shù)相比，我國納濾膜技術(shù)尚有較大的差距。首先還沒有高性能商品化納濾膜和高性能大型(如8英寸)納濾膜組器，其次納濾膜技術(shù)應(yīng)用還停留在小型試驗(yàn)和工業(yè)性試驗(yàn)階段。納濾膜的材料基本上和反滲透膜材料相同，主要有CA(醋酸纖維素)、CA-CTA(醋酸纖維素-三醋酸纖維素)、磺化聚醚砜材料和芳香族聚酞胺材料以及無機(jī)材料等。目前，應(yīng)用最廣泛的是芳香族聚酰胺復(fù)合膜。納濾膜的制備工藝和反滲透膜相同，有相轉(zhuǎn)化法、稀溶液涂層法、界面聚合法、熱誘導(dǎo)相轉(zhuǎn)化法、化學(xué)改性法、等離子聚合法和無機(jī)膜用的溶液-凝膠法等。其中，目前應(yīng)用的人大三、納濾膜材料和制備1.超濾膜轉(zhuǎn)化法

納濾膜的表層較超濾膜的數(shù)密，故可以調(diào)節(jié)制膜工藝條件先制得較小孔徑的超濾膜，然后對該膜進(jìn)行熱處理、荷電化等后處理值膜表層致密化。而得到具納米級表層孔的納米膜。2.共混法該方法是將兩種或兩種以上的高聚物進(jìn)行液相共混，在相轉(zhuǎn)化成膜時，由于它們之間以及它們在鑄膜液中溶劑與添加刑的的相容性差異，影響膜表層網(wǎng)絡(luò)孔，膠束聚集體孔及相分離孔的孔徑大小及分布，通過合理調(diào)節(jié)鑄膜液中各組分的相容性差異及研究上藝條件對相容性的影響，制出具納米級表層孔徑的合金納濾膜。3.復(fù)合法復(fù)合法是目前用得最多也是很有效的制各納濾膜的入法，該方法就是在微孔基膜上，復(fù)合上一層具納米級孔徑的超薄表層。它包括微孔基膜的制備和超薄表層的制備膠復(fù)合。4.荷電法荷電化法是制備納濾膜的重要方法、膜通過荷電化不僅可提高膜的耐壓密性，耐酸堿性及抗污染性，而且可以調(diào)節(jié)膜表層的疏松程度，向時利用道南離子效應(yīng)分離不同價數(shù)的離子，大大提高膜材料的親水性，制得高水通量的納濾膜。四、納濾膜應(yīng)用納濾膜主要應(yīng)用領(lǐng)域：硬水軟化水處理，如電鍍廢水處理、印染廢水處理等生物制藥，如多肽、氨基酸等的分離提純等Fig.1-2Solution-diffusionmodelofthepervaporationFig.1-1Processflowdiagramofthepervaporation

高效、節(jié)能、簡單、無污染共沸物或近沸物系、同分異構(gòu)體、有機(jī)溶液中微量水的脫除滲透汽化（PV）滲透汽化膜分離技術(shù)的應(yīng)用有機(jī)溶劑脫水水中脫除有機(jī)物有機(jī)混合物分離化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用恒沸物及沸點(diǎn)相近混合物最有希望取代精餾的技術(shù)節(jié)能效益不可估量酯化反應(yīng)中脫除反應(yīng)生成水提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物中產(chǎn)品的濃度，很有實(shí)際意義工業(yè)廢水或被污染地下水食品、飲料及化妝品最有意義的研究方向乙醇-水最早工業(yè)應(yīng)用體系滲透汽化膜材料優(yōu)點(diǎn)：制作簡單，品種多，膜適使面積大缺點(diǎn)：通量小，機(jī)械強(qiáng)度差，不耐高溫、酸、堿、有機(jī)溶劑