第九章膜分離

第九章膜分離過程前言一、膜分離技術(shù)1、膜分離的定義

借助于膜而實(shí)現(xiàn)各種分離的過程稱之為膜分離。利用半透膜作為選擇障礙層，允許某些組分透過而保留混合物中其它組分，從而達(dá)到分離目的。（1）微濾篩分原理，截留直徑為0.05-10μm大小的粒子膜孔徑：0.05—10μm，

壓力：005—0.5MPa

2、膜分離技術(shù)的分類它是利用孔徑大于0.02μm直到l0μm的多孔膜來過濾含有微?；蚓w的溶液，將其從溶液中除去，微濾應(yīng)用領(lǐng)域極其廣闊，目前的銷售額在各類膜中占據(jù)首位。2、膜分離技術(shù)的分類（2）超濾基本為篩分原理，有時(shí)受粒子荷電性及其與荷電膜相互作用的影響。截留分子量從3000－1,000,000Da的可溶性大分子物質(zhì)；膜孔徑：0.001-0.05μm

壓力：0.1-1MPa應(yīng)用孔徑為10?到200?(1?＝)的超過濾膜來過濾含有大分子或微細(xì)粒子的溶液，使大分子或微細(xì)粒子從溶液中分離的過程稱之為超濾。與反滲透類似，超濾的推動(dòng)力也是壓差，在溶液側(cè)加壓，使溶劑透過膜。超濾膜一般由高分子材料和無機(jī)材料制備，膜的結(jié)構(gòu)均為非對稱的。超濾用于從水溶液中分離高分子化合物和微細(xì)粒子，采用具有適當(dāng)孔徑的超濾膜，可以用超濾進(jìn)行不同分子量和形狀的大分子物質(zhì)的分離。（3）反滲透基于溶解擴(kuò)散（一說是毛細(xì)孔流學(xué)說），在高于溶液滲透壓的壓力作用下，只有水透過，所有大分子、小分子有機(jī)物、無機(jī)鹽被全部截留。理想的反滲透膜應(yīng)視為無孔。膜孔徑：0.1-1nm

壓力：1-10MPa2、膜分離技術(shù)的分類

反滲透是利用反滲透膜選擇性地只能透過溶劑(通常是水)的性質(zhì)，對溶液施加壓力，克服溶劑的滲透壓，使溶劑通過反滲透膜而從溶液中分離出來的過程。反滲透可用于從水溶液中將水分離出來，海水和苦咸水的淡化是其最主要的應(yīng)用，但目前也在向其它應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展。反滲透膜均用高分子材料制成，已從均質(zhì)膜發(fā)展至非對稱復(fù)合膜，膜的制備技術(shù)相對比較成熟，其應(yīng)用亦十分廣泛。（4）電滲析陰陽離子交換膜被交替排列在正負(fù)極之間，形成許多獨(dú)立小單元，當(dāng)含離子溶液在電場下通過這些單元時(shí)，在電位差作用下，一些單元因離子透過正負(fù)離子交換膜進(jìn)入其它單元而變成脫鹽水。而另一些單元接收離子加上其內(nèi)部的離子生成濃鹽水。2、膜分離技術(shù)的分類

電滲析它是基于離子交換膜能選擇性地使陰離子或陽離子通過的性質(zhì)，在直流電場的作用下使陰陽離子分別透過相應(yīng)的膜以達(dá)到從溶液中分離電解質(zhì)的目的，目前主要用于水溶液中除去電解質(zhì)(如鹽水的淡化等)、電解質(zhì)與非電解質(zhì)的分離和膜電解等。（5）滲透蒸發(fā)1）膜根據(jù)與有機(jī)液體中各組分親和力的不同，優(yōu)先吸附某一組分；2）有機(jī)液體中各組分在膜中擴(kuò)散的速度是不同的?；诖?，達(dá)到組分分離。由于不存在蒸餾法中共沸點(diǎn)的限制，所以可以連續(xù)分離、濃縮，直至得到純有機(jī)物。2、膜分離技術(shù)的分類

滲透蒸發(fā)是利用膜對液體混合物中組分的溶解和擴(kuò)散性能的不同來實(shí)現(xiàn)其分離的新型膜分離過程，近二十年來對滲透汽化過程進(jìn)行了比較廣泛的研究，用滲透汽化法分離工業(yè)酒精制取無水酒精已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，并在其它共沸體系的分離中也展示了良好的發(fā)展前景。預(yù)計(jì)滲透汽化與氣體膜分離可能成為二十一世紀(jì)化工分離過程中的重要技術(shù)。2、膜分離技術(shù)的分類（6）氣體膜分離氣體膜分離是利用氣體組分在膜內(nèi)溶解和擴(kuò)散性能的不同，即滲透速率的不同來實(shí)現(xiàn)分離的技術(shù)，目前高分子氣體分離膜已用于氫的分離，空氣中氧與氮的分離等，具有很大的發(fā)展前景。無機(jī)膜也已用于超純氫制備等領(lǐng)域，并有可能在高溫氣體分離領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。2、膜分離技術(shù)的分類（7）其它膜分離過程

其它膜分離過程尚有：膜蒸餾、膜萃取、膜分相、支撐液膜、生物膜分離等，均是新近發(fā)展起來的新過程，少量已在工業(yè)上應(yīng)用，但大都處于研究開發(fā)階段。二、歷史

1748AbbleNelkt年發(fā)現(xiàn)水可以自發(fā)地?cái)U(kuò)散進(jìn)入裝有酒精的豬膀胱內(nèi)的膜滲透現(xiàn)象，首次揭示了膜分離現(xiàn)象。人們發(fā)現(xiàn)動(dòng)植物體的細(xì)胞膜是一種理想的半透膜，即對不同質(zhì)點(diǎn)的通過具有選擇性，生物體正是通過它進(jìn)行新陳代謝的生命過程。二、歷史30年代開發(fā)微孔過濾，40年代為透析；50年代為電滲析；60年代為反滲透（或稱高濾）；70年代為超濾和液膜；80年代為氣體分離；90年代為滲透汽化或稱滲透蒸發(fā)。

二、歷史膜分離作為一門新型分離技術(shù)得到迅速發(fā)展是在1960年以后的30年。

Martin在60年代初研究反滲透脫鹽時(shí)發(fā)現(xiàn)了具有分離選擇性的人造液膜，他把百分之幾的聚乙烯甲醚加入鹽水進(jìn)料中，結(jié)果在醋酸纖維膜和鹽溶液之間的表面上形成了一張液膜。二、歷史60年代中，美籍華人黎念之博士在用DuNuoy環(huán)法測定表面張力觀察到皂草甙表面活性劑的水溶液和油作實(shí)驗(yàn)時(shí)能形成很強(qiáng)的能夠掛住的界面膜，從而發(fā)現(xiàn)了不帶固膜支撐的新型液膜。這種新型液膜可以制成乳狀液，膜很薄且面積大，因此處理能力比固膜和支撐性液膜大得多，這一重大技術(shù)發(fā)現(xiàn)奠定了液膜技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。1950年，W．Juda首次發(fā)表了合成高分子離子交換膜，膜現(xiàn)象的研究才由生物膜轉(zhuǎn)入到工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，合成了各種類型的高分子離子交換膜。二、歷史

固態(tài)膜經(jīng)歷了50年代的陰陽離子交換膜；60年代初的一二價(jià)陽離子交換膜；60年代末的中空纖維膜；70年代的無機(jī)陶瓷膜。四個(gè)發(fā)展階段，形成了一個(gè)相對獨(dú)立的學(xué)科。

三、應(yīng)用

應(yīng)用領(lǐng)域：

膜分離的工業(yè)應(yīng)用已使海水淡化、燒堿生產(chǎn)、乳品加工等多種傳統(tǒng)的生產(chǎn)面貌發(fā)生了根本性的變化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1990年世界膜及裝置的市場總銷售量達(dá)72.94億美元，是1980年的5.5倍。膜分離技術(shù)已經(jīng)形成了一個(gè)相當(dāng)規(guī)模的工業(yè)技術(shù)體系。三、應(yīng)用電滲析、反滲透、超濾、微孔過濾和氣體分離是目前比較成熟、已經(jīng)在工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用的膜分離技術(shù)。反滲透適用于除去水溶液中的離子及分子量為幾百的小分子溶質(zhì)；超濾主要用于截留各種蛋白質(zhì)；微孔過濾用于除菌四、膜分離發(fā)展的原因1、由于有堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)理論研究的積累。相繼提出了化學(xué)浸透壓學(xué)說、氣體膜透過的機(jī)理、膜孔徑的理論、滲透壓理論、以及生物膜等有關(guān)學(xué)說，如膜平衡概念、細(xì)胞膜電位理論、雙分子層排列理論，即蛋白質(zhì)—脂肪—蛋白質(zhì)的三夾板模型、定電位學(xué)說以及雙電層理論解釋膜的選擇透過性等等。

2、近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為分離膜材料的研究提供了良好基礎(chǔ)：高分子科學(xué)的進(jìn)展為膜分離技術(shù)提供了具有各種分離特性的合成高分子膜材料；

電子顯微鏡等近代分析技術(shù)的進(jìn)展為分離膜的結(jié)構(gòu)和分離機(jī)理的研究提供了有效的手段，從而使分離膜能迅速地由均質(zhì)膜、非對稱膜發(fā)展到復(fù)合膜，不斷地創(chuàng)造出適合于不同分離對象的各種類型性能良好的分離膜。3、現(xiàn)代工業(yè)迫切需要節(jié)能、低品位原料再利用和能消除環(huán)境污染的生產(chǎn)新技術(shù)。而大部分膜分離過程是最節(jié)能的分離方法，水資源再生、低品位原材料的回收與再利用以及環(huán)境保護(hù)（污水及廢氣處理）也都與膜分離過程密切相關(guān)。五、現(xiàn)狀1、國外現(xiàn)狀

膜分離技術(shù)一直受到各國的高度重視。許多國家建立了與膜分離技術(shù)開發(fā)密切相關(guān)的政府管理機(jī)構(gòu)。近年來并從戰(zhàn)略的高度加強(qiáng)了投資。日本政府1985-1990年間的科研投資為5600萬美元。歐洲共同體將膜技術(shù)列為9個(gè)優(yōu)先發(fā)展的課題之一，僅水處理一項(xiàng)每年就投資3億法郎。美國一些大公司，如Monsanto、Dow、Dupont、Allied等，都已對膜分離技術(shù)的開發(fā)計(jì)劃做出了相應(yīng)的調(diào)整，增加了投資，加快了步伐。2、國內(nèi)現(xiàn)狀

我國在1958年開始研究離子交換膜和電滲析，1966年開始研究反滲透，隨后相繼開展了超濾、微孔過濾、液膜、氣體分離等膜分離過程研究、應(yīng)用與開發(fā)。80年代又陸續(xù)開展了滲透汽化、膜萃取、膜蒸餾和膜反應(yīng)等新膜過程的研究。

離子交換膜和電滲析是我國最成熟的一項(xiàng)膜分離技術(shù)。從實(shí)驗(yàn)室研究到工業(yè)化生產(chǎn)，目前已在我國形成一項(xiàng)新的技術(shù)產(chǎn)業(yè)。據(jù)1988年統(tǒng)計(jì)，我國離子交換膜產(chǎn)量已達(dá)2.9×105m2，電滲析器年產(chǎn)量750余臺(tái)，年總產(chǎn)值約為5000萬元。反滲透、超濾和微孔過濾膜分離技術(shù)在我國的研究、應(yīng)用和生產(chǎn)情況各不相同。國產(chǎn)管式反滲透裝置主要用于電鍍漂洗水處理。近年來，以醋酸纖維素膜8吋（1吋=2.54cm）卷式組件為主的國產(chǎn)反滲透膜組件和裝置已開始在電廠鍋爐供水預(yù)脫鹽和電子級超純水制備中代替進(jìn)口組件和裝置。國產(chǎn)管式、板式、中空纖維和卷式超濾以及折摺式微孔濾膜組件和裝置已經(jīng)在我國工業(yè)廢水處理、一般的生物制品濃縮分離、食品工業(yè)和醫(yī)藥衛(wèi)生等方面較廣泛地應(yīng)用。但是，在一些高難度和高產(chǎn)值領(lǐng)域（例如：17兆歐以上超純水制備，干擾素分離濃縮等）仍以進(jìn)口的超濾和微孔過濾膜和組件為主。氣體分離是我國80年代初開展的一項(xiàng)膜分離技術(shù)。10年內(nèi)取得了長足的進(jìn)展：圍繞N2-H2和N2-O2分離開展了多種有機(jī)高分子膜材料和制膜工藝的研究，并研制成中空纖維、卷式和平板組件。在從合成氨尾氣回收氫和石油裂化氣回收氫、膜富氧裝置用于醫(yī)療保健以及玻璃熔爐富氧助燃等方面都已取得良好效果。六、優(yōu)點(diǎn)：1、設(shè)備簡單，化學(xué)與機(jī)械強(qiáng)度最小，減少失活2、操作方便，可在室溫、低溫下操作，適宜于對敏感物質(zhì)分離濃縮3、無相變：節(jié)省能源4、選擇性好，可在分離、濃縮的同時(shí)部分純化5、處理效率高，設(shè)備易于放大6、回收率高7、系統(tǒng)密閉循環(huán)，無外加化學(xué)物，透過液可循環(huán)使用，節(jié)省成本，減少污染。1、液體中可能存