膜與膜過程第一章序論年

膜與膜過程第一章序論年參考資料（續(xù)）RichardW.Baker,MEMBRANETECHNOLOGYANDAPPLICATIONS,SecondEdition.JohnWiley&Sons,Ltd.2004S.P.NunesandK.-V.Peinemann，MembraneTechnologyintheChemicalIndustry,Wiley-VCHVerlagGmbH,2001【德】RRantenbuch王樂夫譯，膜工藝——組件和裝置設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998膜科學(xué)與技術(shù)水處理技術(shù)JournalofMembraneScienceDesalinationSeparationandPurificationTechnologyJournalofAppliedPolymerScience第2頁,共69頁，2024年2月25日，星期天課程主要內(nèi)容1、膜與膜過程概述2、膜材料、制備3、膜的表征4、濃差極化與膜污染5、膜傳遞過程6、反滲透與納濾7、超濾與微濾8、膜器與過程設(shè)計(jì)第3頁,共69頁，2024年2月25日，星期天第一章概論

1.Introduction1.1膜和膜分離過程的特征膜過程是新興的多學(xué)科交叉的高技術(shù)。膜材料-高分子化學(xué)和無機(jī)化學(xué)膜制備、過程的分離特性-物理化學(xué)與數(shù)學(xué)膜過程的流體力學(xué)、傳熱、傳質(zhì)與化學(xué)動(dòng)力學(xué)-化學(xué)工程膜應(yīng)用-涉及生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、食品、石油、環(huán)保等領(lǐng)域第4頁,共69頁，2024年2月25日，星期天膜的定義film–thincoatingorcoveringmembrane（1）具有選擇透過性的一層薄層物質(zhì)。（側(cè)重分離性能）（2）把兩相分開的一層物質(zhì)，通過該層物質(zhì)可以有其它物質(zhì)的傳遞。廣義：兩相之間的一個(gè)不連續(xù)區(qū)間，這個(gè)區(qū)間的三維量度中的一度和其余兩度相比要小得多。膜可以是固相、液相，甚至是氣相的。大多數(shù)分離膜為固相。目前，無論從產(chǎn)量、產(chǎn)值、品種、功能或應(yīng)用對(duì)象來講，固膜都占99%以上。第5頁,共69頁，2024年2月25日，星期天膜分離過程與化工分離過程的依據(jù)常見化工分離過程：根據(jù)混合物中組分在某種性質(zhì)上的差別精餾、蒸發(fā)、干燥-揮發(fā)性（或蒸汽壓）不同吸附、吸收-親和性不同萃取、結(jié)晶、吸收-溶解性不同電泳-電荷不同過濾-顆粒大小不同沉降-重力不同（顆粒大小，密度不同）離心分離-密度不同第6頁,共69頁，2024年2月25日，星期天膜分離過程依據(jù)的物性差別依分子大小的差別：如微濾（MF），超濾（UF），反滲透（RO），氣體分離（GS）等依電荷的差別：如電滲析（ED），膜燃料電池，膜電解，雙極膜過程，納濾（NF）等依與膜的親和性或溶解性的差別，如MF，部分UF，RO，液膜過程，GS，以滲透氣化（PV）等蒸氣壓不同，如膜蒸餾（MD）第7頁,共69頁，2024年2月25日，星期天膜過程的特點(diǎn)高效的分離過程重力分離最小極限為μm，而膜可做到分子量為幾千、幾百甚至幾十的分離；和擴(kuò)散相比，蒸餾過程相對(duì)揮發(fā)度是個(gè)位數(shù)，而滲透汽化的分離系數(shù)為幾百以上。能耗通常較低。原因：膜過程基本上不發(fā)生相變化，過程在室溫附近進(jìn)行。沒有運(yùn)動(dòng)部件，維護(hù)量少，可靠性高。規(guī)模和處理能力可以在很大范圍內(nèi)變化，而效率、設(shè)備單價(jià)、運(yùn)行費(fèi)用等都變化不大。第8頁,共69頁，2024年2月25日，星期天1.2膜和膜過程的發(fā)展歷史1784年，Nollet看到水能自發(fā)地穿過豬膀胱進(jìn)入酒精溶液，發(fā)現(xiàn)了滲透現(xiàn)象。1827，Dutrochet引入名詞滲透（Osmosis）；1831，J.v.Mithell從事氣體透過橡膠膜的研究；1855，F(xiàn)ick提出擴(kuò)散定律，制備了早期的人工半滲透膜；1861-1866，Graham發(fā)現(xiàn)滲析現(xiàn)象；1860-1877，Vant's,Hoff等人提出和完善了滲透壓力定律;1911,Donnan提出了分子帶電體的電荷分布及電平衡現(xiàn)象;膜科學(xué)發(fā)展史第9頁,共69頁，2024年2月25日，星期天膜科學(xué)發(fā)展史（續(xù)）1917，Kober引入名詞滲透汽化（pervaporation）；1922，Zsigmondy等將微孔膜用于分離極細(xì)粒子；1930，Teorell對(duì)膜電勢(shì)的研究，為電滲析和膜電極打下基礎(chǔ)1944，WillanKolff首次成功使用人工腎1950，Juda,Mcrea合成膜的研究，發(fā)明了電滲析；1960，Loeb-Sourirajan相轉(zhuǎn)化法合成反滲透非對(duì)稱膜；1968，N.N.Li（黎念之）發(fā)明液膜1980，Cadotte發(fā)明界面聚合復(fù)合膜....第10頁,共69頁，2024年2月25日，星期天1.3膜的分類按材料分：天然膜（生物膜、天然物質(zhì)改性或再生而制成的膜）合成膜（無機(jī)膜，高分子膜）按膜結(jié)構(gòu)分：固膜分為對(duì)稱膜和非對(duì)稱膜兩大類，固膜也可分為多孔膜（微孔介質(zhì)，大孔膜）和非多孔膜（無機(jī)膜，聚合物膜）兩類。液膜（乳化液膜、支撐液膜）第11頁,共69頁，2024年2月25日，星期天對(duì)稱膜均相微孔膜無孔致密膜荷電膜非對(duì)稱膜支撐液膜第12頁,共69頁，2024年2月25日，星期天第13頁,共69頁，2024年2月25日，星期天卷式膜元件第14頁,共69頁，2024年2月25日，星期天中空纖維膜元件第15頁,共69頁，2024年2月25日，星期天管式膜及裝置第16頁,共69頁，2024年2月25日，星期天膜的分類（續(xù)）按用途分：氣相系統(tǒng)、氣液系統(tǒng)、液液系統(tǒng)、氣固系統(tǒng)、液固系統(tǒng)、固固系統(tǒng)按膜的作用機(jī)理分：吸附性膜（多孔膜，反應(yīng)膜）擴(kuò)散性膜（聚合物膜，金屬膜，玻璃膜）離子交換膜（陽離子交換樹脂膜，陰離子交換樹脂膜）選擇滲透膜（滲透膜，反滲透膜，電滲析膜）非選擇性膜（加熱處理的微孔玻璃，過濾型的微孔膜。第17頁,共69頁，2024年2月25日，星期天1.4膜過程及應(yīng)用

1.4.1膜過程1膜分離過程特點(diǎn)：（1）兩主體相不直接接觸（2）膜兩側(cè)形成兩個(gè)相界面（3）兩主體相可互溶也可不互溶2膜接觸過程特點(diǎn)：（1）使用微孔或大孔膜（2）膜主要起著固定兩種互不相溶的主體液相界面的作用（3）這兩種主體液相在膜孔內(nèi)或在膜/主體相邊界處直接接觸。3膜反應(yīng)器：一般膜反應(yīng)器，膜生物反應(yīng)器….第18頁,共69頁，2024年2月25日，星期天血色素流感病毒假單胞菌葡萄狀球菌淀粉第19頁,共69頁，2024年2月25日，星期天1.4.2膜過程簡介

1.反滲透（ReverseOsmosis)半透膜：能夠讓溶液中一種或幾種組分通過而其他組分不能通過的選擇性膜。滲透：當(dāng)用半透膜隔開純?nèi)軇┖腿芤簳r(shí)，純?nèi)軇┩ㄟ^膜向溶液相有一個(gè)自發(fā)的流動(dòng)，這一現(xiàn)象稱為滲透。滲透壓：若在溶液一側(cè)加壓（外壓力或重力）以阻止溶劑的流動(dòng)，則滲透速度將下降，當(dāng)壓力增加到使?jié)B透完全停止，則達(dá)到了滲透平衡，這一平衡壓力稱為滲透壓。反滲透：若在溶液一側(cè)進(jìn)一步增加壓力，引起溶液中的溶劑反向滲透流動(dòng)，這一過程通常叫反（逆）滲透（ReverseOsmosis）。原理示意圖第20頁,共69頁，2024年2月25日，星期天Basicprinciplesof……ReverseOsmosis(RO)第21頁,共69頁，2024年2月25日，星期天反滲透的歷史1748年AbbeNollet發(fā)現(xiàn)滲透現(xiàn)象。1860-1877VantHoff建立了稀溶液的完整理論。J.W.Gibbs提供了認(rèn)識(shí)滲透壓及它與其他熱力學(xué)性質(zhì)關(guān)系的理論。1953年，C.E.Raid建議美國內(nèi)務(wù)部，把反滲透的研究納入國家計(jì)劃。1960年S.Loab和S.Sourirajan制得世界上第一張高脫鹽率、高通量的不對(duì)稱乙酸纖維素（CA）反滲透膜。1970年美國DuPont公司推出由芳香聚酰胺中空纖維制成的”Permasep”B-9滲透器，主要用于苦咸水淡化。卷式反滲透膜元件由UOP公司成功推出。1980年FilmTec公司推出性能優(yōu)異、實(shí)用的FT-30復(fù)合膜。80年代末高脫鹽率的全芳香族聚酰胺復(fù)合膜工業(yè)化。90年代超低壓高脫鹽率的全芳香族聚酰胺復(fù)合膜開發(fā)進(jìn)入市場(chǎng)。第22頁,共69頁，2024年2月25日，星期天超薄脫鹽層(約:2000埃)剛性支撐層(約:50μm)支撐織物(約:110μm)反滲透復(fù)合膜和剖面結(jié)構(gòu)示意圖第23頁,共69頁，2024年2月25日，星期天反滲透的國外發(fā)展概況世界各國高度重視反滲透復(fù)合膜的研究開發(fā)1980年，實(shí)現(xiàn)商品化生產(chǎn)；標(biāo)致性專利：US4277344（Dow公司的J.Cadotte發(fā)明）美國：Dow、Hydranautics、GE、Trisep日本：日東電工、東麗、東洋紡膜品種：海水、苦咸水、自來水、低壓和超低壓、抗污染等第24頁,共69頁，2024年2月25日，星期天我國研究開發(fā)現(xiàn)狀國家重視：863計(jì)劃、973計(jì)劃、科技攻關(guān)項(xiàng)目近二十年的研究開發(fā)在膜與膜材料、膜和元件制備技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等方面取得了一批成果建成了兩條反滲透復(fù)合膜生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)差距：膜品種單一、性能偏低第25頁,共69頁，2024年2月25日，星期天反滲透的特點(diǎn)：將水（溶劑）與離子（小分子）分離的膜過程。高效節(jié)能，過程無相變，一般不需加熱，工藝簡單，操作方便，應(yīng)用廣泛。應(yīng)用：苦咸水和海水的淡化，純水和超純水的制備，工業(yè)用水的處理，飲用水凈化，醫(yī)藥、食品、化工等工業(yè)料液處理和濃縮，以及廢水處理等。2001年世界上海水淡化裝置的產(chǎn)水量超過2.0×107m3/d，達(dá)到相當(dāng)于4000萬~8000萬人生活用水的規(guī)模。其中蒸餾法產(chǎn)水量占77%，反滲透法產(chǎn)水量占22%。第26頁,共69頁，2024年2月25日，星期天十年來世界范圍內(nèi)主要的反滲透海水淡化廠地點(diǎn)容量(MGD)TampaBay25TrinidadandTobago28.8Almeria,Spain13.2LasPalmas,Telde9.2Larnaca,Cyprus14.3Murcia,Spain17.2PalmadeMallorca16.6Dhekelia,Cyprus10.6Marbeilla,Spain14.5Carboneras,Spain32阿什克隆，以色列33萬噸/天第27頁,共69頁，2024年2月25日，星期天每噸蒸汽的產(chǎn)水量，相當(dāng)于造水比噸水耗汽量0.1250.08第28頁,共69頁，2024年2月25日，星期天GlobaltrendofnewROmembraneandsysteminseawaterdesalination第29頁,共69頁，2024年2月25日，星期天2.納濾（Nanofiltration)納濾是介于超濾和反滲透之間的一種壓力驅(qū)動(dòng)型新型膜分離過程，是當(dāng)今膜分離技術(shù)研究與開發(fā)的熱點(diǎn)之一。納濾的研究可追溯到20世紀(jì)70年代J.E.Cadotte對(duì)N系列膜的開發(fā)。也稱為”疏松型反滲透膜（LooseReverseOsmosisMembrane）。特點(diǎn)：①具有納米級(jí)的孔徑，對(duì)有機(jī)物的相對(duì)分子截留范圍（MWCO）為200~2000；②膜表面一般帶電荷，對(duì)不同價(jià)態(tài)的離子具有不同的選擇透過性，對(duì)二價(jià)和高價(jià)離子具有較高的截留率，而對(duì)一價(jià)離子的截留率不高；③操作壓力低，一般低于1.0MPa.第30頁,共69頁，2024年2月25日，星期天給水處理：凈化和軟化應(yīng)用。納濾膜在分離和去除離子以及分子量相對(duì)較低的有機(jī)物方面具有獨(dú)特的特點(diǎn)。世界上最大的納濾處理飲用水工程：法國34MGD，其中NF為14MGD第31頁,共69頁，2024年2月25日，星期天3.超濾（Ultrafiltration，UF）超濾是一種從溶液中分離大粒子溶質(zhì)的膜分離過程。超濾膜具有選擇透過的特點(diǎn)。超濾過程：在一定壓力（0.1~0.6MPa）作用下，料液中含有的溶劑及各種小的溶質(zhì)從高壓料液側(cè)透過超濾膜到達(dá)低壓側(cè)，從而得到透過液或稱為超濾液，而尺寸比膜孔（10to1000A°）大的溶質(zhì)分子被膜截留成為濃縮液。第32頁,共69頁，2024年2月25日，星期天超濾特點(diǎn)：①與RO、NF相及MF相似，屬于壓力驅(qū)動(dòng)分離過程；②超濾膜的分離范圍為相對(duì)分子質(zhì)量500~500,000Dalton的大分子物質(zhì)和膠體物質(zhì)，相對(duì)應(yīng)粒子的直徑為0.002~0.1μm；③其分離機(jī)理一般認(rèn)為是機(jī)械篩分原理；④無相變，能耗低，約為蒸發(fā)法或冷凍法的1/2~1/3，可在常溫下操作，適合熱敏性物系的分離；⑤操作壓力低。用途：料液澄清、溶質(zhì)的截留濃縮以及溶質(zhì)之間的分離。第33頁,共69頁，2024年2月25日，星期天4.微濾（Microfiltration，MF）微濾是以靜壓差為推動(dòng)力，利用膜的“篩分”作用進(jìn)行分離的膜分離過程。微孔濾膜具有比較整齊、均勻的多孔結(jié)構(gòu)。每平方厘米和微孔數(shù)為107~1011個(gè)。用相轉(zhuǎn)化法制得的高聚物微濾膜，孔隙率可達(dá)70%。被分離粒子的直徑范圍為0.08~10μm。第34頁,共69頁，2024年2月25日，星期天常見壓力驅(qū)動(dòng)膜的對(duì)比微濾膜

0.1到10微米細(xì)菌和微細(xì)的懸浮固體超濾膜

0.005到0.05微米,乳化油,顏色,膠體納濾膜0.0005到0.005微米糖,染料,表面活性劑,礦物質(zhì)反滲透膜0.0001到0.001微米

鹽,金屬離子,礦物質(zhì)純水第35頁,共69頁，2024年2月25日，星期天第36頁,共69頁，2024年2月25日，星期天5.滲透汽化（Pervaporation，PV）滲透汽化利用混合液中各組分被高分子膜選擇吸附溶解，及在膜中擴(kuò)散速度的不同，從而分離或富集有機(jī)混合物中的某一組分的一種膜分離方法。分離機(jī)制：被分離的液相物質(zhì)在膜表面上被吸附并溶解，以擴(kuò)散形式在膜內(nèi)滲透；在膜的另一側(cè)變成氣相而脫附。蒸氣（減壓）液體第37頁,共69頁，2024年2月25日，星期天滲透汽化的定量研究始于20世紀(jì)50年代；20世紀(jì)80年代，走向工業(yè)化。與常規(guī)膜分離過程不同之處：滲透過程發(fā)生相變化。主要用途：目前主要用于無水乙醇的生產(chǎn)。在恒沸混合物的分離，回收溶劑和脫除微量水等方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。膜材料：主要是有機(jī)聚合物，膜通常具有非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，最常用的是聚乙烯醇復(fù)合膜。膜的分類：水優(yōu)先透過膜，如聚乙烯醇/聚丙烯腈膜有機(jī)液優(yōu)先透過膜，如硅橡膠膜有機(jī)液/有機(jī)液選擇性分離膜（1991美國能源部排序38項(xiàng)重要研究課題之首）第38頁,共69頁，2024年2月25日，星期天6.氣體分離（GasSeparation，GS）氣體膜滲透是利用特殊制造的膜與原料氣接觸，在膜兩側(cè)壓力差驅(qū)動(dòng)下，氣體分子透過膜的現(xiàn)象，由于不同氣體分子透過膜的速率不同，滲透速率快的氣體在透過側(cè)富集，而滲透速率慢的氣體在原料側(cè)富集，從而實(shí)現(xiàn)分離。氣體分離膜研究始于20世紀(jì)50年代：空氣中富氧，天然氣中濃縮氦氣，混合氣中分離氫氣等。第39頁,共69頁，2024年2月25日，星期天氣體膜分離技術(shù)的真正突破是在20世紀(jì)70年代，1979年美國Monsanto公司研制出Prism中空纖維氮?dú)浞蛛x器，被譽(yù)為現(xiàn)代氣體分離技術(shù)的支柱，成功應(yīng)用于合成氨馳放氣中回收氫氣。20世紀(jì)70年代以來，富氮、富氧膜分離也取得長足發(fā)展。分離機(jī)理：①氣體通過多孔膜的微孔擴(kuò)散機(jī)理；②氣體通過非多孔溶液-擴(kuò)散機(jī)理。第40頁,共69頁，2024年2月25日，星期天7.滲析（Dialysis，D）滲析也稱透析。料液和滲析液分別從膜的兩側(cè)通過，在兩側(cè)濃度梯度的推動(dòng)下，料液和滲析液中的小分子溶質(zhì)通過膜擴(kuò)散相互交換，而大分子溶質(zhì)則被膜截留。缺點(diǎn)：推動(dòng)力是膜兩側(cè)濃度差，傳質(zhì)速率慢，膜選擇性低。第41頁,共69頁，2024年2月25日，星期天滲析主要用于脫除溶液中的低分子量組分，例如從血清蛋白和疫苗中脫除鹽和其它小分子溶質(zhì)。血液透析（hemodialysis)：通過滲析將腎衰竭病人血液中的新陳代謝廢物排出體外，同時(shí)對(duì)血液進(jìn)行水、電解質(zhì)和酸堿平衡的調(diào)節(jié)。這種裝置稱為人工腎。膜材料：應(yīng)選用親水性材料，有纖維素、乙烯-乙烯醇共聚物、聚丙烯腈，聚甲基丙烯酸酯等。第42頁,共69頁，2024年2月25日，星期天AEMNa+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Na+Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Reject濃水(Concentrate)Product產(chǎn)品水

(Dilute)Reject濃水(Concentrate)CEMAEMCEM8.電滲析（Electrodialysis，ED）電滲析是利用離子交換膜和直流電場(chǎng)的作用，從水溶液和其它不帶電組分中分離帶電離子組分的一種電化學(xué)分離過程。第43頁,共69頁，2024年2月25日，星期天電滲析（Electrodialysis，ED）第44頁,共69頁，2024年2月25日，星期天電滲析研究始于20世紀(jì)的德國，直到20世紀(jì)50年代離子交換膜的制造進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)后，電滲透才進(jìn)入實(shí)用化。應(yīng)用：廣泛用于苦咸水脫鹽，在食品、醫(yī)藥和化工領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。第45頁,共69頁，2024年2月25日，星期天特點(diǎn)：①能耗少，經(jīng)濟(jì)效益顯著，所耗電能主要用于遷移溶液中的電解質(zhì)離子；②裝置設(shè)計(jì)與系統(tǒng)應(yīng)用靈活，操作維修方便；③裝置使用壽命長；④原水回收率高，苦咸水淡化原水回收率65%~85%，海水和高硬度苦咸水淡化的水回收率也可達(dá)到60%以上；⑤工藝過程清潔，只定期少量的酸堿清洗，采用頻繁倒極電滲析（EDR）可不用酸、堿清洗，保證運(yùn)行穩(wěn)定。因此與離子交換法不同，不存在大量廢酸、堿的排放問題；與反滲透相比，沒有高壓泵的噪音。第46頁,共69頁，2024年2月25日，星期天Na+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Na+Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-SaltRejectHighPurityProduct高純產(chǎn)品水SaltRejectH+OH-H+OH-H+OH-H+OH-AEMAEMCEMCEMContinuousElectrodeionizationwithMix-BedResinsfilled

混床型樹脂填充式CEDI強(qiáng)化遷移：離子在樹脂上遷移,而不是在溶液中第47頁,共69頁，2024年2月25日，星期天ContinuousElectrodeionization

WithResin-FilledConcentrateSpacer

全填充式CDINa+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Na+Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-SaltRejectHighPurityProductSaltRejectH+OH-H+OH-H+OH-H+OH-AEMAEMCEMCEM第48頁,共69頁，2024年2月25日，星期天9.液膜（LiquidMembrane，LM）分隔兩相的中介相是一種與被它分隔的兩相互不相溶的液體膜，稱為液膜。與溶劑萃取過程相似：溶劑萃取分步進(jìn)行。如果將其油相的厚度減小，到幾十微米，則這層極薄的油相便成了介于料液相與吸收相之間的液膜。液膜過程：萃取和反萃取發(fā)生在膜的左右兩側(cè)界面，溶質(zhì)從相萃入膜左側(cè)，并擴(kuò)散到膜相右側(cè)，再被反萃入接收相，由此實(shí)現(xiàn)了萃取與反萃取的“內(nèi)耦合”（Innercoupling）。液膜傳質(zhì)的“內(nèi)耦合”方式，打破了溶劑萃取所固有的化學(xué)平衡。第49頁,共69頁，2024年2月25日，星期天與傳統(tǒng)萃取對(duì)比：液膜的非平衡傳質(zhì)優(yōu)點(diǎn)：①傳質(zhì)推動(dòng)力大，所需要分離級(jí)數(shù)少，理論上只需要一級(jí)就可實(shí)現(xiàn)完全萃取；②試劑耗量少。與固膜相比，液膜的優(yōu)點(diǎn)：①傳質(zhì)速率高。溶質(zhì)在液體中的分子擴(kuò)散系數(shù)（10-6~10-5cm2/s）比在固相（<10-8cm2/s）高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，且在某些情況下還存在對(duì)流擴(kuò)散；②選擇性好，如氮氧分離，固膜的分離系數(shù)仍為7.5，而液膜可達(dá)79。液膜的缺點(diǎn)：過程與設(shè)備復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定操作。故至今工業(yè)應(yīng)用實(shí)例很少。第50頁,共69頁，2024年2月25日，星期天10.膜反應(yīng)器（MembraneReactor，MR）膜反應(yīng)器是將膜的優(yōu)良分離性能與催化反應(yīng)結(jié)合，在反應(yīng)的同時(shí)脫除產(chǎn)物，以突破反應(yīng)平衡的限制，或控制生化反應(yīng)中產(chǎn)物對(duì)反應(yīng)的抑制作用，提高反應(yīng)的產(chǎn)率、轉(zhuǎn)化率和選擇性。膜反應(yīng)器包括膜生物反應(yīng)器和膜催化反應(yīng)器。膜生物反應(yīng)方面，自1966年Weetal首先提出酶與高聚物膜相結(jié)合構(gòu)成酶膜生物反應(yīng)器以來，已成功用于乙醇發(fā)酵等生化工程的生產(chǎn)。又進(jìn)一步推廣于輔酶反應(yīng)過程中。同時(shí)固定細(xì)胞的膜反應(yīng)器和半透性微膠囊固定化膜生物反器也相繼問世。膜催化反應(yīng)領(lǐng)域，處于研究開發(fā)階段，通常催化反應(yīng)溫度較高，需要使用無機(jī)膜材料，主要有金屬鈀膜、陶瓷膜。第51頁,共69頁，2024年2月25日，星期天11.膜蒸餾（MembraneDistillation，MD）膜蒸餾是膜分離技術(shù)與蒸發(fā)過程結(jié)合的新型膜分離過程，以蒸汽壓為推動(dòng)力。膜蒸餾過程用疏水性的微孔膜把不同溫度的水溶液隔開，在蒸氣壓差作用下高溫側(cè)水蒸氣不斷通過膜的微孔進(jìn)入冷側(cè)冷凝，從而使高溫側(cè)溶液得到脫水濃縮。第52頁,共69頁，2024年2月25日，星期天膜蒸餾通常在常壓或低于溶液沸點(diǎn)的溫度下進(jìn)行，熱側(cè)溶液通常在較低的溫度下（40~50℃）下操作，常?？梢允褂玫蜏?zé)嵩椿驈U熱。避免了反滲透所需的高壓設(shè)備和蒸發(fā)所需的高溫等較苛刻的操作條件。膜蒸餾用膜：疏水性的微孔膜，聚四氟乙烯最好。膜孔徑一般為0.2~0.4μm為宜。用途：該過程有相變，可從非揮發(fā)物質(zhì)水溶液中分離水，也可從水溶液中除去其它揮發(fā)性物質(zhì)。主要用于海水淡化和水溶液的濃縮。第53頁,共69頁，2024年2月25日，星期天膜蒸餾特點(diǎn)：①操作條件溫和，在常壓和接近常溫下便可有足夠的推動(dòng)力實(shí)現(xiàn)水的傳遞，因此可有效地利用一些低品位廢熱、地?zé)崤c太陽能。②可以冷側(cè)得到純水，熱側(cè)溶液同時(shí)實(shí)現(xiàn)濃縮。膜蒸餾過程分類：①直接接觸式；②空氣間隙式；③氣體吹掃式；④減壓式。第54頁,共69頁，2024年2月25日，星期天12.膜吸收（Membrane-basedAdsorption，MA）膜吸收是將膜分離與吸收/解吸相結(jié)合的一種新型膜分離過程。使用微孔膜將氣-液兩相分隔開，并利用微孔提供氣-液兩相間傳質(zhì)的場(chǎng)所。特點(diǎn)：①氣-液兩相的界面是固定的，分別存在于膜孔的兩側(cè)表面處；②氣-液兩相互不分散于另一相；③氣、液兩相的流動(dòng)互不干擾，流量范圍各自可以在很寬的范圍內(nèi)變動(dòng)；④使用中空纖維或毛細(xì)管膜可產(chǎn)生很大的裝填面積（比表面積），即可提供很大的氣液傳質(zhì)界面。第55頁,共69頁，2024年2月25日，星期天膜吸收過程：氣體充滿膜孔的膜吸收、液體充滿膜孔的膜吸收和同時(shí)吸收與解吸的膜吸收（由膜材料的疏水和親水性以及吸收劑性能決定）應(yīng)用：血液供氧，已實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用。第56頁,共69頁，2024年2月25日，星期天13.膜萃取（MembraneExtraction，ME）膜萃取是將膜分離過程與液-液萃取技術(shù)相結(jié)合的新型膜分離過程。與通常的液液萃取不同，膜萃取傳質(zhì)過程在把料液相和溶劑相分開的微孔膜表面上進(jìn)行。第57頁,共69頁，2024年2月25日，星期天膜萃取優(yōu)點(diǎn)：①?zèng)]有液體的分散和凝集過程，可以減少萃取劑夾帶的損失；②不形成直接接觸的液-液兩相流動(dòng)，可使選擇萃取劑的范圍大大拓寬；③兩相在膜兩側(cè)分別流動(dòng)，使過程免受“返混”的影響（一些柱式萃取設(shè)備中60%~70%的柱高是為了克服軸向混合影響）和“液泛”的影響；④與支撐液膜相比，萃取相的存在，可避免膜內(nèi)溶劑的流失。膜萃取目前還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。常用膜裝置是中空纖維式膜組件。第58頁,共69頁，2024年2月25日，星期天14.促進(jìn)傳遞（FacilitatedTransport，F(xiàn)T）促進(jìn)傳遞是在膜中進(jìn)行抽提的一種新型膜分離方法。與一般固體膜分離過程相比：具有極高的選擇性，通量大，但極易中毒。仍處于實(shí)驗(yàn)室研究，主要研究集中在改進(jìn)膜的穩(wěn)定性。應(yīng)用：酸氣處理、金屬離子回收和藥劑純化等。金屬離子分離中銅離子的分離，氣體分離中用于空氣中分離氧和氮.HEM：人體球蛋白第59頁,共69頁，2024年2月25日，星期天促進(jìn)傳遞膜液膜離子交換膜固定載體膜第60頁,共69頁，2024年2月25日，星期天15.膜控制釋放（MembraneControlRelease，CR）控制釋放是將藥物或其它活性物質(zhì)以一定形式與膜結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使這些活性物質(zhì)只能以一定的速率通過擴(kuò)散釋放到環(huán)境中。第61頁,共69頁，2024年2月25日，星期天優(yōu)點(diǎn)：可將藥物濃度控制在需要的濃度范圍，延長藥效作用時(shí)間、服用量和服用次數(shù)，在醫(yī)藥、農(nóng)藥、化肥的使用上極有價(jià)值。膜材料：乙基纖維素，乙烯-乙酸乙烯共聚物、羥丙甲基纖維素，聚乙烯吡咯烷酮（PVP），聚甲基丙煅酸-2-羥乙酯（HEMA），聚乙烯醇（PVA）。第62頁,共69頁，2024年2月25日，星期天16.膜生物傳感器（MembraneBiosensor）膜生物傳感器是模仿生物膜對(duì)化學(xué)物質(zhì)的識(shí)別能力制成的，它由催化劑酶或微生物與合成電極轉(zhuǎn)換裝置組成為酶膜傳感器或微生物傳感器。特別：具有很高的識(shí)別專一性。用途：已用于發(fā)酵過程中葡萄糖、乙醇等成分的在線檢測(cè)。第63頁,共69頁，2024年2月25日，星期天1.4.3應(yīng)用領(lǐng)域1水處理：飲用水處理，海水淡化，廢水處理。2生物工程，制藥領(lǐng)域：膜過程一般不發(fā)生相變，適合于熱敏性物系的處理。3氣體分離：空分，常規(guī)為低溫蒸餾4有機(jī)物/有機(jī)物的分離：包括液氣。第64頁,共69頁，2024年2月25日，星期天膜技術(shù)在水處理方面的應(yīng)用舉例1.海水和苦咸水淡化