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1、分离工程,第一章 绪论 第二章 单级平衡过程 第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算 第四章 特殊精馏与分离过程控制方案 第五章 分离过程的选择与节能 第六章 膜分离技术与吸附分离,第6章 其他分离技术,6.1膜分离技术 6.2吸附分离,6.1膜分离技术,6.1.1膜基本知识 6.1.2微滤和超滤 6.1.3反渗透和纳滤 6.1.4渗透汽化和气体分离,一、膜分离发展史,分类精灵：1861年，Maxwell,分类精灵 能够区分每一个分子 并且不消耗任何能量,A B,A B,膜分离,推动力 C，P，T，E,膜 不能实现完全的分离 要消耗能量：W Gm=Hm-TSm,表6-1 膜科学发展里程碑,表
2、6-2 膜技术的发展,二、膜分离特点,1. 优点,2. 缺点,可实现连续分离 能耗通常较低 可在温和条件下实现分离 易于放大 膜的性能可以调节 不需要填充物 易与其它分离过程结合,浓差极化和污染较严重 膜寿命有限 选择性较低 放大因子基本是线性的,三、膜的定义及分类,定 义：,来 源,材 料,形态/结构,制 造,分 类：,膜是两相之间的选择性屏障,对称膜,多孔膜,均质膜,10200m,柱状孔,不规则孔,不对称膜,相转膜,复合膜,多孔层50150m,称不对称多孔膜,带致密皮层的不对称膜,致密皮层 多孔膜,皮层0.10.5m,不对称膜P10,图6-1不对称聚砜超滤膜断面,复合膜,图6- 2 反渗透
3、复合膜(PEC1000,Toray)的构造,四、膜性能 1.分离透过性 a. 透过通量 单位时间通过单位膜面积的物理量。 b. 分离效率 用截留率表示： （R） 截留率；表示膜对溶质的截留能力，可用小数或百分数表示。,c. 分离系数： （ ）,a,d. 通量衰减系数 膜渗透通量随时间减少,2. 物化稳定性 强度、耐温、耐压性等 五、分离设备 （1）板框式膜具,（2）卷式膜具 由四层组成,图6-3卷式膜结构示意图,（3）管式膜具,图6-4 管式膜结构示意图,六、膜过程种类,推动力 C，P，T，E,相1 膜 相2,原 料,渗 透 物,表6-3 膜过程及相应的推动力,表 6-4 不同压力推动的膜过程
4、的通量和压力范围,图6-5 不同膜过程的应用范围,七、膜过程的开发思考层次,6.1.2 微滤、超滤及其应用,一、微滤、超滤为的发展历史 1918年 德国开始研究 1921年 硝酸纤维素微孔膜制造方法获专利 1925年 第一个滤膜公司Sartorius GmbH成立 1960s 超滤走出实验室应用进入工业应用 现在 成为应用领域最广，经济价值最大的膜过程。,二、基本原理,压力驱动的筛孔分离过程,图6-7 超滤和微滤工作原理示意图,三、传质模型,HagenPoiseuille方程,J ：通量m3/s; P：压力Pa; x：膜厚m; r：孔半径m; ：液体粘度Pas; ：膜表面的孔隙率； ：弯曲因子
5、,存在浓差极化和凝胶化现象,图6-8 边界层中的传质及浓差极化,浓差极化的后果： 溶质为小分子物质时，降低截留率； 溶质为大分子混合物时，提高截留率 通量降低,对一些大分子溶质，出现凝胶层,图6-9 浓差极化和凝胶形成,四、超滤膜和微滤膜,1. 超滤膜和微滤膜的比较,表6-5 超滤膜和微滤膜结构的比较,表6-6 超滤和微滤膜过程的比较,五、超滤膜和微滤膜的制备,1. 微滤膜,制备方法,烧结 拉伸 径迹刻蚀 相转换,有机膜,无机膜,烧结 溶胶凝胶,材料,PTFE、PVDF、PP PC、纤维素酯类 PS、PES PI 聚醚醚酮,有机膜,无机膜,氧化铝 氧化锆 氧化钛 炭化硅,1. 微滤膜,图6-1
6、0 聚合物微滤膜,图6-11 陶瓷微滤膜,阳极氧化法,烧结法,2. 超滤膜,制备方法,相转换,有机膜,无机膜,溶胶凝胶,材料,PVDF 纤维素酯类 PS、PES PI 聚醚醚酮 聚丙烯腈 聚脂肪酰胺,有机膜,无机膜,氧化铝 氧化锆,2. 超滤膜,图6-12 聚砜超滤膜断面,图6-13 多层氧化铝膜,五、国内外商品超滤膜、微滤膜和组件,表6-7 国内主要超滤膜和组件,表6-8 国外主要超滤膜和组件,表6-9 国内主要微滤膜和组件,表6-10 国外主要微滤膜和组件,六、微滤和超滤的操作模型,表6-11 超滤操作模型,图6-14 微滤操作模型,七、微滤和超滤的应用,1. 微滤的应用现状及前景,技术特
7、点：死端过滤 膜及组件：管式膜、百褶式； 膜价格：10/ft2 成熟程度：工业化 主要问题：使用寿命。气体除菌几个月，液体 除菌几小时,（1）过滤除菌,技术特点：替代硅藻土过滤 膜及组件：卷式膜、板框式膜 成熟程度：工业化 主要问题：粘度高,2. 明胶的澄清,技术特点：玉米加工厂替代硅藻土过滤 膜及组件：卷式膜、板框式膜 成熟程度：工业化 主要问题：粘度高,3. 葡萄糖的澄清,技术特点：法国已经用于苹果汁的澄清，效果 与超滤相同 成熟程度：工业化,4. 果汁的澄清,技术特点：澄清效果好 膜及组件：卷式膜、板框式膜 成熟程度：已推广应用 主要问题：高膜污染、酒的得率和风味,5. 白酒的澄清,技术
8、特点：死端过滤 成熟程度：已得到广泛应用，是微滤的第二大 市场,6. 纯净水制备,方 向：燃料油中脱蜡和沥青质；催化剂回 收 适用膜：无机膜 成熟程度：研究中 主要问题：膜寿命、经济性,7. 石油化工中的应用,八、超滤的应用现状及前景,用 途：回收涂料 技术特点：膜面积150m2, 渗透率3m3/h 膜及组件：管式膜 成熟程度：工业化,广泛应用于电泳漆自动化涂 漆流水线,1. 电泳漆废水处理,用 途：金属加工、罐头听生产等工业含油废 水的处理 成熟程度：普遍应用。 问 题：,其他领域的含油废水处理过程有待开拓。经济性是主要障碍，膜需要更便宜,2. 含油废水的处理,应用特点：纺织工业上浆材料PV
9、A的回收和重 复利用。 膜及组件：膜要耐高温，多采用无机膜。大型 厂超滤设备面积达10000平方米， 回收量每小时60立方。 成熟程度：广泛应用,3. 上浆液的回收,4. 家庭污水处理,在发达国家旅馆、办公楼、住宅楼已被采用。新建的500户以上的大住宅楼有可能实现小规模的水循环。即用超滤处理过的生活污水冲洗厕所等，可减少40的家庭用水。,5. 饮用水的生产,在矿泉水生产和家庭用净水器方面得到广泛应用。,6. 高纯水生产,已广泛应用于电子工业集成电路生产过程中，主要采用中空纤维组件，膜渗透率大，能耗低，也可用作医药工业用水的制备。,7. 回收乳清中的蛋白质,乳清超滤是乳品工业中应用最大的一个领域
10、。1994年，所用膜面积达到10万平方米，之后每年以20的速度递增。大的超滤组件膜面积1800m2,日处理乳清1000m3。,九、微滤、超滤的应用现状举例,1. 微滤在精制阿司匹林精氨酸制剂中的应用,目 的：提高制剂的澄明度 工艺过程：,原料,109型陶土滤芯,0.8m PSA微孔滤膜,滤液,结晶,分离,分离,洗涤,干燥,产品,表6-12 阿司匹林精氨酸制剂的过滤效果,2. 金属电泳涂漆过程废液的处理,目 的：减少废液排放量，回收涂料 工艺过程：,荷电超滤膜，管式组件，使用寿命2年,上海汽车制造厂SH130货车驾驶室电泳涂漆生产线,使用效果,使用前每天排放含漆1污水20吨，现排放超滤渗透液50
11、L(0.1%固含量) 漆料全部回收，每台车回收3kg 漆液质量得到提高，保证了产品质量,3. 含油废水的回收,目 的：降低污染、回收油 工艺过程：半间隙式超滤过程,4. 胶束强化超滤（MEUF）用于含重金属废水的处理,MEUF除高价离子,Scammehorn J.F. 用SDS加入废水中，分离Cd2+、Zn2+、Cu2+及Ca2+，截留率大于96 Huang Y-C采用天然的脱氧胆酸及卵磷脂作为表面活性剂，对Zn2+、Pb2+、Ni2+、Cu2+及Ca2+的截留率在99.9%以上。 对低浓度的的金属离子，用聚电解质，如CMC、聚苯乙烯磺酸钠代替表面活性剂，可取得良好效果。如使废水中的Cu2+由100PPM降低到1PPM。,使用效果,5. 高纯水的制备,用途：电子工业中用水，要求无离子、无可溶性 有机物。无菌体和大于0.5m的粒子。,工艺过程：,自来水,预过滤,超滤或微滤,反渗透,阴阳离子交换树脂混合床,超滤,分配系统微滤,使用点微滤,使用,
