化工单元操作任务五 膜分离技术

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1、任务五 膜分离技术 任课教师：苏小莉 任务五 膜分离技术 膜分离的原理 膜和膜组件 膜分离技术 膜分离是借助于膜，在某种推动力的作用下， 利用流体中各组分对膜的渗透速率的差别而实 现组分分离的过程。 （一）膜分离原理 将含有A、B两种组分的原料液置于膜的一侧， 然后对该侧施加某种作用力，若A、B两种组分 的分子大小、形状或化学结构不同，其中A组分 可以透过膜进入到膜的另一侧，而B组分被膜截 留于原料液中，则A、B两种组分即可分离开来 。 一、膜分离的原理 膜分离原理 1.膜的分类 1)按膜的孔径大小分 微滤膜0.02510m； 超滤膜0.0010.02m；反渗透膜0.0001 0.001m；纳

2、滤膜，平均直接2nm。 2)按膜结构分 对称性膜、对称膜、复合膜 3)按材料分 合成聚合物膜、无机材料膜等 4)按来源和形态分类分 二、膜和膜组件 膜 合成膜 生物膜 液膜 带支撑层的液膜 乳状液膜 固膜 不对称膜 不对称膜 多孔膜 无孔膜 无机膜 有机膜 对称膜 多孔膜 不对称膜 对称膜 荷电膜 不荷电膜 复合膜 转相膜 复合膜 转相膜 (原生质、细胞膜) 分类类依据 分类类 来源天然膜、合成膜 状态态固体膜、液膜、气膜 材料有机膜、无机膜 结结构对对称膜（微孔膜、均质质膜）、非对对称膜、复合膜 电电性非荷电电膜、荷电电膜 形状平板膜、管式膜、中空纤维纤维 膜 制备备方法 烧结烧结 膜、延展

3、膜、径迹刻蚀蚀膜、相转换转换 膜、动动力 形成墨 分离体系 气-气、气-液、气-固、液-液、液-固分离膜 分离机理 吸附性膜、扩扩散性膜、离子交换换膜、选择选择 性膜、 非选择选择 性膜 分离过过程 反渗透膜、渗透膜、气体分离膜、电电渗析膜、渗 析膜、渗透蒸发发膜 膜的分类 2. 膜材料的性能 耐压 耐温 耐酸碱性 化学相容性 生物相容性 低成本 3.膜组件 由膜、固定膜的支撑体、间隔物 (spacer)以及收纳这些部件的容器构成 的一个单元(unit)称为膜组件 (membrane module)或膜装置。膜组件 的结构根据膜的形式而异，目前市售商 品膜组件主要有平板式、管式、螺旋卷 式和中

4、空纤维(毛细管)式等四种。 （1）平板膜组件 平板膜组件与板式换热器或加压叶滤机相似 ，由多枚圆形或长方形平板膜以1mm左有的间 隔重叠加工而成，膜间衬设多孔薄膜，供料 液或滤波流动(图b)。平板膜组件比管式膜组 件比表面积大得多。在实验室中，经常使用 将一张平板膜固定在容器底部的搅拌槽式过 滤器。 （2）管式膜组件 管式膜组件是将膜固定在内径1025mm，长约 3m的圆管状多孔支撑体上构成的，l020根管 式膜并联(图8.10a)，或用管线串联，收纳在 筒状容器内即构成管式膜组件。管式膜组件的 内径较大，结构简单，适合于处理悬浮物含量 较高的料液，分离操作完成后的清洗比较容易 。但是管式膜组

5、件单位体积的过滤表面积(即 比表面积)在各种膜组件中最小。 （3）螺旋卷式膜组件 螺旋卷式膜组件如图c所示。将两张平板膜固定 在多孔性滤液隔网上(隔网为滤液流路)，两端 密封。两张膜的上下分别衬设一张料液隔网(为 料液流路)，卷绕在空心管上，空心管用于滤液 的回收。 螺旋卷式膜组件的比表面积大，结构简单，价 格较便宜。但缺点是处理悬浮物浓度较高的料 液时容易发生堵塞现象。 （4）中空纤维(毛细管)式膜组件 中空纤维或毛细管膜组件由数百至数百万根中 空纤维膜固定在圆筒形容器内构成(图8.10d)。 严格地讲，内径为4080m的膜称中空纤维膜 ，而内径为0.252.5mm的膜称毛细管膜。由于 两种

6、膜组件的结构基本相同，故一般将这两种 膜装置统称为中空纤维膜组件。 中空纤维超滤膜组件 膜断面图 外压式膜组件结构 内压式膜组件结构 型 式优优 点缺 点 管式易清洗，无死角适于处处理 含固体较较多的料液，单单根 管子可以调换调换 保留体积积大，单单位 体积积中所含过滤过滤 面积较积较 小，压压降 大 中空纤维纤维 式 保留体积积小，单单位体积积中 所含过滤过滤 面积较积较 大，可 以逆洗，操作压压力较较低， 动动力消耗较较低 料液需预处预处 理， 单单根纤维损纤维损 坏时时 ，需调换调换 整个膜件 螺旋卷式单单位体积积中所含过滤过滤 面 积积大，换换新膜容易 料液需预处预处 理， 压压降大，

7、溶液污污染 平板式保留体积积小，能耗介于管 式和螺旋卷式之间间 死体积较积较 大 各种膜组件的优缺点 三、膜分离技术 微滤 超滤 透析 电渗析 反渗透 （一）微 滤 微滤的基本概念和分离范围 微滤又称微孔过滤，是以静压力差为推动力， 利用膜的“筛分”作用进行分离的膜分离过程。 微孔过滤膜具有明显的孔道结构，主要用于截 流高分子溶质或固体微粒。在静压差的作用下 ，小于膜孔的粒子通过滤膜，粒径大于膜孔径 的粒子则被阻拦在滤膜面上，使粒子大小不同 的组分得以分离。 1. 微滤的分离机理 一般认为，MF的分离机理为筛分机理， 膜的物理结构起决定作用。此外，吸附和 电性能等因素对截留也有影响。 通过电镜

8、观察认为，微孔滤膜截留作用大 体可分为两大类： 1) 表面层截留 2) 膜内部截留 1) 表面层截留 (1)机械截留作用 (2)物理作用或吸附截留作用 (3)架桥作用 2) 膜内部截留 是指将微粒截留在膜内部而不是在膜的表面， 对于表面层截留而言，其过程接近于决定过滤 ，容易清洗，但杂质捕捉量相当于内部截留较 少，而对于膜内部截留而言，杂质捕捉量较多 ，但不容易清洗，多属于一次性使用。 2. 微滤的操作模式 1) 常规过滤(静态过滤或死端过滤) 原料液置于膜的上游，在压差推动下，溶 剂和小于膜孔的颗粒透过膜，大于膜孔的 颗粒则被膜截留，该压差可通过上游加压 或下游侧抽真空产生。在操作中，随时间

9、 的增长，被截留颗粒会在膜表面形成污染 层，使过滤阻力增加，随着过滤过程的进 行，污染层将不断增厚和压实。 常规过滤(静态过滤) 2) 错流过滤(动态过滤) 原料液以切线方向流过膜表面。溶剂和小 于膜孔的颗粒，在压力作用下透过膜，大 于膜孔的颗粒则被膜截留而停留在膜表面 形成一层污染层。与常规过滤不同的是， 料液流经膜表面产生的高剪切力可使沉积 在膜表面的颗粒扩散返回主体流，从而被 带出微滤组件，使污染层不能无限增厚。 错流过滤操作中，料液的流动方向与膜面平行 ，流动的剪切作用可大大减轻浓度极化现象或 凝胶层厚度，使透过通量维持在较高水平 错流过滤示意图 错流过滤(动态过滤) 3 微滤分离方法

10、的选择 起决定作用的因素是要分离的悬浮物质 的尺寸大小，另外还包括悬浮物的物理特性 和浓度、所要求的分离率、产品产率和需要 保持杀菌的条件等 4 微滤的应用 1.实验室中的应用 (1)微粒子的检测 (2)微生物的检测 2.工业上的应用 (1)制药工业 (2)生物领域 （二）超 滤 超滤首次出现在19世纪末，1861年，Schmidt用牛 心包膜截留阿拉伯胶被认为是世界上第一次UF实验 ，1963年Michaels开发成功了第一张不对称超滤膜 。膜的截留相对分子质量为103106，膜组件的类 型有管式、平板式、中空纤维式、毛细管式及螺旋 卷式。20世纪80年代开发成功了以陶瓷膜为代表的 无机膜。

11、 1 超滤的基本概念和分离范围 超滤是一种在静压差为推动力的作用下，原料 液中大于膜孔的大粒子溶质被膜截留，小于膜 孔的小溶质粒子通过通过滤膜，从而实现分离 的过程，其分离机理一般认为是机械筛分原理 超滤主要用于料液澄清、溶质的截留浓缩及溶 质之间的分离。其分离范围为相对分子质量 5001106的大分子物质和胶体物质，相对应 粒子的直径为0.0050.1m。操作压力一般为 0.10.5MPa。 2超滤原理 超滤过程的推动力是膜两侧的 压力差。当液体在压力差的推 动力下流过膜表面时，溶液叫 直径比膜孔小的分子将透过膜 进入低压侧，而直径比座孔大 的分子则被截留下来，透过膜 的液体称为透过液，剩余

12、的液 体称为浓缩液。 在超滤过程中，单位时间内通过膜的溶液体积称为膜通量。 由于膜不仅本身具有阻力，而且在超滤过程中还会因浓度极 化、形成凝胶层、受到污染等原因而产生新的阻力。因此， 随着超滤过程的进行，膜通量将逐渐下降。 超滤膜的孔径为(15)108m，膜表面有效截留层的厚度 较小，一般仅为(1100)107m，操作压力差一般为0.1 0.5MPa，可分离分子量500以上的大分子和胶体微粒。常用的 膜材料有醋酸纤维、聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚偏氟乙烯 等。 超滤可有效出去水中的微粒、胶体、细菌、热原质和各种有 机物，但几乎不能截留无机离子。 3超滤操作 在超滤过程中，料液的性质和操作条件对膜

13、通量均有 一定的影响。为提高膜通量应采取适当的措施，尽可 能减少浓差极化和膜污染等所产生的阻力。 （1）料液流速 提高料液流速，可有效减轻膜表面的 浓差极化。但流速也不能太快，否则会产生过大的压 力降，并加速膜分离性能的衰退。 （2）操作压力 在一定的范围内，膜通量随操作压力 的增加而增大，但当压力增加至某一临界值时，膜通 量将趋于恒定。此时的膜通量称为临界膜通量。一般 情况下，实际超滤操作可维持在临界膜通量附近进行 。 （3）操作温度 温度越高，料液粘度越小，扩散系数 则越大。在膜允许的温度内，可采用相对高的操作温 度，以提高膜通量。 （4）进料浓度 随着超滤过程的进行，料液主体的浓 度逐渐

14、增高，粘度和边界层厚度亦相应增大。因此对 超滤过程中料液主体的浓度应加以限制。 浓差极化 在膜分离操作中，所有溶质均被透过液传 送到膜表面上，不能完全透过膜的溶质受 到膜的截留作用，在膜表面附近浓度升高 ，这种在膜表面附近浓度高于主体浓度的 现象称为浓度极化或浓差极化 4 超滤膜与膜材料 (1)醋酸纤维素 这是研究最早的超滤膜， 是利用纤维素及其衍生物分子线性不容易弯曲 的特点，来制备反渗透和超滤膜。具有亲水性 好、通量大、工艺简单、成本低、无毒、操作 范围窄、适用的pH范围窄(36)、容易被生物 将解等特点。 (2)聚砜类超滤膜 具有化学稳定性优异、 适用的pH范围宽(113)、耐热性好、耐

15、酸碱 性好、抗氧化性和抗氯性能好等特点。适于制 作超滤膜、微滤膜和复合膜的多孔支撑膜。 (3)聚丙烯腈膜 聚丙烯腈膜(PAN)是常用来 制备超滤膜的聚合物。通常引入乙酸乙烯酯或 甲基丙烯酸甲酯的方法来增加它的柔韧性和亲 水性。 (4)聚酰胺类超滤膜 具体包括聚砜酰胺超 滤膜、芳香聚酰胺膜。其中聚砜酰胺超滤膜有 耐高温、耐酸碱、耐有机溶剂等特性。芳香酰 胺膜具有高吸水性、良好的机械强度、好的热 稳定性、不耐氯离子和容易被污染等特点。 (5)其他类聚合物膜 具体包括聚偏氟乙烯超 滤膜和再生纤维素膜等。聚偏氟乙烯超滤膜可 高温消毒、耐一般溶剂、耐游离氯等。 (6)复合超滤膜 分别用不同材料制成致密 层和多孔支撑层，从而使两者达到最优化。 (7)无机膜 通常具有非常好的化学稳定性 ，热稳定性和机械稳定性，但使用有限。 5 超滤分离系统 1.前处理 降低供给水的混浊度 悬浮物和交替物质的 去除 可溶性有机物的去除 微生物(细菌 、藻类等)去除 调整进水水质(供水温度、 pH)。 2.超滤系统工艺流程 超滤系统工艺流程设计有多种多样，按运行方 式分为循