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1、 第七届全国膜与膜过程会议 高从堦 杭州水处理技术研究开发中心 中国海洋大学 膜分离科技的发展与趋势 目录 1前言 2 我国膜分离科技发展简谈 文章 3 ICOM 2011大会报告和主题报告简介 4 膜的制备和成膜机理 5 膜的结构 性能和表征 6 膜元件和组件形式 7 膜的应用 8 主要膜过程进展 9 有关分离膜的专利和标准 结语 1 前言 膜对于每一个人都是不陌生的 它广泛 地存在于自然界 与生命起源和生命活 动紧密相关 在许多自然现象中发挥重 大作用 在现代化的经济发展和人民日 常生活中也扮演重要角色 但是 人们 对膜的认识和开发仅有二百多年的历史 而膜科学和技术的飞跃发展是半个世 纪的
2、事 现在仍以极高的速度向前发展 倍受科技界和工业界的重视 1 1 发展简介 近50年来 微滤 渗析 电渗析 反渗透 人 工肾 超滤 液膜 气体分离膜 纳滤 控制 释放 渗透汽化 无机膜 膜接触 亲和膜 手性膜和膜反应等过程相继发展起来 在能源 电子 石化 医疗 医药卫生 重工 轻工 食品 饮料等行业以及人民日常生活和环保 等领域均获得广泛的应用 产生了显著的经济 和社会效益 33万吨 天的反渗透海水淡化大 型工厂 每天万吨计的众多发电厂的膜法补给 水系统 用膜近万平方米的大型超滤退浆废水 处理厂 每小时数万标方的合成氨弛放气H2回 收装置 年产4万5千立方米无水乙醇的渗透汽 化厂 每年拯救近百
3、万人生命的人工肾设施 这些可作为膜技术应用的代表说明其规模 水平和独特而重要的作用 图1 1 历史上膜的一些主要发展 膜反应器 渗透汽化 无机膜 纳滤 膜蒸馏 1980s 提出液膜概念 医用膜 1968 气体分离研究开始 ED 1954 合成离子交换膜 1950 Donnan理论的提出 1911 渗透压关系式的建立 1877 渗透装置出现 1863 离子交换现象的发现 1833 渗透现象的发现 1748 杂化 智能 仿生膜 膜分子 设计 2000s 亲和膜 促进传递 膜能转换 其他 1990s 气体分离 超滤 控制释放 1970s 世界上第一张高通量反渗透膜 1960 提出反渗透脱盐设想 19
4、53 合成离子交换树脂 1945 系列化微孔膜闻世 1907 发现超滤现象 1861 第一张合成的CN膜 1846 气体透过膜现象的发现 1831 图1 2 膜发展状况 发展速度和销售额示意图 可用 高增长 低增长 透析 微滤 超滤 反渗透 电渗析 控制释放 气体分离 渗透汽化 双极膜 液膜 膜反应器 闸膜 促进传递 探索中发展中成熟中衰退 销 售 额 较成熟的膜分离过程 Microfiltration 微滤 Ultrafiltration 超滤 Nanofiltration 纳滤 Reverse Osmosis 反渗透 Dialysis 渗析 Gas Separation 气体分离 Perv
5、aporation 渗透汽化 Electrodialysis 电渗析 Membrane Electrolyses 膜电解 发展中的膜分离技术 Membrane Bio Reactor 膜 生物 反应器 Bipolar Membrane 双极膜 Vapor permeation 蒸汽渗透 Membrane Distillation 膜蒸馏 Catalytic Membrane 催化膜 Controlled Release 控制释放 Facilitated Transport 促进传递 Affinity Membrane 亲和膜 Membrane based Absorption 膜基吸收 Mem
6、brane based Extraction 膜基萃取 Supported Liquid Membrane 液膜 2 我国膜分离科技发展简谈 高从堦 邓麦村 陈翠仙 徐南平 摘要 一 前 言 二 成膜和分离机理 三 主要膜过程 1 压力驱动膜过程 1 反渗透 RO 2 纳滤 NF 3 超滤 UF 4 微滤 MF 2 离子交换膜 1 电渗析 ED 2 氯碱工业用膜3 双极膜4 燃料 电池隔膜 3 气体分离膜 1 中空纤维膜法提氢 2 卷式膜法富氧 3 中空纤维膜法富氮 4 工业气体膜法净化 5 空气中有机蒸气的膜法回收 6 集成分离技术 4 渗透汽化 1 渗透汽化膜 水优先透过膜 有机液优先透过
7、膜 2 渗透汽化的应用 有机溶剂脱水 水中有机物的脱除 有机 有机混合物的分 离 5 无机膜的发展现状和展望 1 无机膜及其制备2 无机分离膜的应用3 无机膜催化反 应 6 医用膜 1 人工肾和人工肺 2 血液过滤膜3 人工器官和免疫隔离4 膜基药物控制释放 7 其他 1 液膜 2 膜反应器 3 膜蒸馏 4 膜萃取 5 膜接触 6 膜亲和 7 膜传感器 四 结 束 语 中国科学技术前沿 1999 2000 中国工程院版 高等教育出版社 311 334 3 ICOM 2011大会报告和主题报告 3 1 三个大会报告 Plenary Lecture 1 Labs on a Chip for med
8、ical applications 医用芯片实验室技术 Plenary Lecture 2 The Biorenewables Opportunity Towards Next Generation Process and Product Systems 生物可再生的机遇 下 一代的过程 和产品系统 Plenary Lecture 3 Carbon Dioxide Capture in Metal Organic Frameworks 金属 有机构架膜扑获CO2 膜形成 1 2 3 4 膜及表面改性 1 2 3 4 5 膜表征 1 2 3 4 膜分子设计 1 建 模式 1 2 3 4 NF R
9、O 1 2 3 4 UF MF1 2 3 无机膜 1 2 3 金属膜1 碳膜 1 杂化膜 1 混合基体膜 1 2 苛刻条件用膜1 2 燃料电池用膜1 2 3 能源用膜 1 促进传递膜 1 膜接触器和反应器1 2 3 3 2 78个主题报告 淡化 1 2 3 饮用水用膜 1 2 废水处理 1 2 3 MBR 1 2 3 膜污染 1 2 3 4 5 气体和蒸汽分离 1 2 3 4 5 6 7 CO2扑获 1 2 3 电膜过程 1 2 生物医药膜应用 1 2 膜的生物炼制应用 1 2 微流体膜的应用 1 Richard W Baker的专场 Alan S Michaels奖励专场 4 膜的制备和成膜
10、机理 分类依据膜 膜材料 大约50 70 依赖 进口 纤维素及其衍生物 聚砜膜 聚酰胺膜 聚酰 亚胺膜 聚丙烯腈膜 聚烯烃膜 聚乙烯醇 膜 硅橡胶膜 陶瓷膜 金属膜 液膜 沸石 分子筛 杂化材料 纳米材料 仿生 材料 极端条件下用膜材料 成膜机理和 制备工艺 溶剂蒸发法 溶液相转化 热致相转化 熔融 挤出膜 拉伸膜 复合膜 界面聚合 表面 涂层 核踪痕膜 动力形成膜 热压复合 表面或本体改性 分子印迹 自组装 原 子沉积 电纺 模板法 蒸汽诱导法 乳胶 法 发泡法 LbL 表4 1 膜的分类 本体改性 如共混 共聚等 表面改性 主要方法有表面涂敷 吸附 等离子体等 UV ATRP 处理 表面接
11、枝聚合 结构特点 致密膜 多孔膜 均相膜 异相膜 对称 膜 非对称膜 复合膜 液膜 L B膜 双极膜 外形 膜片 管状膜 中空纤维膜 多通道 帘 式 应用范围 功能 反渗透膜 纳滤膜 超滤膜 微孔膜 离 子交换膜 渗析膜 气体分离膜 医用膜 生物工程用膜 渗透汽化膜 正渗透膜 仿生膜 膜的制备决定了膜的结构 膜的材料和膜的结构 决定着膜的性能 5 膜的结构 性能和表征 复合膜不对称膜 烧结微滤膜 PTFE双向拉伸 微孔膜 TIPS法PVDF膜 静电纺制微孔膜 NIPS法PVDF膜 膜结构测定方法 异相和均相膜 对称和不对称膜 致密和多孔膜 复合和镶嵌膜 网络孔和聚集孔 海绵孔和指状孔 表面粗糙
12、度和断面形 态 孔径 最大和平均 孔径分布 孔隙率 厚度 电子 显微镜切片观测 电子 显微镜切片观测 电子 显微镜切片观测 电子 显微镜切片观测 表面蚀刻 电子 显微镜切片观测 电子 显微镜切片观测 电子显微镜 原子力显微镜 泡压法 压汞法 滤速法 电镜法 正电子湮 灭 压汞法 泡压 滤速法 干湿空气滤速法 电镜图象分析法 干 湿膜重量差法 膜密度 法 千分尺 测厚仪 电子 显微镜切片 表5 1 膜结构形态及其测定法 表5 2 膜的性能及测定法 膜 品 种膜性能 测定方法 微孔膜机械性能 材料试验机 通量 抽真空测定 法 化学相容性 溶解溶胀法 生物相 容性 凝血 免疫法 细菌截留 滤液培 养
13、法 可萃取物 煮沸法 灰分 燃烧 法 毒性 小白鼠试验 耐热性 压热 器 超滤膜纯水通量 加压测定法 截留率和截留范围 标准分子量法 亲水性 接触角法 抑 菌性 细菌培养计数 反 正 渗透 纯水渗透系数 加压测定法 反映系数 流 动平衡法 溶质渗透系数 流动平衡法 通量 脱盐率 离子交换膜 和 其他荷电膜 交换容量 酸碱回滴法 膜电阻 膜电位 迁移数 选择渗透系数 膜电学性能测定 仪 流动电位 流动电位仪 动电性能 水的浓度扩散系数 扩散法 渗析膜扩散系数 纯水渗透系数 扩散法 气体分离膜渗透性 分离系数 透气性测定仪 渗透汽化膜渗透通量 分离系数 渗透蒸发测定仪 膜蒸馏用膜产率 热效 膜蒸馏
14、测定仪 液 膜溶质传递系数 扩散法 控制释放溶质传递系数 扩散法 膜电极参考离子交换膜 分离膜 材料表征 化学结构 IR NMR EA XPS GPC 等 聚集态结构 XRD SEM TEM等 热学性质 TDA DSC DMA TGA等 力学性质 模量 断裂伸长率 6 膜元件和组件形式 图6 1 LiMn2O4 Particle 膜元件和组件有四种构型 平板式 管式 卷式和 中空纤维式 组件填充密度 m2 m3 投资费 用 操作费 用 流动控 制 膜清 洗 管 束 式 板框式 卷式 微管式 中空纤维 折叠式 帘式 20 50 400 600 800 1000 800 1200 8000 150
15、00 高 高 很低 低 低 高 低 低 低 低 好 较好 不好 好 不好 易 难 难 易 难 大型膜元件 宽 变流道 模块化 MBR 膜品 种 应用领域具体应用 微孔 医疗 1 常规过滤 2 消毒过滤 3 分析 水样浓缩和净化 悬浮物 微生物截留 空气中尘埃过滤等 热敏物质 组织培养液 血浆等过滤 药 液 输液 注射液和无菌水生产中空气 无菌过滤 注射器滤膜 酒类过滤 澄 清 稳定化 细菌计数 颗粒计数 微生物浓缩检验 癌细胞计数 活组织计数 细胞大小分 级 酶活性测定等 7 各种膜的应用 超 滤 1 油 漆废液 2 蛋白精制 浓缩 3 工业废水 处理 4 生物工程 5 医疗 6 食品 7 饮
16、用水净化 电泳漆回收 脱脂液去油 油水乳液分离 纤维油剂回收 乳制品加工 豆类蛋白加工 肉 鱼废水处 理 蛋白浓缩 造纸废水 颜料废水 显影废水 冶金废水 脱浆废水 皮革废水 胶乳 水再用 酶和微生物分离和收获 膜生化反应器 膜 组织培养 疫苗 酶类 核酸和激素的分离和精制 去 热源 无菌水制备 血液 腹水等超滤 中 草药浓缩净化 果汁 饮料的澄清和除菌 酱油 醋等除菌 净化 饮用水净化 大规模 纳 滤 1 软化和净 化 2 多糖 多 肽等浓缩 3 废水处理 海水和硬水软化 饮用水深度净 化 多糖 多肽 胺基酸 染料等纯 化和浓缩 电镀 矿井水 市政废水 印染 造纸等 水回用 反 渗 透 1 脱盐 2 纯水制备 3 预浓缩 4 废液处理 海水和苦咸水淡化 大规模 初级纯水 超纯水 RO EDI 化工 食品医药等产品的预浓缩 电镀 矿井水 市政废水 印染 造纸等 水回用 膜品种应用领域具体应用 离子交换 膜 含双极 膜 1 脱盐 2 纯水制备 3 浓缩 4 渗析 5 电解 6 特种分离 7 废液处理 8 其他膜 电渗析海水和苦咸水淡化 初级纯水 超纯水 EDI 海水苦卤浓缩制盐 回收酸
