化学分离工程 膜分离技术

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1、第四章 膜分离技术,西南科技大学网络教育系列课程,本章内容,微滤 超滤 纳滤,反渗透,电渗析,膜分离 概述,亲和膜 分离,膜分离 技术,章节导学,渗透蒸发,气体 分离膜,液膜 分离,第四章 膜分离技术,什么是膜分离技术？ 膜分离技术主要有哪些？其分离原理、特点是什么？膜分离技术有何应用？影响因素有哪些？,4.1 膜分离概述 4.2 典型的膜分离技术及应用领域 4.2.1 微滤、超滤、纳滤 4.2.2 反渗透 4.2.3 电渗析 4.2.4 液膜分离 4.2.5 亲和膜分离,本章要点及学习要求,掌握：膜分离的基本原理、典型膜分离的机理、特点和分离膜的构造与特性。膜分离装置的选用，膜分离过程中浓差

2、极化与膜污染的产生原因与消除方法。 了解：膜分离技术的特点、分类及应用，膜组件的构成、膜分离装置及典型流程，了解各种因素对膜分离的影响。 重点：膜分离的基本原理、典型膜分离的机理、特点和分离膜的构造与特性。 难点：典型膜分离的机理和分离膜的构造与特性。,5,4.1.1 膜分离特点及其发展 4.1.2 膜分离分类 4.1.3 分离膜和膜组件 4.1.4 膜材料及膜的制备,4.1 膜分离概述,膜分离技术是以选择性透过膜为分离介质，当膜两侧存在某种推动力（压差、浓度差、电位差等）时，在推动力的作用下,各种物质选择性地透过膜，达到分离或纯化目的的技术。 膜分离 (Membrane Separation

3、) 包括最简单的滤纸过滤到高选择性的生物膜分离。,4.1 膜分离概述,4.1.1 膜分离特点及其发展,7,1. 膜分离技术的发展,在化工单元操作中，常见的分离方法有筛分、过滤、蒸馏、蒸发、重结晶、萃取、离心分离等。 对于高层次的分离，如分子尺寸的分离、生物体组分的分离等，采用常规的分离方法是难以实现的，或达不到精度，或需要损耗极大的能源而无实用价值。 具有选择分离功能的膜分离技术的出现，使上述的分离问题迎刃而解。,4.1 膜分离概述,8,膜分离现象很早就已发现。 1748年，耐克特（A. Nelkt）发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内，开创了膜渗透的研究。 1861年，施密特（A. Sch

4、midt）首先提出了超过滤的概念。他发现用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤时，可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微小粒子，其精度比滤纸高得多。这种过滤可称为超过滤。,4.1 膜分离概述,9,真正意义上的膜分离出现在20世纪60年代。 1961年，米切利斯（A. S. Michealis）等人制成了可截留不同分子量的膜，这种膜是真正的超过滤膜。 美国Amicon公司首先将这种膜商品化。 50年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，开始了反渗透膜的研究。 1967年，DuPont公司研制成功了以尼龙66为主要组分的中空纤维反渗透膜组件。同一时期，丹麦DDS公司研制成功平板式反渗透膜组件。反渗透膜开

5、始工业化。,4.1 膜分离概述,10,自上世纪60年代中期以来，膜分离技术真正实现了工业化。 首先出现的分离膜是超过滤膜（简称UF膜）、微孔过滤膜（简称MF膜）和反渗透膜（简称RO膜）。以后又开发了许多其它类型的分离膜。 除上述三大膜外，其他类型的膜也获得很大的发展。80年代气体分离膜的研制成功，使功能膜的地位又得到了进步提高。,4.1 膜分离概述,11,马丁（Martin）在60年代初研究出具有分离选择性的人造液膜，这种液膜是覆盖在固体膜之上的，为支撑液膜。 60年代中期，美籍华人黎念之博士发现含有表面活性剂的水和油能形成界面膜，从而发明了不带有固体膜支撑的新型液膜，并于1968年获得纯粹液

6、膜的第一项专利。 70年代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功含流动载体的液膜，使液膜分离技术具有更高的选择性。,4.1 膜分离概述,2.膜分离技术共同特点: 膜的种类、孔径可以根据需要选择,把产物分在两侧，很容易收集样品。 不管物料流有多强，膜对于阻止大的粒子或分子透过的能力是很强的。 低能耗、低成本和单级效率高,节能 。 特别适合于性质相似组分、同分异构体组分、热敏性组分、生物物质组分等混合物的分离。 装置简单，操作方便，无污染并可回收有用物质，环保。,4.1 膜分离概述,13,） 膜分离过程没有相的变化(渗透蒸发膜除外)，常温下即可操作；由于避免了高温操作，所浓缩和富集物质的性质不容易

7、发生变化，因此在膜分离过程食品、医药等行业使用具有独特的优点； ）分离设备无运动部件，装置简单、操作容易，对无机物、有机物及生物制品均可适用，并且不产生二次污染。,膜分离技术的优点p（）,4.1 膜分离概述,14,）分离规模和处理能力变化范围大，而运行费用变化不大。 ）分离效率高、设备体积小，改造现有工艺容易。 由于膜分离技术具有高效、节能、高选择、多功能等特点，膜分离已成为上一世纪以来发展极为迅速、最有发展前途的高新技术。,4.1 膜分离概述,4.1 膜分离概述,在常温下进行 无相态变化 无化学变化 选择性好 工艺简单，操作方便，易于自动化。,针对不同的物系，采用一种或多种膜联用，实现逐级分

8、段分离浓缩, 膜分离浓缩技术在低浓度液相体系中已成为蒸发、萃取等工艺的有效替代和补充 。,4.1 膜分离概述,4.1 膜分离概述,膜分离技术在食品工业中的应用,4.1 膜分离概述,在化工中的应用：结晶后母液的浓缩,膜分离法浓缩化工母液设备,4.1 膜分离概述,化工生产中废水的浓缩处理和排放 超滤与反渗透联合处理工艺的可行性和可靠性，能够满足己内酰胺生产装置对不同的废水回用要求 。,4.1 膜分离概述,膜是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚相，它把流体相分隔为互不相通的两部分，并能使这两部分之间产生传质作用。 膜的特性：膜有必须有两个界面,分别与两侧的流体相接触 膜传质有选择性，

9、它可以使流体相中的一种或几种物质透过，而不允许其它物质透过。,膜是什么？有何特性？,4.1 膜分离概述,4.1.2 膜分离分类,膜分离过程原理：以选择性透膜为分离介质，通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压力差或电压差等）时，使原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离提纯的目的。 通常膜原料侧称为膜上游，透过侧称为膜下游。,膜上游 透膜 膜下游,4.1 膜分离概述,膜分离分类,4.1 膜分离概述,按膜的孔径、传质动力和传递机理,以静压力差为推动力的过程 微滤（microfiltration, MF) 超滤（ultrafiltration, UF） 反渗透（reverse osmosis, RO)

10、 纳滤（nanofiltration, NF) 以蒸汽分压为推动力的过程 膜蒸馏（membrane distillation, MD) 渗透蒸发（pervaporation, PV） 以浓度差为推动力的过程 渗析（dialysis, D) 以电位差为推动力的过程 电渗析（electrodialysis, ED),4.1 膜分离概述,25,膜分离过程的类型 分离膜的基本功能是从物质群中有选择地透过 或输送特定的物质，如颗粒、分子、离子等。或者 说，物质的分离是通过膜的选择性透过实现的。,4.1 膜分离概述,26,据分离原理不同将膜分离过程可分为以下三种形式： 渗析式膜分离 料液中的某些溶质或离子

11、在浓度差、电位差的推动下，透过膜进入接受液中，从而被分离出去。 属于渗析式膜分离的有渗析和电渗析等；,4.1 膜分离概述,27, 过滤式膜分离 利用组分分子的大小和性质差别所表现出透过 膜的速率差别，达到组分的分离。属于过滤式膜分 离的有超滤、微滤、反渗透和气体渗透等； 液膜分离 液膜与料液和接受液互不混溶，液液两相通过 液膜实现渗透，类似于萃取和反萃取的组合。溶质 从料液进入液膜相当于萃取，溶质再从液膜进入接 受液相当于反萃取。 几种主要的膜分离过程的基本特性及其传递机理如表所示。,4.1 膜分离概述,28,几种主要分离膜的分离过程,4.1 膜分离概述,29,续上表,4.1 膜分离概述,um

12、,A,RELATIVE,SIZE OF,COMMON,MATERIAL 过滤对象,MOLECULAR,WEIGHT 分子量,0.001,10,0.01,100,0.1,1000,1.0,10,4,10,10,5,100,1000,10,6,10,7,100,200,5,000,20,000,150,000,500,000,Aqueous salts 中水盐份,Metal ions 金属离子,Sugars 蔗糖,FILTRATION,TECHNO-,LOGY 过滤方法,Pyrogens 热源,Virus 病毒,Colloidal silica 胶体硅,Albumin protein 白蛋白,Ba

13、cteria 细菌,Carbon black 碳黑,Paint pigment 颜料色素,Yeast cells 酵母,Milled flour 面粉,Beach sand 海滩沙砾,Pollens 花粉,RO 反渗透,Ultrafiltration 超滤,Microfiltration 微滤,Particle filtration 一般过滤,THE FILTRATION SPECTRUM 过滤谱图,NF 纳滤,32,4.1.3 分离膜和膜组件 1. 分离膜的分类 (1) 按膜的材料分类,表4-1 膜材料的分类,4.1 膜分离概述,分离膜的分类,4.1 膜分离概述,34,(2) 按膜的分离原理

14、及适用范围分类 根据分离膜的分离原理和推动力的不同，可将 其分为微孔膜、超过滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗 析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。,4.1 膜分离概述,4.1 膜分离概述,4.1 膜分离概述,铝膜,纳米管膜,聚酰胺转相膜,4.1 膜分离概述,39,(4) 按功能分类 日本著名高分子学者清水刚夫将膜按功能分为 分离功能膜：包括气体分离膜、液体分离膜、离子 交换膜、化学功能膜. 能量转化功能膜：包括浓差能量转化膜、光能转化膜、机械能转化膜、电能转化膜，导电膜 生物功能膜：包括探感膜、生物反应器、医用膜等。,(5) 按膜的物理状态分：固膜（应用多）、液膜（中试）及气膜（研究阶段）。 固膜：高分子

15、膜、无机材料膜（陶瓷膜、金属膜）。,2. 膜分离的物理化学原理,4.1 膜分离概述,分离透过性 分离效率 渗透通量 通量衰减系数 物化稳定性 膜强度 压力 温度 pH 耐受性,4.1 膜分离概述,4. 膜分离的主要设备,主要设备 膜分离操作的基本设备包括预处理过滤器、高压泵、膜组件。其中膜组件是膜分离操作的主体设备。 膜组件 板式 管式 螺旋卷式 中空纤维式,4.1 膜分离概述,43,膜组件：膜分离单元为膜组件。 四种主要形式：平板式膜组件、管式膜组件、中空纤维式膜组件和螺旋式膜组件。分别见p图、。 平板式膜组件、管式膜组件多用于中小型生产，超滤和微滤。 中空纤维式膜组件和螺旋式膜组件：大规模

16、反渗透脱盐。 四种膜组件的优缺点比较。表8-1p183,4.1 膜分离概述,44,四种膜组件： a.平板式 b.管式 c.中空纤维式 d.螺旋式,4.1 膜分离概述,平板式膜组件,4.1 膜分离概述,46,4.1 膜分离概述,管式膜组件,4.1 膜分离概述,48,4.1 膜分离概述,螺旋卷式装置 螺旋卷式装置的膜组件是在两层膜中间夹一层多孔的柔性格网，并将它们的三边粘合密封起来、再在下面铺一层供废水通过的多孔透水格网，然后将另一开放边与一根多孔集水管密封联接，使进水与净化水完全隔开，最后以集水管为轴，将膜叶螺旋卷紧而成。把几个膜组件串联起来，装入圆筒形耐压容器中，便组成螺旋卷式反渗透装置。如图所示。,4.1 膜分离概述,4.1 膜分离概述,51,螺卷式膜组件,4.1 膜分离概述,螺卷式膜组件,螺卷式装置的膜堆密度大，结构紧凑，但密封较困难，易堵塞，清洗不使。,4.1 膜分离概