膜分离技术及其应用

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1、膜分离技术及其应用膜分离技术及其应用 膜分离发展过程和趋势 可用？可用？ 高增长高增长 低增长低增长 透 析透 析微 滤微 滤超 滤超 滤反 渗 透反 渗 透电 渗 析电 渗 析控 制 释 放控 制 释 放气 体 分 离气 体 分 离渗 透 汽 化渗 透 汽 化双 极 膜双 极 膜液 膜液 膜膜 反 应 器膜 反 应 器闸 膜闸 膜活 化 传 递活 化 传 递微滤微滤 0.110 m： 细菌、煤灰、发酵细胞、颜料、 蛋白等 超滤超滤 0.005 0.1 m： 蛋白、颜料、多糖、大分子 纳滤纳滤 0.00050.005 m： 低聚糖、染料、多价离子 反渗透反渗透0.00010.001 m： 电解

2、质、大于100Da的有机溶质 水、小于100Da的有机溶质 膜的适用范围 膜膜 料液料液 水水 小分子小分子 大分子大分子 渗透液渗透液 定义：定义： 具有选择性分离的功能具有选择性分离的功能 薄膜材料。薄膜材料。 “2121世纪的多数工业中，世纪的多数工业中， 膜技术扮演着战略的角色膜技术扮演着战略的角色” “谁掌握了膜技术，谁就谁掌握了膜技术，谁就 掌握了掌握了2121世纪的未来世纪的未来” 膜的简介 报告内容 膜技术简介 发展历史 专业术语 应用实例 典型膜过程 反渗透 超滤 微滤 陶瓷膜技术 膜的发展历史 1748年Abble Nelkt 发现水能自然地扩散到装有酒精的猪膀胱内， 首次

3、揭示了膜分离现象； 1827年Dutrochet引入名词渗透（Osmosis）； 1861年Schmidt提出超滤概念； 1864年Traube成功研制了人类历史上第一张人造膜（亚铁氰化铜 膜） 1918年Zsigmondy提出了商品微滤膜的制备方法，并将其应用于 微生物、微粒等方面的分离和富集； 1950年W.Juda成功研制了第一张具有实用价值的离子交换膜； 1960年Loeb 和Sourirajan研制出第一张不对称的醋酸纤维素反渗 透膜，导致了膜分离技术进入了实用和装置的研制阶段； 1967年以后在美国、丹麦、日本等国出现了多家膜及其组件的生 产厂家，逐渐开始了膜分离技术的规模应用。

4、我国1958年开始研究离子交换膜和电渗析，1966年开 始研究RO、UF、MF、液膜、气体分离等膜分离过程应 用与开发研究。80年代后期又陆续开展了渗透汽化、 膜萃取、膜蒸馏和膜反应等新膜过程的研究，并着手 进行膜技术的推广应用工作。 国内主要的膜研究和推广单位： 1）气体分离：大连化学物理研究所（天邦膜公司） 2）液体分离：杭州水处理技术中心（西斗门公司） 天津纺织工学院（膜天公司） 3）无机膜：南京工业大学（久吾高科） 中国科技大学 膜的发展历史 膜过程国家年代应用微滤 超滤 血液渗析 电渗析 反渗透 超滤 气体分离 膜蒸馏 全蒸发德国 德国 荷兰 美国 美国 美国 美国 德国 德国/荷兰

5、1920 1930 1950 1955 1960 1960 1979 1981 1982实验室用（细菌过滤器） 实验室用 人工肾 脱盐 海水脱盐 大分子物质浓缩 氢回收 水溶液浓缩 有机溶液脱水/荷兰 19301950195 519601960197 9198膜的发展历史 膜的简介 特征特征：具有选择性分离的功具有选择性分离的功 能薄膜材料，以及以其为核心能薄膜材料，以及以其为核心 的装置、过程、工艺的集成与的装置、过程、工艺的集成与 应用应用 特点特点： 无相变、低能耗无相变、低能耗 高效率、污染小高效率、污染小 工艺简单、操作方便工艺简单、操作方便 便于与其它技术集成便于与其它技术集成 浓

6、缩液浓缩液 进料液进料液 渗 透 液渗 透 液膜的分类 膜的适用范围 分离对象的粒径分布分离对象的粒径分布 膜元件 膜元件 膜分离的形式膜分离的形式错流过滤错流过滤 终端过滤 污染严重污染严重 错流过滤 污染轻污染轻 膜过程的一些术语 膜过程的一些术语 错流过滤 F eedR etentateC rossflow m em branem oduleR ecirculation loopP1P3P2Permeate错流过滤的优点： (1)便于连续化操作过程中控制循环比； (2)流体流动平行于过滤表面，产生的表面剪切力带走膜 表面的沉积物，防止污染层积累，使之处于动态平衡， 从而有效地改善液体分离

7、过程，使过滤操作可以在较 长的时间内连续进行； (3)错流过滤所产生的流体剪切力和惯性举力能促进膜表 面的溶质向流体主体的反向运动，提高了过滤速度。 膜过程的一些术语 膜过程的一些术语 通量：在一定操作条件下，单位时间通过单位面积膜的体积流量。单位L/m2.h 选择性：将混合物总的组分分离开来的能力。 1）液体分离的选择性常用截留率表示： R1Cp/Cf 2）气体分离或有机溶剂混合物的分离常用分离因子表示选择性：A/B(yA/yB)/(xA/xB)，其中y表示渗透侧各组分的浓度，x表示原料侧的浓度。当A/B等于1，表示无法实现分离目的，大于1表示A组分通过膜的速度大于B组分。 通量衰减系数m：

8、由于过程的浓差极化、膜的压密、膜污染等的影响，使得通量随时间的变化 膜过程的一些术语 膜过程的一些术语 推动力： 1）对多孔膜而言，在对流流动的情况下，传质推动力是膜两侧的压力差。 膜压降：P1-P2，是由于流体流动引起的。 2）对致密膜而言，推动力为膜两侧的化学势之差。 P1 P2 P3 P（P1P2）/2P3 膜过程的一些术语 浓差极化：浓差极化：在膜分离过在膜分离过 程中，一部分溶质被截程中，一部分溶质被截 留，在膜表面及靠近膜留，在膜表面及靠近膜 表面区域的浓度越来越表面区域的浓度越来越 高，造成从膜表面到本高，造成从膜表面到本 体溶液之间产生浓度梯体溶液之间产生浓度梯 度，这一现象称

9、为度，这一现象称为“浓浓 差极化差极化”。 1 2 3 Cf Cm Cp 浓差 膜层 渗透侧 极化层 极化层 传递阻力： 1）膜阻Rm:与膜本身的结构有关，包含膜层到支撑层的传递阻力； 2）浓差极化阻力Rc：由于被截留组分在膜面浓度的增大而引起的； 3）推动力的损失：进料侧和渗透侧的压力损失； 4）膜污染阻力：由于物料中的成分对膜产生吸附、堵塞、以及沉积等现象而引起的。 膜过程的一些术语 Rm 膜管本身阻力膜管本身阻力 Ri 膜孔内污染阻力膜孔内污染阻力 Rg 凝胶层阻力凝胶层阻力 Rc 浓差极化阻力浓差极化阻力 膜污染 CguCbRm Ri Rg RcC膜污染阻力的概念模型膜污染阻力的概念模

10、型 膜过程的一些术语 膜污染：指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生渗透通量与分离特性的不可逆变化现象。 物理污染包括膜表面的沉积，膜孔内的阻塞，这与膜孔结构、膜表面的粗糙度、溶质的尺寸和形状等有关。 化学污染包括膜表面和膜孔内的吸附，这与膜表面的电荷性、亲水性、吸附活性点及溶质的荷电性、亲水性、溶解度等有关。 膜的用途 浓缩：目的产物以低浓度形式存在，因 此需要除去溶剂；（截留物为产物） 纯化：除去杂质； 分离：将混合物分成两种或多种目的产 物； 反应促进：把化学反应或生化反应的产 物连续

11、取出，能提高反应速率或提高产 品质量。 膜的应用 从从2020世纪初到世纪初到2020世纪世纪9090年代，膜技术基本已经从实验室年代，膜技术基本已经从实验室 步入工业化，并在水处理、食品工业、环境保护、化工步入工业化，并在水处理、食品工业、环境保护、化工 与石油化工、电子、冶金、国防与石油化工、电子、冶金、国防等领域得到成功的等领域得到成功的 应用。目前全球膜产业的规模超过百亿美元，正以年应用。目前全球膜产业的规模超过百亿美元，正以年3030 的速度递增着。的速度递增着。 膜的应用 膜 海水淡化海水淡化 工业废水处理工业废水处理 城市废水资源化城市废水资源化 天然气天然气 生物质利用生物质利

12、用 能源能源 水资源水资源 传统工业传统工业 生态环境 除尘除尘 COCO2 2 控制控制 制制 药药 食食 品品 化工与石化化工与石化 电电 子子 冶冶 金金 燃料电池燃料电池 洁净燃烧洁净燃烧 膜技术的工业应用 工业领域工业领域 应用举例应用举例 金属工艺金属工艺 金属回收；污染控制；富氧燃烧金属回收；污染控制；富氧燃烧 纺织及制革工业纺织及制革工业 余热回收；药剂回收；污染控制余热回收；药剂回收；污染控制 造纸工业造纸工业 代替蒸馏；污染控制；纤维及药剂回收代替蒸馏；污染控制；纤维及药剂回收 食品及生化工业食品及生化工业 净化；浓缩；消毒；代替蒸馏；副产品回收净化；浓缩；消毒；代替蒸馏；

13、副产品回收 化学工业化学工业 有机物除去或回收；污染控制；气体分离；药剂回收和再利用有机物除去或回收；污染控制；气体分离；药剂回收和再利用 医药及保健医药及保健 人造器官；控制释放；血液分离；消毒；水净化人造器官；控制释放；血液分离；消毒；水净化 水处理水处理 海水海水、苦咸水淡化；超纯水制备；电厂锅炉用水净化；废水处理苦咸水淡化；超纯水制备；电厂锅炉用水净化；废水处理 国防工业国防工业 舰艇淡水供应；战地医院污水净化；低放射性水处理；野战供水舰艇淡水供应；战地医院污水净化；低放射性水处理；野战供水 膜技术用于生物质资源开发 膜生物反应器技术取得间歇发酵可提高反应器效率膜生物反应器技术取得间歇

14、发酵可提高反应器效率15158080倍倍 渗透汽化膜分离技术比传统共沸蒸馏节能渗透汽化膜分离技术比传统共沸蒸馏节能6060 生产装置总投资为传统分离方法总投资的生产装置总投资为传统分离方法总投资的404080%80% 650 kcal/l 130 kcal/l 7 wt%乙醇乙醇 1380 kcal/l 42 wt%乙醇乙醇 93 wt%乙醇乙醇 99.8 wt%乙醇乙醇 980 kcal/l 350 kcal/l (90 % ES) (33 % ES) 纤维素纤维素 发酵发酵 蒸馏蒸馏 蒸馏蒸馏 脱水脱水 透 醇 膜透 醇 膜60 wt%乙醇乙醇 99.8 wt%乙醇乙醇 透 水 膜透 水

15、膜传统过程传统过程:发酵速发酵速 率低、能耗大率低、能耗大 膜生物反应膜生物反应 器：器：实现连实现连 续生产，降续生产，降 低操作成本低操作成本 膜法海水淡化 分离方法分离方法 反渗透反渗透 低温多效低温多效 多级闪蒸多级闪蒸 能耗能耗 (kWh/m3) 3.5 7 10 国家或地区国家或地区 沙特沙特 中国中国 长海长海 中国中国 长岛长岛 中国中国 沧化沧化 设备能力设备能力 m3/d 56800 1000 1000 18000 原水含盐量原水含盐量 mg/L 43700 35000 34000 13000 能耗能耗 kwh/m3 7 5 4.5 2.75 产水成本产水成本 RMBRMB/m3 4.88 6.69 5.13 1.83 反渗透淡化厂的能耗及产水成本反渗透淡化厂的能耗及产水成本 几种分离方法能耗比较几种分离方法能耗比较 膜法海水淡化 嵊泗嵊泗1000吨吨/日反渗透海水淡化装置日反渗透海水淡化装置 膜法自来水厂 巴黎瓦兹河梅巴黎瓦兹河梅 里市里市1414万立方万立方 米米/ /天的纳滤天的纳滤 厂，每天为巴厂，每天为巴 黎附近黎附近5050万居万居 民提供民提供1414万吨万吨 饮用水饮用水 典型膜应用过程 反渗透 渗透与反渗透的区别： 渗透是水通过 半透膜，从低溶质浓度一