膜分离技术

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1、膜分离技术概论膜分离技术概论膜分离技术概论w w主要章节和主要章节和学时学时: 32: 32学时学时w w第第1 1章章 导导 论论w w第第2 2章章 膜材料和膜制备膜材料和膜制备w w第第3 3章章 反渗透反渗透w w第第4 4章章 超滤和纳滤超滤和纳滤w w第第5 5章章 微滤微滤w w第第6 6章章 气体膜分离气体膜分离w w第第7 7章章 其它膜过程其它膜过程w w第第8 8章章 膜分离过程强化膜分离过程强化w w第第9 9章章 2121世纪膜分离技术的发展世纪膜分离技术的发展第第1 1章章 导导 论论w w1.1 1.1 分离技术在人类生产和生活中的重要作分离技术在人类生产和生活中

2、的重要作 用用 w w1.2 1.2 分离和膜分离分离和膜分离 w w1.31.3 膜分离的基本原理膜分离的基本原理 w w1.4 1.4 膜分离技术的特点膜分离技术的特点 w w1.5 1.5 膜分离技术的发展史膜分离技术的发展史w w1.6 1.6 膜分离的应用及市场膜分离的应用及市场 w w1.7 1.7 发展中的膜科学发展中的膜科学1.1 1.1 分离技术在人类生产和生分离技术在人类生产和生 活中的重要作用活中的重要作用 地球上的物质，绝大多数是与其他物质混地球上的物质，绝大多数是与其他物质混 在一起的在一起的( (称为混合物称为混合物) )。天然存在的单纯物质。天然存在的单纯物质 少

3、之又少。生产实践证明，将地球上的各种少之又少。生产实践证明，将地球上的各种 各样混合物进行各样混合物进行分离和提纯分离和提纯是提高生产和改是提高生产和改 善生活水平的一种重要途径。善生活水平的一种重要途径。 w w冶炼术的发明冶炼术的发明w w放射性铀的同位素分离成功放射性铀的同位素分离成功 w w水和空气中微量杂质除去的分离技术水和空气中微量杂质除去的分离技术 w w深冷分离技术深冷分离技术 w w蒸馏、吸附、萃取等分离技术蒸馏、吸附、萃取等分离技术 当代工业的三大支柱是当代工业的三大支柱是材料、能源材料、能源 和信息和信息。这三大产业的发展都离不开新。这三大产业的发展都离不开新 的分离技术

4、。人类生活水平的进一步提的分离技术。人类生活水平的进一步提 高也有赖于新的分离技术。在高也有赖于新的分离技术。在2121世纪，世纪， 分离技术必将日新月异，再创辉煌。分离技术必将日新月异，再创辉煌。1.2 1.2 分离和膜分离分离和膜分离 w w将自然界的混合物分开可以采取各种方法将自然界的混合物分开可以采取各种方法 。例如。例如: : w w蒸馏蒸馏 w w吸附方法吸附方法 w w变压吸附变压吸附方法方法 w w混合物之所以能被分离，是由于它们之间混合物之所以能被分离，是由于它们之间 的物理或化学性质有所差异。我们就是利用的物理或化学性质有所差异。我们就是利用 这些差异将其分开的。性质完全相

5、同的物质这些差异将其分开的。性质完全相同的物质 称为元素和化合物，元素和化合物是不能被称为元素和化合物，元素和化合物是不能被 分离的。性质愈相近，分离就愈困难，反之分离的。性质愈相近，分离就愈困难，反之 亦然。亦然。 w w例如水与油比较容易分开，水与酒精就例如水与油比较容易分开，水与酒精就 不易分开。这是因为水与酒精都具有较不易分开。这是因为水与酒精都具有较 强的极性强的极性( (分子上都具有羟基分子上都具有羟基) )，而油的，而油的 分子上只有无极性的分子上只有无极性的C-CC-C键和键和C-HC-H键。键。w w又如氮与氢较易分离，而氮与氧则较难分又如氮与氢较易分离，而氮与氧则较难分 开

6、，这是因为氮的相对分子质量为开，这是因为氮的相对分子质量为2828，氢，氢 的相对分子质量为的相对分子质量为2 2，二者相差悬殊，而氧，二者相差悬殊，而氧 的相对分子质量为的相对分子质量为3232，与氮很接近的缘故，与氮很接近的缘故 。 w w分离技术的发展与人类的生产实践密切分离技术的发展与人类的生产实践密切 相关。伴随着生产力的发展、科学技术的相关。伴随着生产力的发展、科学技术的 进步，分离的方法也从简到繁、技术从低进步，分离的方法也从简到繁、技术从低 级到高级、工艺从一种方法到多种联用级到高级、工艺从一种方法到多种联用 ，不断地改进、创新，提高质量，降，不断地改进、创新，提高质量，降 低

7、成本，以满足人类对生活改善日新月异低成本，以满足人类对生活改善日新月异 的需求。例如：从简单的蒸馏发展到减压的需求。例如：从简单的蒸馏发展到减压 蒸馏、多级闪蒸、压汽蒸馏；从简单的吸蒸馏、多级闪蒸、压汽蒸馏；从简单的吸 附发展到变压吸附、气相色谱、高压液相附发展到变压吸附、气相色谱、高压液相 色谱；从筛网发展到精密过滤、膜分离等色谱；从筛网发展到精密过滤、膜分离等 。 膜分离膜分离w w膜分离是在膜分离是在2020世纪初出现，世纪初出现，2020世纪世纪6060年年 代后迅速崛起的一门分离新技术。顾名思义代后迅速崛起的一门分离新技术。顾名思义 ，膜分离是利用一张特殊制造的、具有选择，膜分离是利

8、用一张特殊制造的、具有选择 透过性能的薄膜，在外力推动下对混合物进透过性能的薄膜，在外力推动下对混合物进 行分离、提纯、浓缩的一种分离新方法。行分离、提纯、浓缩的一种分离新方法。这这 种薄膜必须具有使有的物质可以通过、有的种薄膜必须具有使有的物质可以通过、有的 物质不能通过的特性。物质不能通过的特性。膜可以是固相、液相膜可以是固相、液相 或气相。目前使用的分离膜绝大多数是固相或气相。目前使用的分离膜绝大多数是固相 膜。膜。 膜的定义膜的定义 w w自然界中存在着这样的物质体系，即在一自然界中存在着这样的物质体系，即在一 种流体相种流体相(fluid phase)(fluid phase)内或两

9、种流体相之间内或两种流体相之间 ，有一薄层凝聚相，有一薄层凝聚相(condensed phase)(condensed phase)物质物质 把流体相分隔成两部分。这一薄层物质就是把流体相分隔成两部分。这一薄层物质就是 所谓的所谓的“薄膜薄膜” 或简称膜或简称膜(membrane)(membrane)。w w膜可以是固态的或液态的。被膜分隔开的膜可以是固态的或液态的。被膜分隔开的 流体相物质可以是液态的或气态的。膜本身流体相物质可以是液态的或气态的。膜本身 可以是均匀的一相，也可以是由两相以上的可以是均匀的一相，也可以是由两相以上的 凝聚态物质所构成的复合体。凝聚态物质所构成的复合体。w w膜

10、必定有两个界面，并由这两个界面分别膜必定有两个界面，并由这两个界面分别 与被其分隔于两侧的流体相物质相接触。与被其分隔于两侧的流体相物质相接触。 膜的定义膜的定义膜不是普通的塑料膜或皂泡膜，而是那膜不是普通的塑料膜或皂泡膜，而是那 些具有一定特殊性能些具有一定特殊性能( (例如，半透、电学、例如，半透、电学、 光学、识别及反应等特性光学、识别及反应等特性) )的膜。对分离膜的膜。对分离膜 来说，可将它看作是两相之间的一个半渗来说，可将它看作是两相之间的一个半渗 透的隔层，该隔层按一定的方式截留分子透的隔层，该隔层按一定的方式截留分子 。因此，两相间的膜必须起到隔层的作用。因此，两相间的膜必须起

11、到隔层的作用 ，以阻止两相的直接接触。，以阻止两相的直接接触。该隔层可以是该隔层可以是 固体、液体，甚至是气体的固体、液体，甚至是气体的，半渗透性质，半渗透性质 主要是为了保证分离效果。主要是为了保证分离效果。 如果所有物质不按比例均可通过如果所有物质不按比例均可通过 ，那就失去了分离的意义了。膜截留，那就失去了分离的意义了。膜截留 分子的方式有多种，例如，分子的方式有多种，例如，按分子孔径大小截留，按分子孔径大小截留，按不同渗透系数截留，按不同渗透系数截留，按电荷截留，按电荷截留，按不同的溶解度截留，等等。按不同的溶解度截留，等等。w w物质透过分离膜的能力可以分为两类：物质透过分离膜的能力

12、可以分为两类：w w一种借助外界能量，物质发生由低位向高位一种借助外界能量，物质发生由低位向高位 的流动；的流动；w w另一种是以化学位差为推动力，物质发生由另一种是以化学位差为推动力，物质发生由 高位向低位的流动。高位向低位的流动。表表1 1- -1 1 主要膜分离过程的推动力主要膜分离过程的推动力推动力推动力膜过程膜过程压力差压力差 电位差电位差 浓度差浓度差 浓度差浓度差( (分压差分压差) ) 浓度差加化学反应浓度差加化学反应反渗透、超滤、微滤、气体分离反渗透、超滤、微滤、气体分离 电渗析电渗析 透析、控制释放透析、控制释放 渗透气化渗透气化 液膜、膜传感器液膜、膜传感器膜，是指在一种

13、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。 膜的厚度在0.5mm以下，否则，就不称为膜 。 膜的特性：不管膜多薄, 它必须有两个界面。这两个界 面分别与两侧的流体相接触。膜传质有选择性，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。反渗透膜装置反渗透膜装置膜器膜器膜分离装置膜分离装置小型实验室平板超滤膜装置小型实验室平板超滤膜装置平板膜、卷式膜支撑材料平板膜、卷式膜支撑材料管式膜过滤设备管式膜过滤设备管式膜管式膜1.3 1.3 膜分离的基本原理膜分离的基本原理 w w分离膜具有选择透过特性，所以它可以使

14、混分离膜具有选择透过特性，所以它可以使混 合物质有的通过、有的留下。但是，不同的合物质有的通过、有的留下。但是，不同的 膜分离过程，它们使物质留下、通过的原理膜分离过程，它们使物质留下、通过的原理 有的类似，有的完全不一样。有的类似，有的完全不一样。w w总的说来，分离膜之所以能使混在一起的物总的说来，分离膜之所以能使混在一起的物 质分开，不外乎两种手段。质分开，不外乎两种手段。 w w(1)(1)根据它们物理性质的不同根据它们物理性质的不同 w w(2)(2)根据混合物的不同化学性质根据混合物的不同化学性质 (1)(1)根据它们物理性质的不同根据它们物理性质的不同 w w主要是质量、体积大小

15、和几何形态差异 主要是质量、体积大小和几何形态差异 ，用过筛的办法将其分离。微滤膜分离过，用过筛的办法将其分离。微滤膜分离过 程就是根据这一原理将水溶液中孔径大于程就是根据这一原理将水溶液中孔径大于 50nm50nm的固体杂质去掉的。的固体杂质去掉的。图 11 各种膜的截留区段 (2)(2)根据混合物的不同化学性质根据混合物的不同化学性质 w w主要是主要是溶解和扩散溶解和扩散w w物质通过分离膜的物质通过分离膜的溶解速度完全取决于被分溶解速度完全取决于被分 离物与膜材料之间化学性质的差异，扩散速离物与膜材料之间化学性质的差异，扩散速 度除化学性质外还与物质的分子量有关。混度除化学性质外还与物

16、质的分子量有关。混 合物质透过的总速度相差愈大，则分离效率合物质透过的总速度相差愈大，则分离效率 愈高，反之，若总速度相等，则无分离效率愈高，反之，若总速度相等，则无分离效率 可言。可言。 w w物质通过分离膜的速度取决于以下两个步骤物质通过分离膜的速度取决于以下两个步骤 的速度，首先是从膜表面接触的混合物中进的速度，首先是从膜表面接触的混合物中进 入膜内的速度入膜内的速度( (称溶解速度称溶解速度) )，其次是进入膜内，其次是进入膜内 后从膜的表面扩散到膜的另一表面的速度。后从膜的表面扩散到膜的另一表面的速度。 二者之和为总速度。总速度愈大，透过膜所二者之和为总速度。总速度愈大，透过膜所 需的时间愈短；总速度愈小，透过时间愈久需的时间愈短；总速度愈小，透过时间愈久 。w w例如反渗透一般用于水溶液除盐。这是因例如反渗透一般用于水溶液除盐。这是因 为反