分离膜与膜分离组件

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1、分离膜与膜分离组件第一节 分离膜的种类膜是膜技术的核心，决定膜功能包括膜材料的化学性质及膜的结构，因而与膜的制备过程有关。 膜的主要品种是高分子膜，无机膜。膜材料主要有：无机膜材料 ：多孔石英玻璃、多孔陶瓷、多孔钨（金膜）、ZrO2、ZnO2、Al2O3、TiO2、SiO2、活性炭； 有机高分子膜材料：醋酸纤维素、聚砜类、聚酰胺 类、聚丙烯腈类等。应用领域： 液体分离膜材料：MF/UF/NF/RO ； 气体分离膜材料: GS/PV；荷电膜材料: ED/DD/BPED。1第三节 分离膜的分离特性与结构分离效率、渗透通量、通量衰减系数。1、分离效率：脱除率或截留率R适于溶液脱盐，高分子物质 脱除。

2、Cb-主体浓度，Cp-透过液浓度一、膜的分离透过特性2分离系数或混合物分离YA透过液中A的摩尔分率，XA原液中A的摩尔分率。2、渗透通量：单位时间内通过单位膜面积的透过物的量。3V透过液的容积或量；S膜的有效面积；t时间；渗透通量Jm通常以mL/(cm2h) 或 L/(m2d)为单位 。3、通量衰减系数：Jt 运行t小时的渗透通量； J1 运行1小时的渗透通量；m - 通量衰减系数。4二、分离膜的形态结构高分子聚合物膜的结构：p 致密膜（对称膜）：均匀的致密薄膜（均质膜）， 物质在膜内各处的渗透率相同。膜厚5nm5m。 使用较少。p 微孔膜：平均孔径0.0210m，膜孔有一较宽的 分布范围，孔

3、道曲折，膜厚50250m，应用较普 遍。p 非对称膜：是使用最广泛的一种分离膜。非对称分 离膜一般由两层组成，表面活性层和支撑层。5表面活性层非常薄，厚度0.11.5m。表 面活性层起分离作用(即选择透过作用)，其孔径和表皮性质决定分离特性，厚度决定传递速率。 表面活性层可以是致密的，也可以是多孔的。下 面的支撑层起机械支撑作用，是多孔的，对分离 特性和传递速率影响很小，厚度50250m。表面活性层与支撑层用同一种膜材料，在制膜过程中同时形成，习惯上称这种膜为非对称 膜。6p 复合膜（非对称膜）：表面活性层与支撑层分两 次形成，先制成支撑膜，再把皮层复合到支撑膜 的表面上，用这种方法制成的非对

4、称膜叫做复合 膜，一般复合膜的表面活性层和支撑层是两种膜 材料。表面活性层厚度0.2515m。表面活性层 可用各种材料，应用广泛。p离子交换膜：为均质膜，膜厚200m，主要用于 电渗析。71、表面活性层对分离膜的性能起决定性影响：（1）表面活性层愈薄，膜的渗透通量愈大。有些膜分 离过程(如反渗透)，膜的渗透通量与表面活性层厚度呈 反比；（2）表面活性层如果属多孔结构，则单位面积上孔数 愈多(孔隙率愈大)，膜的渗透通量愈大；（3）表面活性层上孔分布愈狭，分离产品的纯度就愈 高，即除了希望得到的产品外，其他杂质愈少。起分离作用的表面活性层不能存在缺陷(大孔)。否 则分离效率急剧下降，渗透通量变得异

5、常高。 三、分离膜的形态结构与性能的关系82、支撑层对分离膜的性能也有一定影响：支撑层孔愈大、孔隙率高也能使膜的通量有所提 高。可见，高性能的分离膜除了选择合适的膜材料外，它 应具有非对称结构，即具有致密(或多孔)的、无缺陷的 、超薄的(几十纳米厚)表面活性层和孔隙率高的多孔支 撑层。对复合膜来说，支撑膜表面要有合适的孔径。 孔分布要窄，且无大孔。在生产商品膜过程中，要制造表面活性层这样薄而无 缺陷的膜，技术要求相当高。9第四节 分离膜的污染与劣化1、膜的污染：因为膜表面形成附着层或膜孔堵塞等外部因素 导致膜性能发生变化的现象。膜污染一般导致膜的渗透通量下降，对截留率 影响不定。2、膜的劣化：

6、因为膜自身发生不可逆转的变化等内部因素导 致膜性能发生变化的现象。膜劣化对渗透通量、截留率影响不定。103、膜劣化的原因：q化学性劣化：由膜材料的水解或氧化反应等化 学因素造成的。例如PH值超出允许范围导致反应。q物理性劣化：由膜结构发生不可逆转变形等物 理因素造成的。例如高压或干燥状态下的变形 。q生物性劣化：由料液中微生物导致膜发生生物 降解反应等生物因素造成的。114、膜污染与劣化的防止方法：A预处理法A操作方式的优化A膜组件结构改善A膜组件的清洗：实际应用非常重要，分化学清洗和物理清洗。A抗劣化抗污染膜的制备121.死端操作：料液置于分离膜的上游，在压差作用下进行。 缺点：截留物在表面

7、形成污染层，且随时间增厚 ，阻力增加，若操作压力不变，通量下降。污染层厚度渗透通量时间操作方式132. 错流操作：料液以切线方向流过分离膜表面。料液流经 膜表面所产生的高剪切力可使沉积在膜表面的颗 粒扩散返回膜主流体，当沉积速度与返回速度达 平衡，表面污染层不再增厚，渗透通量可较长时 间保持稳定。污染层厚度渗透通量时间14第三章 反渗透第一节 概 述在高于溶液渗透压的压力作用下，只有溶液中的 水透过膜，而所有溶液中大分子、小分子有机物及 无机盐全被截留住。理想的反渗透膜应是无孔的，分离的基本原理 是溶解扩散以及毛细孔流学说。“膜孔径”为 1 到 10 埃，截留物为0.11nm小分子溶质，采用压

8、力为 1- 10 Mpa。反渗透主要应用领域是海水或苦咸水的淡化。15第二节 反渗透基本原理一、反渗透原理(a) (b) (c) 16稀溶液的Vant Hoff渗透压公式：RTCs R0.082atmL/(moLK); Cs为各溶质离子 浓度总和mol/L; T为开尔文温度K。反渗透是渗透的一种反方向迁移运动，溶液 浓度越高，值越大。在反渗透过程中所要施加的 实际压力必须远大于按渗透压公式算出的溶液的 值。在系统和膜强度允许的范围内，一般为值的 几倍到近十倍。反渗透过程必须满足两个条件：1：有一种高选择性和高透过率（一般是透水 ）的选择性透过膜；2：操作压力必须高于溶液的渗透压。17三、反渗透

9、过程传质机理1、优先吸附毛细孔流动机理：1960年，sourirajan在Gibbas吸附方程 基础上，提出了优先吸附-毛细孔流动机理， 为反渗透膜的研制和过程的开发奠定了基础 ，而后按此机理发展为定量表达式，即表面 力-孔流动模型。下图表示水脱盐过程的优先吸附-毛细孔 流动机理。在这过程中，溶剂是水，溶质为 氯化钠。由于膜表面具有选择性吸水而排斥 盐作用，水优先吸附在膜表面上，因此在压 力的作用下优先吸附的水渗透通过膜孔，就 形成了脱盐过程。18当水溶液与多孔膜接触时，如果膜的物理化学性 质使膜对水优先吸附，那么在膜与溶液界面附近就会 形成一层被膜吸附的纯水层，纯水层的厚度与溶质和 膜表面的

10、化学性质有关。对于对称电解质水溶液的纯 水层厚度，可用matsuura提出的修正Gibbas等温吸 附方程计算:式中为溶液中溶质的活度系数；m 为溶液的质量摩尔浓度, mol/kg；CAb为氯化钠的摩尔浓度，mol/m3 。19膜表皮层的毛细孔接近或等于纯水层厚度两倍 2t时，微孔膜能获得最高的渗透通量和最佳的分离 效果，当膜的孔径大于2t时，则溶质就会从毛细孔 的中心通过，而产生溶质的泄漏，因此2t为膜的临 界孔径值。2. 溶解-扩散模型20世纪60年代，Lonsdale和Riley等人在假定膜 是无缺陷的理想膜基础上，提出溶解-扩散机理来 描述反渗透过程。20该机理假定溶剂和溶质首先都溶解

11、在均质无 孔膜的表皮层中，然后各组分在非偶合形式的化 学位梯度作用下，从膜上游侧向下游侧扩散，再 从下游侧解吸。故溶剂和溶质在膜中的溶解度和 扩散系数是该机理的主要参数。溶质传递通过膜的浓度分布21Lonsdale等人通过费克定律来描述溶剂在膜内的 扩散。通过膜的水的渗透通量： Jw = A(P - )A为溶剂的渗透系数,P为膜两侧压力差, 为膜两侧渗透压差。通过膜的溶质的渗透通量：DWA为溶质在膜中的有效扩散系数，为膜厚度， K为相平衡常数， CAi、 CA2分别为膜的料液侧表面和透过液中溶质的浓度。A 、(DWA /)反映了溶剂和溶质透过膜的特性，与溶 剂、溶质和膜材料的物理化学性质，膜的

12、形态结构、 操作温度、压力等有关。22第四节 膜分离工艺流程为了达到设计所要求的处理能力和分离效果， 需进行多个膜组件的串联或并联：通过组件的不同配置方式来满足不同要求；膜元件的使用寿命与此有重要的影响；因此，在设计中应重视膜组件数量的选择和膜 组件的合理排列组合。一、膜组件合理排列组合的意义23概念：p段：指膜组件的浓缩液（浓水）不经泵自动流到 下一组膜组件处理，流经n组膜组件，即称为n段 ；p级：指膜组件的透过液（产品水）再经泵到下一 组膜组件处理，透过液（产品水）经n次膜组件处 理，称为n级。按照“级”和“段”的概念，反渗透的操作模式 有多种。二、膜组件的排列组合（流程）241、一级一段

13、连续式透过液的 回收率不 高，在工 业中很少 采用。 252、一级一段循环式部分浓缩液返回进料液贮槽与原有的进料液混合后，再次 通过组件分离。因浓缩液中溶质含量较原料液高，所以透 过液的质量有所下降 。263、一级多段连续式水的回收率提高，浓缩液的量减少 ，但浓缩液中溶质的含量增大。 274、一级多段循环式第二段的透过水质较第一段差，这 种方法可得到较高浓度的浓缩液。 285、多段锥形排列这种方式得到的浓缩液由于经过多段 流动，压力损失较大，生产率下降， 为此需增设高压泵。296、多级多段（实用价值高）3031对膜的选择更广泛每一级膜两侧的浓差减小，操作压 差可以降低对设备的要求降低；但各级多

14、需要泵将料 液提高到较高的压力，能耗增加。 32第五节 反渗透的应用1、海水和苦咸水的淡化p反渗透过程已成功使用30多年，据统计，在全世 界所有淡化过程生产11.5106m3/d的饮用水中， 反渗透法占23.4%。p优点：能耗和投资运行费用低，占地小，设备腐 蚀轻，易建造、操作、维修，建厂时间短。33一般分三个工序：（1）预处理，去除悬浮物、杂质；（2）脱盐处理，一般采用RO预脱盐；（3）后处理，最后精制，灭菌。反渗透等膜分离技术已被普遍用于电子工业纯水及医药工业无菌纯水等的超纯水制备 系统中。2 2、纯水生产、纯水生产34初级纯水处理：原水预处理离子交换用水点纯水生产流程：超纯水生产流程：3

15、53、废水处理反渗透膜对阳离子基本上遵循感胶离子的顺序拦 截，即：Al3+ Fe3+ Mg2+ Ca2+ Na+ NH4+ K+对阴离子的拦截顺序为：SO42- CO32- Cl- PO43- F- = CN- NO3- B4O72-例如：电镀废水，电厂污水，造纸污水，放射性废水处理。36用反渗透代替精馏，从水溶液中分离低分子 量有机组分是当前反渗透研究的一个重要领域。对乙醇水混合物的分离已进行了大量研究工 作。从乙醇水的相平衡曲线可知，用蒸馏法将5 (wt) 以下浓度的乙醇浓缩到15(wt)，把90 (wt)以上浓度的乙醇脱水，超过恒沸点制备无水 乙醇是耗能非常大的过程，用RO进行这些分离可

16、 节省大量能耗。从目前的研究看，在高浓度区(恒沸点附近) 有以渗透蒸发膜过程代替蒸馏的趋势。在低浓度 区(稀乙醇)的浓缩则转向反渗透。5、低分子量物质水溶液的浓缩37第五章 超滤与微滤第一节 超滤和微滤过程原理一、超滤分离原理超滤的分离原理主要是筛分原理，膜的表 面活性层上孔的大小和形状对截留率起主要作 用，但膜表面的化学性质也有重要影响。表面活性层上孔径为 10 200 埃（ 0.001m - 0.02m），可截留分子量500以上 的可溶性大分子物质，采用压力为0.11MPa。38分离原理是筛分原理，微滤膜的孔径为 0.02 m -10 m，截留直径为 0.05 m - 10 m 的微粒或分子量大于106的高分子，采用压力为 0.01-