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1、膜分离技术的应用及发展王 金 渠大连理工大学化工学院 2005年5月一、膜与膜过程1. 膜选择透过物质的“栅栏”(Barrier)多孔膜致密膜2.膜过程在推动力选择透过膜分离与纯化渗透蒸发膜分离过程浓缩物进料(液态 )渗透物惰性气体P1P2 P1P2 3000 元/tv结论2020年，我国燃料乙醇超过千万吨，采用膜生物反 应器连续发酵技术和渗透汽化提纯乙醇技术相结合，对保障 我国能源和经济持续繁荣具有重要的战略意义。v研究发展现状日本Mitsui Engineering & Shipbuilding Co., LTD建成 工业化实验装置，处理量1630kg/hNaA膜工业化实验装置图我校成功合
2、成NaA分子筛膜，建立了实验装置NaA膜SEM 照片 NaA膜渗透蒸发乙醇脱水实验装置2.膜技术是解决我国缺水问题的重要技术我国严重缺水资源型缺水、水质型缺水，用 膜法解决这一问题的举措v膜反渗透海水淡化世界淡化水日产量3000万吨，世界人口1/50的地区靠淡 化水生存和发展。沙特膜法海水淡化设备能力为5.68万m3/d，含盐量 43700mg/m3，脱盐率99.7%生产成本45元/吨我国“十五”计划专项，总投资25亿元人民币建膜反渗透 海水淡化装置。v膜生物反应器处理生活废水中水回用 传统处理方法：膜法处理废水北京目前平均水价2.9元/吨，陶瓷膜生化反应 器处理废浆具有明显的社会效益和经济效
3、益。生活废水普通生化法 (降解有机物)费用0.7元/吨达标排放 (水资源浪费)生活废水陶瓷膜生物反 应器降解费用0.23元/吨中水回用v膜技术解决我国水质型缺水危机，提高饮用水水 质我国七亿人饮用水大肠杆菌超标1.7亿人饮用有机物污染的水解决的方法采用微滤、超滤膜净化使之成合 格的引用水：l 除去细菌l除去有机物：苯、苯酚、氯仿等l除去硫酸盐、亚硝酸盐l除重金属离子：Pd、Hg、Al、Fe、Mn等。0.2mm陶瓷膜处理地表水前后的水质表水 质 指 标原 水净化水浊度/NTU1001200.10.25有机物含量/mg(O2)L-16.57.30.5Al/mgL-1270015Fe/mgL-130
4、0040Mn/mgL-1454细菌(20oC, 37oC)10000研究应用现状 法国巴黎建成14万t/d 纳滤膜饮用水净化装置，为50万人提供生活用水 英国伦敦建设了16万t/d 的超滤膜装置，为75万居民提供优质饮用水我国南京工业大学研究开发了活性炭纤维与陶瓷微滤膜相结合的装置 膜面积3m2，膜孔径0.2mm 苯、苯酚、氯仿去除率95% 细菌截留率99.99%膜分离装置图3. 膜技术是先进的环境治理技术 环境污染破坏人类的生存环境 环境污染制约了经济的可持续发展废弃物形态废弃物种类膜技术适用性固体废物 纸张、塑料、金属等不适用液体废水悬浮物、乳化油等微滤(MF),超滤(UF)溶解性成分，如
5、三卤甲烷、农药、重 金属离子、酸、碱、盐等超滤(UF) 电渗析(ED) 纳滤(NF) 渗透汽化(PV) 液膜(LM) 反渗透(RO)废液 各种化学溶剂等气体废气有机蒸汽、硫化物、氟利昂、二氧化碳 气体分离膜各种膜技术在三废处理中的适用范围无机膜耐酸，耐碱，耐有机溶剂，在环保中应 用潜力很大。v膜错流处理含油废水膜处理含油废水主要有： 乳化液废水来源：钢铁、机械、金属切削、润滑过程成分：油脂、表面活性剂、悬浮杂质Villarroel等人用碳支撑体上涂ZrO2活性层膜，截留分 子量300000 dalton；处理效果：达欧洲标准总有机碳小于5mg/L，悬浮 固体含量小于10mg/L。 油田采出水处
6、理清洗液的处理食品工业含油废水处理石油化工含油废水处理陶瓷膜处理石化厂含油废水处理结果表我校用自制的陶瓷膜处理水中的汽油 渗透率：0.1110-4 1.110-4 m3m-2s-1 截留率：95%以上油含量/10-6膜孔径/mm预处理方法膜通量/m3m-2h-1原料液 透过液151880%苯乙烯收率：75%比固定床提高1015% NaA分子筛膜渗透蒸发有机物脱水，代替 传统的恒沸精馏。 膜接触吸收器代替传统的吸收过程吸收模块原料气 乙烷/乙烯冷却器 加热器泵膜解吸模块渗透气乙烯尾气乙烷液体吸收剂乙烷/乙烯分离膜接触系统 膜超滤、微滤、纳滤代替传统产业(酱油、醋、果汁、中药)的澄清与除菌。 膜过
7、滤代替传统过滤除去微小粒子、高分子蛋白质 安全、卫生、连续生产膜滤菌代替高温杀菌除去细菌类、 菌类、醇酶菌省能，保持食品原味。五、研究与应用现状无机膜研究膜传质机理材料合成制备应用1. 膜材料研究v 多样性满足不同领域的应用早期开发的膜材料：CA膜、CN 、CAP膜、 PS、PVDF、氧化铝、氧化锆、氧化钛、氧化硅 。近期开发的无机膜材料：全氟离子交换膜、 PS中空纤维膜、PIFE、PP、PES膜、分子筛材料 、复合膜材料、金属膜材料、碳材料、固体氧化 物电解质膜材料。v 稳定性满足恶劣环境对膜的需要。v 经济性开发廉价的无机膜材料，提高与有机 膜的竞争力。 关键科学问题膜材料的设计应用过程膜
8、材料功能化、 通量、分离因数膜结构 孔径、孔隙率分子模拟建 立结构模型传质模型中 引进结构参数膜材料 制备膜材料设计2.无机膜的制备v 目标如何实现v 已发展的无机膜制备方法l 固态粒子烧结法a-Al2O3真空陈化粘度调节剂，分散 剂，成孔剂悬浊液 混 合陈 化成型干 燥焙 烧成 品主要用于陶瓷载体膜的制备陶瓷载体管l溶胶-凝胶法金属醇盐 或金属盐水合物沉淀溶胶凝胶多孔无机膜溶胶凝胶溶液DCS路线大量水PMU路线少量水解胶涂膜结合涂膜干燥热处理l原位水热合成法清 样水玻璃Al2(SO4)3H2ONaOH晶 化洗涤、干燥NaA型分子筛膜搅拌支撑体l晶种法支撑体(a) 表面电荷吸附支撑体(b) 晶
9、种吸附支撑体(c) 晶体增长形成连续膜层载体l微波合成法特点：晶化时间短，NaA膜有3h缩短为15min膜薄，降到4mm渗透系数增加34倍l仿生合成法载体表面自组装单层(Self-assembled monolay SAM)， 然后浸入分子筛合成液，在有机大分子调控下，在载体 表面发生异向成核并生长，形成分子筛膜。分子筛OSiO OO偶联剂 关键科学问题膜的微结构形成机理与控制 方法 实际现象l 不同研究人员,相同条件制备的膜性能不一样.l同一研究人员,相同条件制备膜,不同批次的膜质 量不一样.l实验室制备的膜性能与工业化产品性能差别很 大。如：实验室片状分子筛膜H2/N2分离系数达 1000
10、，放大到工业引用的管状分子筛膜H2/N2分离 系数趋于1。 存在问题对无机膜的生成机理缺乏深入了解，膜制备 以经验为主，达不到定量控制程度。 解决的方法l在科学上将理论与实验研究和模型化方法相结 合。l研究相变热力学和相变动力学，建立复杂溶液 相转化理论。l研究无机膜晶体的生长机理和调控方法。l建立膜结构参数与膜制备过程控制参数的定量 关系，实现膜的制备从目前以经验为主向定量控 制的转变3.膜的应用现状促进传递闸膜膜反应器液膜双极膜气体分离 渗透汽化控制释放电渗析反渗透超滤微滤透析低增长高增长可用？探索中发展中成熟衰退 发展程度销售额我国膜领域存在问题l重视工业化，忽视基础创新l膜材料基本依赖
11、进口制约我国膜领域发展的关键问 题l无机膜载体的质量满足不了要求l膜制备存在放大问题。 科学问题应用过程中膜功能演变膜在应用过程中其功能(通量和分离性能)随时间不断 下降，寿命短，成本高。解决方法：过程科学家通过过程工艺参数优化而缓解膜功能下降材料科学家研究膜功能失效与膜结构的演变的关系， 研究结构、性能稳定的膜材料。前景与展望作为高科技范畴之一的膜分离技术是20世纪50 年代研究开发的一种高新技术。和传统的分离技 术相比， 膜分离技术具有投资省，占地少，能耗 低，操作方便等特点，并已成为各国在高技术领 域中竞争的热点。膜与膜过程是当代新型高效的 节能技术，特别适合于现代工业对节能、低品位 原
12、材料再利用和消除环境污染的需要，成为实现 经济可持续发展的重要组成部分，膜分离技术在 水处理，能源，环境，健康和传统技术改造等领域发挥关键性作用，成为推动国家支柱产业发展 、改善人类生存环境、提高人们生活质量的重要 绿色技术，已在电子、石油化工、食品、医药、 饮料和废水处理等领域得到较广泛的应用。为了 进一步提高膜分离技术的经济效益，降低成本增 强竞争能力，扩大应用范围，实现我国膜领域的 跨越式发展，需在下列几方面加大研究开发力度 。 开发新型功能高聚物膜材料，加强对膜层“超 薄”和“活化”技术研究，提高膜的通量和分离效率 。 研究开发热稳定性和化学稳定性好的高分子膜 材料，拓宽有机膜的应用范围，延长使用寿命， 降低膜过程投资及运行成本。 无机膜耐高温，化学稳定性好、耐酸碱、抗有 机溶剂，利用其有机膜不具备的特点，加速无机 膜在废水处理，中高温膜反应器方面的工业应用 研究。大力开发集成膜分离技术，将几种膜分离过程 ，或者将膜分离与其他分离方法相结合。如微滤 与超滤，超滤与纳滤，膜分离与蒸发，膜分离与 吸附相结合等。 加速研究膜应用过程中功能的演变规律，解决 固膜污染导致应用过程中膜通量和分离性能随时 间不断下降，膜使用寿命短，成本高的问题，优 化膜过程工艺参数，综合创新流程，开发抗污染 的膜材料。The End
