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1、第七章 膜分离过程,膜的应用,膜,海水淡化,工业废水处理,城市废水资源化,天然气,生物质利用,能源,水资源,传统工业,生态环境,除尘,CO2 控制,制 药,食 品,化工与石化,电 子,冶 金,燃料电池,洁净燃烧,膜,料液,水,小分子,大分子,渗透液,定义： 具有选择性分离的功能薄膜材料。,“21世纪的多数工业中，膜技术扮演着战略的角色” “谁掌握了膜技术，谁就掌握了21世纪的未来”,膜的简介,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，首次揭示了膜分离现象； 1827年Dutrochet引入名词渗透（Osmosis）； 1861年Schmidt提出超
2、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。,膜的发展历史,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
3、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,膜的简介,特征：具有选择性分离的功能薄膜材料，以及以其为核心的装置、过程、工艺的集成与应用,膜分离的特点 操作在常温下进行； 是物理过程，不需加入化学试剂； 不发生相变化（因而能耗较低）； 在很多情况下选择性较高； 浓缩和纯化可在一个步骤内完成； 设备易放大
4、，可以分批或连续操作。 因而在生物产品的处理中占有重要地位,膜的分类,按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜 按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜 按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜 多孔膜与致密膜：前者微滤膜、超滤膜、纳滤膜，后者反渗透膜、渗透蒸发,常见膜分离方法,按分离粒子大小分类： 透析（Dialysis，DS） 微滤（Microfiltration，MF） 超滤（Ultrafiltration，UF） 纳滤（Nanofiltration，NF） 反渗透（Reverse osmosis，RO） 电渗析（Electrodialysis，ED） 渗透气化（Pervaporation
5、，PV）,截留分子量： 微滤 0.0210m 透析 3000 Dalton 几万Dalton 超滤 5010或500050万Dalton 纳滤 2001000Dalton或1nm 反渗透 200Dalton,膜分离法与物质大小（直径）的关系,RO NF UF MF F,膜元件,膜元件,膜分离的形式错流过滤,终端过滤 污染严重,错流过滤 污染轻,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。,通量衰减系数m：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
6、,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：在膜分离过程中，一部分溶质被截留，在膜表面及靠近膜表面区域的浓度越来越高，造成从膜表面到本体溶液之间产生浓度梯度，这一现象称为“浓差极化”。,1 2 3,Cf Cm Cp 浓差 膜层 渗透侧 极化层 极化层,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
7、、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取出，能提高反应速率或提高产品质量。,膜的应用,膜技术的工业应用,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158
8、0倍 渗透汽化膜分离技术比传统共沸蒸馏节能60 生产装置总投资为传统分离方法总投资的4080%,膜法海水淡化,反渗透淡化厂的能耗及产水成本,几种分离方法能耗比较,膜法海水淡化,嵊泗1000吨/日反渗透海水淡化装置,膜法自来水厂,巴黎瓦兹河梅里市14万立方米/天的纳滤厂，每天为巴黎附近50万居民提供14万吨饮用水,典型膜应用过程 反渗透,反渗透的特征： 高操作压力：310MPa； 要求膜必须有高透水率，高脱盐率； 耐一定的酸碱、耐微生物、耐压密； 必须满足工艺要求、性质稳定，能长期使用。 形状：平板膜、管式膜、卷式膜、中空纤维膜 主要膜材料：醋酸纤维素、芳香聚酰胺、聚砜,典型膜应用过程 反渗透,
9、一般而言，无机盐溶液的渗透压很高，含1g/l氯化钠的天然水，渗透压为0.07MPa，含35g/l氯化钠的海水，渗透压为2.5MPa。 反渗透是以压力差为推动力的分离操作，其功能是截留离子物质而仅透过溶剂。 反渗透将料液分成两部分：透过膜的是含溶质很少的溶剂，称为渗透液；未透过膜的液体，溶质浓度增高，称为浓缩液。,典型膜应用过程 反渗透原理,半透膜,纯水,盐水,纯水,盐水,纯水,盐水,h,P,A、渗透,B、渗透平衡,C、反渗透,渗透、平衡渗透、反渗透示意图,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，从低溶质浓度一侧到高溶质浓度一侧，直到两侧的水的化学位达到平衡。而反渗透是
10、在推动力作用下，溶剂（水）从高溶质浓度一侧到低溶质浓度一侧，克服的是渗透压。 渗透压的 计算： 理想水溶液渗透压RTCsi,典型膜应用过程 反渗透,分离机理数学模型 S.Sourirajan提出了优先吸附毛细管流动模型来解释反渗透过程； 溶解扩散模型：把膜看成均质，都可通过，传递过程分为3步，根据溶剂和溶质在膜中的溶解度不同而分离,渗透通量公式 Jw=Kw（p ） Js=Ks（Cs Cs） 脱盐率 例题,膜组件,反渗透过程的经济性和应用性，取决于各种廉价的反渗透膜组件。 组件必须满足： 1）机械强度：必须承受高压，及周期性的减压与膜清洗； 2）水力性能好：组件设计必须使膜的污染和浓差极化最小；
11、 3）经济性：组件寿命必须长； 4）制造费用低，易于替换。,典型膜应用过程 反渗透,典型膜应用过程 反渗透,反渗透膜分离性能六条规律：,1、离子电荷越大，脱除越容易 2、对于碱金属的卤化物 3、不能脱除的盐类 4、低分子量非电解质不易脱除 5、有机物脱除顺序 6、分子量大于130的易脱除 7、温度升高渗透通量增大,反渗透工艺,1、一级一段连续式 2、一级一段循环式 3、一级多段连续式 4、一级多段循环式 5、多级式,反渗透应用,反渗透工业应用包括： 海水和苦咸水脱盐制饮用水； 制备医药、化学工业中所需的超纯水； 用于处理重金属废水 用于浓缩过程，不会破坏生物活性，不会改变风味、香味。包括：食品
12、工业中果汁、糖、咖啡的浓缩；电镀和印染工业中废水的浓缩；奶品工业中牛奶的浓缩。,典型膜应用过程 反渗透,脱盐装置的共同单元： 供给水吸入系统 预处理系统 反渗透膜 产品水后处理 动力回收系统,水源,供水泵,预处理系统,高压泵,反渗透膜单元,后处理系统,分配,汽提、消毒,能量回收系统,浓液排放,典型脱盐系统单元,可降低能耗2540 冲击式水轮泵 反转泵,典型膜应用过程 反渗透,海水,氯气,FeClSO4,阳离子聚电介质,搅拌槽,絮凝槽,重力过滤器,活性炭过滤器,氯气,0.5m筒式过滤器,阻垢剂,加酸 （H2SO4）,去膜组件,海水淡化预处理系统,0.5m筒式过滤器,去膜组件,深进水,加酸,阻垢剂,软化水处理中的预处理,典型膜应用过程 反渗透,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，反渗透占23.4%。 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。 海水淡化在沙特至少有6套，产水230057000 m3/d，苦咸水淡化13套，350053000 m3/d。,我国在近几年也启动了大量的海水淡化项目，比如：浙江玉环电厂海水淡化项目和山东青岛黄岛电厂海水淡化项目等。,海水淡化反渗透膜元件,
