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1、膜分离技术膜分离技术材料科学与工程学院材料科学与工程学院授课班级：材料授课班级：材料16级级分离膜与膜过程国家重点实验室分离膜与膜过程国家重点实验室分离膜与膜过程国家重点实验室分离膜与膜过程国家重点实验室1课程概况课程名称：膜分离技术课程名称：膜分离技术 The technology of membrane separation课程编号：课程编号：10230412学分数：学分数：2学分学分开课单位：材料科学与工程学院开课单位：材料科学与工程学院课内总学时：课内总学时：30授课对象：材料专业本科生授课对象：材料专业本科生任课教师任课教师 答疑答疑(6B429),(6B429),2重要性重要性学习
2、这门课能给我们带来什么学习这门课能给我们带来什么What can we learn from this curriculum?EnergyWater3膜属于新兴膜属于新兴的交叉学科的交叉学科Interdiscipline必要性必要性工业大学膜研工业大学膜研究地位与特色究地位与特色Status and characteristics提高自身提高自身知识水平知识水平Increase &broadening了解未来了解未来发展动态发展动态Development学习这门课能给我们带来什么学习这门课能给我们带来什么what can we learn from this curriculum?4天津工业大
3、学-引领中空纤维分离膜产业的发展膜行业人才摇篮14项国家标准7项国家级科技奖20062007201020111974201420092010201220132008我国第一支中空纤维膜组件教育部和天津市重点实验室亚洲最大国家中空纤维膜产业化基地国家重点实验室培育基地孵化上市公司津膜科技教育部创新团队2015科技部创新人才培养基地20162017教育部创新团队（滚动支持）2018-2020工业大学膜研究地位与特色工业大学膜研究地位与特色。5CATALOG膜原料膜原料膜组件膜组件膜制备膜制备膜过程膜过程膜未来膜未来contentcontentclass hourclass hourtimetime
4、绪论绪论21压压力力驱动驱动膜共性膜共性问题问题22微微滤滤、超超滤滤3+13、4反渗透、反渗透、纳滤纳滤3+15、6气体分离气体分离17渗析渗析1渗透汽化渗透汽化28离子交离子交换换膜与膜与电电渗析渗析29智能膜智能膜210无机膜无机膜211膜接触器膜接触器212膜集成与膜耦合膜集成与膜耦合213膜膜污污染与膜染与膜污污染控制染控制114膜膜过过程程设计设计1考考试试215（ 12.20）6安安树树林，林，膜科学技膜科学技术实术实用教程用教程，化学工，化学工业业出版社，出版社，20052005张张玉忠玉忠，膜分离技膜分离技术术及其及其应应用用，化学工，化学工业业出版社出版社, 2003, 2
5、003Richard W.BakerRichard W.Baker, , Membrane technology and applications (Third Membrane technology and applications (Third edition)edition). . John Wiley &Sons, LtdJohn Wiley &Sons, Ltd, , EnglandEngland, , 2012 2012. .汪锰，王湛编著，膜材料及其制备，化学工业出版社, 2003高以烜主编，膜分离技术基础，科学出版社，1989. 9刘茉娥, 膜分离技术应用手册，化工出版社, 2
6、002不同参考资料对同一名称的不同翻译、同一膜过程不同孔径范围参考资料内容是否正确？主要参考书主要参考书7建议：如何更好地学习该课程转变学习观念转变学习观念不孤立学习不孤立学习课后查资料课后查资料讨论与交流讨论与交流8祝大家有所收获！ SOMETHINGTOBEGAINED9膜分离技术膜分离技术第一章第一章 绪论绪论 INTRODUCTION10Contents膜概述(Summary)膜发展历史(History)膜分离的特点(Characteristic)膜的一些术语(Tems)膜分类(Classification)膜过程(Process)与应用(Application )小结与作业(Summ
7、ary and Homework)11膜概述膜的普遍性(Universality)和广阔性(Broadness)膜与膜分离的定义(Conception)膜功能(Function)与优点(Advantages)12看到的膜：太阳能电池板塑料大棚污水处理站海水淡化车间回顾平板膜Flat membrane帘式膜Curtain membrane卷式膜Spiral-wound membrane分离&阻隔！Separation&BarrierMembrane & Film中空膜Hollow fiber membrane13医院里看到的：氧和器（人工肺）Oxygenator(Artificial lung)
8、血液透析器（人工肾）Hemodialyzer(Artificial kidney)回顾中空纤维膜大的接触面积（高比表面积）！High specific surface area分离&阻隔！14商场中看到的：净水器Water purifier电动汽车Electric vehicle便携式电子设备Portable electronics回顾分离&阻隔！Battery&Separator15世界性问题：酸雨Acid rain温室气体Greenhouse gases天然气除湿Dehumidification氯碱工业Chlor alkali industry回顾分离-选择透过性！Separation-S
9、elective permeabilityThe key property that is exploited is the ability of a membrane to control the permeation rate of a chemical species through the membrane16我们身体里的膜：细胞膜Cell membrane回顾细胞膜的重要特性-选择透过性（物质的传递）！Mass transfer-对分离过程至关重要！17名人名言If you are tired of membranes, you are tired of life. Prof. Ri
10、chard Bowen“谁掌握了膜技术，谁就掌握了21世纪的未来” 黎念之21世纪的多数工业中，膜技术扮演着战略的角色 The role of strategy18传统化学工业存在的问题分子级别的分离(Molecular level) 甲醇/乙醇（高纯），氮气/氧气（获得高纯氧或氮气）稀溶液以及热敏物质溶液的浓缩(Dilute solution&Thermosensitive substance)带电离子的分离（阴阳离子） (Charged material) 不同电性 同一电性不同电荷 恒沸体系(Azeotrope system) 乙醇/水（乙醇浓度95%）过程的连续与耦合？ 化学平衡(Eq
11、uilibrium)的局限？-提高转化率水的深度处理(Depth treatment)-难度变大）膜科学 与 膜技术回顾一下：化工原理学了哪些分离过程？下列体系的分离能否用传统的分离过程来实现？19膜涉及的领域膜材料，膜组膜材料，膜组件，膜过程件，膜过程Chemical engineeringMaterial scienceBioengineeringEnvironmental Engineering20膜科学与其它学科的关系膜材料：材料化学与物理 膜制备：物理化学(热力学、动力学) 、材料加工膜过程（分离）：化学工程、传递过程、分析化学 膜组件与过程设计：数学、机械、系统工程、控制 膜应用：
12、材料、环境、食品、化学工业、医药21指分隔两相的界面(interface)，并以特定的形式限制(restrict)和传递(transport)各种化学物质的阻挡层阻挡层(hindering layer)。是。是具有选择性具有选择性的隔层的隔层！-选择透过性选择透过性(selective permeability)CCHHCHCCHHCCCCCCCHHHHHHH(a)无序状态(b)有序状态什么是膜？什么是膜？What is membrane?目前没有一个精确完整的定义Allowing one component of a mixture to permeate the membrane free
13、ly, while hindering permeation of other components22另一种说法：指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一另一种说法：指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的层薄的凝聚相凝聚相（condensed phase）（固相、液相）（固相、液相），它把流，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产生传质质(mass transfer)膜的特性：膜的特性： 不管膜多薄不管膜多薄, 它它必须有两个界面必须有两个界面(有一定厚度有一定厚度, thickness)。这。这两个界面分别与两侧的
14、流体两个界面分别与两侧的流体(fluid)相接触相接触 膜传质有选择性膜传质有选择性，它可以使流体相中的一种或几种物质透过，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而不允许其它物质透过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什么是膜？什么是膜？What is membrane?23膜的微观结构膜的微观结构梯度分布孔梯度分布孔grade structure多孔多孔(porous)致密致密(dense)单层或多层单层或多层single or multilayer什么是膜？什么是膜？Membrane and film多孔多孔(外观不透明外观不透明) opaque致密致密
15、(外观透明外观透明) transparent24膜的功能膜的功能-basic function-分离分离 (separation)功能功能膜膜分分离离(membrane separation)：通通过过膜膜的的选选择择渗渗透透作作用用(选选择择透透过过性性)，对对混混合合物物中中的的组组分分进进行行分分离离和和富富集集(enrichment)膜分离、膜的功能与优点膜分离、膜的功能与优点25膜具有选择透过性的原因膜具有选择透过性的原因(“特定形式特定形式”是什么？是什么？ )筛分筛分(sieving)：膜中分布：膜中分布有微细有微细孔穴孔穴(pore)，不同，不同孔穴有选择渗透性孔穴有选择渗透性
16、-微滤、微滤、超滤膜超滤膜静电作用静电作用(charged force)：膜：膜中存在固定基团中存在固定基团电荷电荷(charge)，电荷的吸附、排斥产生选，电荷的吸附、排斥产生选择渗透性择渗透性-离子交换膜离子交换膜相互作用不同相互作用不同(difference of interaction)：被分离物在膜：被分离物在膜中的中的溶解溶解(dissolution)、扩散、扩散(diffusion)作用产生选择渗透作用产生选择渗透性性(色谱色谱)-脱盐、脱盐、气体分离、气体分离、渗透汽化渗透汽化26膜的功能膜的功能-提供界面提供界面- -膜基分离过程（膜接触器）膜基分离过程（膜接触器）Membr
17、ane-based separation process膜的作用膜的作用-提供接触界面提供接触界面(发达的孔隙和高比表面积发达的孔隙和高比表面积)避免返混、液泛、乳化等不良现象避免返混、液泛、乳化等不良现象用于非水体系的分离用于非水体系的分离27膜的功能膜的功能-提供接触界面提供接触界面脱气膜(高压锅炉用水的脱氧)以前用高压蒸汽吹脱degas界面充气膜inflation光合作用光解水28膜的功能膜的功能-催化催化功能（膜反应器）功能（膜反应器）催化剂催化剂-材料特性决定膜特性材料特性决定膜特性发达的孔和高比表面积发达的孔和高比表面积 反应反应-分离一体化分离一体化 29膜的发展历史四个里程碑(
18、MILESTONE)30早期历史(1950年以前)：起步阶段开端： 1748年Abble Nolkt （阿贝尔 纳尔克特）首次揭示了膜分离现象(发现水能自然地扩散到装有酒精的猪膀胱内)，引入渗透的概念(Osmosis)19世纪中叶：Graham发现了透析现象-开始重视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(齐格芒迪)提出了商品微滤膜的制备方法，并将其应用于微生物、极细微粒等方面的分离和富集1925年：德国建立了世界上第一个滤膜公司311950年W.Juda成功研制了第一张具有实用价值的离子交换膜-用于电渗析1960年Loeb和So
19、urirajan研制出第一张不对称的醋酸纤维素反渗透膜(相转化技术phase inversion)，使膜分离技术进入了实用和装置的研制阶段(实验室-工业化)1960年以后-膜分离技术的规模应用1970年以后-界面聚合(Interfacial polymerization)技术商品化制备纳滤和反渗透膜(脱盐)1979年-Prism技术脱氢(气体分离膜商品化)。1950-1980年：工业化开发阶段32主要膜分离过程的发展阶段1980年以后年以后-拓展拓展(”膜膜+X”过程过程)： （1）研究开发膜基分离过程）研究开发膜基分离过程-膜膜蒸馏、膜萃取。蒸馏、膜萃取。 （2）膜反应器）膜反应器 （3）控
20、制释放、膜电极、膜传感器。）控制释放、膜电极、膜传感器。膜过程膜过程国家国家年代年代公司公司应用应用微滤(Microfiltration)德国1925Sartorius(实验室)细菌过滤电渗析(Electrodialysis)美国1950Ionics Inc.(实验室)脱盐反渗透(Reverse osmosis）美国1965Haxens Industry General Atomics脱盐渗析（Dialisis）荷兰1965Enka（AKZO）人工肾超滤(Ultrafiltration)德国1970Amicon Corp.蛋白浓缩控制释放(Control release)美国1975Alza
21、Corp.药物靶向治疗气体分离(Gas separation)美国1980Permea （DOW）氢回收渗透汽化(Pervaporation)德国1990GFT GmbH有机溶剂脱水33起步阶段：研究离子交换膜和电渗析，用于海水脱盐(1958年开始，1967年上海化工厂聚乙烯异相离子交换膜正式投产-1980年代中期的湖州水处理设备厂投产醋酸纤维素反渗透膜)开发阶段：研究RO、UF、MF、液膜、气体分离等膜分离过程应用与开发研究(上世纪80年代中期-1995年中国膜工业协会成立)发展阶段：膜技术的推广应用工作(1995年以后-渗透汽化、膜接触器和膜反应等的研究)中国膜研究发展中国膜研究发展34膜
22、分离的特点35联系(relation)：都属于分离过程区别(difference)：分离精度(Separation precision)不同 膜分离属于精密过滤(可达分子级)，常规过滤(微米级)碳素颗粒溶液碳素颗粒溶液膜分离与常规过滤分离的区别与联系36低能耗低能耗low energy consumption适合于热敏物质的分离适合于热敏物质的分离thermosensitive material占地小占地小消除二次污染消除二次污染膜的优点膜的优点优点优点37能耗少：大部分膜分离过程不发生相变海水淡化所需的能量分分 离离 方方 法法需要消耗的动力需要消耗的动力/（kW h/m3）需要消耗的热量需
23、要消耗的热量/（kJ/m3）理论功值理论功值反渗透法反渗透法(回收率回收率30%)冷冻法冷冻法溶剂萃取法溶剂萃取法电渗析法电渗析法多级闪蒸法多级闪蒸法 0.724.79.325.632.362.8 2577169113347292048115863225936 38利于热敏物质分离(主要是脱水-避免蒸馏) 膜分离过程在常温下进行，对药剂(如抗生素)、酶制剂、果剂等热敏物质在室温下进行浓缩、分离的非常有利-防止分解(DECOMPOSITION) 组组 分分蒸发过程损失蒸发过程损失/%（质量）（质量）反渗透过程损失反渗透过程损失/%（质量）（质量）甲酸乙酯甲酸乙酯乙酸乙酯乙酸乙酯丁酸乙酯丁酸乙酯己
24、酸乙酯己酸乙酯维生素维生素C 20.694.599.4100 100 0013.831.39.9 浓缩技术对西莲果汁成分的影响 39膜在如下分离过程中具有优势膜在如下分离过程中具有优势分子级别的分离分子级别的分离稀溶液浓缩（低于稀溶液浓缩（低于1%水溶液）水溶液） 离子之间的分离离子之间的分离恒沸体系的分离恒沸体系的分离提高原料转化率提高原料转化率水的深度净化水的深度净化膜的功能与优点膜的功能与优点40膜的一些术语41通量(flux) V：由质量/密度获得选择性(Selection)：将混合物总的组分分离开来的能力液体：Rejection气体或有机溶剂混合物：分离因子(separation f
25、actor) A/B(yA/yB)/(xA/xB)，y-渗透液(permeate)各组分的浓度，x-原料液(feed)的浓度 分离膜的两个最基本性能参数分离膜的两个最基本性能参数-通量、选择性通量、选择性 Importance consideration：选择性优先于通量42 温度、浓度、压力、电位差(Potential difference)等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 跨膜压差P(transmembrane pressure)：TMP 压力差：P1-P22）对致密膜而言，推动力为膜两侧的浓度差3）电渗析：电位差4）膜蒸馏：温度差P1P2P3P(P1P2
26、)/2-P3推动力(impetus)43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的现象 浓差极化差极化(concentration polarization)1 2 3 Cf Cm Cp 浓差 膜层 渗透侧 极化层 极化层44n：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传递阻力(transfer resistance) 1 2 3
27、Cf Cm Cp 浓差 膜层 渗透侧 极化层 极化层43445膜分类46多种分类方式多种分类方式47多种分类方式多种分类方式481. 按膜的材料分类（限于聚合物材料） 类类 别别膜材料膜材料举举 例例纤维素类纤维素类(cellulose)纤维素衍生物类纤维素衍生物类醋酸纤维素醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤维素等，硝酸纤维素，乙基纤维素等非纤维素类非纤维素类聚砜类聚砜类聚砜聚砜聚砜聚砜，聚醚砜聚醚砜聚醚砜聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚酰聚酰(亚亚)胺类胺类聚砜酰胺，聚砜酰胺，芳香族聚酰胺芳香族聚酰胺芳香族聚酰胺芳香族聚酰胺，含氟聚酰亚胺含氟聚酰亚胺等等聚酯、烯烃类聚酯、烯烃
28、类涤纶，聚碳酸酯，涤纶，聚碳酸酯，聚乙烯聚乙烯，聚丙烯腈聚丙烯腈等等含氟含氟(硅硅)类类聚四氟乙烯聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯聚偏氟乙烯聚偏氟乙烯聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧聚二甲基硅氧聚二甲基硅氧聚二甲基硅氧烷烷烷烷等等其它其它壳聚糖，聚电解质等壳聚糖，聚电解质等492. 按膜的分离原理分类 根据分离膜的分离原理和推动力的不同：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗析膜、电渗析膜、渗透汽化膜等3. 按膜的形态分类 按膜的形状分为平板膜(Flat Membrane)、管式膜(Tubular Membrane)、中空纤维膜(Hollow Fiber)、蝶式膜、旋转式、振动式4. 按有无孔分类 多孔膜和致密膜
29、50区别与联系5. 按膜的结构分类 对称膜(Symmetric Membrane) 非对称膜(Asymmetric Membrane) 复合膜(Composite Membrane)51膜过程与应用52工业化膜过程的基本特性工业化膜过程的基本特性53工业化膜过程的基本特性工业化膜过程的基本特性54常见膜过程的应用范围55膜应用与未来从从20世纪初到世纪初到20世纪世纪90年代，膜技术基本已经从年代，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、环实验室步入工业化，并在水处理、食品工业、环境保护、化工与石油化工、电子、冶金、国防等境保护、化工与石油化工、电子、冶金、国防等领域得到成功的
30、应用领域得到成功的应用目前全球膜产业的规模超过目前全球膜产业的规模超过千亿千亿美元，以年美元，以年30的速度递增的速度递增5657膜海水淡化海水淡化工工业废水水处理理城市城市废水水资源化源化天然气天然气生物生物质利用利用能源能源水水资源源传统工工业生生态环境境除除尘CO2 控制控制制制 药食食 品品化工与石化化工与石化电 子子冶冶 金金燃料燃料电池池洁净燃燃烧58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
31、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；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；药剂有机物除去或回收；污染控制；气体分离；药剂回收和再利用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、苦咸水淡化；超纯水制备；电厂锅炉用水海水、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；低放射性水舰艇淡水供应；战地医院污水净化；低放射性水处理
32、；野战供水处理；野战供水59FUTURE可用可用？高增高增长长低增低增长长透透析析微微滤滤超超滤滤反反渗渗透透电电渗渗析析控控制制释释放放气气体体分分离离渗渗透透汽汽化化双双极极膜膜液液膜膜膜膜反反应应器器闸闸膜膜活活化化传传递递分离膜分离膜功能膜功能膜智能膜智能膜仿生膜仿生膜Bionic Intelligence FunctionSeparation60Future61膜科学发展趋势-商业膜(Commercialized membrane)膜的选择性-分离效果过程的比产值(Ratio of output value)操作的可靠性(reliability)和稳定性(stability)发展“膜
33、+X”62膜科学发展趋势-膜材料 开发功能聚合物基膜开发功能聚合物基膜 合成功能高分子，定量地研究分子结构与分离性能之间的关系，按照一定的分离要求来“组装、设计”膜材料 膜表面进行化学改性，根据不同的分离对象，引入不同的活化基团，通过改变高分子的自由体积和链的柔软性，改进其分离性能或改变其物理、化学性质发展高分子合金（共混），通常制取高分子合金要比通过化学反应合成新材料容易些，它还可以使膜具有性能不同甚至截然相反的基团，在更大范围内调节其性能 开发无机膜开发无机膜开发有机开发有机/无机杂化膜无机杂化膜(mixed matrix membrane)63国内外膜学会、公司公司GE、Dow、HYDR
34、ANAUTICSMill pore旭化成、东丽东洋纺、宇部三菱Membrana巴斯夫苏威北美膜学会欧洲膜学会亚太膜学会64长春应化所大连化物所大连理工大学中科院化学所清华大学北京化工大学北京工业大学北京理工大学天津工业大学天津大学南开大学天津城建大学天津海淡所中国海洋大学海淡所南京工业大学华东理工大学复旦大学上海交通大学浙江大学浙江工业大学浙江理工大学宁波大学杭州水处理中心宁波材料所中国科学技术大学四川大学国内外膜研究机构与膜公司郑州大学华南理工大学全国膜与膜过程学术报告会全国膜与膜过程学术报告会京津地区研究生膜论坛京津地区研究生膜论坛浙江省膜科学与技术研究生浙江省膜科学与技术研究生 学术论坛
35、学术论坛津膜论坛津膜论坛65国内主要从事膜生产的基地、企业大连天邦碧水源赛诺蓝景蓝星天津膜天山东招金合肥世杰杭州北斗朝晖过滤立昇久吾高科膜华各种大、中、小型公司1000多家时代沃顿66膜的未来膜的未来-需要解决的问题需要解决的问题(to be solved)膜制备过程和报废膜的污染膜制备过程和报废膜的污染降低成本降低成本开发新功能开发新功能提高性能提高性能膜结构精密调控膜结构精密调控67国内与国外相关研究的差距中低端膜，如微滤、超滤膜实现自给中低端膜，如微滤、超滤膜实现自给高端、高性能膜不能自给，如高端、高性能膜不能自给，如NF、海水淡化、海水淡化RO完全进口完全进口68思考题1、膜和膜分离的概念，膜具有选择渗透性能的原因？2、膜分离过程的特点是什么？3、常用的膜分类方法有哪些？每一种分类方法对膜如何进行分类？4、膜发展历史上的几个重要的里程碑是什么？5、常见的膜过程有哪些？6、膜分离与常规过滤分离的区别与联系？69讨论题根据膜的发展历史和未来发展方向，请谈谈你对膜学科的观点，并选定选定膜目前存在的一个亟待解决的问题进行论述。下节课内容-(压力驱动)膜的共性问题70
