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1、第第 十十 四四 章章7/29/2024膜蒸馏与膜接触器膜蒸馏与膜接触器Membrane Distillation &Membrane Contactors1. 膜蒸馏概述膜蒸馏概述膜膜蒸蒸馏馏（Membrane Distillation）是是20世世纪纪60年年代代中中期期由由M E Findly提提出出，80年年代代发发展展起起来来的的一一种种新新型型膜膜分分离离技技术术。其其原原理理是是以以微微孔孔疏疏水水膜膜将将两两种种不不同同温温度度的的水水溶溶液液分分开开，由由膜膜两两侧侧温温度度差差造造成成二二侧侧蒸蒸气气压压差差，使使易易挥挥发发组组分分的的蒸蒸气气分分子子通通过过膜膜孔孔从从
2、高高温温侧侧向向低低温温侧侧扩扩散散，并并冷冷凝凝；其其他他组组分分则则被被疏疏水水膜膜阻阻挡挡在在热热侧侧，从从而而实实现现混混合合物物分分离离或或提提纯的目的。纯的目的。膜膜蒸蒸馏馏（MD）是是膜膜技技术术与与蒸蒸发发过过程程相相结结合合的的膜膜分分离离过过程程。属属热驱动膜过程热驱动膜过程。实实现现MD需需要要有有两两个个条条件件：所所用用膜膜必必须须是是疏疏水水微微孔孔膜膜（对对分分离离水水溶溶液液而而言言）；膜膜两两侧侧要要有有一一定定的的温温度度差差存存在，以提供传质所需的推动力。在，以提供传质所需的推动力。3膜膜蒸蒸馏馏示示意意图图整个传递过程包括三个步骤：整个传递过程包括三个步
3、骤：1）高温侧蒸发；高温侧蒸发；2）蒸气分子通过疏水膜孔进行传递；蒸气分子通过疏水膜孔进行传递；3）低温低冷凝。低温低冷凝。 43. 膜蒸馏的特点膜蒸馏的特点该该过过程程几几乎乎是是在在常常压压下下进进行行的的，设设备备简简单单，操操作作容容易易，在技术力量比较薄弱的地区也有实现的可能性；在技术力量比较薄弱的地区也有实现的可能性；在在该该过过程程和和运运行行中中，无无需需把把溶溶液液加加热热到到沸沸点点，只只要要使使膜膜两两侧侧维维持持适适当当的的温温差差就就可可以以。这这就就有有可可能能利利用用太太阳阳能能、地热及温泉等廉价的天然能源以及工厂的余热等；地热及温泉等廉价的天然能源以及工厂的余热
4、等；在在非非挥挥发发性性溶溶质质水水溶溶液液的的膜膜蒸蒸馏馏过过程程中中，只只有有水水蒸蒸气气能能透透过过膜膜孔孔，所所以以膜膜蒸蒸馏馏液液十十分分纯纯净净，可可望望成成为为大大规规模模、低成本制备超纯水的有效手段；低成本制备超纯水的有效手段；该过程可以用来该过程可以用来处理极高浓度的水溶液处理极高浓度的水溶液；膜膜蒸蒸馏馏组组件件很很容容易易设设计计成成潜潜热热回回收收的的形形式式，并并具具有有以以高高效率的小型组件构成大规模生产体系的灵活性。效率的小型组件构成大规模生产体系的灵活性。5膜蒸馏的弱点膜蒸馏的弱点：膜膜蒸蒸馏馏是是一一个个有有相相变变的的膜膜过过程程，汽汽化化潜潜热热降降低低了
5、了热热能能的的利利用用率率，所所以以在在组组件件的的设设计计上上必必须须考考虑虑到到潜潜热热的的回回收收。与与其其他他膜膜过过程程相相比比，膜膜蒸蒸馏馏在在有有廉廉价价能能源源可可利利用用的的情情况况下才更有实用意义；下才更有实用意义；膜膜蒸蒸馏馏与与制制备备纯纯水水的的其其他他膜膜过过程程相相比比通通量量较较小小，所所以以目目前前尚尚未未实实现现在在工工业业生生产产中中应应用用，如如何何提提高高膜膜蒸蒸馏馏的的通通量量也就成了一个重要的研究课题；也就成了一个重要的研究课题；膜膜蒸蒸馏馏采采用用疏疏水水性性微微孔孔膜膜，与与亲亲水水膜膜相相比比在在膜膜材材料料和和制制备工艺的选择方面都十分有限
6、。备工艺的选择方面都十分有限。64. 膜蒸馏用膜材料膜蒸馏用膜材料膜膜蒸蒸馏馏所所用用膜膜材材料料应应满满足足疏疏水水性性和和多多孔孔性性两两个个要要求求，以以保保证证水水不不会会渗渗入入到到微微孔孔内内和和具具有有较较高高的的通通量量。另另外外，足足够够的的机机械械强强度度、良良好好的的热热稳稳定定性性、化化学学稳稳定定性性以以及及低低的的热热导率也是膜蒸馏用膜材料所必需的。导率也是膜蒸馏用膜材料所必需的。近近年年来来，膜膜蒸蒸馏馏过过程程的的膜膜材材料料的的研研究究开开发发集集中中于于三三种种膜膜材材料，即：料，即：u聚四氟乙烯（聚四氟乙烯（PTFE）u聚偏氟乙烯（聚偏氟乙烯（PVDF）u
7、聚丙烯（聚丙烯（PP）75. 膜蒸馏的应用膜蒸馏的应用I.海水或苦咸水的淡化海水或苦咸水的淡化II.强酸、强碱中水的分离强酸、强碱中水的分离III.甘蔗榨汁液的浓缩甘蔗榨汁液的浓缩IV.人参露和洗参水的分离浓缩人参露和洗参水的分离浓缩V.分离提纯天然盐水中的食盐和芒硝分离提纯天然盐水中的食盐和芒硝VI.超纯水的制备超纯水的制备VII.废水的处理废水的处理VIII.共沸混合物及有机溶液的分离共沸混合物及有机溶液的分离IX.化学物质的浓缩和回收化学物质的浓缩和回收8渗透蒸馏渗透蒸馏的概念及原理的概念及原理上上世世纪纪80年年代代提提出出了了渗渗透透蒸蒸馏馏(osmotic distillation
8、)的的过过程程，这这是是一一种种与与膜膜蒸蒸馏馏十十分分类类似似过过的的程程。使使用用的的也也是是疏疏水水性性微微孔孔膜膜，膜膜两两侧侧也也是是不不润润湿湿膜膜孔孔的的水水溶溶液液，且且也也是是利利用用膜膜两两侧侧的的蒸蒸汽汽压压差差将将料料液液侧侧水水蒸蒸汽汽传传递递到到膜膜的的另另一一侧侧。但但不不同同的的是是，膜膜蒸蒸馏馏两两侧侧有有压压差差是是由由膜膜两两侧侧的的温温度度差差产产生生的的，而而渗渗透透蒸蒸馏馏两两侧侧的的压压差差是是由由腊腊两两侧侧溶溶液液的的渗渗透压产生的透压产生的（也称为等温膜蒸馏）。（也称为等温膜蒸馏）。应应用用：膜膜的的一一侧侧是是含含盐盐量量很很低低的的稀稀溶
9、溶液液，另另一一侧侧为为电电解解质质浓浓溶溶液液，这这样样即即可可对对低低盐盐溶溶液液进进行行脱脱水水浓浓缩缩。该该方方法法特别适用于新鲜牛奶、水果汁等热敏物质的脱水浓缩。特别适用于新鲜牛奶、水果汁等热敏物质的脱水浓缩。9膜接触器（膜接触器（Membrane Contactors）除除蒸蒸馏馏过过程程可可以以用用膜膜外外，传传统统的的吸吸收收（及及解解吸吸）过过程程、萃萃取取过过程程也也可可以以通通过过膜膜来来实实现现。在在这这里里膜膜仅仅提提供供传传质质的的相相界界面面，以以实实现现气气-液液或或液液-液液之之间间的的传传质质，因因此此统统称称为为膜接触器。膜接触器。根据相间传质体系的不同，
10、膜接触器可分为：根据相间传质体系的不同，膜接触器可分为：气气液（液（G-L）膜接触器。类似于吸收；）膜接触器。类似于吸收；液液气（气（L-G）膜接触器。类似于解吸；）膜接触器。类似于解吸；液液液（液（L-L）膜接触器。类似于萃取与反萃取。）膜接触器。类似于萃取与反萃取。1011Liquid-gas contactor: to removedissolved gases from liquidsGas-liquid contactor: to separateolefin/paraffin mixtures12Liquid-liquid contactor with twoimmiscible
11、liquids: to removedissolved VOCs from waterLiquid-liquid contactor with two miscible liquids (membrane distillation): to remove pure water from a salt solution13Flow schematic of the membrane contactor process developed by British Petroleum to separate ethylene/ethane mixtures by absorption into sil
12、ver nitrate solution14膜膜 反反 应应 器器Membrane Reactors1. 膜反应器（膜反应器（MR）概述）概述膜膜反反应应器器（ Membrane Reactors）是是膜膜和和化化学学反反应应或或生生化化反反应应相相结结合合的的系系统统或或设设备备。也也可可这这样样定定义义：依依靠靠膜膜的的功能、特点改变反应进程，提高反应效率的设备或系统。功能、特点改变反应进程，提高反应效率的设备或系统。膜反应器中膜的功能膜反应器中膜的功能：A.分离功能分离功能 即膜有选择性透过不同物质的能力；即膜有选择性透过不同物质的能力；B.载载体体功功能能 指指膜膜可可以以作作为为催催
13、化化剂剂或或生生物物催催化化剂剂的的载载体体，用用于制备具有催化活性的功能膜；于制备具有催化活性的功能膜；C.分分隔隔功功能能和和复复合合功功能能 分分隔隔功功能能是是指指膜膜具具有有两两个个表表面面，并并可可将将系系统统分分隔隔为为独独立立的的依依靠靠膜膜相相关关联联的的两两部部分分；复复合合功功能能是是指指利利用用复复合合技技术术制制备备出出具具有有不不同同功功能能的的功功能能型型复复合合层膜系统。层膜系统。163.膜反应器的类型膜反应器的类型膜膜催催化化反反应应器器(membrane catalytic reactor)将将膜膜分分离离与与催催化化反反应应结结合合，可可突突破破化化学学平
14、平衡衡的的限限制制，提高反应转化率。提高反应转化率。膜膜生生物物反反应应器器(membrane bioreactor MBR)将将膜膜分分离离与与生生物物反反应应结结合合，可可控控制制产产物物抑抑制制作作用用，回回收收生生物物催催化化剂剂，提提高高生生化化反反应应转转化化率率。它它按按生生物物催催化化剂剂类类型型又又可可分分：酶酶膜膜生生物物反反应应器器、膜膜发发酵酵器和膜组织培养。器和膜组织培养。17半乳糖醛酸半乳糖醛酸胶质胶质Examples of the three types of membrane reactor（1）果胶酶果胶酶18194. 膜反应器所用膜材料膜反应器所用膜材料无无
15、机机催催化化膜膜反反应应器器中中的的钯钯膜膜反反应应器器，用用真真空空蒸蒸镀镀法法或或飞飞溅溅涂涂膜膜法法使使钯钯超超薄薄覆覆盖盖于于无无机机陶陶瓷瓷多多孔孔膜膜的表面上，形成的表面上，形成Pd-多孔陶瓷复合膜。多孔陶瓷复合膜。有有机机催催化化膜膜反反应应器器中中酶酶膜膜反反应应器器的的膜膜材材料料常常用用聚聚砜砜、芳芳香香聚聚酰酰胺胺；膜膜生生物物反反应应器器常常用用聚聚丙丙烯烯、聚聚乙烯、聚砜、聚偏氟乙烯乙烯、聚砜、聚偏氟乙烯等。等。205. 膜反应器的应用膜反应器的应用钯钯膜膜反反应应器器的的应应用用：由由天天然然气气或或CO制制造造氢氢；环环已烷的脱氢；低级石蜡族烷烃的芳构化。已烷的脱
16、氢；低级石蜡族烷烃的芳构化。酶酶膜膜反反应应器器的的应应用用：蔗蔗糖糖的的水水解解；生生物物大大分分子子水水解解；低低聚聚肽肽合合成成；手手性性化化合合物物的的生生产产研研究究；辅辅酶酶的再生；酶法生产的再生；酶法生产L-氨基酸。氨基酸。膜膜生生物物反反应应器器的的应应用用：细细胞胞循循环环发发酵酵；动动/植植物物细胞培养；城市污水和工业废水的处理。细胞培养；城市污水和工业废水的处理。21浙江大学凯华公司浙江大学凯华公司MBR工程工程122浙江大学凯华公司浙江大学凯华公司MBR工程工程2浙江大学凯华公司浙江大学凯华公司MBR工程工程3MBR实实际际上上是是一一种种膜膜分分离离与与活活性性污污泥
17、泥法法组组合合的的新新型型污水处理技术污水处理技术.23膜控制释放膜控制释放Control Release1. 膜控制释放概述膜控制释放概述控控制制释释放放就就是是将将药药物物或或其其他他生生物物活活性性物物质质和和基基材材（通通常常为为高高分分子子材材料料）结结合合在在一一起起，使使药药物物通通过过扩扩散散等等方方式式在在一一定定的的时时间间内内，以以某某一一速速率率释释放放到环境中的技术。到环境中的技术。药药物物的的释释释释放放放放速速速速率率率率取取决决于于基基材材和和药药物物性性质质以以及及它它们们之间的结合方式、环境条件等。之间的结合方式、环境条件等。膜膜控控制制释释放放是是一一类类
18、新新兴兴的的交交交交叉叉叉叉学学学学科科科科，它它涉涉及及化化学学、化化工工、材材料料学学、生生物物学学、药药物物学学等等诸诸多多学学科科，已已在在医医学学、生生物物、农农业业、环环保保、船船舶舶涂涂料料等等领领域域得得到广泛应用。到广泛应用。252. 膜控制释放的特点膜控制释放的特点药物的控制释放与常规释放相比有以下优点：药物的控制释放与常规释放相比有以下优点：释放到环境中的药物浓度比较稳定；释放到环境中的药物浓度比较稳定；能最有效地利用药物；能最有效地利用药物；可可使使药药物物的的释释放放部部位位尽尽可可能能接接近近病病源源，提提高高了了药药效，减小可能的副作用；效，减小可能的副作用；减少
19、了用药次数，极大地方便了用药者。减少了用药次数，极大地方便了用药者。262.1 扩散控制释放系统扩散控制释放系统扩扩散散控控制制药药物物释释放放体体系系有有贮贮存存器器(reservoir)型型和混合药膜和混合药膜(monolithic)两种两种贮贮存存器器型型：药药物物被被聚聚合合物物基基材材包包埋埋，药药物物由由聚聚合合物膜中的孔道或网络间的空隙扩散释放出来。物膜中的孔道或网络间的空隙扩散释放出来。混混合合药药膜膜型型：药药物物是是以以溶溶解解或或分分散散的的形形式式和和聚聚合合物基材结合在一起的。物基材结合在一起的。27Reservoir device贮存器型贮存器型Monolithic
20、 device混合药膜型混合药膜型282.2 化学控制释放系统化学控制释放系统化化学学控控制制药药物物释释放放体体系系是是目目前前最最使使人人感感兴兴趣趣的的膜膜控控制制释释放放体体系系。其其中中，聚聚合合物物基基材材可可在在释释放放环环境境中中降降解解，当当药药物物释释放放完完毕毕后后，基基材材可可完完全全降降解解以以致消失，不需要手术将基材从体内取出。致消失，不需要手术将基材从体内取出。药药物物的的释释放放速速率率是是以以聚聚合合物物基基材材的的降降解解反反应应速速率率来控制的。来控制的。该体系可分为：该体系可分为：A.混合药膜降解体系混合药膜降解体系B.降解大分子药物体系降解大分子药物体
21、系29Principle of the three-chamber RoseNelson osmotic pump30用用于于溶溶剂剂渗渗透透控控制制释释放放体体系系的的聚聚合合物物：其其半半透透膜膜应有一定的渗透性、强度和刚度。主要有：应有一定的渗透性、强度和刚度。主要有：纤维素及其衍生物纤维素及其衍生物甲基丙烯酸羟乙酯和甲基丙烯甲酯的共聚物甲基丙烯酸羟乙酯和甲基丙烯甲酯的共聚物EVA共聚物共聚物交联交联PVA313. 膜控制释放技术的应用膜控制释放技术的应用A.在在医医药药工工业业中中的的应应用用 膜膜控控制制释释放放在在医医药药工工业业领领域域应应用用得得最最多多，现现已已广广泛泛用用于
22、于临临床床，解解决决一一些些疑疑难难杂杂症症。按按给给药药部部位位和和方方式式不不同同，分分为为口口口口服服服服型型型型、透皮吸收型、植入型、宫腔给药透皮吸收型、植入型、宫腔给药透皮吸收型、植入型、宫腔给药透皮吸收型、植入型、宫腔给药等。等。B.在在农农药药工工业业中中的的应应用用 体体现现多多种种优优点点，如如可可防防止止农农药药挥挥发发、分分解解、流流失失，延延长长药药效效，提提高高防防治治效效果果；减减少少施施药药次次数数和和施施药药量量；将将农农药药对对环环境境污污染染的的程程度度降降低低到到最最大大限限度度。具具体体方方式式有有微微胶胶囊囊；塑塑料料压压层层；吸吸收收混混合合；种种子
23、子包包衣衣法法；高高分子载体。分子载体。32C.在在化化肥肥工工业业中中的的应应用用 化化肥肥的的控控制制释释放放是是提提高高肥肥料料利利用用率率，减减少少环环境境污污染染的的必必要要手手段段。具具体体方方式式有以下三种：有以下三种： 聚合物包膜聚合物包膜 无机物包膜无机物包膜 如用硫磺包裹尿素如用硫磺包裹尿素 肥肥料料包包裹裹肥肥料料 利利用用此此法法可可获获得得多多元元复复合合肥肥，可可同同时时供供给给农农作作物物多多种种营营养养，而而又又不不会会引引入入其其他他聚聚合合物物或或无无机机物物载载体体破破坏坏土土壤壤结结构构。如如磷磷肥肥包包裹裹碳碳铵铵的的控控释释肥肥料料在在我我国国农农业业生生产产中中已已民民用用有有大大量量应应用。用。33D.在其他领域的应用在其他领域的应用 膜膜控控释释香香料料用用于于室室内内芳芳香香、食食品品添添加加剂剂、化化妆妆品品等等防污涂料膜用于船舶防污防污涂料膜用于船舶防污防防鼠鼠涂涂料料膜膜用用于于保保护护飞飞机机场场、铁铁路路、工工厂厂等等单单位位的计算机设备、附属电缆等。的计算机设备、附属电缆等。34
