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1、第三章 膜分离技术3.1 概概 述述 常规的分离过程如精馏、吸收、萃取等，借助于热能、常规的分离过程如精馏、吸收、萃取等，借助于热能、吸收剂和溶剂等媒介，使均相混合物变成两相，原料中各组吸收剂和溶剂等媒介，使均相混合物变成两相，原料中各组分在两相间选择性分配；对分离过程进行工艺计算时，可以分在两相间选择性分配；对分离过程进行工艺计算时，可以简化为一个个的平衡理论级来考虑，分离效果由相平衡关系简化为一个个的平衡理论级来考虑，分离效果由相平衡关系决定。决定。 平衡分离过程平衡分离过程 膜分离过程以选择透过性的薄膜作为分隔两相和物质选择选择透过性的薄膜作为分隔两相和物质选择性透过的屏障；性透过的屏障
2、；在两侧加以某种推动力，利用原料侧各组分透过膜的扩散速率的差异，达到混合物的分离、提纯、浓缩；分离效果的好坏，由各组分通过膜的速率快慢来决定。 速速率分离过程率分离过程 Chap3膜分离技术Iab课件膜分离技术的发展历史膜分离技术的发展历史1748年，Nollet观察到水自发地通过半透膜渗透进入乙醇中1864年，Traube成功研制成人类历史上策一片人造膜-亚铁氰化铜膜。1930年代，微滤膜的工业生产（微生物过滤）1950年代，离子交换膜的产生和电渗析的工业应用1960年代初，Loeb和Sourirajan利用相转化制膜法制备第一张实用的反渗透膜；反渗透淡化海水进入工业应用1970年代，超滤的
3、工业应用1980年代，气体分离膜的工业应用1990年代，纳滤和渗透汽化的工业应用Chap3膜分离技术Iab课件膜的分离特性膜的分离特性选择性选择性 目标产物和杂质之间的分离选择性透过液中的相对含量与原料液中相对含量之比透过通量透过通量 单位时间单位膜面积上，透过溶剂（或溶质）的量膜的处理能力 截留率 对被分离体系中一种或多种物质的截留程度截留率( ) 1渗透液的浓度(CF) / 原料液的浓度(CB)Chap3膜分离技术Iab课件Chap3膜分离技术Iab课件Chap3膜分离技术Iab课件Chap3膜分离技术Iab课件膜和被分离物系的相态膜和被分离物系的相态=分离物质的状态分：液体分离膜和气体分
4、离膜。液体分离膜液体分离膜： 微滤、超滤、渗析、电渗析、纳滤、反渗透、 渗透汽化、膜蒸馏、膜萃取等气体分离膜：气体分离膜： 气体分离、蒸汽渗透、膜吸收等=膜的状态 固膜、液膜、气态膜。Chap3膜分离技术Iab课件膜材料的分类膜材料的分类 天然高分子材料天然高分子材料 纤维素类纤维素类 二醋酸纤维素、硝酸纤维素二醋酸纤维素、硝酸纤维素合成高分子材料：合成高分子材料： 聚酰胺类聚酰胺类 芳香聚酰胺、芳香聚酰胺酰肼芳香聚酰胺、芳香聚酰胺酰肼 芳香杂环类芳香杂环类 聚酰亚胺、聚苯并咪唑聚酰亚胺、聚苯并咪唑 聚砜类聚砜类 聚砜、聚醚砜聚砜、聚醚砜 聚烯烃类聚烯烃类 聚乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇聚乙烯、聚
5、丙烯腈、聚乙烯醇 硅橡胶类硅橡胶类 聚三甲基硅烷丙炔、聚乙烯基三甲基硅烷聚三甲基硅烷丙炔、聚乙烯基三甲基硅烷 含氟聚合物含氟聚合物 聚全氟磺酸、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯聚全氟磺酸、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯 其它其它 聚碳酸酯、聚电解质聚碳酸酯、聚电解质无机材料：无机材料：陶瓷、玻璃、 氧化铝、金属(碳素)、沸石等。耐高温和腐蚀；膜加工成本高。Chap3膜分离技术Iab课件对膜材料的要求 良好的成膜性能和物化稳定性，耐酸、碱、微生物侵蚀和耐氧化等。RO、NF、UF、MF亲水性，高水通量GP、Pervaporization对透过组分优先吸附溶解和优先扩散ED耐酸碱，热稳定性好膜萃取能耐受有机溶剂Cha
6、p3膜分离技术Iab课件Chap3膜分离技术Iab课件膜分离技术是一种效率较高的分离手段，在分离工膜分离技术是一种效率较高的分离手段，在分离工程中具有重要作用。程中具有重要作用。膜分离技术膜分离技术不涉及相变不涉及相变（渗透蒸发等除外），对（渗透蒸发等除外），对能量能量要求低要求低，较之蒸馏、结晶、蒸发等需要输入能量的过程，较之蒸馏、结晶、蒸发等需要输入能量的过程有很大差异；有很大差异；膜分离的膜分离的操作条件一般都较温和操作条件一般都较温和，适用于热敏性物质，适用于热敏性物质的分离，如果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩的分离，如果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩装置简单、操作方便、装置简单、
7、操作方便、结构紧凑、易于放大、维修费结构紧凑、易于放大、维修费用低、易于自动化用低、易于自动化Chap3膜分离技术Iab课件Chap3膜分离技术Iab课件Chap3膜分离技术Iab课件 反渗透膜无明显孔道结构，分离原理是溶解溶解 扩散扩散。多采用热力学方程描述反渗透过程，而不考虑膜的结构和性质，其中溶解扩散模型简单实用。体积通量 JV 反渗透膜对小分子溶质的高截留率，膜两侧渗透压差较大， 且反渗透膜阻力较大，为保证反渗透操作流量，反渗透需要较高的操作压力(1.0-10MPa) 。反渗透时截留率反渗透时截留率 R 反渗透膜对无机盐的截留率较高，R 1. 所以，CFCB。对海水一级淡化，膜的脱盐率
8、必须大于99；但对一级苦咸水而言，需达到9095。但由于浓差极化现象的存在，实际脱盐效率低于膜截留率所反映出来的效率。Chap3膜分离技术Iab课件Chap3膜分离技术Iab课件根根据据稳态时的物料衡算：稳态时的物料衡算：即即对上式在下列边界条件积分：对上式在下列边界条件积分：Z0，CCB ；Zl， CCm得到得到Chap3膜分离技术Iab课件 浓差极化下的溶剂通量为浓差极化下的溶剂通量为浓差极化特性浓差极化特性浓差极化是一个可逆过程。在膜过程运行中产生存在，停止运行，浓差极化逐渐消失。浓差极化与操作条件相关，可通过降低膜两侧压差，减小料液中溶质浓度，改善膜面流体力学条件，来减轻浓差极化程度，
9、提高膜的透过流量。Chap3膜分离技术Iab课件Chap3膜分离技术Iab课件 为减轻浓差极化的影响，可采取以下措施：为减轻浓差极化的影响，可采取以下措施：提高料液流速、提高料液流速、增强料液的湍流强度，提高操作温度，对膜面定期清洗增强料液的湍流强度，提高操作温度，对膜面定期清洗膜膜 污污 染染膜污染是指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质等与膜存膜污染是指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质等与膜存在物理化学作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸在物理化学作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，膜产生透过流量与分离附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，膜产生透过流量与分离特性
10、的不可逆变化。特性的不可逆变化。 膜的清洗一般选择水、盐溶液、稀酸、稀碱、表面活性剂、络合剂、氧化剂和酶溶液等为清洗剂。 为保证膜分离高效稳定运行，须定期对膜进行清洗，除去膜表面和膜孔内污染物。Chap3膜分离技术Iab课件反渗透的应用反渗透的应用：反渗透广泛用在海水、苦咸水淡化，纯水制备，化工工艺的浓缩、分离、提纯，废水处理等方面。 清洗操作造成分离成本增高。 采用有效清洗的同时，需措施减轻膜污染。 RO系统的预处理至少应考虑5微米的保安过滤在内的最基本预处理配备。当原水化学成分复杂时，其预处理包括：混凝、絮凝、过滤、加氯、光氧化、脱氯、吸附等。 Chap3膜分离技术Iab课件 纳滤操作的原
11、理与反渗透相近(溶解扩散)。纳滤膜的表面分离层含有聚电解质，带有静电基团，与离子有静电相互作用，对无机盐体现出一定的截留能力。 纳滤膜的截留性能介于超滤膜和反渗透(RO)膜之间。纳滤纳滤(Nanofiltration) 纳滤出现1970年代末，在反渗透基础上发展而来。纳滤膜大多是复合膜，膜表面分离层有孔径约lnm的微孔结构，故而称为“纳滤”。Chap3膜分离技术Iab课件 与反渗透相比，纳滤膜对Na+和Cl- 等一价离子的截留率较低；但对Ca2+、Mg2+、SO42-等二价离子及除草剂、农药、色素、染料、抗生素、多肽和氨基酸等小分子量（200-1000）物质的截留率很高。 水在纳滤膜中的渗透速
12、率远大于反渗透膜;当需要对低浓度的二价离子和分子量在500到数千Da的溶质进行截留浓缩时，选择纳滤比使用反渗透经济（更低的压差和更高的通量）。 Chap3膜分离技术Iab课件超滤超滤(Ultrafiltration) 超滤也是以压力差为推动力的一种膜过程。超超滤也是以压力差为推动力的一种膜过程。超滤膜具有明显的孔道结构，利用膜的筛分性能，将滤膜具有明显的孔道结构，利用膜的筛分性能，将溶液中的大分子溶质截留，使这些大分子溶质与溶溶液中的大分子溶质截留，使这些大分子溶质与溶剂和小分子溶质分离。剂和小分子溶质分离。 超滤过程中，膜孔大小和形状对分离起主要超滤过程中，膜孔大小和形状对分离起主要作用，而
13、膜的物化性质对分离性能影响不大。作用，而膜的物化性质对分离性能影响不大。Chap3膜分离技术Iab课件 UF膜孔径较膜孔径较MF膜小，根据大分子与小分子溶质间膜小，根据大分子与小分子溶质间分子大小的差别进行分离，适用于分离或浓缩直径分子大小的差别进行分离，适用于分离或浓缩直径2-50nm的生物大分子的生物大分子(分子量从分子量从1000 到到1000000 Da)。 UF中，膜两侧渗透压差较小，其操作压力（一般中，膜两侧渗透压差较小，其操作压力（一般0.1-1.0MPa）比）比RO低。低。 由于超滤过程的对象是大分子，膜的孔径常用由于超滤过程的对象是大分子，膜的孔径常用被截留分子的分子量大小来表征，膜的被截留分子的分子量大小来表征，膜的截留率截留率与与截截留分子量留分子量有关。有关。Chap3膜分离技术Iab课件Chap3膜分离技术Iab课件Chap3膜分离技术Iab课件Chap3膜分离技术Iab课件Chap3膜分离技术Iab课件 微滤是应用很普遍的一项膜分离技术。工业上，微滤主要用于将大于0.1m的粒子与溶液分开的场合。应用案例： 制药行业：除菌过滤 电子工业：超纯水的制备，半导体制造中各种药剂和气体的精制、过滤 生物化工： 除杂菌，菌体浓缩分离，发酵产品和菌体的分离 水处理：水中悬浮物、微小粒子和细菌的去除。微滤膜的应用微滤膜的应用Chap3膜分离技术Iab课件
