膜科学与技术.ppt

1,第二章膜过程及应用,膜（分离)过程的主要特性根据下列6个方面加以说明1.分离目的;2.截留物的性质(如，物质的大小);3.透过物的性质（如，电解质或挥发性物质）;4.推动力;5.传质/选择性机理;6.供料流体和渗透流体的相态.,仅供学习参考，请勿侵权,2,2.1微滤Microfiltration,2.1.1特性1.分离目的:得到不含粒子的液体或气体2.截留物的尺寸与性质:0.02-10mm粒子3.透过膜的物质:不含粒子的液体或气体4.推动力:压力差,0.2MPa,仅供学习参考，请勿侵权,3,5.传质/选择性机理:筛分6.供料和渗透物的相态:液体或气体7.流动形式:“死端过滤(dead-endfiltration)”或“错流过滤(cross-flowfiltration)”,仅供学习参考，请勿侵权,4,2.1.2死端过滤与错流过滤的比较,死端过滤:透过液流向与原料液流向一致.错流过滤:透过液流向与原料液流向垂直.,仅供学习参考，请勿侵权,5,理想的错流过滤特性曲线,死端过滤特性曲线,错流过滤可在长时间内保持较大的透过速率。,死端过滤可得到高的浓缩度。,仅供学习参考，请勿侵权,6,2.1.3微滤应用,制药工业的消毒：制药产品中细菌的去除；去除制药产品及其原料中的有机和无机粒子。抗生素的澄清哺乳动物细胞的微过滤饮料的澄清：啤酒，葡萄酒，矿泉水。,仅供学习参考，请勿侵权,7,半导体生产工业中流体的纯化：空气过滤，化学试剂过滤，去离子水过滤。分析化验：微生物化验，粒子污染的监测，微孔膜上细胞生长的研究。反渗透或超滤的预处理。,仅供学习参考，请勿侵权,8,无机膜微滤实验装置,仅供学习参考，请勿侵权,9,2.2超滤Ultrafiltration,UF,2.2.1特性1.分离目的：得到无大分子溶质的溶液，无小分子溶质的大分子溶质溶液，或大分子溶质的分级。2.截留物的尺寸与性质:1-100nm的大分子溶质，对应分子量300-500000。3.透过膜的物质:微小溶质溶液。,仅供学习参考，请勿侵权,10,4.推动力:压力差，0.21MPa5.传质/选择性机理:基本上是筛分6.供料和渗透物的相态:液体7.流动形式:多数是“错流过滤”,仅供学习参考，请勿侵权,11,2.2.2超滤应用,分离电泳漆过程的淋洗水把漆循环到浸渍槽、使淋洗水再利用。酪乳清浓缩分离乳糖中的蛋白质、无机物果汁澄清去除苹果汁中的浊雾成分纺织定径剂纺织品洗净后去除聚乙烯醇,仅供学习参考，请勿侵权,12,酒澄清去除红、白酒中的浊雾成分油/水乳化从焚化废水中浓缩金属切割油（润滑剂）聚合物胶乳从废水中浓缩的胶乳化液脱蜡分离低烷烃中的蜡脱沥青重油脱沥青中溶剂回收/循坏蛋白预浓缩喷雾干燥前的部分脱水,仅供学习参考，请勿侵权,13,发酵液从细胞或细胞屑中分离低分子量有机物治疗剂高岭土浓缩离心前粘土泥浆部分脱水水处理污泥脱水前的浓缩亲合性膜截留非络合蛋白质中的配位络合物反渗透的预处理截留胶体硅、细菌,仅供学习参考，请勿侵权,14,超滤实验装置,仅供学习参考，请勿侵权,15,2.3反渗透Reverseosmosis,RO,2.3.1基本概念渗透(osmosis)现象渗透压VantHoff方程=RTC反渗透压差渗透压差,仅供学习参考，请勿侵权,16,2.3.2RO的特性,1.分离目的：得到不含各种溶质的溶液，微小(分子)溶质浓缩液。2.截留物的尺寸与性质:0.12nm的微小分子溶质(低分子,盐).3.透过膜的物质:微小分子溶质溶液。4.推动力:压力差，1.44.2MPa(低压RO),5.610.5MPa(高压RO),仅供学习参考，请勿侵权,17,5.传质/选择性机理：优先吸附/毛细管流不完全溶解-扩散6.供料和渗透物的相态:液体7.流动形式:多采用“错流过滤”,仅供学习参考，请勿侵权,18,2.3.3RO的应用,海水和苦咸水脱盐废水处理：一般废水，工业和市政废水，电镀废水纸浆和造纸废水，纺织废水地表水和地下水处理纯水制造,仅供学习参考，请勿侵权,19,仅供学习参考，请勿侵权,20,小型纯水装置,仅供学习参考，请勿侵权,21,仅供学习参考，请勿侵权,22,2.4纳滤(nanofiltration,NF),2.4.1纳滤特性“低压反渗透”或“低截留分子量超滤”压差：1MPa截留物的尺寸：1-10nm，(氨基酸，抗生素，染料)膜：荷电膜，中性膜截留数百分子量有机物或无机物，高价离子(大小与低价离子相当，0.1-0.2nm),仅供学习参考，请勿侵权,23,2.4.2纳滤的应用,废水处理：电镀废水，纸浆和造纸废水，染料废水，食品加工废水，其它有害废水。地表水和地下水处理饮用水生产。海水软化与淡化食品、药物、染料等的分离与提纯。,仅供学习参考，请勿侵权,24,2.5透析/渗析（dialysis,D),依浓度差传递低分子量溶质，截留高分子量溶质的过程。过程中常伴有“渗透”，降低了推动力。,2.5.1过程示意,仅供学习参考，请勿侵权,25,2.5.2透析/渗析特性,1.分离目的：得到无微小溶质的大溶质溶液，无大溶质的微小溶质溶液。2.截留物的尺寸:0.001-1m3.透过膜的物质:微小溶质,较小溶质。4.推动力:浓度差,仅供学习参考，请勿侵权,26,5.传质/选择性机理:微孔膜中的筛分,受阻扩散6.供料和渗透物的相态:液体7.流动形式:多采用“错流”,仅供学习参考，请勿侵权,27,2.5.3透析/渗析的应用,血液渗析制药产品的脱盐人造丝工艺过程中回收NaOH电解精制铜工艺过程的硫酸中分离硫酸镍降低啤酒的酒精度数,仅供学习参考，请勿侵权,28,2.6渗析过滤/洗滤（diafiltration,DF),2.6.1过程描述间歇过程：（1）稀释溶液（2）超滤（3）再稀释（4）再超滤。连续过程：稀释（加水）和超滤同时连续进行。,仅供学习参考，请勿侵权,29,2.6.2DF与D的比较1.分离目的一样，都是为了脱除低分子量物质。2.推动力不同。DF为压差，D为浓度差。3.DF实际是一种超滤过程。,仅供学习参考，请勿侵权,30,2.7电渗析（Electrodialysis,ED),2.7.1过程示意,仅供学习参考，请勿侵权,31,过程结果流道2、4中的NaCl被浓缩。流道3中的NaCl被清除。流道1、5分别为阳极室和阴极室，由于电极反应的结果分别含有气体和酸碱，一般废弃不用。,符号C:阳离子交换膜(cationexchangemembrane)A:阴离子交换膜（anionexchangemembrane),电渗析过程示意图说明,仅供学习参考，请勿侵权,32,2.7.2电渗析特性,1.分离目的：得到不含微小离子的溶液，微小离子浓缩液，微小离子分级。2.截留物的尺寸与性质:0.1nm-1nm同名离子，大离子和水3.透过膜的物质:微小离子。,仅供学习参考，请勿侵权,33,4.推动力:电位差5.传质/选择性机理:通过膜的反离子迁移6.供料和渗透物的相态:液体7.流动形式:采用“错流”,仅供学习参考，请勿侵权,34,2.7.3电渗析应用,苦咸水淡化锅炉给水，工艺水食盐生产工业废水食品和医药工业超纯水,仅供学习参考，请勿侵权,35,电渗析装置,仅供学习参考，请勿侵权,36,2.8渗透蒸发（Pervaporation,PV),2.8.1PV过程原理,仅供学习参考，请勿侵权,37,PV过程机理,1溶解扩散汽化（1）组分选择性地溶解在原料液侧表面（2）组分扩散透过膜（3）组分在膜透过侧表面汽化、解吸2汽化溶解扩散（1）膜上游侧料液蒸发形成饱和蒸汽（2）蒸汽组分选择性地溶入膜表面（3）组分扩散透过膜（4）组分在膜透过侧表面解吸,仅供学习参考，请勿侵权,38,2.8.2PV的种类,真空渗透气化热渗透气化（温度梯度渗透气化）载气吹扫渗透气化使用可冷凝载气的渗透气化渗透液冷凝分相后部分循环渗透液部分冷凝的渗透气化,仅供学习参考，请勿侵权,39,2.8.3PV的特性,1.分离目的：富集或贫化一种物质的流体。2.截留物的尺寸与性质:截留分子较大的物质(除高度溶解的外)。3.透过膜的物质:较易溶解/较小/较易挥发的非电解质。（少量物质优先）,仅供学习参考，请勿侵权,40,4.推动力:浓度梯度，温度梯度。5.传质/选择性机理:溶解-扩散.6.供料和渗透物的相态:液体供料，气体渗透物。7.流动形式:采用“错流”,仅供学习参考，请勿侵权,41,2.8.4PV的应用,有机溶剂脱水制高纯溶剂：乙醇、异丙醇脱水已大规模工业应用。PV+精馏经济上有竞争能力脱除水中少量有机溶剂以控制水污染、回收溶剂等：已经过工业规模的论证。溶剂含量0.01%碳吸附溶剂含量0.01%5%PV溶剂含量5%10%精馏、蒸气吹扫、溶剂、萃取、焚烧有机/有机混合物的分离：应用开发最少。PV+精馏经济上有竞争能力,仅供学习参考，请勿侵权,42,2.9膜蒸馏(Membranedistillation,MD),利用疏水膜,以蒸气压差为推动力与蒸馏相同之处:蒸发膜孔内传递冷凝与蒸馏不同之处:常压，低温，可利用废热,2.9.1过程示意与机理,仅供学习参考，请勿侵权,43,2.9.2MD的种类,根据形成蒸气压差的原因分成如下几种:直接接触式膜蒸馏气隙式膜蒸馏低压真空膜蒸馏吹扫气膜蒸馏渗透蒸馏膜渗透蒸馏,仅供学习参考，请勿侵权,44,2.9.3MD的应用,海水淡化超纯水制备非挥发性物质水溶液的浓缩：糖，明胶水溶液；牛奶，果汁；NaOH，NaCl水溶液。挥发性物质水溶液的浓缩和分离：乙醇水溶液，酸溶液。MD+结晶（膜结晶器）MD+生化反应,仅供学习参考，请勿侵权,45,2.10气体膜分离,1.分离目的：富集或贫化一种物质的流体。2.截留物的尺寸与性质:截留分子较大的物质(除高度溶解的外)。3.透过膜的物质:气态,分子较小物质/较易溶解物质4.推动力:浓度梯度(分压差)。,2.10.1过程特性,仅供学习参考，请勿侵权,46,5.传质/选择性机理:无孔膜:溶解-扩散;多孔膜:气体分子动力学原理(只有膜孔小于气体分子的平均自由程才能分离).6.供料和渗透物的相态:气态。7.流动形式:多采用